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으뜸 아이디얼

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1. 개요

으뜸 아이디얼은 환 R의 적절한 아이디얼 Q에 대해 R/Q에서 모든 영인자가 멱영원일 때를 말한다. 으뜸 아이디얼은 소 아이디얼과 밀접한 관련이 있으며, 소 아이디얼은 으뜸 아이디얼이고, 으뜸 아이디얼의 근호는 소 아이디얼이다. 으뜸 아이디얼은 가환환과 비가환환 모두에서 정의되며, 뇌터 환에서 으뜸 분해는 아이디얼을 이해하는 데 중요한 도구로 사용된다.

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으뜸 아이디얼

2. 정의

가환환 R의 아이디얼 \mathfrak q가 으뜸 아이디얼이 되기 위한 필요충분조건은 다음과 같다.


  • 임의의 r,s\in R에 대하여, rs\in\mathfrak q라면 r\in\mathfrak q이거나, s^n\in\mathfrak q인 양의 정수 n\in\mathbb Z^+이 존재한다.
  • R/\mathfrak q의 모든 영인자멱영원이다.
  • 임의의 r,s\in R에 대하여, 만약 rs\in\mathfrak q라면 r\in\mathfrak q이거나, s\in\mathfrak q이거나, 아니면 r,s\in\sqrt{\mathfrak q}이다. 여기서 \sqrt{는 소근기이다.


R의 적절한 아이디얼 Q가 으뜸 아이디얼이라는 것은 R/Q에서 모든 영인자가 멱영원이라는 것을 의미한다. 모든 소 아이디얼은 으뜸 아이디얼이며, 어떤 아이디얼이 소 아이디얼이 될 필요충분조건은 으뜸 아이디얼이자 반소 아이디얼인 것이다. 모든 으뜸 아이디얼은 프라이멀 아이디얼이다.[3]

Q가 으뜸 아이디얼이면, Q의 근호는 반드시 소 아이디얼 P가 되는데, 이때 PQ의 연관된 소 아이디얼이라고 부르며, QP-으뜸 아이디얼이라고 불린다. 그러나 근호가 소 아이디얼인 아이디얼이 반드시 으뜸 아이디얼인 것은 아니다.

근호가 극대 아이디얼인 아이디얼은 으뜸 아이디얼이다.

2. 1. 으뜸 부분 가군

R의 왼쪽 가군 _RM의 부분 가군 N\subseteq M에 대하여, 몫가군 M/N이 여으뜸 왼쪽 가군이면 N_RM의 '''으뜸 부분 가군'''(primary submodule)이라고 한다.[6] 오른쪽 가군에 대해서도 마찬가지로 정의할 수 있다.

2. 2. 삼종 아이디얼

R의 왼쪽 가군 _RM이 주어졌을 때, \operatorname{ter}_RM\subseteq R을 다음과 같이 정의한다.[6][10]

:\operatorname{ter}_RM=\{r\in R\colon\forall m\in M\setminus\{0\}\exists s\in R\colon rRsm=\{0\},\;sm\ne0\}

R 위의 왼쪽 가군 _RM이 다음 조건을 만족시킨다면, 이를 '''여삼종 가군'''(餘三種加群, cotertiary module영어)이라고 한다.[6][10]

  • 임의의 r\in Rm\in M\setminus\{0\}에 대하여, 만약 rRm=\{0\}이라면, r\in\operatorname{ter}_RM이다.

소 아이디얼 \mathfrak p이 주어졌을 때, \operatorname{Ass}(_RM)=\{\mathfrak p\}인 왼쪽 가군 _RM을 '''\mathfrak p-여삼종 가군'''(\mathfrak p-cotertiary module영어)이라고 한다.

왼쪽 뇌터 환 R위의 왼쪽 가군 _RM에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.[6][11][7]

M의 가군 M의 부분 가군 N에 대하여, 만약 몫가군 M/N이 여삼종 가군이라면, N을 '''삼종 부분 가군'''(tertiary submodule영어)이라고 한다.

R 위의 왼쪽 가군 _RM에 대하여 항상

:\sqrt{\operatorname{Ann}_RM}\subseteq\operatorname{ter}_RM

이며, 따라서 모든 으뜸 부분 가군은 삼종 부분 가군이다. 만약 R가환환이라면

:\sqrt{\operatorname{Ann}_RM}=\operatorname{ter}_RM

이며, 따라서 가환환의 경우 으뜸 부분 가군의 개념은 삼종 부분 가군의 개념과 동치이다.

