소 아이디얼
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1. 개요
소 아이디얼은 환 R의 진 아이디얼 p에 대한 특별한 조건들을 만족하는 아이디얼로, 가환환과 비가환환 모두에서 정의된다. 가환환에서는 두 원소의 곱이 p에 속하면 두 원소 중 적어도 하나가 p에 속한다는 조건으로 정의되며, 이는 소수의 성질을 일반화한다. 비가환환에서는 두 아이디얼의 곱이 p에 포함되면 두 아이디얼 중 적어도 하나가 p에 포함된다는 조건으로 정의된다. 소 아이디얼은 아이디얼, 완전 소 아이디얼, 극대 아이디얼과 관계를 가지며, 특히 가환환에서는 완전 소 아이디얼과 소 아이디얼이 동일하다. 소 아이디얼은 대수기하학에서 기약 다양체에 대응되며, 대수적 수론에서도 중요한 역할을 한다.
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아이디얼 노름은 데데킨트 정역에서 정의되는 모노이드 준동형으로, 상대 아이디얼 노름, 절대 아이디얼 노름, 아라켈로프 인자의 아이디얼 노름 등이 있으며, 장피에르 세르에 의해 정의되었다. - 아이디얼 - 극대 아이디얼
극대 아이디얼은 환론에서 환 \(R\)의 아이디얼 중 '극대'인 것으로, 극대 왼쪽/오른쪽 아이디얼 및 가환환의 극대 아이디얼로 구체화되며 몫환을 통해 환의 구조 분석에 중요한 역할을 한다. - 대수기하학 - 타원곡선
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소 아이디얼 | |
---|---|
개요 | |
종류 | 가환환의 아이디얼 |
정의 | 곱셈에 대한 소수의 일반화 |
정의 | |
가환환 R에서의 소 아이디얼 | R의 아이디얼 P에 대해, a, b ∈ R이고 ab ∈ P이면 a ∈ P 또는 b ∈ P이다. |
환 R에서의 소 아이디얼 | R의 아이디얼 P에 대해, R의 아이디얼 A와 B에 대해 AB ⊆ P이면 A ⊆ P 또는 B ⊆ P이다. |
환 R에서의 소 아이디얼 (다른 정의) | R의 아이디얼 P가 소 아이디얼이라는 것은, 만약 P ≠ R이고 R P가 곱셈적으로 닫혀있다는 것을 의미한다. |
예시 | |
정수환에서의 소 아이디얼 | 정수환 ℤ에서, (p)가 소 아이디얼인 것은 p가 소수이거나 0인 것과 동치이다. |
다항식환에서의 소 아이디얼 | F가 체일 때, 다항식환 F[x]에서, (f(x))가 소 아이디얼인 것은 f(x)가 기약 다항식이거나 0인 것과 동치이다. |
소 아이디얼이 아닌 예시 | 정수환 ℤ에서, (6)은 소 아이디얼이 아니다. 왜냐하면 2⋅3 = 6 ∈ (6)이지만 2 ∉ (6)이고 3 ∉ (6)이기 때문이다. |
성질 | |
극대 아이디얼과의 관계 | 극대 아이디얼은 항상 소 아이디얼이다. |
소 아이디얼이 아닌 극대 아이디얼 | 소 아이디얼이 아닌 극대 아이디얼은 0이다. |
데데킨트 정역 | 데데킨트 정역에서, 0이 아닌 모든 소 아이디얼은 극대 아이디얼이다. |
소 아이디얼의 몫환 | R/P가 정역인 것은 P가 소 아이디얼인 것과 동치이다. |
아이디얼의 소수 | 아이디얼 I의 소수란, I를 포함하는 소 아이디얼이다. |
활용 | |
대수기하학 | 대수기하학에서, 아핀 대수 집합의 아이디얼이 소 아이디얼인 것은 그 대수 집합이 기약인 것과 동치이다. |
관련 개념 | |
준소 아이디얼 | 준소 아이디얼 |
소원 | 소원 |
2. 정의
환 의 양쪽 진 아이디얼 에 대하여 다음 조건들이 서로 동치이며, 이 조건을 만족시키는 진 아이디얼을 '''소 아이디얼'''이라고 한다.
