この記事の要点
点を増やす 環 A A A の素イデアルをすべて「点」とみなした空間が Spec A \operatorname{Spec}A Spec A です。第1回の点(極大イデアル)に加えて、曲線や平面全体に対応する点が現れます。
生成点 閉包が曲線全体になるような点を、その曲線の生成点 と呼びます。Spec A \operatorname{Spec}A Spec A では、既約な閉集合とその生成点 がちょうど1対1に対応します。
例を比べる Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z 、Spec k [ x ] \operatorname{Spec}k[x] Spec k [ x ] 、Spec Z ( 5 ) \operatorname{Spec}\mathbb{Z}_{(5)} Spec Z ( 5 ) 、Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] 、Spec k [ x ] / ( x 2 ) \operatorname{Spec}k[x]/(x^2) Spec k [ x ] / ( x 2 ) 、Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ] を図で比べます。整数の環と多項式環が同じ形の空間になり、x x x と x 2 x^2 x 2 の違いが「重なった点」として残ります。
図の見方 Spec の図では、閉点を床に置き、閉包が d d d 次元の点を高さ d d d に浮かべます。真上から見ると第1回と同じ図に見え、横に回すと、増えた点が段に分かれて見えます。
証明は、ステップの流れだけを短く書いています。「詳しく」の付いた行をクリックすると、そのステップの詳しい説明が開きます。説明の中にも開ける行があります。
定義・命題・定理には、記事全体で通し番号を振っています。
もう少し詳しく は補足、専門的な話 は先の回につながる話題です。どちらも開かずに読み進められます。
各ブロックの「AIに質問」を押すと、その部分の内容を入れた質問文で、お使いのAIを開けます。
前回の宿題
第1回 では、体 k k k が代数閉体 のとき、アフィン空間の点と多項式環の極大イデアルが1対1に対応することを見ました。最後のまとめの表には、次の2つの気になる点が残りました。
点に対応するのは極大イデアルだけです。k [ x , y ] k[x,y] k [ x , y ] の素イデアル ( y − x 2 ) (y-x^2) ( y − x 2 ) は放物線という図形に対応しますが、1つの点には対応しません。
零点集合からは x x x と x 2 x^2 x 2 の違いが分かりません。V ( x ) = V ( x 2 ) V(x)=V(x^2) V ( x ) = V ( x 2 ) なので、根基イデアルでないイデアルは、零点集合の言葉では表せません。
この記事では、1つめの点に「素イデアルをすべて点とみなす」という答えを出します。そうして作る空間が Spec A \operatorname{Spec}A Spec A です。
2つめの点についても、Spec k [ x ] / ( x 2 ) \operatorname{Spec}k[x]/(x^2) Spec k [ x ] / ( x 2 ) という例で、何が残り何が見えないかを確かめます。
この記事で扱うのは、位相空間としての Spec A \operatorname{Spec}A Spec A だけです。参考文献のハーツホーン『代数幾何学』では、Spec A \operatorname{Spec}A Spec A に関数の情報(構造層)を載せたものまでを A A A のスペクトラムと呼んでいます[1 , §II.2, p.96–97] 。構造層は次回の層と茎の回で扱います。
ハーツホーンは素イデアルを p \mathfrak{p} p と書きますが、この連載では P P P と書きます。
Spec:素イデアルを点にする
環はすべて単位元をもつ可換環とします。
定義1 素スペクトル [1 , §II.2, p.95; 2 , 演習問題1.15, p.19]
環 A A A の素イデアル全体の集合を Spec A \operatorname{Spec}A Spec A と書き、A A A の素スペクトル と呼ぶ。Spec A \operatorname{Spec}A Spec A の元を点 と呼ぶ。部分集合 S ⊆ A S\subseteq A S ⊆ A に対して
V ( S ) = { P ∈ Spec A ∣ S ⊆ P } V(S)=\{\,P\in\operatorname{Spec}A \mid S\subseteq P\,\} V ( S ) = { P ∈ Spec A ∣ S ⊆ P }
とおく。
第1回の V ( S ) V(S) V ( S ) は「S S S の式がすべて0になる点の集合」でした。ここでは「S S S を含む素イデアルの集合」と定義しています。この2つが同じ考え方であることは、点での関数の値を次のように決めると分かります。
定義2 剰余体と値
P ∈ Spec A P\in\operatorname{Spec}A P ∈ Spec A とする。A / P A/P A / P は整域 なので、その商体
κ ( P ) = Frac ( A / P ) \kappa(P)=\operatorname{Frac}(A/P) κ ( P ) = Frac ( A / P )
が作れる。これを点 P P P の剰余体 と呼ぶ。f ∈ A f\in A f ∈ A の κ ( P ) \kappa(P) κ ( P ) での像を f ( P ) f(P) f ( P ) と書き、点 P P P での f f f の値 と呼ぶ。
f ( P ) f(P) f ( P ) は、f f f を P P P で割った余りを、体 κ ( P ) \kappa(P) κ ( P ) の元とみたものです。矢印で書くと、値をとる操作は次の2段の写像です。
A ⟶ A / P ↪ κ ( P ) = Frac ( A / P ) f ⟼ f + P ⟼ f ( P ) \begin{array}{ccccc} A & \longrightarrow & A/P & \hookrightarrow & \kappa(P)=\operatorname{Frac}(A/P) \\ f & \longmapsto & f+P & \longmapsto & f(P) \end{array} A f ⟶ ⟼ A / P f + P ↪ ⟼ κ ( P ) = Frac ( A / P ) f ( P )
1つめの矢印は P P P で割った余りをとる写像、2つめは整域 をその分数体に埋め込む写像です。2つめは単射なので、定義から
f ( P ) = 0 ⟺ f + P = 0 ⟺ f ∈ P f(P)=0 \iff f+P=0 \iff f\in P f ( P ) = 0 ⟺ f + P = 0 ⟺ f ∈ P
です。よって V ( S ) V(S) V ( S ) は「S S S のすべての元の値が0になる点の集合」です。第1回の零点集合と同じ形になりました。
値の入る体 κ ( P ) \kappa(P) κ ( P ) が点ごとに違うことに注意してください。いくつか例を見ます。
まず A = Z A=\mathbb{Z} A = Z 、f = 12 f=12 f = 12 とします。素数 p p p に対して Z / ( p ) = F p \mathbb{Z}/(p)=\mathbb{F}_p Z / ( p ) = F p はすでに体なので、κ ( ( p ) ) = F p \kappa((p))=\mathbb{F}_p κ (( p )) = F p で、値は p p p で割った余りです。点 ( 0 ) (0) ( 0 ) では Z / ( 0 ) = Z \mathbb{Z}/(0)=\mathbb{Z} Z / ( 0 ) = Z なので、κ ( ( 0 ) ) = Q \kappa((0))=\mathbb{Q} κ (( 0 )) = Q です。
f ( ( 2 ) ) = 12 m o d 2 = 0 ∈ F 2 , f ( ( 3 ) ) = 12 m o d 3 = 0 ∈ F 3 , f ( ( 5 ) ) = 12 m o d 5 = 2 ∈ F 5 , f ( ( 7 ) ) = 12 m o d 7 = 5 ∈ F 7 , f ( ( 0 ) ) = 12 ∈ Q . \begin{aligned} f((2)) &= 12 \bmod 2 = 0 \in\mathbb{F}_2, \\ f((3)) &= 12 \bmod 3 = 0 \in\mathbb{F}_3, \\ f((5)) &= 12 \bmod 5 = 2 \in\mathbb{F}_5, \\ f((7)) &= 12 \bmod 7 = 5 \in\mathbb{F}_7, \\ f((0)) &= 12 \in\mathbb{Q}. \end{aligned} f (( 2 )) f (( 3 )) f (( 5 )) f (( 7 )) f (( 0 )) = 12 mod 2 = 0 ∈ F 2 , = 12 mod 3 = 0 ∈ F 3 , = 12 mod 5 = 2 ∈ F 5 , = 12 mod 7 = 5 ∈ F 7 , = 12 ∈ Q .
値が0になるのは、12 = 2 2 ⋅ 3 12=2^2\cdot 3 12 = 2 2 ⋅ 3 を割り切る素数の点だけです。よって
V ( 12 ) = { ( 2 ) , ( 3 ) } V(12)=\{(2),(3)\} V ( 12 ) = {( 2 ) , ( 3 )}
です。
次は A = k [ x , y ] A=k[x,y] A = k [ x , y ] で、P = ( x − a , y − b ) P=(x-a,\ y-b) P = ( x − a , y − b ) とします。f ↦ f ( a , b ) f\mapsto f(a,b) f ↦ f ( a , b ) で A / P ≅ k A/P\cong k A / P ≅ k となるので、f ( P ) f(P) f ( P ) は普通の値 f ( a , b ) f(a,b) f ( a , b ) です。例えば f = y − x 2 f=y-x^2 f = y − x 2 なら、点 ( x − 1 , y − 1 ) (x-1,\ y-1) ( x − 1 , y − 1 ) と点 ( x , y − 1 ) (x,\ y-1) ( x , y − 1 ) で
f ( ( x − 1 , y − 1 ) ) = 1 − 1 2 = 0 , f ( ( x , y − 1 ) ) = 1 − 0 2 = 1 \begin{aligned} f\big((x-1,\ y-1)\big) &= 1-1^2=0, \\ f\big((x,\ y-1)\big) &= 1-0^2=1 \end{aligned} f ( ( x − 1 , y − 1 ) ) f ( ( x , y − 1 ) ) = 1 − 1 2 = 0 , = 1 − 0 2 = 1
です。
A = k [ x , y ] A=k[x,y] A = k [ x , y ] 、P = ( y − x 2 ) P=(y-x^2) P = ( y − x 2 ) とします。x ↦ t , y ↦ t 2 x\mapsto t,\ y\mapsto t^2 x ↦ t , y ↦ t 2 で A / P ≅ k [ t ] A/P\cong k[t] A / P ≅ k [ t ] となるので、κ ( P ) = k ( t ) \kappa(P)=k(t) κ ( P ) = k ( t ) で、f ( P ) = f ( t , t 2 ) f(P)=f(t,t^2) f ( P ) = f ( t , t 2 ) です。これは f f f を放物線に制限した関数です。
( y − x ) ( P ) = t 2 − t ≠ 0 , ( y 2 − x 4 ) ( P ) = t 4 − t 4 = 0. \begin{aligned} (y-x)(P) &= t^2-t \neq 0, \\ (y^2-x^4)(P) &= t^4-t^4 = 0. \end{aligned} ( y − x ) ( P ) ( y 2 − x 4 ) ( P ) = t 2 − t = 0 , = t 4 − t 4 = 0.
2つめは y 2 − x 4 = ( y − x 2 ) ( y + x 2 ) y^2-x^4=(y-x^2)(y+x^2) y 2 − x 4 = ( y − x 2 ) ( y + x 2 ) が P P P に入ることと合っています。k k k が無限体 なら、値 f ( t , t 2 ) f(t,t^2) f ( t , t 2 ) が0になるのは、f f f が放物線の上のすべての点で0になるときです。
最後に A = k [ x , y ] A=k[x,y] A = k [ x , y ] 、P = ( 0 ) P=(0) P = ( 0 ) なら、κ ( P ) = k ( x , y ) \kappa(P)=k(x,y) κ ( P ) = k ( x , y ) で、値は f f f そのものです。0でない f f f の値は0になりません。
素イデアル P P P が小さくなるにつれて、値は「数」から「曲線の上の関数」、「平面全体の関数」へと変わっていきます。点の種類ごとに、同じ f = y − x 2 f=y-x^2 f = y − x 2 の値を並べると次のようになります(上から順に包含の鎖になっているわけではありません)。
P κ ( P ) f ( P ) ( x , y − 1 ) k 1 ( y ) k ( x ) − x 2 ( y − x 2 ) k ( t ) 0 ( 0 ) k ( x , y ) y − x 2 \begin{array}{c|c|c} P & \kappa(P) & f(P) \\ \hline (x,\ y-1) & k & 1 \\ (y) & k(x) & -x^2 \\ (y-x^2) & k(t) & 0 \\ (0) & k(x,y) & y-x^2 \end{array} P ( x , y − 1 ) ( y ) ( y − x 2 ) ( 0 ) κ ( P ) k k ( x ) k ( t ) k ( x , y ) f ( P ) 1 − x 2 0 y − x 2
点 ( y ) (y) ( y ) では A / ( y ) ≅ k [ x ] A/(y)\cong k[x] A / ( y ) ≅ k [ x ] (y ↦ 0 y\mapsto0 y ↦ 0 )なので、値は y y y に0を入れた − x 2 -x^2 − x 2 です。
V V V は、第1回の V V V とほぼ同じ性質をもちます。
命題3 [1 , 補題2.1, p.95; 2 , 演習問題1.15, p.19]
A A A を環、J , K J,K J , K をイデアル、S λ S_\lambda S λ (λ ∈ Λ \lambda\in\Lambda λ ∈ Λ )を部分集合とする。
(1) V ( 0 ) = Spec A V(0)=\operatorname{Spec}A V ( 0 ) = Spec A 、V ( 1 ) = ∅ V(1)=\varnothing V ( 1 ) = ∅ 。 (2) ⋂ λ V ( S λ ) = V ( ⋃ λ S λ ) \bigcap_\lambda V(S_\lambda)=V\big(\bigcup_\lambda S_\lambda\big) ⋂ λ V ( S λ ) = V ( ⋃ λ S λ ) 。 (3) V ( J ) ∪ V ( K ) = V ( J K ) = V ( J ∩ K ) V(J)\cup V(K)=V(JK)=V(J\cap K) V ( J ) ∪ V ( K ) = V ( J K ) = V ( J ∩ K ) 。 (4) V ( J ) ⊆ V ( K ) ⟺ K ⊆ J V(J)\subseteq V(K)\iff\sqrt{K}\subseteq\sqrt{J} V ( J ) ⊆ V ( K ) ⟺ K ⊆ J 。とくに V ( J ) = V ( J ) V(J)=V(\sqrt{J}) V ( J ) = V ( J ) 。
証明 開く 閉じる すべて開く すべて閉じる
(1) どの
素イデアルも0を含み、1は含まない(素イデアルは A A A と異なる)。 (2) 「
P P P が
すべての S λ S_\lambda S λ を含む」と「P P P が和集合 ⋃ λ S λ \bigcup_\lambda S_\lambda ⋃ λ S λ を含む」は同じ条件である。 (3)
J K ⊆ J ∩ K ⊆ J , K JK\subseteq J\cap K\subseteq J,\,K J K ⊆ J ∩ K ⊆ J , K から
V ( J ) ∪ V ( K ) ⊆ V ( J ∩ K ) ⊆ V ( J K ) V(J)\cup V(K)\subseteq V(J\cap K)\subseteq V(JK) V ( J ) ∪ V ( K ) ⊆ V ( J ∩ K ) ⊆ V ( J K ) 。
残りは V ( J K ) ⊆ V ( J ) ∪ V ( K ) V(JK)\subseteq V(J)\cup V(K) V ( J K ) ⊆ V ( J ) ∪ V ( K ) 。P ⊇ J K P\supseteq JK P ⊇ J K かつ P ⊉ J P\not\supseteq J P ⊇ J なら P ⊇ K P\supseteq K P ⊇ K を示す。詳しく 閉じる
P ⊉ J P\not\supseteq J P ⊇ J なので、
f ∉ P f\notin P f ∈ / P と
なる f ∈ J f\in J f ∈ J がある。 任意の
g ∈ K g\in K g ∈ K に
ついて f g ∈ J K ⊆ P fg\in JK\subseteq P f g ∈ J K ⊆ P 。 P P P は
素イデアルで f ∉ P f\notin P f ∈ / P なので g ∈ P g\in P g ∈ P 。よって K ⊆ P K\subseteq P K ⊆ P 。 (4) 根基は
「それを含む素イデアル全体の共通部分」である:J = ⋂ P ⊇ J P \sqrt{J}=\bigcap_{P\supseteq J}P J = ⋂ P ⊇ J P [2 , 命題1.14, p.13] 。これを使う。 (⇐ \Leftarrow ⇐ ) P ⊇ J P\supseteq J P ⊇ J なら P ⊇ J ⊇ K ⊇ K P\supseteq\sqrt{J}\supseteq\sqrt{K}\supseteq K P ⊇ J ⊇ K ⊇ K 。詳しく 閉じる
f ∈ J f\in\sqrt{J} f ∈ J なら、ある n n n で f n ∈ J ⊆ P f^n\in J\subseteq P f n ∈ J ⊆ P 。P P P は素イデアルなので f ∈ P f\in P f ∈ P 。よって J ⊆ P \sqrt{J}\subseteq P J ⊆ P 。
(⇒ \Rightarrow ⇒ ) J J J を含むどの素イデアルも K K K を含むので、K ⊆ ⋂ P ⊇ J P = J K\subseteq\bigcap_{P\supseteq J}P=\sqrt{J} K ⊆ ⋂ P ⊇ J P = J 。両辺の根基をとって K ⊆ J \sqrt{K}\subseteq\sqrt{J} K ⊆ J 。詳しく 閉じる
J = J \sqrt{\sqrt{J}}=\sqrt{J} J = J を使う。f n ∈ J f^n\in\sqrt{J} f n ∈ J なら、ある m m m で f n m = ( f n ) m ∈ J f^{nm}=(f^n)^m\in J f nm = ( f n ) m ∈ J となり、f ∈ J f\in\sqrt{J} f ∈ J 。
最後の
主張は、J = J \sqrt{\sqrt J}=\sqrt J J = J なので (4) を両向きに使えばよい。
例4 Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z で命題を確かめる
Z \mathbb{Z} Z では、m ≠ 0 m\neq0 m = 0 について V ( m ) V(m) V ( m ) は m m m を割り切る素数 p p p の点 ( p ) (p) ( p ) の集合である(( p ) ⊇ ( m ) ⟺ p ∣ m (p)\supseteq(m)\iff p\mid m ( p ) ⊇ ( m ) ⟺ p ∣ m )。これを使うと、命題3 の各項は次のようになる。
(2) 共通部分は、生成されるイデアルの V V V になる(素イデアルが S S S を含めば、S S S が生成するイデアル ( S ) (S) ( S ) も含むので V ( S ) = V ( ( S ) ) V(S)=V((S)) V ( S ) = V (( S )) )。( 12 , 18 ) = ( gcd ( 12 , 18 ) ) = ( 6 ) (12,18)=(\gcd(12,18))=(6) ( 12 , 18 ) = ( g cd( 12 , 18 )) = ( 6 ) なので
V ( 12 ) ∩ V ( 18 ) = V ( { 12 , 18 } ) = V ( ( 12 , 18 ) ) = V ( 6 ) = { ( 2 ) , ( 3 ) } . \begin{aligned} V(12)\cap V(18) &= V(\{12,18\})=V\big((12,18)\big) \\ &= V(6)=\{(2),(3)\}. \end{aligned} V ( 12 ) ∩ V ( 18 ) = V ({ 12 , 18 }) = V ( ( 12 , 18 ) ) = V ( 6 ) = {( 2 ) , ( 3 )} .
