1 積閉集合と局所化
定義 1.1.Aを可換環とする。部分集合S⊆Aが積閉集合 (multiplicatively closed subset) であるとは、
1A∈S,s,t∈S⟹st∈Sを満たすことをいう。0∈Sとなる場合も許す。
A×S上の関係∼を
(a,s)∼(b,t)⟺∃u∈S,u(at−bs)=0によって定める。(a,s)の同値類をa/sと書き、商集合をS−1Aと書く。演算を
sa+tb:=stat+bs,−sa:=s−a,satb:=stabによって定める。これらが well-defined であることを証明した後、S−1AをAのSによる局所化 (localization of a ring) という。
uの存在を許す理由は、Sに属する零因子によって交差積の差が消える場合も、局所化した環では同じ元として扱うためである。次の補題で、関係、演算および環公理を順に検証する。
補題 1.2.Aを可換環、S⊆Aを積閉集合とする。定義 1.1の関係∼は同値関係である。加法、加法逆元、減法および乗法は代表元の選択によらず、S−1Aは零元0/1と単位元1/1をもつ可換環となる。
証明の前半では、推移律に対して二つの等値関係の乗数を掛け合わせる。演算の well-defined 性では、二つの交差積の差を、仮定によって消える二項の和へ分解する。後半では、代表元を用いて環公理の両辺を同じ分数表示へ変形する。
証明. 同値関係. 任意の(a,s)∈A×Sに対して1A(as−as)=0であり1A∈Sなので、(a,s)∼(a,s)である。(a,s)∼(b,t)を与えるu∈Sが存在すれば
u(bs−at)=−u(at−bs)=0であるから(b,t)∼(a,s)である。
推移律を示す。(a,s)∼(b,t)と(b,t)∼(c,r)を仮定し、u,v∈Sが
u(at−bs)=0,v(br−ct)=0を満たすとする。uvt∈Sであり、可換性を用いると
uvt(ar−cs)=uvatr−uvtcs=uvbsr−uvtcs=uvbrs−uvcts=0となる。第2行ではuat=ubsを、第3行ではvbr=vctを用いた。したがって(a,s)∼(c,r)である。よって∼は同値関係である。
加法と加法逆元の well-defined 性.a/s=a′/s′およびb/t=b′/t′とする。あるu,v∈Sが存在して
u(as′−a′s)=0,v(bt′−b′t)=0となる。分子の交差積の差は
(at+bs)s′t′−(a′t′+b′s′)st=tt′(as′−a′s)+ss′(bt′−b′t)である。両辺の右辺へuvを掛けると、各項は仮定によって零になる。uv∈Sであるから
stat+bs=s′t′a′t′+b′s′となり、加法は well-defined である。またu(as′−a′s)=0から
u((−a)s′−(−a′)s)=0を得るので、加法逆元も well-defined である。減法は加法と加法逆元の合成であるため well-defined であり、具体的には
sa−tb=stat−bsとなる。
乗法の well-defined 性. 同じ仮定のもとで
abs′t′−a′b′st=bt′(as′−a′s)+a′s(bt′−b′t)である。右辺へuvを掛けると、二項はいずれも零になる。したがって
stab=s′t′a′b′であり、乗法は well-defined である。すべての分母は積閉性によってSに属する。
加法の公理.a/s,b/t,c/r∈S−1Aに対して
(sa+tb)+rc=stratr+bsr+cst=sa+(tb+rc)である。分子の可換性から加法も可換である。また
sa+10=sa,sa+s−a=s20=10である。最後の等号は1A(0⋅1−0⋅s2)=0による。したがって加法はアーベル群を定める。
乗法と分配法則. 同じ三元に対して
(satb)rc=strabc=sa(tbrc)であり、Aの乗法の可換性から局所化の乗法も可換である。また
sa11=saである。分配法則は