- 임의의 두 양쪽 아이디얼 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 임의의 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 임의의 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 임의의 오른쪽 아이디얼 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 임의의 왼쪽 아이디얼 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 는 m계를 이룬다.[13]
- 몫환 가 소환이다.[13]
여기서 환 의 부분 집합 가 다음 조건을 만족시킨다면 '''m계'''(m-system영어)라고 한다.
- 임의의 에 대하여, 인 가 존재한다.
가환환의 경우, 소 아이디얼은 다음과 같이 더 간단하게 정의할 수 있다. 가환환 의 아이디얼 가 다음 두 가지 성질을 만족하면 소 아이디얼이다.
- 와 가 의 두 원소이고, 이들의 곱 가 의 원소이면, 는 에 있거나 는 에 있다.
- 는 전체 환 가 아니다.
이는 유클리드의 보조정리를 일반화한 것이다. 즉, 양의 정수 이 소수일 필요충분조건은 가 에서 소 아이디얼인 것이다.
환 의 소 아이디얼들의 집합은 Spec으로 표기된다. 단순환은 소환이므로 극대 아이디얼은 소 아이디얼이다.
2. 1. 완전 소 아이디얼
환 의 양쪽 진 아이디얼 에 대하여 다음 조건들이 서로 동치이며, 이 조건을 만족시키는 진 아이디얼을 '''완전 소 아이디얼'''(completely prime ideal영어)이라고 한다.일반적인 환의 아이디얼에 대하여, 다음과 같은 포함 관계가 성립한다.
:아이디얼 ⊇ 소 아이디얼 ⊇ 완전 소 아이디얼 ∪ 극대 아이디얼
그러나 완전 소 아이디얼과 극대 아이디얼 사이에는 포함 관계가 존재하지 않는다.
임의의 환 에 대하여, 다음 두 조건이 서로 동치이다.
- 영 아이디얼이 완전 소 아이디얼이다.
- 영역이다.
3. 성질
환의 양쪽 진 아이디얼(전체 환이 아닌 아이디얼) 에 대하여 다음 조건들은 서로 동치이며, 이 조건을 만족시키는 진 아이디얼을 '''소 아이디얼'''이라고 한다.
- 임의의 두 양쪽 아이디얼 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 임의의 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 임의의 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 임의의 오른쪽 아이디얼 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 임의의 왼쪽 아이디얼 에 대하여, 만약 라면 이거나 이다.[13]
- 는 m계를 이룬다.[13]
- 몫환 가 소환이다.[13]
여기서 환 의 부분 집합 가 다음 조건을 만족시킨다면 '''m계'''라고 한다.
- 임의의 에 대하여, 인 가 존재한다.
모든 곱셈 모노이드는 m계를 이룬다.
환 의 양쪽 진 아이디얼 에 대하여 다음 조건들이 서로 동치이며, 이 조건을 만족시키는 진 아이디얼을 '''완전 소 아이디얼'''이라고 한다.
일반적인 환의 아이디얼에 대하여, 다음과 같은 포함 관계가 성립한다.
:아이디얼 ⊇ 소 아이디얼 ⊇ 완전 소 아이디얼 ∪ 극대 아이디얼
그러나 완전 소 아이디얼과 극대 아이디얼 사이에는 포함 관계가 존재하지 않는다.
임의의 환 에 대하여, 다음 두 조건이 서로 동치이다.
- 영 아이디얼이 소 아이디얼이다.
- 소환이다.
임의의 환 에 대하여, 다음 두 조건이 서로 동치이다.
- 영 아이디얼이 완전 소 아이디얼이다.
- 영역이다.
극대 아이디얼의 경우 마찬가지로 단순환에 대응한다.