(3) ( 12 ) ( 10 ) = ( 120 ) (12)(10)=(120) ( 12 ) ( 10 ) = ( 120 ) 、( 12 ) ∩ ( 10 ) = ( lcm ( 12 , 10 ) ) = ( 60 ) (12)\cap(10)=(\operatorname{lcm}(12,10))=(60) ( 12 ) ∩ ( 10 ) = ( lcm ( 12 , 10 )) = ( 60 ) で、どちらの素因数も 2 , 3 , 5 2,3,5 2 , 3 , 5 なので
V ( 12 ) ∪ V ( 10 ) = { ( 2 ) , ( 3 ) } ∪ { ( 2 ) , ( 5 ) } = { ( 2 ) , ( 3 ) , ( 5 ) } = V ( 120 ) = V ( 60 ) . \begin{aligned} V(12)\cup V(10) &= \{(2),(3)\}\cup\{(2),(5)\} \\ &= \{(2),(3),(5)\} \\ &= V(120)=V(60). \end{aligned} V ( 12 ) ∪ V ( 10 ) = {( 2 ) , ( 3 )} ∪ {( 2 ) , ( 5 )} = {( 2 ) , ( 3 ) , ( 5 )} = V ( 120 ) = V ( 60 ) .
(4) ( 12 ) = ( 6 ) \sqrt{(12)}=(6) ( 12 ) = ( 6 ) なので V ( 12 ) = V ( 6 ) V(12)=V(6) V ( 12 ) = V ( 6 ) 。同じように ( 8 ) = ( 2 ) \sqrt{(8)}=(2) ( 8 ) = ( 2 ) なので V ( 8 ) = V ( 2 ) = { ( 2 ) } V(8)=V(2)=\{(2)\} V ( 8 ) = V ( 2 ) = {( 2 )} で、V V V からは 8 8 8 と 2 2 2 の違いが見えない。
多項式環でも同じ計算ができます。k k k を代数閉体 とすると、k [ x ] k[x] k [ x ] では ( x 2 ) = ( x ) \sqrt{(x^2)}=(x) ( x 2 ) = ( x ) なので、第1回と同じく
V ( x 2 ) = V ( x ) = { ( x ) } V(x^2)=V(x)=\{(x)\} V ( x 2 ) = V ( x ) = {( x )}
です。k [ x , y ] k[x,y] k [ x , y ] では (3) から
V ( x y ) = V ( ( x ) ( y ) ) = V ( x ) ∪ V ( y ) V(xy)=V\big((x)(y)\big)=V(x)\cup V(y) V ( x y ) = V ( ( x ) ( y ) ) = V ( x ) ∪ V ( y )
となり、2本の座標軸の和になります。V ( x ) V(x) V ( x ) と V ( y ) V(y) V ( y ) の共通部分は、(2) から V ( x , y ) = { ( x , y ) } V(x,y)=\{(x,y)\} V ( x , y ) = {( x , y )} 、つまり原点だけです。
(1)〜(3) は、V ( S ) V(S) V ( S ) の形の集合が閉集合の公理 をみたすことを言っています。
定義5 ザリスキー位相 [1 , p.96; 2 , 演習問題1.15, p.19]
V ( S ) V(S) V ( S ) (S ⊆ A S\subseteq A S ⊆ A )の形の集合を閉集合とする Spec A \operatorname{Spec}A Spec A の位相を、ザリスキー位相 と呼ぶ。
第1回の補足(専門的な話)で紹介したザリスキー位相と同じ形の定義です。違いは、点の集合が素イデアル全体に増えたことだけです。
開集合は閉集合の補集合です。例えば Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z で V ( 12 ) V(12) V ( 12 ) の補集合をとると
Spec Z ∖ V ( 12 ) = { ( 0 ) } ∪ { ( p ) ∣ p ≠ 2 , 3 } = { ( 0 ) , ( 5 ) , ( 7 ) , ( 11 ) , ( 13 ) , … } \begin{aligned} \operatorname{Spec}\mathbb{Z}\setminus V(12) &= \{(0)\}\cup\{(p)\mid p\neq2,3\} \\ &= \{(0),(5),(7),(11),(13),\dots\} \end{aligned} Spec Z ∖ V ( 12 ) = {( 0 )} ∪ {( p ) ∣ p = 2 , 3 } = {( 0 ) , ( 5 ) , ( 7 ) , ( 11 ) , ( 13 ) , … }
で、これは「12 12 12 の値が0でない点の集合」です。生成点 ( 0 ) (0) ( 0 ) がこの開集合に入っていることに注意してください。
閉包と生成点
点が増えると、1点だけからなる集合が閉集合になるとは限らなくなります。点 P P P の閉包は、P P P を含む素イデアルの全体です。
命題6 [2 , 演習問題1.18, p.20]
P ∈ Spec A P\in\operatorname{Spec}A P ∈ Spec A とする。
(1) 1点集合 { P } \{P\} { P } の閉包は V ( P ) V(P) V ( P ) である。 (2) Q Q Q が { P } \{P\} { P } の閉包に入る ⟺ \iff ⟺ P ⊆ Q P\subseteq Q P ⊆ Q 。 (3) { P } \{P\} { P } が閉集合 ⟺ \iff ⟺ P P P は極大イデアル。
証明 開く 閉じる すべて開く すべて閉じる
(1) V ( P ) V(P) V ( P ) は P P P を含む閉集合である。逆に、P P P を含む閉集合 V ( S ) V(S) V ( S ) はどれも V ( P ) V(P) V ( P ) を含む。よって最小の閉集合は V ( P ) V(P) V ( P ) 。詳しく 閉じる
P ∈ V ( S ) P\in V(S) P ∈ V ( S ) は S ⊆ P S\subseteq P S ⊆ P という意味である。このとき、Q ⊇ P Q\supseteq P Q ⊇ P となる素イデアル Q Q Q は Q ⊇ S Q\supseteq S Q ⊇ S もみたすので、V ( P ) ⊆ V ( S ) V(P)\subseteq V(S) V ( P ) ⊆ V ( S ) 。閉包は P P P を含む閉集合すべての共通部分なので、V ( P ) V(P) V ( P ) に等しい。
(2) (1) と
V ( P ) V(P) V ( P ) の
定義から従う。 (3) (1) から、{ P } \{P\} { P } が閉集合であることは V ( P ) = { P } V(P)=\{P\} V ( P ) = { P } 、つまり「P P P を真に含む素イデアルがない」ことと同じ。これは P P P が極大であることと同値である。詳しく 閉じる
P P P が
極大なら、P P P を含む素イデアル Q Q Q は A A A と異なるので Q = P Q=P Q = P 。 P P P が極大でなければ、P P P を真に含む極大イデアル M M M がある。極大イデアルは素イデアルなので、M ∈ V ( P ) ∖ { P } M\in V(P)\setminus\{P\} M ∈ V ( P ) ∖ { P } 。詳しく 閉じる
P ⊊ J ⊊ A P\subsetneq J\subsetneq A P ⊊ J ⊊ A となるイデアル J J J があるとき、J J J を含む極大イデアルが存在する(ツォルンの補題による。どの真のイデアルも、ある極大イデアルに含まれる)。
極大イデアルに対応する点を閉点 と呼びます。第1回の点は、すべて閉点でした。新しく増えた点は閉点ではなく、その閉包は自分より大きな集合になります。
Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z で確かめます。( 0 ) (0) ( 0 ) はどの素イデアルにも含まれ、( 7 ) (7) ( 7 ) を真に含む素イデアルはないので
{ ( 0 ) } ‾ = V ( 0 ) = Spec Z , { ( 7 ) } ‾ = V ( 7 ) = { ( 7 ) } \begin{aligned} \overline{\{(0)\}} &= V(0)=\operatorname{Spec}\mathbb{Z}, \\ \overline{\{(7)\}} &= V(7)=\{(7)\} \end{aligned} {( 0 )} {( 7 )} = V ( 0 ) = Spec Z , = V ( 7 ) = {( 7 )}
です({ P } ‾ \overline{\{P\}} { P } は { P } \{P\} { P } の閉包)。( 7 ) (7) ( 7 ) は極大イデアルなので閉点で、( 0 ) (0) ( 0 ) は極大でないので閉点ではありません。
(2) は、包含の向きが逆になることを言っています。素イデアル P P P が小さいほど、点 P P P の閉包は大きくなります。例えば k [ x , y ] k[x,y] k [ x , y ] の中で
y − x 2 = ( y − 1 ) − ( x + 1 ) ( x − 1 ) ∈ ( x − 1 , y − 1 ) y-x^2=(y-1)-(x+1)(x-1)\in(x-1,\ y-1) y − x 2 = ( y − 1 ) − ( x + 1 ) ( x − 1 ) ∈ ( x − 1 , y − 1 )
なので ( y − x 2 ) ⊆ ( x − 1 , y − 1 ) (y-x^2)\subseteq(x-1,\ y-1) ( y − x 2 ) ⊆ ( x − 1 , y − 1 ) で、閉点 ( x − 1 , y − 1 ) (x-1,\ y-1) ( x − 1 , y − 1 ) (座標 ( 1 , 1 ) (1,1) ( 1 , 1 ) の点)は点 ( y − x 2 ) (y-x^2) ( y − x 2 ) の閉包に入ります。一方、( x , y − 1 ) (x,\ y-1) ( x , y − 1 ) での y − x 2 y-x^2 y − x 2 の値は 1 ≠ 0 1\neq0 1 = 0 なので、座標 ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) の閉点は入りません。
素イデアルの包含の列と閉包の包含の列を上下に並べると、向きが逆になっていることが分かります。縦の矢印は P ↦ { P } ‾ = V ( P ) P\mapsto\overline{\{P\}}=V(P) P ↦ { P } = V ( P ) です。
( 0 ) ⊊ ( y − x 2 ) ⊊ ( x − 1 , y − 1 ) ↓ ↓ ↓ Spec k [ x , y ] ⊋ V ( y − x 2 ) ⊋ { ( x − 1 , y − 1 ) } \begin{array}{ccccc} (0) & \subsetneq & (y-x^2) & \subsetneq & (x-1,\ y-1) \\ \big\downarrow & & \big\downarrow & & \big\downarrow \\ \operatorname{Spec}k[x,y] & \supsetneq & V(y-x^2) & \supsetneq & \{(x-1,\ y-1)\} \end{array} ( 0 ) ↓ ⏐ Spec k [ x , y ] ⊊ ⊋ ( y − x 2 ) ↓ ⏐ V ( y − x 2 ) ⊊ ⊋ ( x − 1 , y − 1 ) ↓ ⏐ {( x − 1 , y − 1 )}
閉包が大きい点ほど「大きい点」だと考えると、図が描きやすくなります。
第1回で、和集合に分けられない集合を既約と呼びました。この記事でも同じ言葉を使います。
定義7 既約・生成点 [1 , 演習2.9, p.109]
位相空間 X X X の閉集合 Z Z Z が既約 であるとは、Z ≠ ∅ Z\neq\varnothing Z = ∅ であり、閉集合 Z 1 , Z 2 Z_1,Z_2 Z 1 , Z 2 を使って Z = Z 1 ∪ Z 2 Z=Z_1\cup Z_2 Z = Z 1 ∪ Z 2 と書くと、必ず Z = Z 1 Z=Z_1 Z = Z 1 または Z = Z 2 Z=Z_2 Z = Z 2 となることをいう。
点 η ∈ Z \eta\in Z η ∈ Z で、{ η } \{\eta\} { η } の閉包が Z Z Z に等しいものを、Z Z Z の生成点 と呼ぶ。
次の定理が、この記事の中心です。
定理8 既約な閉集合と点 [3 , 命題・定義1.141, p.62; 2 , 演習問題1.19, p.20; 1 , 演習2.9, p.109]
A A A を環とする。対応 P ↦ V ( P ) P\mapsto V(P) P ↦ V ( P ) は、Spec A \operatorname{Spec}A Spec A から、Spec A \operatorname{Spec}A Spec A の既約な閉集合全体への全単射である。言い換えると、Spec A \operatorname{Spec}A Spec A の既約な閉集合は、どれもちょうど1つの生成点 をもつ。
証明 開く 閉じる すべて開く すべて閉じる
V ( P ) V(P) V ( P ) が既約であることを示す。V ( P ) V(P) V ( P ) は点 P P P の閉包なので、2つの閉集合の和に分けると、P P P を含む方が全体になる。詳しく 閉じる
V ( P ) = Z 1 ∪ Z 2 V(P)=Z_1\cup Z_2 V ( P ) = Z 1 ∪ Z 2 (Z i Z_i Z i は閉集合)とする。P ∈ V ( P ) P\in V(P) P ∈ V ( P ) なので、例えば P ∈ Z 1 P\in Z_1 P ∈ Z 1 。Z 1 Z_1 Z 1 は P P P を含む閉集合なので、P P P の閉包 V ( P ) V(P) V ( P ) (命題6 (1))を含む。よって Z 1 = V ( P ) Z_1=V(P) Z 1 = V ( P ) 。
V ( P ) V(P) V ( P ) は P P P を含むので空でもない。
単射である
ことを示す。V ( P ) = V ( Q ) V(P)=V(Q) V ( P ) = V ( Q ) なら、Q ∈ V ( P ) Q\in V(P) Q ∈ V ( P ) かつ P ∈ V ( Q ) P\in V(Q) P ∈ V ( Q ) なので、P ⊆ Q ⊆ P P\subseteq Q\subseteq P P ⊆ Q ⊆ P 。 全射であることを示す。既約な閉集合 Z = V ( J ) Z=V(J) Z = V ( J ) に対して、J \sqrt{J} J が素イデアルになり、Z = V ( J ) Z=V(\sqrt{J}) Z = V ( J ) となることを確かめる。詳しく 閉じる
J ≠ A \sqrt{J}\neq A J = A :もし
1 ∈ J 1\in\sqrt{J} 1 ∈ J なら
1 ∈ J 1\in J 1 ∈ J で、
Z = V ( J ) = ∅ Z=V(J)=\varnothing Z = V ( J ) = ∅ と
なり、既約であることに反する。 f g ∈ J fg\in\sqrt{J} f g ∈ J とすると、Z Z Z は Z ∩ V ( f ) Z\cap V(f) Z ∩ V ( f ) と Z ∩ V ( g ) Z\cap V(g) Z ∩ V ( g ) の和になる。詳しく 閉じる
命題3 (4) より Z = V ( J ) = V ( J ) Z=V(J)=V(\sqrt{J}) Z = V ( J ) = V ( J ) 。f g ∈ J fg\in\sqrt{J} f g ∈ J なので V ( J ) ⊆ V ( f g ) V(\sqrt{J})\subseteq V(fg) V ( J ) ⊆ V ( f g ) 。命題3 (3) より V ( f g ) = V ( ( f ) ( g ) ) = V ( f ) ∪ V ( g ) V(fg)=V\big((f)(g)\big)=V(f)\cup V(g) V ( f g ) = V ( ( f ) ( g ) ) = V ( f ) ∪ V ( g ) 。よって
Z = ( Z ∩ V ( f ) ) ∪ ( Z ∩ V ( g ) ) . Z=\big(Z\cap V(f)\big)\cup\big(Z\cap V(g)\big). Z = ( Z ∩ V ( f ) ) ∪ ( Z ∩ V ( g ) ) .