sa(tb+rc)=stra(br+ct)=strabr+stract=satb+sarcから従い、乗法の可換性によって右分配法則も成り立つ。よってS−1Aは零元0/1と単位元1/1をもつ可換環である。▨
局所化へ元を送る標準写像を定める。
命題 1.3.Aを可換環、S⊆Aを積閉集合とする。写像
ιS:A⟶S−1A,a⟼1aは単位元を保つ環準同型である。その核は
ker(ιS)={a∈A∣∃u∈S, ua=0}である。各s∈Sの像s/1は可逆であり、その逆元は1/sである。
証明.a,b∈Aに対して
ιS(a+b)=1a+b=1a+1b,ιS(ab)=1ab=1a1b,ιS(1A)=1A1Aであるため、ιSは単位元を保つ環準同型である。
ιS(a)=0/1であることは、あるu∈Sに対して
u(a⋅1−0⋅1)=ua=0となることと同値である。したがって核の表示を得る。最後に
1ss1=ss=11である。ここでs/s=1/1は1A(s⋅1−1⋅s)=0から従う。よってs/1は可逆である。▨
0∈Sならば、命題 1.3の核の表示でu=0を取ることによってker(ιS)=Aとなる。任意のa/sは(a/1)(s/1)−1と書くことができるため、この場合のS−1Aは零環である。逆にS−1Aが零環ならば1/1=0/1であり、あるu∈Sがu(1A−0)=u=0を満たす。したがって0∈Sである。
0∈Sの場合、すべての素イデアルは0を含むため、Sと交わらない素イデアルは存在しない。また、零環には真のイデアルが存在しないため、S−1Aにも素イデアルは存在しない。したがって、後述する素イデアル対応はこの場合にも空集合どうしの対応として成り立つ。
標準写像は一般には単射でない。
例 1.4 (零因子を可逆化したときの非単射).A=Z/(6)とし、a:=a+(6)と書く。
S:={1,3}と置くと、32=3であるためSは積閉集合である。2=0であるが、3∈Sに対して
3(2⋅1−0⋅1)=6=0となる。したがって2/1=0/1であり、ιS(2)=0となる。よってιSは単射でない。
2 局所化の普遍性
局所化は、Sの元を可逆元へ写す環準同型の共通の中継先となる。この性質によって局所化は同型を除いて一意に特徴付けられる。
命題 2.1.A,Bを可換環、S⊆Aを積閉集合とし、g:A→Bを単位元を保つ環準同型とする。すべてのs∈Sに対してg(s)がBの可逆元であると仮定する。このとき、
g∘ιS=gを満たす環準同型g:S−1A→Bがただ一つ存在する。具体的には
g(sa)=g(a)g(s)−1である。
証明では、等値関係に現れるu∈Sの像が可逆であることによって交差積の等式を取り出す。写像の一意性は、任意の分数が(a/1)(s/1)−1と書くことができることから従う。
証明. まず写像の well-defined 性を示す。a/s=b/tならば、あるu∈Sが存在してu(at−bs)=0である。gを施すと
g(u)(g(a)g(t)−g(b)g(s))=0となる。g(u)は可逆であるからg(a)g(t)=g(b)g(s)である。g(s)とg(t)の逆元を掛けると
g(a)g(s)−1=g(b)g(t)−1を得る。したがってgは well-defined である。
加法について
g(sa+tb)=g(at+bs)g(st)−1=g(a)g(s)−1+g(b)g(t)−1である。乗法についても
g(satb)=g(ab)g(st)−1=g(a)g(s)−1g(b)g(t)−1であり、g(1/1)=1Bである。よってgは単位元を保つ環準同型である。また
g(ιS(a))=g(a/1)=g(a)なのでg∘ιS=gである。
一意性を示す。h:S−1A→Bが同じ条件を満たすとする。環準同型は可逆元の逆元を逆元へ写すため、
h(sa)=h(1a(1s)−1)=g(a)g(s)−1=g(sa)である。したがってh=gであり、一意性が従う。▨
3 整域の分数体
整域では零でない元の全体が積閉集合となる。その局所化では、標準写像は単射となり、すべての非零元が可逆になる。
定義 3.1.Aを整域とする。Aは非零環なので1A=0である。また、s,t=0ならば零因子が存在しないことからst=0である。したがって