2. 3. 가환환의 경우

가환환 R의 아이디얼 \mathfrak q에 대하여, 다음 조건들은 서로 동치이며, 이를 만족시키는 아이디얼을 R의 '''으뜸 아이디얼'''이라고 한다.

  • R의 으뜸 부분 가군이다.
  • R의 삼종 부분 가군이다.
  • 임의의 r,s\in R에 대하여, 만약 rs\in\mathfrak q라면 r\in\mathfrak q이거나, s^n\in\mathfrak q인 양의 정수 n\in\mathbb Z^+이 존재한다.
  • 임의의 r,s\in R에 대하여, 만약 rs\in\mathfrak q라면 r\in\mathfrak q이거나, s\in\mathfrak q이거나, 아니면 r,s\in\sqrt{\mathfrak q}이다. 여기서 \sqrt{}는 소근기이다.
  • R/\mathfrak q의 모든 영인자멱영원이다.
  • 정의는 더 대칭적인 방식으로 재정의될 수 있다. 즉, 적절한 아이디얼 \mathfrak{q}는, x y \in \mathfrak{q}일 때, x \in \mathfrak{q}이거나 y \in \mathfrak{q}이거나 x, y \in \sqrt{\mathfrak{q}}일 경우, 1차 아이디얼이다. (여기서 \sqrt{\mathfrak{q}}\mathfrak{q}의 근호를 나타낸다.)
  • ''R''의 적절한 아이디얼 ''Q''는 ''R''/''Q''에서 모든 영인자가 멱영일 때 1차 아이디얼이다. (이것을 소 아이디얼의 경우와 비교해 보면, ''P''가 소수 아이디얼인 경우는 ''R''/''P''에서 모든 영인자가 실제로 0일 때이다.)
  • 모든 소 아이디얼은 1차 아이디얼이며, 또한 아이디얼이 소수 아이디얼인 것은 1차 아이디얼이자 반소수 아이디얼일 경우와 같다(가환의 경우 근호 아이디얼이라고도 함).
  • 모든 1차 아이디얼은 프라이멀 아이디얼이다.[3]
  • ''Q''가 1차 아이디얼이면, ''Q''의 근호는 반드시 소 아이디얼 ''P''가 되고, 이 아이디얼을 ''Q''의 연관된 소 아이디얼이라고 부른다. 이 경우, ''Q''는 '''''P''-1차'''''라고 한다.
  • 근호가 소수 아이디얼인 아이디얼이 반드시 1차 아이디얼인 것은 아니다. 예를 들어, R = k[x,y,z]/(x y - z^2), \mathfrak{p} = (\overline{x}, \overline{z}), 그리고 \mathfrak{q} = \mathfrak{p}^2일 때, \mathfrak{p}는 소수이고 \sqrt{\mathfrak{q}} = \mathfrak{p}이지만, \overline{x} \overline{y} = {\overline{z}}^2 \in \mathfrak{p}^2 = \mathfrak{q}, \overline{x} \not \in \mathfrak{q}, 그리고 모든 n > 0에 대해 {\overline{y}}^n \not \in \mathfrak{q}이므로 \mathfrak{q}는 1차 아이디얼이 아니다. \mathfrak{q}의 1차 분해는 (\overline{x}) \cap ({\overline{x}}^2, \overline{x} \overline{z}, \overline{y})이다. 여기서 (\overline{x})\mathfrak{p}-1차이고 ({\overline{x}}^2, \overline{x} \overline{z}, \overline{y})(\overline{x}, \overline{y}, \overline{z})-1차이다.
  • 근호가 극대인 아이디얼은 1차 아이디얼이다.
  • ''P''가 극대 소 아이디얼이면, ''P''의 멱을 포함하는 모든 아이디얼은 ''P''-1차이다. 모든 ''P''-1차 아이디얼이 ''P''의 멱일 필요는 없지만, 적어도 P의 멱을 포함한다. 예를 들어, 아이디얼 (''x'', ''y''2)는 링 ''k''[''x'', ''y'']에서 아이디얼 ''P'' = (''x'', ''y'')에 대해 ''P''-1차이지만, P의 멱은 아니지만 P²을 포함한다.
  • \mathfrak{p}-1차 아이디얼의 유한하고 비어 있지 않은 곱은 \mathfrak{p}-1차이지만, \mathfrak{p}-1차 아이디얼의 무한한 곱은 \mathfrak p-1차일 수 없다. 예를 들어, 극대 아이디얼 \mathfrak m을 갖는 노터 국소 링에서 \cap_{n > 0} \mathfrak{m}^n = 0 (크룰 교차 정리) 여기서 각 \mathfrak{m}^n\mathfrak{m}-1차이며, 예를 들어 국소 링 K[x,y]/\langle x^2, xy\rangle의 극대(따라서 소수이자 1차) 아이디얼 m=\langle x,y \rangle의 무한한 곱은 0 아이디얼을 생성하며, 이 경우 1차 아이디얼이 아니다(영인자 y가 멱영이 아니기 때문). 실제로, 노터 링에서 \mathfrak{p}-1차 아이디얼 Q_i의 비어 있지 않은 곱은 \mathfrak{p}-1차인 것은 정수 n > 0이 존재하여 \mathfrak{p}^n \subset \cap_i Q_i일 경우에만 해당한다.[5]
  • 정의로부터 명백히 소 아이디얼은 준소 아이디얼이다.
  • 소인수 분해 정역에서, 소원 ''p''의 거듭제곱 ''p''''n''로 생성된 아이디얼 (''p''''n'')은 준소 아이디얼이다.
  • 뇌터 환의 임의의 아이디얼은 유한 개의 준소 아이디얼의 교집합으로 쓸 수 있다 (준소 분해).
  • 데데킨트 환의 준소 아이디얼은 소 아이디얼의 거듭제곱이다.
  • 준소 아이디얼의 근기는 소 아이디얼이다.