右辺の2つは閉集合の共通部分なので、閉集合である。
既約性から、
例えば Z ⊆ V ( f ) Z\subseteq V(f) Z ⊆ V ( f ) 。命題3 (4) より f ∈ ( f ) ⊆ J f\in\sqrt{(f)}\subseteq\sqrt{J} f ∈ ( f ) ⊆ J 。よって J \sqrt{J} J は素イデアル。 P = J P=\sqrt{J} P = J とおくと、
Z = V ( J ) = V ( P ) Z=V(\sqrt{J})=V(P) Z = V ( J ) = V ( P ) 。
証明から、逆向きの写像も読み取れます。既約な閉集合 Z = V ( J ) Z=V(J) Z = V ( J ) の生成点 は J \sqrt{J} J で、これは Z Z Z の点(J J J を含む素イデアル)すべての共通部分です[2 , 命題1.14, p.13] 。
P ⟼ V ( P ) , Z ⟼ ⋂ Q ∈ Z Q P\ \longmapsto\ V(P),\qquad Z\ \longmapsto\ \bigcap_{Q\in Z}Q P ⟼ V ( P ) , Z ⟼ Q ∈ Z ⋂ Q
Z = V ( P ) Z=V(P) Z = V ( P ) なら、右の共通部分は P = P \sqrt{P}=P P = P に戻ります。
既約でない閉集合では、生成点 にあたる素イデアルがありません。Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z の V ( 12 ) = { ( 2 ) } ∪ { ( 3 ) } V(12)=\{(2)\}\cup\{(3)\} V ( 12 ) = {( 2 )} ∪ {( 3 )} は2つの閉集合の和なので既約ではなく、実際 ( 12 ) = ( 6 ) \sqrt{(12)}=(6) ( 12 ) = ( 6 ) は素イデアルではありません。k [ x , y ] k[x,y] k [ x , y ] の V ( x y ) = V ( x ) ∪ V ( y ) V(xy)=V(x)\cup V(y) V ( x y ) = V ( x ) ∪ V ( y ) も同じで、( x y ) (xy) ( x y ) は素イデアルではありません(x , y ∉ ( x y ) x,y\notin(xy) x , y ∈ / ( x y ) なのに x y ∈ ( x y ) xy\in(xy) x y ∈ ( x y ) )。
第1回では、k k k が代数閉体 のとき、既約なアフィン代数的集合と素イデアルが1対1に対応することを見ました(第1回の命題14 )。Spec では、その素イデアルがそのまま1つの点になっています。放物線 V ( y − x 2 ) V(y-x^2) V ( y − x 2 ) は、点 ( y − x 2 ) (y-x^2) ( y − x 2 ) の閉包です。
k [ x , y ] k[x,y] k [ x , y ] の3つの点で、定理の対応を並べておきます。
( x − 1 , y − 1 ) ⟼ { ( x − 1 , y − 1 ) } ( y − x 2 ) ⟼ V ( y − x 2 ) ( 0 ) ⟼ V ( 0 ) = Spec k [ x , y ] \begin{array}{rcl} (x-1,\ y-1) & \longmapsto & \{(x-1,\ y-1)\} \\ (y-x^2) & \longmapsto & V(y-x^2) \\ (0) & \longmapsto & V(0)=\operatorname{Spec}k[x,y] \end{array} ( x − 1 , y − 1 ) ( y − x 2 ) ( 0 ) ⟼ ⟼ ⟼ {( x − 1 , y − 1 )} V ( y − x 2 ) V ( 0 ) = Spec k [ x , y ]
上から順に、1点、放物線、平面全体です。閉点の閉包は自分だけなので、閉点は「1点からなる既約な閉集合」の生成点 でもあります。
とくに A A A が整域 なら、( 0 ) (0) ( 0 ) は素イデアルで、どの素イデアルにも含まれます。よって点 ( 0 ) (0) ( 0 ) の閉包は Spec A \operatorname{Spec}A Spec A 全体で、( 0 ) (0) ( 0 ) は空間全体の生成点 です。
1次元の例:整数と1変数多項式
最初の例は整数の環です。
例9 Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z [3 , 例1.131, p.59; 1 , 演習2.5, p.109]
Spec Z = { ( 0 ) } ∪ { ( p ) ∣ p ∈ P } \operatorname{Spec}\mathbb{Z}=\{(0)\}\cup\{(p)\mid p\in\mathcal{P}\} Spec Z = {( 0 )} ∪ {( p ) ∣ p ∈ P } (P \mathcal{P} P は素数全体)。( p ) (p) ( p ) は閉点で、( 0 ) (0) ( 0 ) は全体の生成点 である。閉集合は、( 0 ) (0) ( 0 ) を含まない有限集合と、全体だけである。
証明 開く 閉じる
Z \mathbb{Z} Z は
単項イデアル整域 なので、
イデアルは ( m ) (m) ( m ) (m ≥ 0 m\geq0 m ≥ 0 )の形で、素イデアルは m = 0 m=0 m = 0 か m m m が素数のもの。 ( p ) (p) ( p ) は
極大イデアルなので閉点(命題6 (3))。( 0 ) (0) ( 0 ) は整域 の零イデアルなので全体の生成点 。 閉集合は
V ( m ) V(m) V ( m ) の
形。m = 0 m=0 m = 0 なら全体、m ≠ 0 m\neq0 m = 0 なら V ( m ) V(m) V ( m ) は m m m の素因数 p p p の ( p ) (p) ( p ) からなる有限集合(m = 1 m=1 m = 1 なら空集合)。
閉集合をいくつか計算します。素因数分解から V ( m ) V(m) V ( m ) が読み取れます。
V ( 360 ) = V ( 2 3 ⋅ 3 2 ⋅ 5 ) = { ( 2 ) , ( 3 ) , ( 5 ) } , V ( − 91 ) = V ( 7 ⋅ 13 ) = { ( 7 ) , ( 13 ) } , V ( 1 ) = ∅ , V ( 0 ) = Spec Z . \begin{aligned} V(360) &= V(2^3\cdot3^2\cdot5)=\{(2),(3),(5)\}, \\ V(-91) &= V(7\cdot13)=\{(7),(13)\}, \\ V(1) &= \varnothing,\qquad V(0)=\operatorname{Spec}\mathbb{Z}. \end{aligned} V ( 360 ) V ( − 91 ) V ( 1 ) = V ( 2 3 ⋅ 3 2 ⋅ 5 ) = {( 2 ) , ( 3 ) , ( 5 )} , = V ( 7 ⋅ 13 ) = {( 7 ) , ( 13 )} , = ∅ , V ( 0 ) = Spec Z .
逆に、( 0 ) (0) ( 0 ) を含まない有限集合 { ( p 1 ) , … , ( p r ) } \{(p_1),\dots,(p_r)\} {( p 1 ) , … , ( p r )} は V ( p 1 ⋯ p r ) V(p_1\cdots p_r) V ( p 1 ⋯ p r ) です。例えば { ( 2 ) , ( 7 ) , ( 11 ) } = V ( 154 ) \{(2),(7),(11)\}=V(154) {( 2 ) , ( 7 ) , ( 11 )} = V ( 154 ) です。
例10 Spec k [ x ] \operatorname{Spec}k[x] Spec k [ x ] [1 , 例2.3.3, p.102]
k k k を代数閉体 とする。Spec k [ x ] = { ( 0 ) } ∪ { ( x − a ) ∣ a ∈ k } \operatorname{Spec}k[x]=\{(0)\}\cup\{(x-a)\mid a\in k\} Spec k [ x ] = {( 0 )} ∪ {( x − a ) ∣ a ∈ k } 。閉点 ( x − a ) (x-a) ( x − a ) は k k k の元 a a a と1対1に対応し、( 0 ) (0) ( 0 ) は全体の生成点 である。閉集合は、閉点の有限集合と、全体だけである。
証明 開く 閉じる
k [ x ] k[x] k [ x ] は
単項イデアル整域 なので、
素イデアルは ( 0 ) (0) ( 0 ) と、既約多項式 f f f が生成する ( f ) (f) ( f ) 。 k k k が
代数閉体 なので、
既約多項式 は
1次式 x − a x-a x − a の定数倍だけ。 閉集合は
V ( f ) V(f) V ( f ) の
形で、f ≠ 0 f\neq0 f = 0 なら f f f の根の閉点からなる有限集合、f = 0 f=0 f = 0 なら全体。
こちらも、1次式の積に分解すれば V ( f ) V(f) V ( f ) が読み取れます。重なった根は1点にまとまります。
V ( x 3 − x 2 ) = V ( x 2 ( x − 1 ) ) = { ( x ) , ( x − 1 ) } , V ( x 2 − 2 x + 1 ) = V ( ( x − 1 ) 2 ) = { ( x − 1 ) } . \begin{aligned} V(x^3-x^2) &= V\big(x^2(x-1)\big)=\{(x),(x-1)\}, \\ V(x^2-2x+1) &= V\big((x-1)^2\big)=\{(x-1)\}. \end{aligned} V ( x 3 − x 2 ) V ( x 2 − 2 x + 1 ) = V ( x 2 ( x − 1 ) ) = {( x ) , ( x − 1 )} , = V ( ( x − 1 ) 2 ) = {( x − 1 )} .
値も見ておきます。閉点 ( x − a ) (x-a) ( x − a ) では k [ x ] / ( x − a ) ≅ k k[x]/(x-a)\cong k k [ x ] / ( x − a ) ≅ k (x ↦ a x\mapsto a x ↦ a )なので、値は a a a を代入した f ( a ) f(a) f ( a ) です。生成点 ( 0 ) (0) ( 0 ) では κ ( ( 0 ) ) = k ( x ) \kappa((0))=k(x) κ (( 0 )) = k ( x ) で、値は f f f そのものです。
( x 2 − 1 ) ( ( x − 3 ) ) = 3 2 − 1 = 8 ∈ k , ( x 2 − 1 ) ( ( 0 ) ) = x 2 − 1 ∈ k ( x ) . \begin{aligned} (x^2-1)\big((x-3)\big) &= 3^2-1=8\in k, \\ (x^2-1)\big((0)\big) &= x^2-1\in k(x). \end{aligned} ( x 2 − 1 ) ( ( x − 3 ) ) ( x 2 − 1 ) ( ( 0 ) ) = 3 2 − 1 = 8 ∈ k , = x 2 − 1 ∈ k ( x ) .
Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z と Spec k [ x ] \operatorname{Spec}k[x] Spec k [ x ] は、同じ形をしています。どちらも閉点が無限個あり、その上にただ1つの生成点 があります。言葉を並べると、次の対応になります。
Z \mathbb{Z} Z k [ x ] k[x] k [ x ]
閉点 ( p ) (p) ( p ) ( x − a ) (x-a) ( x − a )
関数 整数 m m m 多項式 f f f
閉点での値 m m o d p ∈ F p m\bmod p\in\mathbb{F}_p m mod p ∈ F p f ( a ) ∈ k f(a)\in k f ( a ) ∈ k
分解の例 12 = 2 2 ⋅ 3 12=2^2\cdot3 12 = 2 2 ⋅ 3 x 2 ( x − 1 ) x^2(x-1) x 2 ( x − 1 )
その V V V { ( 2 ) , ( 3 ) } \{(2),(3)\} {( 2 ) , ( 3 )} { ( x ) , ( x − 1 ) } \{(x),(x-1)\} {( x ) , ( x − 1 )}
閉集合は「有限個の閉点」か「全体」だけで、生成点 を含む閉集合は全体しかありません。空でない開集合はどれも「全体から有限個の閉点を除いたもの」なので、どの2つも交わります。
素数 p p p で割り切れる整数が「点 ( p ) (p) ( p ) で0になる関数」だと考えると、整数を Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z の上の関数とみることができます。例えば 12 12 12 は点 ( 2 ) (2) ( 2 ) と ( 3 ) (3) ( 3 ) で0になり、ほかの閉点では0になりません。多項式 f ( x ) f(x) f ( x ) が根で0になるのと同じ見方です。
( 2 ) (2) ( 2 ) ( 3 ) (3) ( 3 ) ( 5 ) (5) ( 5 ) ( 7 ) (7) ( 7 ) ( 11 ) (11) ( 11 ) ( 13 ) (13) ( 13 ) ⋯ \cdots ⋯ ( 0 ) (0) ( 0 ) ( 0 ) (0) ( 0 ) ( x ) (x) ( x ) ( x − 1 ) (x-1) ( x − 1 ) ( x + 1 ) (x+1) ( x + 1 ) ( x − i ) (x-i) ( x − i ) ( x + 1 − i 2 ) (x+1-\tfrac{i}{2}) ( x + 1 − 2 i ) ( x 2 + 1 ) (x^2+1) ( x 2 + 1 ) ± i \pm i ± i は同じ点
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Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z Spec Z ( 5 ) \operatorname{Spec}\mathbb{Z}_{(5)} Spec Z ( 5 ) Spec C [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{C}[x] Spec C [ x ] Spec R [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{R}[x] Spec R [ x ] 斜め 真上 真横
ドラッグで回せます
Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z 。床の黒い点が閉点 ( p ) (p) ( p ) (p p p は素数)、上に浮かぶ雲が生成点 ( 0 ) (0) ( 0 ) です。( 0 ) (0) ( 0 ) は1点ですが、閉包が全体なので、どこか1か所に置かず全体の上に広げて描いています。矢印は「この点は ( 0 ) (0) ( 0 ) の閉包に入る」を表します。
Spec Z ( 5 ) \operatorname{Spec}\mathbb{Z}_{(5)} Spec Z ( 5 ) は2点 ( 5 ) (5) ( 5 ) と ( 0 ) (0) ( 0 ) だけです。{ ( 0 ) } \{(0)\} {( 0 )} は開集合、{ ( 5 ) } \{(5)\} {( 5 )} は閉集合です。
Spec C [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{C}[x] Spec C [ x ] 。床を複素平面とみると、閉点 ( x − a ) (x-a) ( x − a ) は複素数 a a a と1対1に対応します。生成点 ( 0 ) (0) ( 0 ) は平面全体の上の雲です。
Spec R [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{R}[x] Spec R [ x ] 。実数 a a a の閉点 ( x − a ) (x-a) ( x − a ) に加えて、共役な2つの複素数 a ± b i a\pm bi a ± bi が1つの閉点 ( x 2 − 2 a x + a 2 + b 2 ) (x^2-2ax+a^2+b^2) ( x 2 − 2 a x + a 2 + b 2 ) になります。複素平面を実軸で折り返した上半分が、閉点の全体です。
図1 概念図 1次元の Spec。床(高さ0)に閉点を、高さ1に生成点 を描きます。生成点 は1点ですが、閉包が全体なので、どこか1か所には置けません。そこで、閉包の上に雲のように広げて描いています。床の上の位置は閉包の場所を、高さは閉包の次元を表します。灰色の矢印は「この閉点は上の点の閉包に入る」を表します。「真横」から見ると、閉点と生成点 が別の段に分かれます。
もう少し詳しく 代数閉体でないとき:Spec R [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{R}[x] Spec R [ x ]
R \mathbb{R} R は代数閉体 ではないので、R [ x ] \mathbb{R}[x] R [ x ] には2次の既約多項式 があります[1 , 演習2.10, p.109] 。実数係数の多項式の複素数の根は、共役な組 a ± b i a\pm bi a ± bi で現れるので、2次の既約多項式 は
x 2 − 2 a x + a 2 + b 2 = ( x − ( a + b i ) ) ( x − ( a − b i ) ) ( b > 0 ) x^2-2ax+a^2+b^2=\big(x-(a+bi)\big)\big(x-(a-bi)\big)\qquad(b>0) x 2 − 2 a x + a 2 + b 2 = ( x − ( a + bi ) ) ( x − ( a − bi ) ) ( b > 0 )
の定数倍です。