자명환이 아닌 환은 초른 보조정리에 따라 항상 하나 이상의 소 아이디얼을 갖는다 (특히, 하나 이상의 극대 아이디얼을 갖는다). 주어진 환 의 소 아이디얼들의 부분 순서 집합은 항상 하나 이상의 극소 원소들을 가지며, 또한 임의의 소 아이디얼 에 대하여, 에 포함되는 극소 소 아이디얼이 존재한다.
3. 1. 함자성
두 환 , 사이의 환 준동형 및 의 완전 소 아이디얼 에 대하여, 그 원상 는 의 완전 소 아이디얼이다.가환환의 경우, 완전 소 아이디얼과 소 아이디얼의 개념이 일치한다. 이 경우, 가환환 의 소 아이디얼 집합 은 위상 공간 및 스킴의 구조를 부여할 수 있어 스킴의 범주 로 가는 함자
:
를 정의한다.
3. 2. 소 아이디얼 원리
'''소 아이디얼 원리'''(prime ideal principle영어)에 따르면, 가 환 의 오카 족일 때, 의 여집합 의 극대 원소는 소 아이디얼이다.[16][17] 여기서 는 의 모든 양쪽 아이디얼들의 집합이다.3. 3. 소 아이디얼 회피
환 의 부분 유사환(곱셈에 대하여 닫혀 있고, 1을 포함하지 않을 수 있는 덧셈 부분군) 가 주어졌다고 하자. 의 양쪽 아이디얼들의 유한 집합 에 대해, 이면 은 완전 소 아이디얼이고, 모든 에 대하여 이다.'''소 아이디얼 회피 정리'''에 따르면, 가 각 아이디얼들을 회피하면 모든 아이디얼들을 동시에 회피한다.[18] 즉, 다음이 성립한다.
3. 4. 가환환의 소 아이디얼
가환환의 아이디얼에 대해서는 다음과 같은 포함 관계가 성립한다.[1]:아이디얼 ⊇ 반소 아이디얼 ∪ 으뜸 아이디얼 ⊇ 반소 아이디얼 ∩ 으뜸 아이디얼 = 소 아이디얼 = 완전 소 아이디얼 ⊇ 극대 아이디얼
가환환 의 진 아이디얼 에 대하여, 다음 조건들이 서로 동치이다.[1]
- 는 소 아이디얼이다.
- 는 완전 소 아이디얼이다.
- 가 정역이다.
가환환 의 소 아이디얼 의 여집합 는 모노이드를 이루므로, 이 집합에 대하여 국소화를 취할 수 있다. 이 경우 는 국소환을 이룬다.[1]
가환환의 준동형 및 의 소 아이디얼 에 대하여, 는 의 소 아이디얼이다. (이는 비가환환의 경우 일반적으로 성립하지 않는다.)[1]
3. 4. 1. 높이
가환환 의 소 아이디얼 의 '''높이''' 는 그 속에 포함되는 소 아이디얼들의 사슬의 길이의 상한이다.:
특히, 높이가 0인 소 아이디얼은 포함 관계에 따라서 극소 원소인 소 아이디얼과 같으며, 이를 '''극소 소 아이디얼'''(minimal prime ideal영어)이라고 한다.
예를 들어,
4. 예
- 정수환 의 소 아이디얼은 소수와 일대일 대응한다. 구체적으로, 소수 는 의 배수들로 구성된 아이디얼 와 대응한다. 이런 의미에서 소 아이디얼은 소수의 일반화라고 볼 수 있다.
- 간단한 예로, 환 에서 짝수의 부분 집합은 소 아이디얼이다.
- 정역 이 주어졌을 때, 임의의 소원 은 주 소 아이디얼 를 생성한다. 예를 들어, 체 위의 다항식환 에서 기약 다항식 을 생각할 수 있다.
- 복소수 계수를 갖는 두 변수의 다항식 링 에서, 다항식 에 의해 생성된 아이디얼은 소 아이디얼이다. (타원 곡선 참조).
- 정수 계수를 갖는 모든 다항식의 링 에서, 와 에 의해 생성된 아이디얼은 소 아이디얼이다.