S:=A∖{0}は積閉集合である。局所化
Frac(A):=S−1AをAの分数体 (field of fractions) という。a∈Aとs∈A∖{0}が定める元をa/sと書く。
この場合、局所化の同値関係は
sa=tb⟺at=bsと簡約される。和と積は
sa+tb=stat+bs,satb=stabである。
同値関係が簡約される理由を確認する。局所化の定義からa/s=b/tならば、あるu=0に対してu(at−bs)=0である。Aは整域なのでat−bs=0となる。逆にat=bsならばu=1Aを取ることができる。
命題 3.2.Aを整域とする。定義 3.1の同値関係と演算は well-defined であり、Frac(A)は体である。標準写像
ι:A⟶Frac(A),a⟼a/1は単射である。
証明. 同値関係と演算の well-defined 性、および可換環の公理は補題 1.2で証明した。標準写像の核にaが属するならば、命題 1.3により、あるu∈A∖{0}が存在してua=0となる。Aは整域なのでa=0である。したがってιは単射であり、Frac(A)は非零環である。
a/s=0とする。このときa=0である。実際、a=0ならばa/s=0/1である。よってa∈Sであり、s/aは分数体の元である。積を取ると
saas=saas=11となる。したがって任意の非零元が逆元をもち、Frac(A)は体である。▨
命題 3.3.Aを整域、Kを体とし、j:A→Kを単位元を保つ単射な環準同型とする。このとき
j∘ι=jを満たす単射な環準同型j:Frac(A)→Kがただ一つ存在する。具体的には
j(a/s)=j(a)j(s)−1である。像im(j)はj(A)を含むKの部分体である。さらに、L⊆Kがj(A)を含む任意の部分体ならば
im(j)⊆Lである。この包含の意味で、im(j)はKの中でj(A)を含む最小の部分体である。
証明.s=0ならば、jの単射性からj(s)=0である。Kは体なのでj(s)は可逆である。したがって命題 2.1により、表示された環準同型jが一意に存在する。
j(a/s)=0と仮定する。j(s)は可逆であるから
j(a)=j(a/s)j(s)=0である。jは単射なのでa=0となり、a/s=0である。よってker(j)={0}であり、jは単射である。
jは体からの単位元を保つ単射な環準同型であるため、その像は部分体である。実際、像は加法、加法逆元、乗法および単位元について閉じ、0でない像の元j(x)の逆元はj(x−1)である。またj∘ι=jなのでj(A)⊆im(j)である。
L⊆Kをj(A)を含む部分体とする。任意のa/s∈Frac(A)に対してj(a),j(s)∈Lであり、s=0とjの単射性からj(s)=0である。Lは体なのでj(s)−1∈Lであり、
j(a/s)=j(a)j(s)−1∈Lとなる。したがってim(j)⊆Lであり、最小性が証明された。▨
4 一元および素イデアルにおける局所化
定義 4.1.Aを可換環とする。
f∈Aに対して
Sf:={1A,f,f2,f3,…}は積閉集合である。局所化Sf−1AをAのfにおける局所化 (localization at an element) といい、Afと書く。
p⊊Aを素イデアルとする。このとき
Sp:=A∖pは積閉集合である。局所化Sp−1AをApと書き、Aのpにおける局所化 (localization at a prime ideal) という。その元はa/s、ただしs∈/pの形で表される。
Sfの積閉性はfmfn=fm+nから従う。Spについては、1A∈/pである。またs,t∈/pかつst∈pならば、素性によってs∈pまたはt∈pとなって矛盾する。したがってst∈/pであり、Spは積閉集合である。
5 局所化と素イデアル
環準同型ιS:A→S−1Aによるイデアルの逆像を縮約という。AのイデアルIに対して
S−1I:={sa∈S−1A a∈I, s∈S}
をIの拡大という。素イデアルについて、拡大と縮約は互いに逆となる。