よって Spec R [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{R}[x] Spec R [ x ] の閉点は、実数 a a a に対応する ( x − a ) (x-a) ( x − a ) と、上半平面の複素数 a + b i a+bi a + bi (b > 0 b>0 b > 0 )に対応する ( x 2 − 2 a x + a 2 + b 2 ) (x^2-2ax+a^2+b^2) ( x 2 − 2 a x + a 2 + b 2 ) です。複素平面を実軸で折り返して、a + b i a+bi a + bi と a − b i a-bi a − bi を1点にまとめたものが、閉点の全体になります(図1の4つめ)。例えば点 ( x 2 + 1 ) (x^2+1) ( x 2 + 1 ) は ± i \pm i ± i をまとめた点で、剰余体は R [ x ] / ( x 2 + 1 ) ≅ C \mathbb{R}[x]/(x^2+1)\cong\mathbb{C} R [ x ] / ( x 2 + 1 ) ≅ C です。
もう1つ例を挙げます。a = 1 a=1 a = 1 、b = 2 b=2 b = 2 とすると
x 2 − 2 x + 5 = ( x − ( 1 + 2 i ) ) ( x − ( 1 − 2 i ) ) x^2-2x+5=\big(x-(1+2i)\big)\big(x-(1-2i)\big) x 2 − 2 x + 5 = ( x − ( 1 + 2 i ) ) ( x − ( 1 − 2 i ) )
で、点 ( x 2 − 2 x + 5 ) (x^2-2x+5) ( x 2 − 2 x + 5 ) は 1 ± 2 i 1\pm2i 1 ± 2 i をまとめた点です。剰余体は x ↦ 1 + 2 i x\mapsto 1+2i x ↦ 1 + 2 i で R [ x ] / ( x 2 − 2 x + 5 ) ≅ C \mathbb{R}[x]/(x^2-2x+5)\cong\mathbb{C} R [ x ] / ( x 2 − 2 x + 5 ) ≅ C です。
2次の閉点での値は複素数です。ただし、x ↦ 1 + 2 i x\mapsto1+2i x ↦ 1 + 2 i と x ↦ 1 − 2 i x\mapsto1-2i x ↦ 1 − 2 i のどちらで C \mathbb{C} C とみなすかで、値は複素共役だけずれます。例えば f = x 2 f=x^2 f = x 2 の点 ( x 2 − 2 x + 5 ) (x^2-2x+5) ( x 2 − 2 x + 5 ) での値は、次の2つのどちらかになります。
( 1 + 2 i ) 2 = − 3 + 4 i , ( 1 − 2 i ) 2 = − 3 − 4 i (1+2i)^2=-3+4i,\qquad (1-2i)^2=-3-4i ( 1 + 2 i ) 2 = − 3 + 4 i , ( 1 − 2 i ) 2 = − 3 − 4 i
どちらを選んでも、値が0かどうかは変わりません。
閉集合も、実数の範囲で因数分解して読み取ります。
x 4 − 1 = ( x − 1 ) ( x + 1 ) ( x 2 + 1 ) x^4-1=(x-1)(x+1)(x^2+1) x 4 − 1 = ( x − 1 ) ( x + 1 ) ( x 2 + 1 )
なので、V ( x 4 − 1 ) = { ( x − 1 ) , ( x + 1 ) , ( x 2 + 1 ) } V(x^4-1)=\{(x-1),(x+1),(x^2+1)\} V ( x 4 − 1 ) = {( x − 1 ) , ( x + 1 ) , ( x 2 + 1 )} です。複素数で見た4つの根 ± 1 , ± i \pm1,\pm i ± 1 , ± i のうち、± i \pm i ± i が1点にまとまって3点になります。
図1の2つめは、生成点 の閉包が全体になることを、点を減らして見る例です。
例11 Spec Z ( 5 ) \operatorname{Spec}\mathbb{Z}_{(5)} Spec Z ( 5 ) [1 , 例2.3.2, p.102]
Z ( 5 ) = { a / b ∈ Q ∣ 5 ∤ b } \mathbb{Z}_{(5)}=\{\,a/b\in\mathbb{Q}\mid 5\nmid b\,\} Z ( 5 ) = { a / b ∈ Q ∣ 5 ∤ b } とする。Spec Z ( 5 ) \operatorname{Spec}\mathbb{Z}_{(5)} Spec Z ( 5 ) は2点 ( 0 ) (0) ( 0 ) と ( 5 ) (5) ( 5 ) からなる。{ ( 5 ) } \{(5)\} {( 5 )} は閉集合で、{ ( 0 ) } \{(0)\} {( 0 )} は開集合であり、その閉包は全体である。
証明 開く 閉じる すべて開く すべて閉じる
0でない Z ( 5 ) \mathbb{Z}_{(5)} Z ( 5 ) の元は、5 n u 5^n u 5 n u (n ≥ 0 n\geq0 n ≥ 0 、u u u は Z ( 5 ) \mathbb{Z}_{(5)} Z ( 5 ) の単元 )と書ける。詳しく 閉じる
a / b a/b a / b (5 ∤ b 5\nmid b 5 ∤ b )の分子を a = 5 n a ′ a=5^n a' a = 5 n a ′ (5 ∤ a ′ 5\nmid a' 5 ∤ a ′ )と分けると、a / b = 5 n ⋅ a ′ / b a/b=5^n\cdot a'/b a / b = 5 n ⋅ a ′ / b で、a ′ / b a'/b a ′ / b の逆元 b / a ′ b/a' b / a ′ も Z ( 5 ) \mathbb{Z}_{(5)} Z ( 5 ) に入る。
よって
イデアルは ( 0 ) (0) ( 0 ) か ( 5 n ) (5^n) ( 5 n ) で、素イデアルは ( 0 ) (0) ( 0 ) と ( 5 ) (5) ( 5 ) だけ。 { ( 5 ) } = V ( 5 ) \{(5)\}=V(5) {( 5 )} = V ( 5 ) は
閉集合で、その補集合 { ( 0 ) } \{(0)\} {( 0 )} は開集合。閉包は 命題6 (1) から V ( 0 ) V(0) V ( 0 ) =全体。
証明の1つめのステップを、数で確かめます。
3 7 = 5 0 ⋅ 3 7 , 10 3 = 5 ⋅ 2 3 , 75 2 = 5 2 ⋅ 3 2 \frac{3}{7}=5^0\cdot\frac{3}{7},\qquad \frac{10}{3}=5\cdot\frac{2}{3},\qquad \frac{75}{2}=5^2\cdot\frac{3}{2} 7 3 = 5 0 ⋅ 7 3 , 3 10 = 5 ⋅ 3 2 , 2 75 = 5 2 ⋅ 2 3
3 / 7 3/7 3/7 は逆元 7 / 3 7/3 7/3 も Z ( 5 ) \mathbb{Z}_{(5)} Z ( 5 ) に入るので単元 です。イデアルは
Z ( 5 ) ⊋ ( 5 ) ⊋ ( 25 ) ⊋ ( 125 ) ⊋ ⋯ ⊋ ( 0 ) \mathbb{Z}_{(5)}\supsetneq(5)\supsetneq(25)\supsetneq(125)\supsetneq\cdots\supsetneq(0) Z ( 5 ) ⊋ ( 5 ) ⊋ ( 25 ) ⊋ ( 125 ) ⊋ ⋯ ⊋ ( 0 )
と1列に並び、このうち素イデアルは ( 5 ) (5) ( 5 ) と ( 0 ) (0) ( 0 ) だけです。
Z ( 5 ) \mathbb{Z}_{(5)} Z ( 5 ) の元は、分母が5で割り切れない分数、つまり「点 ( 5 ) (5) ( 5 ) で分母が0にならない関数」です。Z ( 5 ) / ( 5 ) ≅ F 5 \mathbb{Z}_{(5)}/(5)\cong\mathbb{F}_5 Z ( 5 ) / ( 5 ) ≅ F 5 で、a / b a/b a / b の値は a ⋅ b − 1 m o d 5 a\cdot b^{-1}\bmod5 a ⋅ b − 1 mod 5 です。5 ∤ b 5\nmid b 5 ∤ b なので、b b b は F 5 \mathbb{F}_5 F 5 で逆元をもちます。
3 7 ( ( 5 ) ) = 3 ⋅ 7 − 1 = 3 ⋅ 2 − 1 = 3 ⋅ 3 = 9 = 4 ∈ F 5 , 10 3 ( ( 5 ) ) = 0 ∈ F 5 , 3 7 ( ( 0 ) ) = 3 7 ∈ Q . \begin{aligned} \frac{3}{7}\Big((5)\Big) &= 3\cdot7^{-1}=3\cdot2^{-1}=3\cdot3=9=4\in\mathbb{F}_5, \\ \frac{10}{3}\Big((5)\Big) &= 0\in\mathbb{F}_5,\qquad \frac{3}{7}\Big((0)\Big)=\frac{3}{7}\in\mathbb{Q}. \end{aligned} 7 3 ( ( 5 ) ) 3 10 ( ( 5 ) ) = 3 ⋅ 7 − 1 = 3 ⋅ 2 − 1 = 3 ⋅ 3 = 9 = 4 ∈ F 5 , = 0 ∈ F 5 , 7 3 ( ( 0 ) ) = 7 3 ∈ Q .
1行目は F 5 \mathbb{F}_5 F 5 で 7 = 2 7=2 7 = 2 、2 ⋅ 3 = 6 = 1 2\cdot3=6=1 2 ⋅ 3 = 6 = 1 を使っています。検算すると 7 ⋅ 4 = 28 ≡ 3 ( m o d 5 ) 7\cdot4=28\equiv3\pmod5 7 ⋅ 4 = 28 ≡ 3 ( mod 5 ) です。
一方、Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z のほかの閉点、例えば ( 7 ) (7) ( 7 ) は Spec Z ( 5 ) \operatorname{Spec}\mathbb{Z}_{(5)} Spec Z ( 5 ) には残りません。1 / 7 ∈ Z ( 5 ) 1/7\in\mathbb{Z}_{(5)} 1/7 ∈ Z ( 5 ) を使うと
1 = 7 ⋅ 1 7 ∈ 7 Z ( 5 ) 1=7\cdot\frac{1}{7}\in7\mathbb{Z}_{(5)} 1 = 7 ⋅ 7 1 ∈ 7 Z ( 5 )
となるので、7 7 7 が生成するイデアル 7 Z ( 5 ) 7\mathbb{Z}_{(5)} 7 Z ( 5 ) は環全体で、素イデアルではありません。
Spec Z ( 5 ) \operatorname{Spec}\mathbb{Z}_{(5)} Spec Z ( 5 ) は、Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z から点 ( 5 ) (5) ( 5 ) と生成点 ( 0 ) (0) ( 0 ) だけを残した空間で、「点 ( 5 ) (5) ( 5 ) のまわりだけを見る」ことに当たります。
このような環は離散付値環 の例で、次回の茎の話につながります。
2次元の例:Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ]
平面になると、点が3種類に増えます。
例12 Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] [1 , 例2.3.4, p.102–103]
k k k を代数閉体 とする。Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] の点は、次の3種類である。
( 0 ) (0) ( 0 ) :全体の生成点 。
( g ) (g) ( g ) (g g g は既約多項式 ):既約な曲線 V ( g ) V(g) V ( g ) の生成点 。
( x − a , y − b ) (x-a,\ y-b) ( x − a , y − b ) (a , b ∈ k a,b\in k a , b ∈ k ):閉点。
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3種類とも
素イデアルである。( 0 ) (0) ( 0 ) は k [ x , y ] k[x,y] k [ x , y ] が整域 だから、( g ) (g) ( g ) は k [ x , y ] k[x,y] k [ x , y ] が一意分解整域 だから、( x − a , y − b ) (x-a,\ y-b) ( x − a , y − b ) は f ↦ f ( a , b ) f\mapsto f(a,b) f ↦ f ( a , b ) の核で、剰余環 が k k k だから(極大イデアル)。 残りは、0でなく単項でもない素イデアル P P P が ( x − a , y − b ) (x-a,\ y-b) ( x − a , y − b ) の形であることを示す。まず P P P は既約多項式 g g g を含む。詳しく 閉じる
0でない f ∈ P f\in P f ∈ P を既約多項式 の積に分解すると、P P P が素イデアルなので、どれかの因子が P P P に入る。
P ≠ ( g ) P\neq(g) P = ( g ) なので、
g g g で
割り切れない h ∈ P h\in P h ∈ P がある。 g g g と h h h から、x x x だけの0でない多項式 d ( x ) ∈ P d(x)\in P d ( x ) ∈ P が作れる。詳しく 閉じる
g ∈ k [ x ] g\in k[x] g ∈ k [ x ] (
y y y を
含まない)なら、d = g d=g d = g とすればよい。以下、g g g は y y y を含むとする。 K = k ( x ) K=k(x) K = k ( x ) とおく。ガウスの補題 より、g g g は K [ y ] K[y] K [ y ] でも既約で、K [ y ] K[y] K [ y ] で h h h を割り切らない。詳しく 閉じる
k [ x , y ] = k [ x ] [ y ] k[x,y]=k[x][y] k [ x , y ] = k [ x ] [ y ] とみる。g g g は既約で y y y を含むので、k [ x ] k[x] k [ x ] 係数の多項式として原始的(係数に共通の因子がない)。原始的な既約多項式 は K [ y ] K[y] K [ y ] でも既約である。
また、K [ y ] K[y] K [ y ] で g g g が h h h を割り切れば、ガウスの補題 により k [ x ] [ y ] k[x][y] k [ x ] [ y ] でも割り切ってしまう。
K [ y ] K[y] K [ y ] は単項イデアル整域 なので、u g + v h = 1 ug+vh=1 ug + v h = 1 (u , v ∈ K [ y ] u,v\in K[y] u , v ∈ K [ y ] )と書ける。詳しく 閉じる
g g g は K [ y ] K[y] K [ y ] で既約で h h h を割り切らないので、g g g と h h h の最大公約元は1。単項イデアル整域 では、最大公約元はイデアル ( g , h ) (g,h) ( g , h ) の生成元になる。
u , v u,v u , v の
分母を払うと、u ′ g + v ′ h = d ( x ) u'g+v'h=d(x) u ′ g + v ′ h = d ( x ) (u ′ , v ′ ∈ k [ x , y ] u',v'\in k[x,y] u ′ , v ′ ∈ k [ x , y ] 、0 ≠ d ∈ k [ x ] 0\neq d\in k[x] 0 = d ∈ k [ x ] )。左辺は P P P に入る。 k k k は
代数閉体 なので
d ( x ) d(x) d ( x ) は
1次式の積に分解し、P P P が素イデアルなので、ある x − a x-a x − a が P P P に入る。 x x x と
y y y の
役割を入れ替えた同じ議論で、ある y − b y-b y − b も P P P に入る。 ( x − a , y − b ) ⊆ P ≠ k [ x , y ] (x-a,\ y-b)\subseteq P\neq k[x,y] ( x − a , y − b ) ⊆ P = k [ x , y ] で、
左辺は極大イデアルなので P = ( x − a , y − b ) P=(x-a,\ y-b) P = ( x − a , y − b ) 。
閉点は、第1回の A 2 \mathbb{A}^2 A 2 の点 ( a , b ) (a,b) ( a , b ) と1対1に対応します。それに加えて、既約な曲線ごとに1つの生成点 と、平面全体の生成点 ( 0 ) (0) ( 0 ) が増えました。点 ( g ) (g) ( g ) の閉包 V ( g ) V(g) V ( g ) は、曲線上のすべての閉点と、( g ) (g) ( g ) 自身からなります。
例13 Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] の閉包
k k k を代数閉体 とする。Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] で、点 ( y − x 2 ) (y-x^2) ( y − x 2 ) と点 ( y ) (y) ( y ) の閉包は次のとおりである。
V ( y − x 2 ) = { ( y − x 2 ) } ∪ { ( x − a , y − a 2 ) ∣ a ∈ k } , V ( y ) = { ( y ) } ∪ { ( x − a , y ) ∣ a ∈ k } . \begin{aligned} V(y-x^2) &= \{(y-x^2)\}\cup\{(x-a,\ y-a^2)\mid a\in k\}, \\ V(y) &= \{(y)\}\cup\{(x-a,\ y)\mid a\in k\}. \end{aligned} V ( y − x 2 ) V ( y ) = {( y − x 2 )} ∪ {( x − a , y − a 2 ) ∣ a ∈ k } , = {( y )} ∪ {( x − a , y ) ∣ a ∈ k } .