- 유리 정수환 '''Z'''에서, 소수 ''p''의 배수 전체가 이루는 아이디얼 ''p'''Z'''는 소 아이디얼이다.
:일반적으로, 가환환 ''R''에서, 그 소원 ''p''가 생성하는 아이디얼 ''pR''는 이 아닌 소 아이디얼이 된다. 이는 역도 성립한다. 즉, ''p'' ∈ ''R''에 대해 단항 아이디얼 ''pR'' ≠ 가 소 아이디얼이면, ''p''는 소원이다.
5. 비가환환으로의 확장
볼프강 크룰은 1928년에 소 아이디얼의 개념을 "아이디얼 단위"의 가환 정의를 사용하여 비가환 고리로 일반화하였다.[5] (아마도 비가환) 고리 $R$의 진 아이디얼 $P$에 대해, 모든 두 아이디얼 $A$와 $B$의 곱 $AB$가 $P$에 포함될 때, 적어도 $A$와 $B$ 중 하나가 $P$에 포함되면 $P$를 '''소 아이디얼'''이라고 정의한다.
이 정의는 가환 고리에서 가환 정의와 동등하다. 비가환 고리 $R$의 아이디얼이 소 아이디얼의 가환 정의를 만족하면 비가환 버전을 만족한다는 것은 쉽게 확인할 수 있다. 소 아이디얼의 가환 정의를 만족하는 아이디얼은 고리 내의 다른 소 아이디얼과 구별하기 위해 때때로 '''완전 소 아이디얼'''이라고 불린다. 완전 소 아이디얼은 소 아이디얼이지만, 역은 성립하지 않는다. 예를 들어, 체 위의 $n \times n$ 행렬의 고리에서 영 아이디얼은 소 아이디얼이지만, 완전 소 아이디얼은 아니다.
아이디얼 $P$가 소 아이디얼이라는 등가 공식은 다음 속성을 포함한다.
- $R$의 모든 $a$와 $b$에 대해, $(a)(b) \subseteq P$는 $a \in P$ 또는 $b \in P$를 의미한다.
- $R$의 모든 두 개의 ''오른쪽'' 아이디얼에 대해, $AB \subseteq P$는 $A \subseteq P$ 또는 $B \subseteq P$를 의미한다.
- $R$의 모든 두 개의 ''왼쪽'' 아이디얼에 대해, $AB \subseteq P$는 $A \subseteq P$ 또는 $B \subseteq P$를 의미한다.
- $R$의 모든 원소 $a$와 $b$에 대해, 만약 $aRb \subseteq P$이면, $a \in P$ 또는 $b \in P$이다.
가환 고리의 소 아이디얼은 $R$에서 곱셈적으로 닫힌 여집합을 갖는 것으로 특징지어지며, 비가환 고리의 소 아이디얼에 대한 유사한 특징을 공식화할 수 있다. 비어 있지 않은 부분 집합 $S \subseteq R$는 모든 $S$의 $a$와 $b$에 대해, $arb \in S$가 되는 $R$의 $r$이 존재하면 '''m-시스템'''이라고 한다.[8]
위의 등가 조건 목록에 다음 항목을 추가할 수 있다.
- 여집합 $R \setminus P$는 m-시스템이다.
모든 원시 아이디얼은 소 아이디얼이다. 가환환과 마찬가지로 극대 아이디얼은 소 아이디얼이며, 소 아이디얼은 최소 소 아이디얼을 포함한다. 환이 소환일 필요충분조건은 영 아이디얼이 소 아이디얼인 것이며, 더 나아가 환이 정역일 필요충분조건은 영 아이디얼이 완전 소 아이디얼인 것이다.
가환 이론에서 비가환 이론으로 이어지는 또 다른 사실은, 만약 $A$가 영이 아닌 $R$-가군이고, $P$가 $A$의 부분 가군의 소포에서 소멸자 아이디얼의 극대 원소라면, $P$는 소 아이디얼이다.
단위적 환 $R$의 아이디얼 $P$가 소 아이디얼이라는 것은, $P \ne R$이고, 임의의 아이디얼 $A, B \subseteq R$에 대해, $AB \subseteq P$이면 $A \subseteq P$ 또는 $B \subseteq P$를 만족하는 것을 말한다.
