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大学数学基礎解説
文献あり

『代数函数論』の定理1.2と定理1.3について

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はじめに

ごめんなさい.定理1.2の証明はしません.一つ目の理由は,証明にあまり難しいところがないと判断したからです.『代数函数論』を読めば分かると判断したので.気になる方は各自やっていただきたいです.2つ目の理由として,例1と例2を血肉にした方が後できっと役に立つだろうと思うからです.代数的整数論とのかかわり・後で出てくる代数函数体の初等的な例の方が大事だと思いました.それではやっていきましょう.

定理1.2

$\nu_1,\cdots,\nu_n$を相異なる$K$の正規付値とする.このとき,
$$A=\{x\in K|\nu_i(x)\ge0\,(\forall i)\}$$
$$\mathfrak{p}_i=\{a\in A|\nu_i(a)>0\}$$
と置いたとき,
(1)$A$$K$の部分環で,$K$の任意の元は$A$の2つの元の商として書ける.
(2)$\mathfrak{p}_i$$A$の素イデアルで,$K$における$A$の任意の分数イデアル$I$$$I=\mathfrak{p}_1^{e_1}\mathfrak{p}_2^{e_2}\cdots\mathfrak{p}_n^{e_n}$$
という形に一意的に分解できる.
(3)とくに,$K$の元$c$に対して,$(c)=\mathfrak{p}_1^{e_1}\mathfrak{p}_2^{e_2}\cdots\mathfrak{p}_n^{e_n}$とすれば,$\nu_i(c)=e_i $が成り立つ.

デデキント環の素イデアル分解に似ていますね.形としては参考書[1]の補題1.2を拡張したものといった雰囲気がします.でも,代数的整数環なんかは無限個の素イデアルがあったので(あるよね?),この命題だとなんだか満足できない気がします.そして定理1.3があるのです.

定理1.3

とりあえず,以下の事実を証明なしに使います(証明が難しそうなのでいつかちゃんとやりたいです(泣))

整域$R$について,以下は同値.
(1)$R$は一次元ネーター整閉整域である.
(2)$R$$0$でないすべての分数イデアルは可逆である.

これらの同値な条件をみたす整域をデデキント環といいます.
これによって,次の命題において$A/\mathfrak{p}$が体になってくれます.

$K$を体$A$をその部分環とする.これについて以下の二条件が成り立つとする.

  1. $K$の任意の元は$A$の元の商で表される.
  2. $K$における$A$の任意の分数イデアルは$A$の素イデアルの積に一意的に分解され,かつ,($K$における$A$の任意の分数イデアルは)可逆である.

(→つまり,$A$をデデキント環とする.ということ.ですよね?)
このとき,$\mathfrak{p}$を任意の$A$の素イデアルとし,$K$の元$a$について,$(a)$がきっかり$\mathfrak{p}^n$で割り切れるとき$\nu_\mathfrak{p}(a)=n$とすれば,これは$K$の一つの正規付値を与え(これを$ \mathfrak{p}$進付値という),その剰余体は$A/\mathfrak{p}$と同型である.

分かりにくかったところだけ.
$A/\mathfrak{p}$に考察を移せば,かならず可逆元があることから,$a_2b=1(\in A/\mathfrak{p})$となる元$b$が存在します.よって$a_2b \equiv1(mod\, \mathfrak{p})$となる$b\in A$が存在します.$c-a_1b=a_!/a_2 -a_1b = a_1/a_2\times(1 - a_2b)\in\mathfrak{p}_1$.よって,$c=((c-a_1b) + a_1b)\in A+\mathfrak{p}_1$
ここ以外は分かるはずです.

例2で使うので書くだけ書いておきます.証明は文献[1]を参照してください.

$A$$K$を商体に持つデデキント環とする.このとき,任意の$A$の元に対し付値が0以上であるような$K$の付値は,必ず適当な$A$の素イデアル$\mathfrak{p}$に関する$\mathfrak{p}$進付値と同値である.

例1

代数的整数環はデデキント環だったので,任意の素イデアルからその代数体の付値を定めることができます.簡単で大切な例を見てみましょう.
$K=\mathbb{Q}, A=\mathbb{Z}$の場合,素イデアルは$(0)$もしくは$(p)$$p$は素数)という形をしていました.$(0)$進付値はちょっと考えにくいのでこれは除外して考えます.$(p)$進付値.簡単に$p$進付値としておきましょうか.これは任意の$a/b\in\mathbb{Q}$($b\neq 0,a,b$は互いに素)に対して$p$でどれだけわれるかを返すものとしてみることができます.例えば,$3$進付値$\nu_3$を考えると,$\nu_3(6/5)=1, \nu_3(5/6)=-1$のようになります.$\nu_p$の付値環は$\mathbb{Z}$$(p)$による局所化,剰余体は$\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}$となります.

例2

$K=k(x)$の正規付値を考えます.$k$$0$以外のすべての元に対して$\nu(a)=0$となるものを考えます.$\nu(x)$さえ決まればいいので,これについて条件を見ていきます.$\nu(x)\ge0$とすれば,任意の多項式は$0$以上.$k[x]$は単項イデアル整域だからデデキント環なので(証明はいつかします.文献[2]149ページ),定理4より$\nu$$k[x]$の一つの素イデアルから得られます.
$\nu(x)<0$なら,$\nu(1/x)>0$より,$\nu$$k[1/x]$の素イデアルから得ることができる(ここでも$k[1/x]$が単項イデアル整域.よってデデキント環であることを使った).この素イデアルは$1/x$を含むので,$(1/x)$のみであることが分かります.
$k$が代数閉体の時は$k[x]$の素イデアルは$(x-\alpha)$の形をしています.さっき求めた$k[1/x]$の素イデアルはこのような形にかけないです.教科書では前者の付値を$\nu_\alpha$,後者の付値を$\nu_\infty$と書いています.
なんだかリーマン球面(複素平面に一点(無限遠点)を付け加えてコンパクト化した空間)と似た雰囲気がしていますね.

おわりに

やーーっと§1が終わりました.もし間違いがあれば教えて頂ければ幸いです.ここまで見ていただきありがとうございました.感想ですが,代数幾何(スキーム論)で素イデアルがなぜ大事なのかが分かった気がしました(今回は単項イデアル整域しか例では扱いませんでしたが).ハーツホーンの「はじめに」でもあるのですが,「1次元正則スキーム」の例として大事なものに,代数的整数環,コンパクトリーマン面があると言っていたので,こういう例を通して,代数幾何に親しんでいけたらと思います.それでは.

参考文献

[1]
岩澤健吉, 代数函数論
[2]
Atiyah-MacDonald(新妻弘訳), 可換代数入門
投稿日:26日前

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はじめまして!楽しい記事を書ければと思いますので、よろしくお願いします。

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