また V ( x y ) = V ( x ) ∪ V ( y ) V(xy)=V(x)\cup V(y) V ( x y ) = V ( x ) ∪ V ( y ) は、2つの生成点 ( x ) (x) ( x ) 、( y ) (y) ( y ) と、閉点 ( x , y − b ) (x,\ y-b) ( x , y − b ) 、( x − a , y ) (x-a,\ y) ( x − a , y ) (a , b ∈ k a,b\in k a , b ∈ k )からなる。
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例12 の
3種類の点のうち、y − x 2 y-x^2 y − x 2 を含むものを調べる。( 0 ) (0) ( 0 ) は含まない。 ( g ) ∋ y − x 2 (g)\ni y-x^2 ( g ) ∋ y − x 2 なら g g g は y − x 2 y-x^2 y − x 2 を割り切る。y − x 2 y-x^2 y − x 2 は既約なので、g g g はその定数倍で ( g ) = ( y − x 2 ) (g)=(y-x^2) ( g ) = ( y − x 2 ) 。詳しく 閉じる
y − x 2 y-x^2 y − x 2 は y y y について1次で、y y y の係数が1である。積に分解すると、y y y を含まない方の因子は y y y の係数1を割り切るので定数になる。よって既約。
( x − a , y − b ) ∋ y − x 2 (x-a,\ y-b)\ni y-x^2 ( x − a , y − b ) ∋ y − x 2 は、
点 ( a , b ) (a,b) ( a , b ) での値 b − a 2 b-a^2 b − a 2 が0であること、つまり b = a 2 b=a^2 b = a 2 と同じ。 V ( y ) V(y) V ( y ) も
同じ。y y y を割り切る既約多項式 は y y y の定数倍で、( x − a , y − b ) ∋ y (x-a,\ y-b)\ni y ( x − a , y − b ) ∋ y は b = 0 b=0 b = 0 と同じ。 V ( x y ) V(xy) V ( x y ) は
命題3 (3) から
V ( x ) ∪ V ( y ) V(x)\cup V(y) V ( x ) ∪ V ( y ) で、
V ( x ) V(x) V ( x ) は
x , y x,y x , y を
入れ替えた同じ計算で { ( x ) } ∪ { ( x , y − b ) ∣ b ∈ k } \{(x)\}\cup\{(x,\ y-b)\mid b\in k\} {( x )} ∪ {( x , y − b ) ∣ b ∈ k } 。
原点 ( x , y ) (x,y) ( x , y ) は V ( x ) V(x) V ( x ) にも V ( y ) V(y) V ( y ) にも入り、2本の軸の交点になっています。生成点 ( x ) (x) ( x ) と ( y ) (y) ( y ) は、どちらも相手の閉包には入りません。
V ( y − x 2 ) V(y-x^2) V ( y − x 2 ) V ( y ) V(y) V ( y ) ( x − 0.7 , y + 0.9 ) (x-0.7,\ y+0.9) ( x − 0.7 , y + 0.9 ) ( y − x 2 ) (y-x^2) ( y − x 2 ) ( y ) (y) ( y ) ( 0 ) (0) ( 0 )
このブラウザでは立体の図を表示できませんでした(WebGLが必要です)。
閉点 曲線の生成点 平面の生成点 閉包
斜め 真上 真横
ドラッグで回せます
床は閉点の全体です(k k k が代数閉体 なら、閉点 ( x − a , y − b ) (x-a,\ y-b) ( x − a , y − b ) は k 2 k^2 k 2 の点 ( a , b ) (a,b) ( a , b ) と1対1)。第1回の A 2 \mathbb{A}^2 A 2 と同じものが見えています。
高さ1に、既約な曲線の生成点 を描いています。放物線の生成点 ( y − x 2 ) (y-x^2) ( y − x 2 ) は放物線の上の雲、直線の生成点 ( y ) (y) ( y ) は直線の上の雲です。「真上」から見ると曲線と重なって見えなくなり、「真横」から見ると床とは別の段に分かれます。
高さ2の雲が、平面全体の生成点 ( 0 ) (0) ( 0 ) です。段は3つで、これは素イデアルの鎖 ( 0 ) ⊊ ( y − x 2 ) ⊊ ( x − 1 , y − 1 ) (0)\subsetneq(y-x^2)\subsetneq(x-1,\ y-1) ( 0 ) ⊊ ( y − x 2 ) ⊊ ( x − 1 , y − 1 ) の長さ2に対応します。
放物線の生成点 の閉包 V ( y − x 2 ) V(y-x^2) V ( y − x 2 ) は、生成点 そのものと、放物線上のすべての閉点です。矢印は代表としていくつかの閉点だけに引いています。
図2 概念図 Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] 。床が閉点の全体で、放物線 V ( y − x 2 ) V(y-x^2) V ( y − x 2 ) (オレンジ)と直線 V ( y ) V(y) V ( y ) (緑)を描いています。高さ1の雲が曲線の生成点 、高さ2の雲が平面の生成点 です。床の上の位置は閉包の場所を、高さは閉包の次元を表します。「真上」から見ると、雲はそれぞれの閉包に重なり、第1回と同じ平面の図になります。「真横」から見ると、点が3段に分かれます。
図2の段の数は、素イデアルの鎖の長さと関係しています。例えば次の2本の鎖があります。
( 0 ) ⊊ ( y − x 2 ) ⊊ ( x − 1 , y − 1 ) , ( 0 ) ⊊ ( y ) ⊊ ( x , y ) . \begin{aligned} &(0)\subsetneq(y-x^2)\subsetneq(x-1,\ y-1), \\ &(0)\subsetneq(y)\subsetneq(x,\ y). \end{aligned} ( 0 ) ⊊ ( y − x 2 ) ⊊ ( x − 1 , y − 1 ) , ( 0 ) ⊊ ( y ) ⊊ ( x , y ) .
実は、素イデアルは最大で3つまでしか真に増える列に並べられません。高さ0の閉点、高さ1の曲線の生成点 、高さ2の平面の生成点 という3段は、この鎖の各段に当たります。
素イデアルの鎖の長さの最大値(ここでは2)を、環のクルル次元 と呼びます。最大値が2であることは、次元を扱う先の回で証明します。
重なった点:Spec k [ x ] / ( x 2 ) \operatorname{Spec}k[x]/(x^2) Spec k [ x ] / ( x 2 )
次は、第1回の2つめの宿題「x x x と x 2 x^2 x 2 の違い」です。
例14 Spec k [ x ] / ( x 2 ) \operatorname{Spec}k[x]/(x^2) Spec k [ x ] / ( x 2 )
Spec k [ x ] / ( x 2 ) \operatorname{Spec}k[x]/(x^2) Spec k [ x ] / ( x 2 ) は1点 ( x ) (x) ( x ) からなり、位相空間としては Spec k \operatorname{Spec}k Spec k (1点)と同じである。しかし k [ x ] / ( x 2 ) k[x]/(x^2) k [ x ] / ( x 2 ) では x ≠ 0 x\neq0 x = 0 、x 2 = 0 x^2=0 x 2 = 0 であり、関数 x x x はただ1つの点で値0をとるのに、0ではない。
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対応定理 に
より、k [ x ] / ( x 2 ) k[x]/(x^2) k [ x ] / ( x 2 ) の素イデアルは、( x 2 ) (x^2) ( x 2 ) を含む k [ x ] k[x] k [ x ] の素イデアルと1対1に対応する。 ( x 2 ) (x^2) ( x 2 ) を含む素イデアルは x x x を含むので、( x ) (x) ( x ) だけ。詳しく 閉じる
x ⋅ x ∈ P x\cdot x\in P x ⋅ x ∈ P なら、P P P が素イデアルなので x ∈ P x\in P x ∈ P 。k [ x ] k[x] k [ x ] で x x x を含む素イデアルは ( x ) (x) ( x ) だけ(( x ) (x) ( x ) は極大で、P ⊇ ( x ) P\supseteq(x) P ⊇ ( x ) なら P = ( x ) P=(x) P = ( x ) )。
x x x は
( x 2 ) (x^2) ( x 2 ) に
入らないので k [ x ] / ( x 2 ) k[x]/(x^2) k [ x ] / ( x 2 ) で x ≠ 0 x\neq0 x = 0 。点 ( x ) (x) ( x ) での値は x ∈ ( x ) x\in(x) x ∈ ( x ) なので0。
ある n n n で f n = 0 f^n=0 f n = 0 となる元 f f f をべき零元 と呼びます。
べき零元はどの素イデアルにも入るので、どの点でも値が0です。空間の点と値だけを見ていると、べき零元は0と区別できません。
k [ x ] / ( x 2 ) k[x]/(x^2) k [ x ] / ( x 2 ) の元は a + b x a+bx a + b x と一通りに書けます。掛け算は x 2 = 0 x^2=0 x 2 = 0 として計算します。
( a + b x ) ( c + d x ) = a c + ( a d + b c ) x + b d x 2 = a c + ( a d + b c ) x \begin{aligned} (a+bx)(c+dx) &= ac+(ad+bc)x+bd\,x^2 \\ &= ac+(ad+bc)x \end{aligned} ( a + b x ) ( c + d x ) = a c + ( a d + b c ) x + b d x 2 = a c + ( a d + b c ) x
とくに a ≠ 0 a\neq0 a = 0 なら a + b x a+bx a + b x は単元 です。逆元は次のとおりです。
( a + b x ) ( a − 1 − a − 2 b x ) = 1 + ( a − 1 b − a − 1 b ) x = 1 (a+bx)\big(a^{-1}-a^{-2}b\,x\big)=1+(a^{-1}b-a^{-1}b)x=1 ( a + b x ) ( a − 1 − a − 2 b x ) = 1 + ( a − 1 b − a − 1 b ) x = 1
単元 でないのは a = 0 a=0 a = 0 の元、つまりイデアル ( x ) (x) ( x ) の元だけです。素イデアルが ( x ) (x) ( x ) の1つしかないことと合っています。
多項式 f f f の像は f ( 0 ) + f ′ ( 0 ) x f(0)+f'(0)x f ( 0 ) + f ′ ( 0 ) x で、点での値 f ( 0 ) f(0) f ( 0 ) に加えて、微分 f ′ ( 0 ) f'(0) f ′ ( 0 ) の情報も残しています。例えば f = x 3 + 2 x + 1 f=x^3+2x+1 f = x 3 + 2 x + 1 なら
x 3 + 2 x + 1 = 1 + 2 x + x 2 ⋅ x ≡ 1 + 2 x ( m o d x 2 ) x^3+2x+1=1+2x+x^2\cdot x\equiv1+2x \pmod{x^2} x 3 + 2 x + 1 = 1 + 2 x + x 2 ⋅ x ≡ 1 + 2 x ( mod x 2 )
で、f ( 0 ) = 1 f(0)=1 f ( 0 ) = 1 、f ′ ( 0 ) = 2 f'(0)=2 f ′ ( 0 ) = 2 と一致します。
値をとる写像まで並べると、次のようになります。最初の矢印は x 2 x^2 x 2 で割った余り、次の矢印は x x x で割った余りです。
k [ x ] ⟶ k [ x ] / ( x 2 ) ⟶ k [ x ] / ( x ) ≅ k f ⟼ f ( 0 ) + f ′ ( 0 ) x ⟼ f ( 0 ) \begin{array}{ccccc} k[x] & \longrightarrow & k[x]/(x^2) & \longrightarrow & k[x]/(x)\cong k \\ f & \longmapsto & f(0)+f'(0)\,x & \longmapsto & f(0) \end{array} k [ x ] f ⟶ ⟼ k [ x ] / ( x 2 ) f ( 0 ) + f ′ ( 0 ) x ⟶ ⟼ k [ x ] / ( x ) ≅ k f ( 0 )
Spec \operatorname{Spec} Spec で見ると、真ん中と右はどちらも1点です。違いは真ん中の環にだけある f ′ ( 0 ) f'(0) f ′ ( 0 ) の部分で、これは点の値には現れません。
Spec k [ x ] / ( x 2 ) \operatorname{Spec}k[x]/(x^2) Spec k [ x ] / ( x 2 ) は、「1点と、そこから出る無限に短い向き」をもった点だと考えられます。
この点は、平面の中で2つの曲線が接するところに現れます。放物線 y = x 2 y=x^2 y = x 2 と直線 y = 0 y=0 y = 0 (図2のオレンジと緑)は原点で接しています。2つの曲線の交わりを表す環を計算すると
( y − x 2 , y ) = ( x 2 , y ) ( x 2 = y − ( y − x 2 ) ) , k [ x , y ] / ( x 2 , y ) ≅ k [ x ] / ( x 2 ) ( y ↦ 0 ) \begin{aligned} (y-x^2,\ y) &= (x^2,\ y) \qquad\big(x^2=y-(y-x^2)\big), \\ k[x,y]/(x^2,\ y) &\cong k[x]/(x^2) \qquad(y\mapsto0) \end{aligned} ( y − x 2 , y ) k [ x , y ] / ( x 2 , y ) = ( x 2 , y ) ( x 2 = y − ( y − x 2 ) ) , ≅ k [ x ] / ( x 2 ) ( y ↦ 0 )
となります。
一方、( x 2 , y ) = ( x , y ) \sqrt{(x^2,y)}=(x,y) ( x 2 , y ) = ( x , y ) なので、閉集合としては V ( y − x 2 , y ) = V ( x , y ) V(y-x^2,\ y)=V(x,y) V ( y − x 2 , y ) = V ( x , y ) で、ただの1点です。接している交点は、空間としては1点でも、環としては「2点分」の重さをもっています。
このことを、直線を動かして確かめます。
命題15 [2 , 命題1.10, p.10]
k k k を標数が2でない代数閉体 、c ∈ k c\in k c ∈ k とする。
(1) k [ x , y ] / ( y − x 2 , y − c ) ≅ k [ x ] / ( x 2 − c ) k[x,y]/(y-x^2,\ y-c)\cong k[x]/(x^2-c) k [ x , y ] / ( y − x 2 , y − c ) ≅ k [ x ] / ( x 2 − c ) で、これは 1 , x 1,x 1 , x を基底とする2次元の k k k ベクトル空間である。 (2) c ≠ 0 c\neq0 c = 0 なら、s 2 = c s^2=c s 2 = c となる s ∈ k s\in k s ∈ k について k [ x ] / ( x 2 − c ) ≅ k × k k[x]/(x^2-c)\cong k\times k k [ x ] / ( x 2 − c ) ≅ k × k で、Spec \operatorname{Spec} Spec は2点 ( x − s ) (x-s) ( x − s ) 、( x + s ) (x+s) ( x + s ) からなる。 (3) c = 0 c=0 c = 0 なら、Spec k [ x ] / ( x 2 ) \operatorname{Spec}k[x]/(x^2) Spec k [ x ] / ( x 2 ) は1点で、x x x は0でないべき零元である。
証明 開く 閉じる すべて開く すべて閉じる
(1)
y ↦ x 2 y\mapsto x^2 y ↦ x 2 で
k [ x , y ] / ( y − x 2 ) ≅ k [ x ] k[x,y]/(y-x^2)\cong k[x] k [ x , y ] / ( y − x 2 ) ≅ k [ x ] と
なり、y − c y-c y − c は x 2 − c x^2-c x 2 − c に移る。よって k [ x ] / ( x 2 − c ) k[x]/(x^2-c) k [ x ] / ( x 2 − c ) と同型。 x 2 − c x^2-c x 2 − c は
モニックな2次式なので、どの多項式も x 2 − c x^2-c x 2 − c で割った余り a + b x a+bx a + b x とただ一通りに合同である。よって 1 , x 1,x 1 , x が基底。 (2) s ≠ 0 s\neq0 s = 0 かつ標数が2でないので s ≠ − s s\neq-s s = − s 。( x − s ) (x-s) ( x − s ) と ( x + s ) (x+s) ( x + s ) は互いに素で、中国剰余定理 から k [ x ] / ( x 2 − c ) ≅ k × k k[x]/(x^2-c)\cong k\times k k [ x ] / ( x 2 − c ) ≅ k × k 。詳しく 閉じる
( x + s ) − ( x − s ) = 2 s (x+s)-(x-s)=2s ( x + s ) − ( x − s ) = 2 s は0でない定数(単元 )なので、( x − s ) + ( x + s ) = k [ x ] (x-s)+(x+s)=k[x] ( x − s ) + ( x + s ) = k [ x ] 。このとき ( x − s ) ( x + s ) = ( x − s ) ∩ ( x + s ) (x-s)(x+s)=(x-s)\cap(x+s) ( x − s ) ( x + s ) = ( x − s ) ∩ ( x + s ) で、中国剰余定理 から
k [ x ] / ( x 2 − c ) ≅ k [ x ] / ( x − s ) × k [ x ] / ( x + s ) ≅ k × k . k[x]/(x^2-c)\cong k[x]/(x-s)\times k[x]/(x+s)\cong k\times k. k [ x ] / ( x 2 − c ) ≅ k [ x ] / ( x − s ) × k [ x ] / ( x + s ) ≅ k × k .