3. 성질

가환환에서 아이디얼, 반소 아이디얼, 으뜸 아이디얼, 소 아이디얼, 극대 아이디얼 사이에는 다음과 같은 포함 관계가 성립한다.

:아이디얼반소 아이디얼 ∪ 으뜸 아이디얼 ⊇ 반소 아이디얼 ∩ 으뜸 아이디얼 = 소 아이디얼극대 아이디얼

특히, 소 아이디얼은 으뜸 아이디얼이다. 가환환 R의 전체 아이디얼 (1)=R 역시 으뜸 아이디얼이다.

으뜸 아이디얼의 소근기는 항상 소 아이디얼이다. 으뜸 아이디얼 \mathfrak q의 소근기가 소 아이디얼 \mathfrak p이면, \mathfrak q를 '''\mathfrak p-으뜸 아이디얼'''(\mathfrak p-primary ideal영어)이라고 한다. 반대로, 소근기가 극대 아이디얼인 아이디얼은 으뜸 아이디얼이다.

뇌터 가환환에서, 영가군이 아닌 유한 생성 가군 M에 대하여 다음 두 조건은 서로 동치이다.



정수환 '''Z'''의 아이디얼 격자 구조 일부는
와 같다. 그림에서 자색 또는 청록색 아이디얼은 준소 아이디얼이다.

3. 1. 추가 성질 (영어 위키)


  • ''R''의 적절한 아이디얼 ''Q''에 대해, ''R''/''Q''에서 모든 영인자가 멱영이면 ''Q''는 1차 아이디얼이다.[3] (이는 ''P''가 소 아이디얼인 경우 ''R''/''P''에서 모든 영인자가 실제로 0일 때와 비교된다.)
  • 모든 소 아이디얼은 1차 아이디얼이며, 어떤 아이디얼이 소 아이디얼이 되는 것과 1차 아이디얼이자 반소수 아이디얼인 것은 동치이다.(가환의 경우 근호 아이디얼이라고도 함).
  • 모든 1차 아이디얼은 프라이멀 아이디얼이다.[3]
  • ''Q''가 1차 아이디얼이면, ''Q''의 근호는 반드시 소 아이디얼 ''P''가 되고, 이 아이디얼을 ''Q''의 연관된 소 아이디얼이라고 부른다. 이 경우, ''Q''는 '''P''-1차'''라고 한다.
  • 근호가 극대 아이디얼인 아이디얼은 1차 아이디얼이다.
  • ''A''가 노터 링이고 ''P''가 소 아이디얼이면, A \to A_P의 커널(즉, ''A''에서 ''P''에서 ''A''의 국소화로 가는 사상)은 모든 ''P''-1차 아이디얼의 교집합이다.[4]
  • \mathfrak{p}-1차 아이디얼의 유한하고 비어 있지 않은 곱은 \mathfrak{p}-1차이지만, \mathfrak{p}-1차 아이디얼의 무한한 곱은 \mathfrak p-1차일 수 없다. 예를 들어, 극대 아이디얼 \mathfrak m을 갖는 노터 국소 링에서 \cap_{n > 0} \mathfrak{m}^n = 0 (크룰 교차 정리)이고, 각 \mathfrak{m}^n\mathfrak{m}-1차이다. 예를 들어 국소 링 K[x,y]/\langle x^2, xy\rangle의 극대(따라서 소수이자 1차) 아이디얼 m=\langle x,y \rangle의 무한한 곱은 0 아이디얼을 생성하며, 이 경우 1차 아이디얼이 아니다(영인자 y가 멱영이 아니기 때문). 실제로, 노터 링에서 \mathfrak{p}-1차 아이디얼 Q_i의 비어 있지 않은 곱이 \mathfrak{p}-1차인 것은 정수 n > 0이 존재하여 \mathfrak{p}^n \subset \cap_i Q_i일 경우에만 해당한다.[5]