定理 5.1.Aを可換環、S⊆Aを積閉集合とする。
次の二つの集合の間に、包含関係を保つ一対一対応が存在する。
- S−1Aの素イデアル全体。
- Aの素イデアルpのうちp∩S=∅を満たすもの全体。
対応は、S−1Aの素イデアルqを縮約ιS−1(q)へ写し、Sと交わらないAの素イデアルpを拡大S−1pへ写す。
証明では、縮約された素イデアルがSと交わらないことにs/1の可逆性を用いる。拡大が真かつ素であることには、等値関係に現れる乗数もSに属することと、p∩S=∅を用いる。最後に二つの操作が互いに逆であることを分数表示から確認する。
証明. 縮約.q⊊S−1Aを素イデアルとし、p:=ιS−1(q)と置く。まず、a,b∈pとr∈Aに対して
ιS(a−b)=ιS(a)−ιS(b)∈q,ιS(ra)=ιS(r)ιS(a)∈qであるから、pはイデアルである。また1A∈pならば1/1∈qとなるため、pは真である。ab∈pならば
ιS(a)ιS(b)=ιS(ab)∈qである。qは素イデアルなのでιS(a)∈qまたはιS(b)∈qであり、a∈pまたはb∈pとなる。よってpは素イデアルである。
s∈p∩Sが存在すると、s/1∈qとなる。しかし命題 1.3によりs/1は可逆であり、可逆元を含むイデアルは環全体に等しい。等式q=S−1Aはqが真であることに反する。したがってp∩S=∅である。
拡大がイデアルであること.p⊊Aをp∩S=∅を満たす素イデアルとする。0/1∈S−1pである。a/s,b/t∈S−1pならば
sa−tb=stat−bs∈S−1pである。実際、a,b∈pなのでat−bs∈pである。またc/u∈S−1Aに対して
ucsa=usca∈S−1pである。したがってS−1pはイデアルである。
このイデアルが真であることを示す。1/1=a/sとなるa∈pとs∈Sが存在すると仮定する。等値関係の定義から、あるu∈Sが存在して
u(s−a)=0となる。したがってus=ua∈pである。一方、us∈Sなのでus∈/pであり、矛盾する。よってS−1pは真である。
拡大の素性.(a/s)(b/t)=ab/(st)がS−1pに属するとする。あるc∈pとr∈Sに対して
stab=rcである。したがって、あるv∈Sが存在してv(rab−stc)=0となり、
vrab=vstc∈pを得る。vr∈Sなのでvr∈/pである。pの素性をvr⋅abへ適用するとab∈pとなり、再び素性からa∈pまたはb∈pである。よってa/s∈S−1pまたはb/t∈S−1pとなり、S−1pは素イデアルである。
拡大後の縮約.a∈pならばa/1∈S−1pなので、
p⊆ιS−1(S−1p)である。逆にa/1∈S−1pならば、あるc∈pとs∈Sに対してa/1=c/sである。あるu∈Sが存在してu(sa−c)=0となるので、
usa=uc∈pである。us∈/pと素性からa∈pを得る。したがって
ιS−1(S−1p)=pである。
縮約後の拡大.q⊊S−1Aを素イデアルとし、p=ιS−1(q)と置く。a/s∈S−1pならばa/1∈qであり、
sa=s11a∈qである。よってS−1p⊆qとなる。逆にa/s∈qならば
1a=1ssa∈qなのでa∈pであり、a/s∈S−1pとなる。したがってS−1p=qである。
最後に順序保存を確認する。S−1Aのイデアルq1⊆q2に対して、逆像の定義から
ιS−1(q1)⊆ιS−1(q2)である。また、Aのイデアルp1⊆p2に対してa/s∈S−1p1ならば、その分子aはp1に属し、したがってp2にも属する。よって
S−1p1⊆S−1p2である。以上により、拡大と縮約は包含関係を保つ互いに逆な全単射である。▨
6 局所環
定義 6.1. 可換環Rが局所環 (local ring) であるとは、極大イデアルをちょうど一つもつことをいう。その極大イデアルをmと書き、局所環を(R,m)と表す。商環
k:=R/mは§E6.4 命題 3.2によって体である。この体をRの剰余体 (residue field) という。