( x 2 − c ) = ( x − s ) ( x + s ) (x^2-c)=(x-s)(x+s) ( x 2 − c ) = ( x − s ) ( x + s ) を
含む素イデアルは、x − s x-s x − s か x + s x+s x + s を含む。どちらも極大イデアルを生成するので、点は ( x − s ) (x-s) ( x − s ) 、( x + s ) (x+s) ( x + s ) の2つ。
(2) の同型は、2つの点での値を並べる写像です。
k [ x ] / ( x 2 − c ) → ∼ k × k f ⟼ ( f ( s ) , f ( − s ) ) \begin{array}{ccc} k[x]/(x^2-c) & \xrightarrow{\ \sim\ } & k\times k \\ f & \longmapsto & \big(f(s),\ f(-s)\big) \end{array} k [ x ] / ( x 2 − c ) f ∼ ⟼ k × k ( f ( s ) , f ( − s ) )
c = 4 c=4 c = 4 、s = 2 s=2 s = 2 で具体的に見ます。x x x は ( 2 , − 2 ) (2,-2) ( 2 , − 2 ) に移り、元
e = x + 2 4 e=\frac{x+2}{4} e = 4 x + 2
は ( e ( 2 ) , e ( − 2 ) ) = ( 1 , 0 ) (e(2),\ e(-2))=(1,0) ( e ( 2 ) , e ( − 2 )) = ( 1 , 0 ) に移ります。つまり e e e は「点 ( x − 2 ) (x-2) ( x − 2 ) で1、点 ( x + 2 ) (x+2) ( x + 2 ) で0」の関数です。
実際、x 2 = 4 x^2=4 x 2 = 4 を使って e 2 e^2 e 2 を計算すると、e 2 = e e^2=e e 2 = e になります。
e 2 = x 2 + 4 x + 4 16 = 4 + 4 x + 4 16 = x + 2 4 = e e^2=\frac{x^2+4x+4}{16}=\frac{4+4x+4}{16}=\frac{x+2}{4}=e e 2 = 16 x 2 + 4 x + 4 = 16 4 + 4 x + 4 = 4 x + 2 = e
ここで 4 4 4 で割れるのは、標数が2でないからです。同じように 1 − e = ( 2 − x ) / 4 1-e=(2-x)/4 1 − e = ( 2 − x ) /4 は ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) に移り、k [ x ] / ( x 2 − 4 ) k[x]/(x^2-4) k [ x ] / ( x 2 − 4 ) は e e e と 1 − e 1-e 1 − e で2つの k k k に分かれます。
c = 0 c=0 c = 0 ではこうはなりません。k [ x ] / ( x 2 ) k[x]/(x^2) k [ x ] / ( x 2 ) で e 2 = e e^2=e e 2 = e をみたす元は 0 0 0 と 1 1 1 だけです。
e = a + b x e=a+bx e = a + b x とおくと、e 2 = a 2 + 2 a b x e^2=a^2+2abx e 2 = a 2 + 2 ab x なので、a 2 = a a^2=a a 2 = a と 2 a b = b 2ab=b 2 ab = b が条件です。a = 0 a=0 a = 0 なら b = 0 b=0 b = 0 、a = 1 a=1 a = 1 なら 2 b = b 2b=b 2 b = b から b = 0 b=0 b = 0 となります。
c ≠ 0 c\neq0 c = 0 では2点、c = 0 c=0 c = 0 では1点になります。それでも環の次元はいつも2です。
c → 0 c\to0 c → 0 のとき2点が近づいてぶつかり、ぶつかった後の1点が k [ x ] / ( x 2 ) k[x]/(x^2) k [ x ] / ( x 2 ) という「2点分の重さ」を残している、と見ることができます。
Re x \operatorname{Re}x Re x Im x \operatorname{Im}x Im x c c c x ∈ R x\in\mathbb{R} x ∈ R x ∈ i R x\in i\mathbb{R} x ∈ i R c = 1 c=1 c = 1 c = 0.36 c=0.36 c = 0.36 c = 0 c=0 c = 0 c = − 0.49 c=-0.49 c = − 0.49 k [ x ] / ( x 2 ) k[x]/(x^2) k [ x ] / ( x 2 )
このブラウザでは立体の図を表示できませんでした(WebGLが必要です)。
c = 1 c=1 c = 1 c = 0.36 c=0.36 c = 0.36 c = 0 c=0 c = 0 c = − 0.49 c=-0.49 c = − 0.49 斜め 正面 真上
ドラッグで回せます
x 2 = 1 x^2=1 x 2 = 1 の解は x = ± 1 x=\pm1 x = ± 1 の2点です。環は k [ x ] / ( x 2 − 1 ) ≅ k × k k[x]/(x^2-1)\cong k\times k k [ x ] / ( x 2 − 1 ) ≅ k × k 。
c c c を小さくすると、2点 ± c \pm\sqrt c ± c が近づきます。
c = 0 c=0 c = 0 で2点がぶつかり、1点 x = 0 x=0 x = 0 になります。環 k [ x ] / ( x 2 ) k[x]/(x^2) k [ x ] / ( x 2 ) は k k k 上2次元のままで、この点は「2点分の重さ」をもちます。
c < 0 c<0 c < 0 では解 ± i ∣ c ∣ \pm i\sqrt{|c|} ± i ∣ c ∣ が虚軸の方向に出ます。「正面」から見ると2点は c c c 軸の上で重なり、実数の解しか見えない図では「点がなくなった」ように見えます。回すと、2点は消えずに向きを変えただけだと分かります。
図3 具体例 x 2 = c x^2=c x 2 = c の解を、k = C k=\mathbb{C} k = C として、横の2軸に x x x の実部と虚部、縦軸に実数 c c c をとって描いた図です。x 2 = c x^2=c x 2 = c が実数になるのは、x x x が実数(オレンジ、c = x 2 ≥ 0 c=x^2\geq0 c = x 2 ≥ 0 )か純虚数(紫、c ≤ 0 c\leq0 c ≤ 0 )のときです。水平な板が c c c の値を表し、板と曲線の交わりが解です。c = 0 c=0 c = 0 で2点が1点にぶつかります。「正面」から見ると虚部が見えなくなり、c < 0 c<0 c < 0 の2つの解は c c c 軸の上で重なって見えます。
図3の c < 0 c<0 c < 0 の段階は、第1回の「図は実数点だけを描いている」という注意の具体例にもなっています。実数の解だけを見ると、c c c が0を通るとき2点が1点になって消えるように見えます。複素数で見ると、2点は消えずに向きを変えているだけです。
この記事の立場では、c c c がどんな値でも、交わりは「2点分」あります。
ハーツホーンは同じ現象を、次元を1つ上げて見ています。放物線 a y = x 2 ay=x^2 a y = x 2 の族で a → 0 a\to0 a → 0 とすると、極限は被約でない「2重の直線」x 2 = 0 x^2=0 x 2 = 0 になります[1 , 例3.3.1, p.123] 。
整数と多項式を合わせる:Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ]
Z \mathbb{Z} Z と k [ x ] k[x] k [ x ] が同じ形の空間になったので、両方を合わせた Z [ x ] \mathbb{Z}[x] Z [ x ] は、平面 Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] に似た2次元の空間になると予想できます。アティヤ・マクドナルドの演習問題は、Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ] の図を描くよう求めています[2 , 演習問題1.16, p.19] 。
例16 Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ]
Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ] の点は、次の4種類である。
( 0 ) (0) ( 0 ) :全体の生成点 。
( p ) (p) ( p ) (p p p は素数):閉集合 V ( p ) V(p) V ( p ) の生成点 。
( f ) (f) ( f ) (f f f は Z [ x ] \mathbb{Z}[x] Z [ x ] の既約多項式 で、次数が1以上):曲線 V ( f ) V(f) V ( f ) の生成点 。
( p , f ) (p,\ f) ( p , f ) (p p p は素数、f f f は p p p で割った余りの多項式 f ˉ ∈ F p [ x ] \bar f\in\mathbb{F}_p[x] f ˉ ∈ F p [ x ] が既約になる多項式):閉点。剰余体は有限体 F p [ x ] / ( f ˉ ) \mathbb{F}_p[x]/(\bar f) F p [ x ] / ( f ˉ ) 。
証明 開く 閉じる すべて開く すべて閉じる
P P P を
素イデアルとする。P ∩ Z P\cap\mathbb{Z} P ∩ Z は Z \mathbb{Z} Z の素イデアルなので、( p ) (p) ( p ) か ( 0 ) (0) ( 0 ) 。 P ∩ Z = ( p ) P\cap\mathbb{Z}=(p) P ∩ Z = ( p ) のとき、P P P は Z [ x ] / ( p ) ≅ F p [ x ] \mathbb{Z}[x]/(p)\cong\mathbb{F}_p[x] Z [ x ] / ( p ) ≅ F p [ x ] の素イデアルに対応し、それは ( 0 ) (0) ( 0 ) か ( f ˉ ) (\bar f) ( f ˉ ) (f ˉ \bar f f ˉ は既約)。よって P = ( p ) P=(p) P = ( p ) か ( p , f ) (p,\ f) ( p , f ) 。詳しく 閉じる
対応定理 により、p p p を含む Z [ x ] \mathbb{Z}[x] Z [ x ] の素イデアルは、F p [ x ] \mathbb{F}_p[x] F p [ x ] の素イデアルと1対1に対応する。F p [ x ] \mathbb{F}_p[x] F p [ x ] は単項イデアル整域 なので、素イデアルは ( 0 ) (0) ( 0 ) と、既約多項式 が生成するイデアル。
Z [ x ] / ( p , f ) ≅ F p [ x ] / ( f ˉ ) \mathbb{Z}[x]/(p,f)\cong\mathbb{F}_p[x]/(\bar f) Z [ x ] / ( p , f ) ≅ F p [ x ] / ( f ˉ ) は体なので、( p , f ) (p,f) ( p , f ) は極大イデアル。
P ∩ Z = 0 P\cap\mathbb{Z}=0 P ∩ Z = 0 で P ≠ 0 P\neq0 P = 0 のとき、P P P の0でない元のうち次数が最小のものから、既約多項式 f f f で P = ( f ) P=(f) P = ( f ) となるものが取れる。詳しく 閉じる
次数最小の
f 0 ∈ P ∖ { 0 } f_0\in P\setminus\{0\} f 0 ∈ P ∖ { 0 } を
取り、係数の最大公約数 c c c で割って f 0 = c f f_0=cf f 0 = c f とする。c ∈ Z ∖ { 0 } c\in\mathbb{Z}\setminus\{0\} c ∈ Z ∖ { 0 } は P P P に入らないので f ∈ P f\in P f ∈ P 。 f f f の
次数は1以上。次数0なら f = ± 1 f=\pm1 f = ± 1 となり、P = Z [ x ] P=\mathbb{Z}[x] P = Z [ x ] になってしまう。 g ∈ P g\in P g ∈ P を
任意に取る。Q [ x ] \mathbb{Q}[x] Q [ x ] で g g g を f f f で割り、分母を払うと d g = q f + r dg=qf+r d g = q f + r (d ∈ Z ∖ { 0 } d\in\mathbb{Z}\setminus\{0\} d ∈ Z ∖ { 0 } 、q , r ∈ Z [ x ] q,r\in\mathbb{Z}[x] q , r ∈ Z [ x ] 、deg r < deg f \deg r<\deg f deg r < deg f )。 r = d g − q f ∈ P r=dg-qf\in P r = d g − q f ∈ P で
次数が f f f より小さいので、r = 0 r=0 r = 0 。よって f f f は d g dg d g を割り切る。 ガウスの補題 より、係数が互いに素な f f f は g g g を割り切る。よって P = ( f ) P=(f) P = ( f ) 。詳しく 閉じる
f f f の係数の最大公約数は1なので、f ∣ d g f\mid dg f ∣ d g から f ∣ g f\mid g f ∣ g が従う。
f f f は既約でもある。f = f 1 f 2 f=f_1f_2 f = f 1 f 2 と分解できたとすると、P P P が素イデアルなので f 1 f_1 f 1 か f 2 f_2 f 2 が P P P に入るが、次数の最小性から、その因子の次数は f f f と同じ。係数の最大公約数が1なので、残りの因子は ± 1 \pm1 ± 1 。
逆に、
上の4種類はどれも素イデアルである。( p ) (p) ( p ) は Z [ x ] / ( p ) ≅ F p [ x ] \mathbb{Z}[x]/(p)\cong\mathbb{F}_p[x] Z [ x ] / ( p ) ≅ F p [ x ] が整域 だから、( f ) (f) ( f ) は Z [ x ] \mathbb{Z}[x] Z [ x ] が一意分解整域 だから(ガウスの補題 )、( p , f ) (p,f) ( p , f ) は剰余環 が体だから。 閉点は
( p , f ) (p,\ f) ( p , f ) の
形のものだけ。( 0 ) ⊊ ( p ) ⊊ ( p , x ) (0)\subsetneq(p)\subsetneq(p,\ x) ( 0 ) ⊊ ( p ) ⊊ ( p , x ) で、( f ) (f) ( f ) も、f f f の最高次係数を割り切らない素数 p p p と f ˉ \bar f f ˉ の既約因子 g g g を使った ( p , g ) (p,\ g) ( p , g ) に真に含まれる。
4種類の点の例と、その剰余体を並べます。
P A / P κ ( P ) ( 0 ) Z [ x ] Q ( x ) ( 3 ) F 3 [ x ] F 3 ( x ) ( x − 2 ) Z Q ( x 2 + 1 ) Z [ i ] Q ( i ) ( 5 , x − 2 ) F 5 F 5 ( 3 , x 2 + 1 ) F 9 F 9 \begin{array}{c|c|c} P & A/P & \kappa(P) \\ \hline (0) & \mathbb{Z}[x] & \mathbb{Q}(x) \\ (3) & \mathbb{F}_3[x] & \mathbb{F}_3(x) \\ (x-2) & \mathbb{Z} & \mathbb{Q} \\ (x^2+1) & \mathbb{Z}[i] & \mathbb{Q}(i) \\ (5,\ x-2) & \mathbb{F}_5 & \mathbb{F}_5 \\ (3,\ x^2+1) & \mathbb{F}_9 & \mathbb{F}_9 \end{array} P ( 0 ) ( 3 ) ( x − 2 ) ( x 2 + 1 ) ( 5 , x − 2 ) ( 3 , x 2 + 1 ) A / P Z [ x ] F 3 [ x ] Z Z [ i ] F 5 F 9 κ ( P ) Q ( x ) F 3 ( x ) Q Q ( i ) F 5 F 9
Z [ x ] / ( x − 2 ) ≅ Z \mathbb{Z}[x]/(x-2)\cong\mathbb{Z} Z [ x ] / ( x − 2 ) ≅ Z は x ↦ 2 x\mapsto2 x ↦ 2 、Z [ x ] / ( x 2 + 1 ) ≅ Z [ i ] \mathbb{Z}[x]/(x^2+1)\cong\mathbb{Z}[i] Z [ x ] / ( x 2 + 1 ) ≅ Z [ i ] は x ↦ i x\mapsto i x ↦ i で与えられます。F 9 = F 3 [ x ] / ( x 2 + 1 ) \mathbb{F}_9=\mathbb{F}_3[x]/(x^2+1) F 9 = F 3 [ x ] / ( x 2 + 1 ) は元が9個の体です。
例17 Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ] の点での値
f = x 2 + 1 ∈ Z [ x ] f=x^2+1\in\mathbb{Z}[x] f = x 2 + 1 ∈ Z [ x ] の値は、点の種類ごとに次のようになる。
f ( ( 7 , x − 3 ) ) = 3 2 + 1 = 10 = 3 ∈ F 7 , f ( ( 5 , x − 2 ) ) = 2 2 + 1 = 5 = 0 ∈ F 5 , f ( ( x − 2 ) ) = 2 2 + 1 = 5 ∈ Q , f ( ( 3 ) ) = x 2 + 1 ≠ 0 ∈ F 3 ( x ) , f ( ( 3 , x 2 + 1 ) ) = f ( ( x 2 + 1 ) ) = 0. \begin{aligned} f\big((7,\ x-3)\big) &= 3^2+1=10=3\in\mathbb{F}_7, \\ f\big((5,\ x-2)\big) &= 2^2+1=5=0\in\mathbb{F}_5, \\ f\big((x-2)\big) &= 2^2+1=5\in\mathbb{Q}, \\ f\big((3)\big) &= x^2+1\neq0\in\mathbb{F}_3(x), \\ f\big((3,\ x^2+1)\big) &= f\big((x^2+1)\big)=0. \end{aligned} f ( ( 7 , x − 3 ) ) f ( ( 5 , x − 2 ) ) f ( ( x − 2 ) ) f ( ( 3 ) ) f ( ( 3 , x 2 + 1 ) ) = 3 2 + 1 = 10 = 3 ∈ F 7 , = 2 2 + 1 = 5 = 0 ∈ F 5 , = 2 2 + 1 = 5 ∈ Q , = x 2 + 1 = 0 ∈ F 3 ( x ) , = f ( ( x 2 + 1 ) ) = 0.