이데알 $P \ne R$에 대해 다음 조건은 동치이다.
- $P$는 소 아이디얼
- $a, b \in R$에 대해, $(a)(b) \subseteq P$이면 $a \in P$ 또는 $b \in P$ (여기서, $(a) = RaR$)
- $a, b \in R$에 대해, $aRb \subseteq P$이면 $a \in P$ 또는 $b \in P$
- 왼쪽 아이디얼 $A, B$에 대해, $AB \subseteq P$이면 $A \subseteq P$ 또는 $B \subseteq P$
- 오른쪽 아이디얼 $A, B$에 대해, $AB \subseteq P$이면 $A \subseteq P$ 또는 $B \subseteq P$
- $R/P$는 소환
특히 단순환은 소환이므로 극대 아이디얼은 소 아이디얼이다.
6. 역사
아이디얼 개념은 수체의 대수적 정수환이 일반적으로 유일 인수 분해 정역이 아니라는 발견에서 비롯되었다. 수체의 대수적 정수환은 항상 데데킨트 정역이므로 아이디얼에 대해서는 유일 인수 분해가 성립하며, 이 경우 아이디얼의 소인수 분해에서 대응하는 "소수"는 소 아이디얼이다.
비가환환에서의 소 아이디얼 정의는 볼프강 크룰이 1928년에 제시하였다.[19]
7. 응용
대수기하학에서 다양체는 다항식 링의 아이디얼의 영 집합으로 정의되는데, 기약 다양체는 소 아이디얼에 해당한다. 현대적인 추상적 접근 방식에서는 임의의 가환 링에서 시작하여 소 아이디얼 집합(이를 스펙트럼이라고도 함)을 위상 공간으로 변환하고, 따라서 스키마라고 하는 다양체의 일반화를 정의할 수 있다. 이는 기하학뿐만 아니라 수론에도 적용된다.
대수적 수론에서 소 아이디얼의 도입은 중요한 진전이었다. 산술의 기본 정리에 표현된 고유 인수 분해의 중요한 속성이 모든 대수적 정수 링에서 유지되는 것은 아니지만, 리하르트 데데킨트가 원소를 아이디얼로, 소원소를 소 아이디얼로 대체했을 때 대안이 발견되었다. 자세한 내용은 데데킨트 정역을 참조하라.
참조
[1]
서적
Abstract Algebra
John Wiley & Sons
[2]
서적
Algebra
Springer Science+Business Media|Springer
[3]
서적
Undergraduate Commutative Algebra
Cambridge University Press
[4]
간행물
Lam ''First Course in Noncommutative Rings'', p. 156
[5]
간행물
Krull, Wolfgang, ''Primidealketten in allgemeinen Ringbereichen'', Sitzungsberichte Heidelberg. Akad. Wissenschaft (1928), 7. Abhandl.,3-14.
[6]
간행물
Goodearl, ''An Introduction to Noncommutative Noetherian Rings''
[7]
간행물
Lam, ''First Course in Noncommutative Rings''
[8]
문서
Obviously, multiplicatively closed sets are m-systems.
[9]
간행물
Jacobson ''Basic Algebra II'', p. 390
[10]
간행물
Kaplansky ''Commutative rings'', p. 2
[11]
간행물
Kaplansky ''Commutative rings'', p. 10, Ex 10.
[12]
간행물
Kaplansky ''Commutative rings'', p. 10, Ex 11.
[13]
서적
A first course in noncommutative rings
[14]
저널
Factorizations of elements in noncommutative rings: A survey
[15]
서적
Abstract algebra
http://www.wiley.com[...]
[16]
저널
A prime ideal principle for two-sided ideals
[17]
저널
The prime ideal principle in commutative algebra
https://math.berkele[...]
2016-04-23
[18]
저널
The prime avoidance lemma revisited
[19]
저널
Primidealketten in allgemeinen Ringbereichen
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