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代数学II要約 No.10

第10回目の主題 : \fbox{環の直積とその上の加群}

前回までに、 可換PID $ A$ 上の有限生成加群は $ A$ 上の巡回加群の直和で あることを示した。今回は $ A$ の元の「素元分解」を用いて その構造をもう少し細かく吟味しよう。

定義 10.1   環 $ A$ にたいして、

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$\displaystyle Z(A)= \{z \in A; z x =x z \qquad \forall x \in A\}
$

$ A$ の部分環をなす。これを $ A$中心とよぶ。

環の直積分解においては、二つの基本的な元が重要な役割を果たす。

補題 10.2 (直積分解と中心的射影の関係)  
  1. $ A_1,A_2$ は単位元をもつ環であるとする。 このとき $ A_1\times A_2$ の元 $ e_1,e_2$ を、 $ e_1=(1,0),e_2=(0,1)$ によって定めると、$ e_1,e_2$$ A$ の中心に属し、なおかつ次のことが 成り立つ。

    $\displaystyle e_1^2=e_1, e_2^2=e_2, e_1+e_2=1, e_1e_2=0$ (*)

  2. $ A$ は単位元をもつ可換環であるとする。もし $ A$ の中心に属する元 $ e_1,e_2$ で、 $ ($*$ )$ を満たすものが存在すれば、 $ A$ $ A/(e_2) \times A/( e_1)$ と 同型になる。

上の補題により、環を直積分解したいときには、 $ ($*$ )$ を満たす 元 $ e_1,e_2$ を探せばいいことがわかる。$ e_1,e_2$ のことを (直積分解に対応する)中心的射影と呼ぶ。 実際には、次の補題のように、中心的射影を一つ見つければその相棒は 自動的に見つかる。

補題 10.3   環 $ A$ の中心に属する元 $ e$ が、ベキ等 ($ e^2=e$ ) ならば、 $ e_1=e,e_2= 1-e$ は (*) をみたす。

可換 PID $ A$ の元 $ x$ が二つの「互いに素な」元の積であるとき、 剰余環 $ A/A x$ の直積分解が次のように書ける。

命題 10.4   $ A$ が可換 PID で、 $ A a + A b =A $ をみたすとき (つまり $ a,b$ が「互いに素」であるとき)
  1. 環としての同型

    $\displaystyle A/A ab \cong (A /A a) \times (A/ A b)
$

    が存在する。
  2. 上の同型はまた $ A$ -加群としての同型

    $\displaystyle A/A ab \cong (A /A a) \oplus (A/ A b)
$

    ともみなせる。

環としての直積 $ (A/A a) \times (A/ A b)$$ A$ -加群としての 直和 $ (A/A a )\oplus (A/A b)$ とは集合としては全く同じモノである。 本講義では一応区別して書くが、教科書等では二つとも直和の記号 $ \oplus$ で 書かれることも多い。

系 10.5   $ m,n $ が互いに素な正の整数のとき、( $ {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}$ -)加群の同型

$\displaystyle {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}/m n {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}\cong {\mbox{$...
...mbox{${\mathbb{Z}}$}}\oplus {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}/ n {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}
$

が存在する。

上の系と有限生成アーベル群の基本定理により次の系が成り立つことがわかる。

系 10.6   任意の有限生成アーベル群は、つぎの形のアーベル群の幾つかの直和に同型である。
  1. 無限巡回群 $ {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}$ .
  2. $ {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}/p^n {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}$         ($ p$ は素数。 $ n$ は正の整数。)

同様にして、次の命題が成り立つことがわかる。 (一般に、可換 PID の元に対しては素因数分解が一意的に存在する ということに注意しておく。)

命題 10.7   可換 PID $ A$ に対して、有限生成アーベル $ A$ 加群は、 つぎの形の $ A$ -加群の幾つかの直和に同型である。
  1. $ A$ 自身(を $ A$ 加群とみたもの。)
  2. $ A/p^n A$         ($ p$$ A$ の素元。 $ n$ は正の整数。)

一般に、環 $ A$ に中心的射影 $ e$ が存在すると、$ A$ 上の加群も次のような分解を受ける。

命題 10.8   環 $ A$ の中心的射影 $ e$ が与えられたとする。このとき、
  1. $ e M, (1-e) M$$ M$$ A$ -部分加群である。
  2. $ M$$ A$ -加群として直和に分解される: $ M\cong e M \oplus (1-e) M$ .

問題 10.1   $ {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}/2 {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}\oplus {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}/2 {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}$ $ {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}/4{\mbox{${\mathbb{Z}}$}}$ とは $ {\mbox{${\mathbb{Z}}$}}$ -加群として同型ではないことを 示しなさい。


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2013-06-19