とくに、閉点 ( 5 , x − 2 ) (5,\ x-2) ( 5 , x − 2 ) は V ( f ) V(f) V ( f ) に入り、閉点 ( 7 , x − 3 ) (7,\ x-3) ( 7 , x − 3 ) は入らない。点 ( x − 2 ) (x-2) ( x − 2 ) の値は整数 5 5 5 で、それを 5 5 5 で割った余りが閉点 ( 5 , x − 2 ) (5,\ x-2) ( 5 , x − 2 ) での値 0 0 0 になっている。
最後の文は、点 ( 5 , x − 2 ) (5,\ x-2) ( 5 , x − 2 ) が点 ( x − 2 ) (x-2) ( x − 2 ) の閉包に入っていることの表れです。( x − 2 ) ⊆ ( 5 , x − 2 ) (x-2)\subseteq(5,\ x-2) ( x − 2 ) ⊆ ( 5 , x − 2 ) なので、値をとる写像は次のように2段に分かれます。
Z [ x ] ⟶ Z [ x ] / ( x − 2 ) ≅ Z ⟶ Z / ( 5 ) = F 5 x 2 + 1 ⟼ 5 ⟼ 0 \begin{array}{ccccc} \mathbb{Z}[x] & \longrightarrow & \mathbb{Z}[x]/(x-2)\cong\mathbb{Z} & \longrightarrow & \mathbb{Z}/(5)=\mathbb{F}_5 \\ x^2+1 & \longmapsto & 5 & \longmapsto & 0 \end{array} Z [ x ] x 2 + 1 ⟶ ⟼ Z [ x ] / ( x − 2 ) ≅ Z 5 ⟶ ⟼ Z / ( 5 ) = F 5 0
閉集合 V ( p ) V(p) V ( p ) の点は、p p p を含む素イデアル、つまり F p [ x ] \mathbb{F}_p[x] F p [ x ] の素イデアルです。V ( p ) V(p) V ( p ) は1次元の空間 Spec F p [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{F}_p[x] Spec F p [ x ] と同じ形をしていて、射影 Spec Z [ x ] → Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x]\to\operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z [ x ] → Spec Z の、点 ( p ) (p) ( p ) の上のファイバー になっています。
ここで射影とは、Z [ x ] \mathbb{Z}[x] Z [ x ] の素イデアル P P P に、Z \mathbb{Z} Z の素イデアル P ∩ Z P\cap\mathbb{Z} P ∩ Z を対応させる写像です。4種類の点は次のように移ります。
( 0 ) , ( f ) ⟼ ( 0 ) , ( p ) , ( p , f ) ⟼ ( p ) . \begin{array}{rcl} (0),\ (f) & \longmapsto & (0), \\ (p),\ (p,\ f) & \longmapsto & (p). \end{array} ( 0 ) , ( f ) ( p ) , ( p , f ) ⟼ ⟼ ( 0 ) , ( p ) .
点 ( p ) (p) ( p ) の上のファイバーは V ( p ) V(p) V ( p ) で、閉集合です。一方、生成点 ( 0 ) (0) ( 0 ) の上のファイバーは { ( 0 ) } ∪ { ( f ) } \{(0)\}\cup\{(f)\} {( 0 )} ∪ {( f )} で、閉集合ではありません。このファイバーの点は Q [ x ] \mathbb{Q}[x] Q [ x ] の素イデアル ( 0 ) (0) ( 0 ) 、( f ) (f) ( f ) と1対1に対応します。
環の側では、次の図式が可換です。横の矢印は Z \mathbb{Z} Z から Q \mathbb{Q} Q への埋め込みと、p p p で割った余りをとる写像です。
Q ← Z → F p ↓ ↓ ↓ Q [ x ] ← Z [ x ] → F p [ x ] \begin{CD} \mathbb{Q} @<<< \mathbb{Z} @>>> \mathbb{F}_p \\ @VVV @VVV @VVV \\ \mathbb{Q}[x] @<<< \mathbb{Z}[x] @>>> \mathbb{F}_p[x] \end{CD} Q ↓ ⏐ Q [ x ] Z ↓ ⏐ Z [ x ] F p ↓ ⏐ F p [ x ]
図式は、係数を Z \mathbb{Z} Z から F p \mathbb{F}_p F p や Q \mathbb{Q} Q に取り替える操作を表しています。右の正方形は「Z [ x ] \mathbb{Z}[x] Z [ x ] を p p p で割ると F p [ x ] \mathbb{F}_p[x] F p [ x ] 」(Z [ x ] / ( p ) ≅ F p [ x ] \mathbb{Z}[x]/(p)\cong\mathbb{F}_p[x] Z [ x ] / ( p ) ≅ F p [ x ] )、左の正方形は「分母を許すと Q [ x ] \mathbb{Q}[x] Q [ x ] 」に当たり、それぞれ点 ( p ) (p) ( p ) の上と生成点 の上のファイバーの環です。
ハーツホーンは、Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z の上の族を、生成点 ( 0 ) (0) ( 0 ) の上では Q \mathbb{Q} Q 上の空間、閉点 ( p ) (p) ( p ) の上では F p \mathbb{F}_p F p 上の空間を与えるもの(p p p を法とした還元)として紹介しています[1 , p.122] 。
一方、V ( f ) V(f) V ( f ) は、ファイバーを横切る「横向きの曲線」です。f f f の最高次係数を割り切らない素数 p p p では、f ˉ \bar f f ˉ の次数が1以上なので、V ( f ) V(f) V ( f ) はファイバー V ( p ) V(p) V ( p ) と必ず交わります。最高次係数を割り切る p p p では交わらないことがあり、例えば f = 2 x − 1 f=2x-1 f = 2 x − 1 では
1 = x ⋅ 2 − ( 2 x − 1 ) ∈ ( 2 , 2 x − 1 ) , V ( 2 x − 1 ) ∩ V ( 2 ) = V ( 2 , 2 x − 1 ) = ∅ \begin{aligned} &1=x\cdot2-(2x-1)\in(2,\ 2x-1), \\ &V(2x-1)\cap V(2)=V(2,\ 2x-1)=\varnothing \end{aligned} 1 = x ⋅ 2 − ( 2 x − 1 ) ∈ ( 2 , 2 x − 1 ) , V ( 2 x − 1 ) ∩ V ( 2 ) = V ( 2 , 2 x − 1 ) = ∅
です。F 2 [ x ] \mathbb{F}_2[x] F 2 [ x ] で 2 x − 1 2x-1 2 x − 1 は単元 1 1 1 になってしまうからです。
代表として f = x 2 + 1 f=x^2+1 f = x 2 + 1 を見ます。V ( x 2 + 1 ) V(x^2+1) V ( x 2 + 1 ) とファイバー V ( p ) V(p) V ( p ) の交わりの点は、F p [ x ] \mathbb{F}_p[x] F p [ x ] で x 2 + 1 x^2+1 x 2 + 1 を割り切る既約多項式 に対応します。
例18 x 2 + 1 x^2+1 x 2 + 1 を素数で割る
V ( x 2 + 1 ) ∩ V ( p ) V(x^2+1)\cap V(p) V ( x 2 + 1 ) ∩ V ( p ) の点は次のとおりである。
p = 2 p=2 p = 2 :x 2 + 1 = ( x + 1 ) 2 x^2+1=(x+1)^2 x 2 + 1 = ( x + 1 ) 2 なので1点 ( 2 , x + 1 ) (2,\ x+1) ( 2 , x + 1 ) 。環 F 2 [ x ] / ( x 2 + 1 ) = F 2 [ x ] / ( ( x + 1 ) 2 ) \mathbb{F}_2[x]/(x^2+1)=\mathbb{F}_2[x]/\big((x+1)^2\big) F 2 [ x ] / ( x 2 + 1 ) = F 2 [ x ] / ( ( x + 1 ) 2 ) には0でないべき零元 x + 1 x+1 x + 1 がある。
p = 3 , 7 , 11 p=3,7,11 p = 3 , 7 , 11 :x 2 + 1 x^2+1 x 2 + 1 は F p \mathbb{F}_p F p に根をもたず既約なので、1点 ( p , x 2 + 1 ) (p,\ x^2+1) ( p , x 2 + 1 ) 。剰余体は元が p 2 p^2 p 2 個の有限体。
p = 5 p=5 p = 5 :x 2 + 1 = ( x − 2 ) ( x + 2 ) x^2+1=(x-2)(x+2) x 2 + 1 = ( x − 2 ) ( x + 2 ) なので2点 ( 5 , x − 2 ) (5,\ x-2) ( 5 , x − 2 ) 、( 5 , x + 2 ) (5,\ x+2) ( 5 , x + 2 ) 。p = 13 p=13 p = 13 :x 2 + 1 = ( x − 5 ) ( x + 5 ) x^2+1=(x-5)(x+5) x 2 + 1 = ( x − 5 ) ( x + 5 ) なので2点。
証明 開く 閉じる すべて開く すべて閉じる
F p \mathbb{F}_p F p の元を全部代入して根を調べる。2次式は、根をもたなければ既約で、根 a a a をもてば ( x − a ) ( x + a ) (x-a)(x+a) ( x − a ) ( x + a ) と分解する。詳しく 閉じる
例えば p = 3 p=3 p = 3 では 0 2 + 1 = 1 0^2+1=1 0 2 + 1 = 1 、1 2 + 1 = 2 1^2+1=2 1 2 + 1 = 2 、2 2 + 1 = 5 ≡ 2 2^2+1=5\equiv2 2 2 + 1 = 5 ≡ 2 で、根がない。p = 5 p=5 p = 5 では 2 2 + 1 = 5 ≡ 0 2^2+1=5\equiv0 2 2 + 1 = 5 ≡ 0 、p = 13 p=13 p = 13 では 5 2 + 1 = 26 ≡ 0 5^2+1=26\equiv0 5 2 + 1 = 26 ≡ 0 。p = 2 p=2 p = 2 では 1 2 + 1 ≡ 0 1^2+1\equiv0 1 2 + 1 ≡ 0 で、( x + 1 ) 2 = x 2 + 2 x + 1 ≡ x 2 + 1 (x+1)^2=x^2+2x+1\equiv x^2+1 ( x + 1 ) 2 = x 2 + 2 x + 1 ≡ x 2 + 1 。
図4を作るプログラムも、同じ計算を全部の素数について確かめている。
命題3 (2) から、交わりは V ( x 2 + 1 ) ∩ V ( p ) = V ( p , x 2 + 1 ) V(x^2+1)\cap V(p)=V(p,\ x^2+1) V ( x 2 + 1 ) ∩ V ( p ) = V ( p , x 2 + 1 ) です。対応定理 により、交わりの点は Z [ x ] / ( p , x 2 + 1 ) ≅ F p [ x ] / ( x 2 + 1 ) \mathbb{Z}[x]/(p,\ x^2+1)\cong\mathbb{F}_p[x]/(x^2+1) Z [ x ] / ( p , x 2 + 1 ) ≅ F p [ x ] / ( x 2 + 1 ) の素イデアルと1対1に対応します。
素数を増やしても、同じ計算で分かれ方が決まります。根 a a a の確かめ方は a 2 + 1 ≡ 0 ( m o d p ) a^2+1\equiv0\pmod p a 2 + 1 ≡ 0 ( mod p ) です。
p a 2 + 1 x 2 + 1 m o d p 17 4 2 + 1 = 17 ( x − 4 ) ( x + 4 ) 29 12 2 + 1 = 5 ⋅ 29 ( x − 12 ) ( x + 12 ) 37 6 2 + 1 = 37 ( x − 6 ) ( x + 6 ) \begin{array}{c|c|c} p & a^2+1 & x^2+1 \bmod p \\ \hline 17 & 4^2+1=17 & (x-4)(x+4) \\ 29 & 12^2+1=5\cdot29 & (x-12)(x+12) \\ 37 & 6^2+1=37 & (x-6)(x+6) \end{array} p 17 29 37 a 2 + 1 4 2 + 1 = 17 1 2 2 + 1 = 5 ⋅ 29 6 2 + 1 = 37 x 2 + 1 mod p ( x − 4 ) ( x + 4 ) ( x − 12 ) ( x + 12 ) ( x − 6 ) ( x + 6 )
一方、p = 19 , 23 , 31 p=19,23,31 p = 19 , 23 , 31 では F p \mathbb{F}_p F p のどの元を入れても a 2 + 1 a^2+1 a 2 + 1 が0にならず、x 2 + 1 x^2+1 x 2 + 1 は既約です。2点に分かれる素数 5 , 13 , 17 , 29 , 37 5,13,17,29,37 5 , 13 , 17 , 29 , 37 はどれも4で割って1余り、1点のままの 3 , 7 , 11 , 19 , 23 , 31 3,7,11,19,23,31 3 , 7 , 11 , 19 , 23 , 31 はどれも4で割って3余ります。
剰余体が2次になる点の例として、p = 3 p=3 p = 3 の点 ( 3 , x 2 + 1 ) (3,\ x^2+1) ( 3 , x 2 + 1 ) の剰余体 F 3 [ x ] / ( x 2 + 1 ) \mathbb{F}_3[x]/(x^2+1) F 3 [ x ] / ( x 2 + 1 ) を見ます。元は a + b x a+bx a + b x (a , b ∈ F 3 a,b\in\mathbb{F}_3 a , b ∈ F 3 )の9個で、x 2 = − 1 x^2=-1 x 2 = − 1 として計算します。例えば
( 1 + x ) 2 = 1 + 2 x + x 2 = 2 x , ( 1 + x ) ( 2 + x ) = 2 + 3 x + x 2 = 1 \begin{aligned} (1+x)^2 &= 1+2x+x^2=2x, \\ (1+x)(2+x) &= 2+3x+x^2=1 \end{aligned} ( 1 + x ) 2 ( 1 + x ) ( 2 + x ) = 1 + 2 x + x 2 = 2 x , = 2 + 3 x + x 2 = 1
で、1 + x 1+x 1 + x の逆元は 2 + x 2+x 2 + x です。複素数で i 2 = − 1 i^2=-1 i 2 = − 1 として計算するのと同じ形です。
どの p p p でも、F p [ x ] / ( x 2 + 1 ) \mathbb{F}_p[x]/(x^2+1) F p [ x ] / ( x 2 + 1 ) は F p \mathbb{F}_p F p 上2次元です。図3の x 2 = c x^2=c x 2 = c と同じで、「2点」「重なった1点」「1点だが剰余体が2次」のどれかになります。p = 2 p=2 p = 2 の点は、c = 0 c=0 c = 0 の重なった点と同じ形です。
( 2 ) (2) ( 2 ) ( 3 ) (3) ( 3 ) ( 5 ) (5) ( 5 ) ( 7 ) (7) ( 7 ) ( 11 ) (11) ( 11 ) ( 13 ) (13) ( 13 ) V ( x ) V(x) V ( x ) ( p ) (p) ( p ) ( 2 , x + 1 ) (2,\,x+1) ( 2 , x + 1 ) ( 3 , x 2 + 1 ) (3,\,x^2+1) ( 3 , x 2 + 1 ) ( x 2 + 1 ) (x^2+1) ( x 2 + 1 ) ( 0 ) (0) ( 0 )
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閉点 ファイバー V ( x 2 + 1 ) V(x^2+1) V ( x 2 + 1 ) ( 0 ) (0) ( 0 ) 斜め 真上 真横
ドラッグで回せます
縦の線が、素数 p p p の上のファイバー V ( p ) ≅ Spec F p [ x ] V(p)\cong\operatorname{Spec}\mathbb{F}_p[x] V ( p ) ≅ Spec F p [ x ] です。縦の位置が a a a の黒い点が閉点 ( p , x − a ) (p,\ x-a) ( p , x − a ) で、a a a は p p p で割った余りを − p / 2 -p/2 − p /2 から p / 2 p/2 p /2 の範囲で表しています。緑の横線 V ( x ) V(x) V ( x ) は、各ファイバーの a = 0 a=0 a = 0 の点を通ります。
各ファイバー V ( p ) V(p) V ( p ) の生成点 ( p ) (p) ( p ) は、縦の線の上の雲です。
曲線 V ( x 2 + 1 ) V(x^2+1) V ( x 2 + 1 ) は、p ≡ 1 ( m o d 4 ) p\equiv1\pmod 4 p ≡ 1 ( mod 4 ) のファイバーでは2つの閉点を、p ≡ 3 ( m o d 4 ) p\equiv3\pmod 4 p ≡ 3 ( mod 4 ) のファイバーでは1つの2次の点(剰余体が F p 2 \mathbb{F}_{p^2} F p 2 、上端の紫)を通ります。p = 2 p=2 p = 2 では x 2 + 1 = ( x + 1 ) 2 x^2+1=(x+1)^2 x 2 + 1 = ( x + 1 ) 2 なので2本の枝が1点で接し、図3の c = 0 c=0 c = 0 と同じ「重なった点」になります。曲線の生成点 ( x 2 + 1 ) (x^2+1) ( x 2 + 1 ) が高さ1の雲です。点を結ぶ線の形には意味がありません。
高さ2の雲が ( 0 ) (0) ( 0 ) です。Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ] も、Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] (図2)と同じく3段に分かれます。