一般の局所環について非可逆元全体を特徴付けるには、真のイデアルを極大イデアルへ拡張する集合論的原理が必要になる。本記事ではその一般論を用いず、素イデアルにおける局所化の単元を分数表示から直接判定する。
命題 6.2.Aを可換環、p⊊Aを素イデアルとする。Apの元a/sは、a∈/pであるとき、かつそのときに限って可逆である。pAp:=Sp−1pと置くと、非可逆元全体は
pApに等しく、このイデアルはApの一意な極大イデアルである。特にApは局所環である。
証明.a∈/pならばa∈Spなのでs/a∈Apであり、
saas=11となる。よってa/sは可逆である。
逆にa∈pと仮定する。a/sが可逆ならば、あるb/t∈Apが存在して
stab=11となる。等値関係の定義から、あるu∈Spに対してu(ab−st)=0であり、
uab=ustを得る。左辺はa∈pによりpに属するため、ust∈pである。しかしu,s,t∈/pであり、素性を繰り返し適用するとust∈/pとなる。二つの帰結は矛盾する。したがってa/sは可逆でない。
Apの各元はa/sと表示されるため、単元判定から、非可逆元全体は分子をpにもつ元全体Sp−1pに等しい。定理 5.1により、この集合は真のイデアルである。
J⊊Apを任意の真のイデアルとする。Jが可逆元を含めば1∈Jとなるため、Jのすべての元は非可逆である。よって
J⊆Sp−1pである。したがってSp−1pはすべての真のイデアルを含む極大イデアルであり、他の極大イデアルもSp−1pに等しい。ゆえにこの極大イデアルは一意であり、Apは局所環である。▨
系 6.3.Aを可換環、p⊊Aを素イデアルとする。Apは局所環であり、その一意な極大イデアルは
pAp=Sp−1pである。また、Apの素イデアルは、Aの素イデアルq⊆pと包含関係を保って一対一に対応する。
証明.命題 6.2によりApは局所環であり、その一意な極大イデアルはSp−1p=pApである。
さらに、Aの素イデアルqがSp=A∖pと交わらないことは、q⊆pと同値である。したがって定理 5.1をSpに適用すると、最後の対応を得る。▨
7 整数環の局所化
例 7.1 (6を可逆にした整数環の素イデアル).S={6k∣k≥0}とし、
Z[1/6]:=S−1Z={6ka a∈Z, k≥0}と書く。
まず2と3はこの環で可逆である。実際、
1263=11,1362=11である。したがって(2)と(3)の拡大は環全体となり、素イデアルではない。
Zの素イデアルを短く確認する。非零素イデアルpの最小の正整数をqとする。除法の原理により任意のa∈pをa=mq+r、0≤r<qと書くとr=a−mq∈pであり、qの最小性からr=0である。よってp=(q)である。qがq=cd、1<c,d<qと分解すれば、素性からc∈(q)またはd∈(q)となって矛盾するため、qは素数である。逆に素数qに対してZ/(q)は体なので、(q)は素イデアルである。したがってZの素イデアルは(0)と素数qに対する(q)である。
(q)∩S=∅となる条件は、どの6kもqで割り切れないことであり、q=2,3と同値である。また(0)∩S=∅である。よって定理 5.1により、Z[1/6]の素イデアルは
(0)および(q)Z[1/6](q は 2,3 以外の素数)である。
例えば(5)Z[1/6]は真の素イデアルである。5/1が可逆であると仮定すると、あるa/6kとの積が1/1となる。あるu=6j∈Sに対して
u(5a−6k)=0となるが、Zは整域でu=0なので5a=6kとなる。等式5a=6kは5∤6kに反する。したがって5/1は可逆でなく、この計算は(5)が局所化後も真の素イデアルとして残ることを具体的に示す。
例 7.2 (局所環の例と反例). 次の環は局所性の基本例を与える。
- 体Kの非零イデアルは可逆元を含むため環全体に等しい。したがって(0)が唯一の極大イデアルであり、Kは局所環である。剰余体はK自身である。
- 素イデアルp⊊Aに対してApは局所環であり、一意な極大イデアルはpApである。特に素数pに対する
Z(p)={sa∈Q a,s∈Z, p∤s}
