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大学数学基礎解説

東大数理院試過去問解答例(2016B02)

可換環論,代数,大学院入試
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ここでは東大数理の修士課程の院試の2016B02の解答例を解説していきます。解答例はあくまでも例なので、最短・最易の解答とは限らないことにご注意ください。またこの解答を信じきってしまったことで起こった不利益に関しては一切の責任を負いませんので、参照する際は慎重に慎重を重ねて議論を追ってからご参照ください。また誤り・不適切な記述・非自明な箇所などがあればコメントで指摘していただけると幸いです。

2016B02

剰余環
$$ A=\mathbb{C}[X,Y]/(XY(X+Y-1)) $$
を考え、$X$及び$Y$で代表される元をそれぞれ$\overline{X}$及び$\overline{Y}$とおく。

  1. $A$の素イデアルを全て求めなさい。
  2. $\mathbb{C}$-代数の同型$\varphi:A\to A$で
    $$ \varphi(\overline{X})=\overline{Y} $$
    $$ \varphi(\overline{Y})=-\overline{X}-\overline{Y}+1 $$
    を満たすものがただ一つ存在することを示しなさい。
  3. $A$の部分環$B$を
    $$ B=\{a\in A|\varphi(a)=a\} $$
    で定める。このとき単射環準同型$\psi:B\hookrightarrow \mathbb{C}[t]$で、$\mathbb{C}[t]/\psi(B)$が有限次元になるようなものを一つ構成し、その次元を求めなさい。
  1. このような素イデアルは$\overline{X},\overline{Y},1-\overline{X}-\overline{Y}$のいずれかを含むから、$\color{red}(\overline{X}),(\overline{Y}),(1-\overline{X}-\overline{Y}),(\overline{X},\overline{Y}-a),(\overline{X}-a,\overline{Y}),(\overline{X}-a,\overline{Y}-(1-a))$である(ここで$a$は全ての複素数を走る)。
  2. まず$A$は$\mathbb{C}$-代数として$\overline{X},\overline{Y}$で生成されていることから$\varphi$の一意性が従う。また$\mathbb{C}[X,Y]$の環同型$(X,Y)\mapsto(Y,1-X-Y)$は$XY(1-X-Y)$を固定するから、これは$A$の環同型を誘導する。以上から$\varphi$の存在が示せた。
  3. ここで
    $$ \begin{split} p:A&\to C=\{(f,g,h)\in\mathbb{C}[x]\times\mathbb{C}[y]\times\mathbb{C}[t]|f(0)=g(0),g(1)=h(0),h(1)=f(1)\}\\ F(x,y)&\mapsto (F(x,0),F(0,y),F(t,1-t)) \end{split} $$
    とおく。ここで条件を満たす$(f,g,h)$を取ったとき、$f=xa(x)+c$かつ$g=yb(y)+c$なる$a\in\mathbb{C}[x],b\in\mathbb{C}[y],c\in\mathbb{C}$を用いて
    $$ d(x)=\frac{h(x)-xa(x)-(1-x)b(1-x)-c}{x(1-x)} $$
    とおく。ここで
    $$ F=xyd(x)+xa(x)+yb(y)+c $$
    とおいたとき$p(F)=(f,g,h)$を満たしている。これによって$p$は環の同型を定めている。このとき上記の環同型によって$\varphi:A\simeq A$は
    $$ \begin{split} \varphi:C&\simeq C\\ (f,g,h)&\mapsto (g(1-x),h(y),f(1-t)) \end{split} $$
    と表される。ここで$C$の$\varphi$-不変な元は$f(0)=f(1)$なる$f$から一意的に定められる。よって単射環準同型$\psi:B\hookrightarrow\mathbb{C}[t]$で、像が
    $$ D:=\{f\in\mathbb{C}[x]|f(0)=f(1)\} $$
    であるようなものを構成でき、ここまでの議論からこのような$\psi$は例えば$F\mapsto F(x,0)$で実現されるる。ここで$\mathbb{C}$-線型空間の同型
    $$ \begin{split} \mathbb{C}[x]/D&\to\mathbb{C}^2\\ f&\mapsto (f(0),f(1)) \end{split} $$
    を構成できるから、$\dim_\mathbb{C}\mathbb{C}[x]/\psi(B)=\color{red}2$である。
投稿日：3月2日

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佐々木藍
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佐々木藍(Ai Sasaki)です。趣味の数学と院試の過去問の(間違ってるかもしれない雑な)解答例を上げていきます。X(旧Twitter)→＠sasaki_aiiro

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