図4 概念図 Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ] 。横に素数 p p p を並べ、各 p p p の上の縦の線がファイバー V ( p ) V(p) V ( p ) です。黒い点は閉点 ( p , x − a ) (p,\ x-a) ( p , x − a ) で、縦の線の上の位置が余り a a a を表します。紫の点は2次の閉点 ( p , x 2 + 1 ) (p,\ x^2+1) ( p , x 2 + 1 ) です。オレンジの線が曲線 V ( x 2 + 1 ) V(x^2+1) V ( x 2 + 1 ) で、通る閉点だけに意味があり、点と点を結ぶ線の形には意味がありません。図2と同じく、閉包が1次元の点を高さ1に、全体の生成点 を高さ2に描いています。「真上」から見ると、マンフォードの有名な図と同じ配置になります。
別の横向きの曲線でも、同じことが起こります。
例19 x 2 + x + 1 x^2+x+1 x 2 + x + 1 を素数で割る
Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ] の曲線 V ( x 2 + x + 1 ) V(x^2+x+1) V ( x 2 + x + 1 ) とファイバー V ( p ) V(p) V ( p ) の交わりの点は次のとおりである。
p = 3 p=3 p = 3 :x 2 + x + 1 ≡ ( x − 1 ) 2 x^2+x+1\equiv(x-1)^2 x 2 + x + 1 ≡ ( x − 1 ) 2 なので1点 ( 3 , x − 1 ) (3,\ x-1) ( 3 , x − 1 ) で、重なった点になる。
p = 7 p=7 p = 7 :x 2 + x + 1 ≡ ( x − 2 ) ( x − 4 ) x^2+x+1\equiv(x-2)(x-4) x 2 + x + 1 ≡ ( x − 2 ) ( x − 4 ) なので2点。p = 13 p=13 p = 13 :( x − 3 ) ( x − 9 ) (x-3)(x-9) ( x − 3 ) ( x − 9 ) 、p = 19 p=19 p = 19 :( x − 7 ) ( x − 11 ) (x-7)(x-11) ( x − 7 ) ( x − 11 ) でどちらも2点。
p = 2 , 5 , 11 , 17 p=2,5,11,17 p = 2 , 5 , 11 , 17 :F p \mathbb{F}_p F p に根がなく既約なので、剰余体が2次の1点 ( p , x 2 + x + 1 ) (p,\ x^2+x+1) ( p , x 2 + x + 1 ) 。
証明 開く 閉じる すべて開く すべて閉じる
p = 3 p=3 p = 3 :
( x − 1 ) 2 = x 2 − 2 x + 1 (x-1)^2=x^2-2x+1 ( x − 1 ) 2 = x 2 − 2 x + 1 で、
− 2 ≡ 1 ( m o d 3 ) -2\equiv1\pmod3 − 2 ≡ 1 ( mod 3 ) なので
x 2 + x + 1 x^2+x+1 x 2 + x + 1 に
等しい。 p = 7 , 13 , 19 p=7,13,19 p = 7 , 13 , 19 :根を代入して確かめる。詳しく 閉じる
2 2 + 2 + 1 = 7 2^2+2+1=7 2 2 + 2 + 1 = 7 、4 2 + 4 + 1 = 21 = 3 ⋅ 7 4^2+4+1=21=3\cdot7 4 2 + 4 + 1 = 21 = 3 ⋅ 7 。3 2 + 3 + 1 = 13 3^2+3+1=13 3 2 + 3 + 1 = 13 、9 2 + 9 + 1 = 91 = 7 ⋅ 13 9^2+9+1=91=7\cdot13 9 2 + 9 + 1 = 91 = 7 ⋅ 13 。7 2 + 7 + 1 = 57 = 3 ⋅ 19 7^2+7+1=57=3\cdot19 7 2 + 7 + 1 = 57 = 3 ⋅ 19 、11 2 + 11 + 1 = 133 = 7 ⋅ 19 11^2+11+1=133=7\cdot19 1 1 2 + 11 + 1 = 133 = 7 ⋅ 19 。
2つの根 a , b a,b a , b があれば x 2 + x + 1 = ( x − a ) ( x − b ) x^2+x+1=(x-a)(x-b) x 2 + x + 1 = ( x − a ) ( x − b ) で、実際 a + b ≡ − 1 a+b\equiv-1 a + b ≡ − 1 、a b ≡ 1 ab\equiv1 ab ≡ 1 になっている(例えば p = 7 p=7 p = 7 で 2 + 4 = 6 ≡ − 1 2+4=6\equiv-1 2 + 4 = 6 ≡ − 1 、2 ⋅ 4 = 8 ≡ 1 2\cdot4=8\equiv1 2 ⋅ 4 = 8 ≡ 1 )。
p = 2 , 5 , 11 , 17 p=2,5,11,17 p = 2 , 5 , 11 , 17 :F p \mathbb{F}_p F p の元をすべて代入しても0にならない。2次式は根がなければ既約である。詳しく 閉じる
例えば p = 5 p=5 p = 5 では、a = 0 , 1 , 2 , 3 , 4 a=0,1,2,3,4 a = 0 , 1 , 2 , 3 , 4 に対して a 2 + a + 1 = 1 , 3 , 7 , 13 , 21 a^2+a+1=1,3,7,13,21 a 2 + a + 1 = 1 , 3 , 7 , 13 , 21 で、5で割った余りは 1 , 3 , 2 , 3 , 1 1,3,2,3,1 1 , 3 , 2 , 3 , 1 。p = 2 p=2 p = 2 では 1 1 1 と 1 + 1 + 1 ≡ 1 1+1+1\equiv1 1 + 1 + 1 ≡ 1 。
今度は、2点に分かれる 7 , 13 , 19 7,13,19 7 , 13 , 19 が3で割って1余り、1点のままの 2 , 5 , 11 , 17 2,5,11,17 2 , 5 , 11 , 17 が3で割って2余ります。p ≠ 3 p\neq3 p = 3 では、x 2 + x + 1 x^2+x+1 x 2 + x + 1 の根は a 3 = 1 a^3=1 a 3 = 1 、a ≠ 1 a\neq1 a = 1 をみたす元(1の原始3乗根)です。F p × \mathbb{F}_p^\times F p × は位数 p − 1 p-1 p − 1 の巡回群なので、位数3の元があるのは 3 ∣ p − 1 3\mid p-1 3 ∣ p − 1 、つまり p ≡ 1 ( m o d 3 ) p\equiv1\pmod3 p ≡ 1 ( mod 3 ) のときです。
Z [ x ] / ( x 2 + x + 1 ) \mathbb{Z}[x]/(x^2+x+1) Z [ x ] / ( x 2 + x + 1 ) は、ω = ( − 1 + − 3 ) / 2 \omega=(-1+\sqrt{-3})/2 ω = ( − 1 + − 3 ) /2 を添加した環 Z [ ω ] \mathbb{Z}[\omega] Z [ ω ] です。x 2 + 1 x^2+1 x 2 + 1 では p = 2 p=2 p = 2 で接し、x 2 + x + 1 x^2+x+1 x 2 + x + 1 では p = 3 p=3 p = 3 で接します。
専門的な話 どの素数で2点に分かれるか
奇素数 p p p について、x 2 + 1 x^2+1 x 2 + 1 が F p \mathbb{F}_p F p に根をもつのは p ≡ 1 ( m o d 4 ) p\equiv1\pmod 4 p ≡ 1 ( mod 4 ) のときで、そのときに限ります(平方剰余の第1補充法則)。よって V ( x 2 + 1 ) V(x^2+1) V ( x 2 + 1 ) は、p ≡ 1 ( m o d 4 ) p\equiv1\pmod4 p ≡ 1 ( mod 4 ) のファイバーで2点、p ≡ 3 ( m o d 4 ) p\equiv3\pmod4 p ≡ 3 ( mod 4 ) のファイバーで2次の1点を通り、p = 2 p=2 p = 2 で接します。
Z [ x ] / ( x 2 + 1 ) \mathbb{Z}[x]/(x^2+1) Z [ x ] / ( x 2 + 1 ) はガウス整数の環 Z [ i ] \mathbb{Z}[i] Z [ i ] なので、V ( x 2 + 1 ) V(x^2+1) V ( x 2 + 1 ) は Spec Z [ i ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[i] Spec Z [ i ] と同じものです。
整数論では、素数 p p p が Z [ i ] \mathbb{Z}[i] Z [ i ] で2つの素元の積に分かれることを「分解する」、素元のままであることを「惰性的」、重なった因子が出ることを「分岐する」と呼びます。図4は、これを Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z の上の曲線の形として見せています。
まとめ:点の種類の表
この記事の例を表にまとめます。「段」は、図で点を浮かべた高さの種類の数(素イデアルの鎖の長さに1を足したもの)です。
Spec A \operatorname{Spec}A Spec A 閉点 閉点でない点 段
Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z ( p ) (p) ( p ) ( 0 ) (0) ( 0 ) 2
Spec k [ x ] \operatorname{Spec}k[x] Spec k [ x ] ( x − a ) (x-a) ( x − a ) ( 0 ) (0) ( 0 ) 2
Spec Z ( 5 ) \operatorname{Spec}\mathbb{Z}_{(5)} Spec Z ( 5 ) ( 5 ) (5) ( 5 ) ( 0 ) (0) ( 0 ) (開集合)2
Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] ( x − a , y − b ) (x-a,\ y-b) ( x − a , y − b ) ( g ) (g) ( g ) 、( 0 ) (0) ( 0 ) 3
Spec k [ x ] / ( x 2 ) \operatorname{Spec}k[x]/(x^2) Spec k [ x ] / ( x 2 ) ( x ) (x) ( x ) なし(環にはべき零元 x x x がある) 1
Spec Z [ x ] \operatorname{Spec}\mathbb{Z}[x] Spec Z [ x ] ( p , f ) (p,\ f) ( p , f ) ( p ) (p) ( p ) 、( f ) (f) ( f ) 、( 0 ) (0) ( 0 ) 3
第1回の辞書の言葉で言い直すと、「既約な閉集合」と「点」が同じものになりました。点 P P P の閉包が V ( P ) V(P) V ( P ) で、包含が逆向きになることも第1回と同じです。
この記事の対応を式でまとめると、次のようになります。
P ∈ Spec A ⟼ { P } ‾ = V ( P ) P ⊆ Q ⟺ V ( P ) ⊇ V ( Q ) f ( P ) = 0 ⟺ f ∈ P \begin{array}{ccc} P\in\operatorname{Spec}A & \longmapsto & \overline{\{P\}}=V(P) \\ P\subseteq Q & \iff & V(P)\supseteq V(Q) \\ f(P)=0 & \iff & f\in P \end{array} P ∈ Spec A P ⊆ Q f ( P ) = 0 ⟼ ⟺ ⟺ { P } = V ( P ) V ( P ) ⊇ V ( Q ) f ∈ P
1行目が 命題6 (1)(と 定理8 )、2行目が 命題6 (2)、3行目が値の定義から出る関係です。
次回:点のまわりの関数
この記事の Spec は、まだ位相空間にすぎません。Spec k \operatorname{Spec}k Spec k と Spec k [ x ] / ( x 2 ) \operatorname{Spec}k[x]/(x^2) Spec k [ x ] / ( x 2 ) は、位相空間としては区別できませんでした。違いは環の側、つまり「その空間の上の関数」にあります。
次回 は、開集合ごとに関数の集まりを決める前層と層を定義し、点のまわりの関数の集まりである茎と、その元である芽を図で見ます。点 ( 5 ) (5) ( 5 ) での Spec Z \operatorname{Spec}\mathbb{Z} Spec Z の茎は、この記事の環 Z ( 5 ) \mathbb{Z}_{(5)} Z ( 5 ) になります[1 , 命題2.2, p.97] 。
第1回の命題14
アフィン代数的集合 X X X が既約であることと、I ( X ) I(X) I ( X ) が素イデアルであることは同値である。
0 でない元どうしの積が0にならない可換環(a b = 0 ab=0 ab = 0 なら a = 0 a=0 a = 0 または b = 0 b=0 b = 0 )。例:Z \mathbb{Z} Z 、体上の多項式環。A / P A/P A / P が整域であることと、P P P が素イデアルであることは同値。
整域 A A A の元の分数 a / b a/b a / b (b ≠ 0 b\neq0 b = 0 )全体がなす体。Frac A \operatorname{Frac}A Frac A と書く。例:Z \mathbb{Z} Z の商体は Q \mathbb{Q} Q 、k [ x ] k[x] k [ x ] の商体は有理関数体 k ( x ) k(x) k ( x ) 。
元を無限個もつ体。Q , R , C \mathbb{Q},\mathbb{R},\mathbb{C} Q , R , C など。無限体の上では、すべての点で0になる多項式は0だけである。
位相空間の閉集合の全体が満たす条件:空集合と全体は閉集合、有限個の閉集合の和集合は閉集合、任意個の閉集合の共通部分は閉集合。これを満たす集合族を決めると位相が1つ決まる。
すべてのイデアルが1つの元で生成される整域。例:Z \mathbb{Z} Z 、体上の1変数多項式環 k [ x ] k[x] k [ x ] 。素イデアルは ( 0 ) (0) ( 0 ) と、既約元が生成する ( p ) (p) ( p ) だけで、( p ) (p) ( p ) は極大イデアルになる。
定数でなく、定数でない2つの多項式の積に分解できない多項式。例:R [ x ] \mathbb{R}[x] R [ x ] の x 2 + 1 x^2+1 x 2 + 1 。C [ x ] \mathbb{C}[x] C [ x ] では ( x + i ) ( x − i ) (x+i)(x-i) ( x + i ) ( x − i ) と分解するので既約ではない。
素イデアルがちょうど2つ(( 0 ) (0) ( 0 ) と極大イデアル)の単項イデアル整域。例:Z ( p ) \mathbb{Z}_{(p)} Z ( p ) 、k [ x ] ( x ) k[x]_{(x)} k [ x ] ( x ) 。0でない元は π n u \pi^n u π n u (π \pi π は極大イデアルの生成元、u u u は単元)と一通りに書け、n n n が「その点で何位の零点か」を表す。
0 でも単元でもない元が、既約元の積に、順番と単元倍を除いて一通りに分解できる整域。例:Z \mathbb{Z} Z 、体上の多項式環 k [ x 1 , … , x n ] k[x_1,\dots,x_n] k [ x 1 , … , x n ] 。ここでは既約元が生成するイデアルは素イデアルになる。
一意分解整域 R R R と商体 K K K について、係数に共通の因子がない(原始的な)f ∈ R [ y ] f\in R[y] f ∈ R [ y ] が K [ y ] K[y] K [ y ] で g ∈ R [ y ] g\in R[y] g ∈ R [ y ] を割り切れば、R [ y ] R[y] R [ y ] でも割り切る。また、次数1以上の原始的な既約多項式は K [ y ] K[y] K [ y ] でも既約である。とくに R [ y ] R[y] R [ y ] も一意分解整域になる。
環 A A A とイデアル J J J について、A / J A/J A / J のイデアルは、J J J を含む A A A のイデアル K K K の像 K / J K/J K / J と1対1に対応する。素イデアルは素イデアルに、極大イデアルは極大イデアルに対応する。
環 A A A のイデアル J , K J,K J , K が J + K = A J+K=A J + K = A をみたすとき、J K = J ∩ K JK=J\cap K J K = J ∩ K で、A / J K ≅ A / J × A / K A/JK\cong A/J\times A/K A / J K ≅ A / J × A / K 。整数なら、互いに素な m , n m,n m , n について Z / m n ≅ Z / m × Z / n \mathbb{Z}/mn\cong\mathbb{Z}/m\times\mathbb{Z}/n Z / mn ≅ Z / m × Z / n 。
既約な閉集合 Z Z Z に対して、閉包がちょうど Z Z Z になる点を Z Z Z の生成点と呼ぶ。Spec k [ x , y ] \operatorname{Spec}k[x,y] Spec k [ x , y ] では、素イデアル ( 0 ) (0) ( 0 ) に対応する点が平面全体の生成点になる。
定数でない1変数多項式が、必ずその体の中に根をもつ体。例:C \mathbb{C} C 。R \mathbb{R} R は代数閉体ではない(x 2 + 1 x^2+1 x 2 + 1 に根がない)。代数閉体は必ず無限体である。
掛けて1になる相手(逆元)をもつ環の元。例:Z \mathbb{Z} Z の単元は ± 1 \pm1 ± 1 、体では0以外のすべての元。
環 A A A をイデアル J J J で割った環 A / J A/J A / J 。差が J J J に入る元どうしを同じとみなす。例:k [ x , y ] / ( y ) ≅ k [ x ] k[x,y]/(y)\cong k[x] k [ x , y ] / ( y ) ≅ k [ x ] 。
連載 図で読む代数幾何
第1回 方程式の解を形として見る:アフィン代数的集合とイデアル 第2回 素イデアルを点にする:Spec と生成点 第3回 点のまわりの関数:層・茎・芽 第4回 貼り合わせて作る空間:射影直線
参考文献
R. ハーツホーン(高橋宣能・松下大介 訳) , 『代数幾何学 1』 , 丸善出版, 2013 .M. F. アティヤ, I. G. マクドナルド(新妻弘 訳) , 『可換代数入門』 , 共立出版, 2006 .後藤四郎, 渡辺敬一 , 『可換環論』 , 日本評論社, 2011 .