は局所環であり、一意な極大イデアルはpZ(p)である。
- Zは局所環ではない。実際、§E6.4 例 3.4から(2)は極大イデアルであり、同じ商環の判定を(3)に適用すると(3)も極大イデアルである。両者は異なる。
8 演習
問題 8.1 (局所化の構成と素イデアル対応の確認). 次の各問に答えよ。
- (a,s)∼(b,t)と(b,t)∼(c,r)を与える乗数をそれぞれu,v∈Sとする。推移律を証明する乗数を一つ与え、計算を完結させよ。
- a/s=a′/s′とb/t=b′/t′から積の well-defined 性を示す際に、交差積の差を二項へ分解せよ。
- 整域Aの分数体でa/sが零であることとa=0が同値であることを示し、a/s=0の逆元を求めよ。
- j:A→Kを整域Aから体Kへの単位元を保つ単射な環準同型とする。j(a/s)=j(a)j(s)−1によってFrac(A)からKへの単射を構成し、その像がKの中でj(A)を含む最小の部分体であることを証明せよ。
- p∩S=∅を満たす素イデアルpに対して、S−1pが真であることと、縮約ιS−1(S−1p)がpに等しいことを証明せよ。
- Apの元a/sが可逆であるための条件を分子aによって述べ、その条件から一意な極大イデアルを決定せよ。
解答 (演習の解答).
- u(at−bs)=0およびv(br−ct)=0とする。uvt∈Sを用いると
uvt(ar−cs)=uvatr−uvtcs=uvbsr−uvcts=uvbrs−uvcts=0
である。したがって(a,s)∼(c,r)である。
- 分解は
abs′t′−a′b′st=bt′(as′−a′s)+a′s(bt′−b′t)
である。第1の括弧を消す乗数をu、第2の括弧を消す乗数をvとすれば、全体へuv∈Sを掛けた結果は零になる。したがってab/(st)=a′b′/(s′t′)である。
- a/s=0/1ならば、ある非零元u∈Aが存在してua=0となる。Aは整域なのでa=0である。逆向きは明らかである。a/s=0ならばa=0であり、逆元はs/aである。
- s=0ならばj(s)=0であり、Kの中で可逆である。したがって局所化の普遍性により
j:Frac(A)⟶K,j(a/s)=j(a)j(s)−1
が一意に定まる。j(a/s)=0ならばj(a)=0であり、jの単射性からa=0となるため、jは単射である。その像は加減乗法と単位元について閉じ、非零元j(x)の逆元j(x−1)も含むので、Kの部分体である。またj∘ι=jなのでj(A)を含む。L⊆Kがj(A)を含む部分体ならば、任意のa/sに対してj(a),j(s)∈Lかつj(s)−1∈Lである。よってj(a/s)∈Lであり、im(j)⊆Lとなる。したがって像はj(A)を含む最小の部分体である。
- 1/1=a/s、ただしa∈pと仮定すると、あるu∈Sに対してu(s−a)=0となる。よってus=ua∈pであるが、us∈Sなのでus∈/pとなり矛盾する。したがってS−1pは真である。またa/1∈S−1pならば、あるc∈pとs,u∈Sに対してu(sa−c)=0となる。よってusa=uc∈pである。us∈/pと素性からa∈pとなる。逆の包含はa∈pならばa/1∈S−1pであることから従う。
- a/sはa∈/pのとき、かつそのときに限って可逆である。a∈/pならば逆元はs/aである。a∈pならばa/sはpApに属し、単元判定によって非可逆である。したがって非可逆元全体は真のイデアルpApである。任意の真のイデアルJ⊊Apは可逆元を含まないため、そのすべての元がpApに属し、J⊆pApとなる。よってpApは極大である。他の極大イデアルも真であるからpApに含まれ、極大性によってpApに等しい。したがってpApは一意な極大イデアルである。
▨
9 後続記事との関係
本記事では環の局所化、分数体、素イデアルの拡大と縮約、および局所環を構成した。加群の局所化と平坦性、イデアル演算と局所化の関係、局所的な情報から大域的な性質を判定する原理、および素イデアル全体に位相を入れる構成は、後続記事で扱う。