3. 2. 으뜸 분해

왼쪽 뇌터 환 위의 유한 생성 왼쪽 가군은 유일한 삼종 분해를 갖는다. 즉, 왼쪽 뇌터 환 R 위의 유한 생성 왼쪽 가군 _RM의 부분 가군 _RN에 대하여, 다음 조건들을 모두 만족시키는 유한 개의 서로 다른 삼종 부분 가군 N_1,\dots,N_k\subseteq M소 아이디얼 \{\mathfrak p_i\}=\operatorname{Ass}(_RM/N_i)들이 존재한다.[6][7]

  • N=N_1\cap N_2\cap\cdots\cap N_k
  • 임의의 i=1,\dots,k에 대하여, N\ne N_1\cap N_2\cap N_{i-1}\cap N_{i+1}\cap\cdots\cap N_k
  • \operatorname{Ass}(_RN)유한 집합이며, 그 크기는 k이며, 또한 \operatorname{Ass}_k(N_i)=\{\mathfrak p_1,\dots,\mathfrak p_k\}이다.
  • 임의의 1\le i,j\le k에 대하여, i\ne j라면 \mathfrak p_i\ne\mathfrak p_j이며 N_i\ne N_j이다.


이를 N의 '''삼종 분해'''(tertiary decomposition영어)라고 한다. 또한, 삼종 분해는 다음과 같은 의미에서 유일하다.[6][7]

  • N의 두 삼종 분해 \{(N_i,\mathfrak p_i)\}_{1\le i\le k}, \{(N_j',\mathfrak p_j')\}_{1\le j\le k'}가 주어졌을 때, k=k'이며, \mathfrak p_i=\mathfrak p'_{\sigma(i)}가 되는 순열 \sigma\in\operatorname{Sym}\{1,\dots,k\}이 존재한다. (그러나 N_i=N'_{\sigma(i)}일 필요는 없다.)


만약 R가 뇌터 가환환일 경우, 삼중 부분 가군의 개념은 으뜸 부분 가군의 개념과 일치하며, 이 경우를 '''으뜸 분해'''라고 한다. 뇌터 가환환 위의 유한 생성 가군이 으뜸 분해를 갖는다는 사실은 '''라스커-뇌터 정리'''(Lasker–Noether theorem영어)라고 한다.

구체적으로, 뇌터 가환환 R의 아이디얼 \mathfrak a의 으뜸 분해는 다음과 같은 알고리즘으로 찾을 수 있다.

# 만약 \mathfrak a가 으뜸 아이디얼이라면, \{\mathfrak a\}는 으뜸 분해를 이룬다. 아니라면, rs\in\mathfrak ar,s \in R\setminus\sqrt{\mathfrak a}를 찾을 수 있다.

# \mathfrak a:r^\infty=\mathfrak a:r^n이 되는 충분히 큰 자연수 n\in\mathbb N을 찾는다.

# 그렇다면, \mathfrak a=(\mathfrak a+r^nR)\cap(\mathfrak a:r^n)이므로, \mathfrak a+r^nR\mathfrak a:r^n의 으뜸 분해를 찾으면 \mathfrak a의 으뜸 분해를 찾을 수 있다. (\mathfrak a+r^nR\mathfrak a:r^n\mathfrak a보다 더 큰 아이디얼이므로, 뇌터 환 조건에 의하여 무한 반복이 일어나지 않는다.)

여기서

:\mathfrak a:r^\infty=\bigcup_{n=0}^\infty(\mathfrak a:r^n)

:\mathfrak a:r^n=\{s\in R\colon sr^n\in\mathfrak a\}

이다.

4. 예

정수환은 주 아이디얼 정역이므로, 모든 아이디얼은 주 아이디얼이다. 정수환에서 으뜸 아이디얼은 소수거듭제곱 p^n (n\in\mathbb Z^+)으로 생성되는 주 아이디얼 (p^n)이다.[1]

4. 1. 소근기가 소 아이디얼인 비(非)으뜸 아이디얼

대수적으로 닫힌 체 K에 대하여, 다항식 환 K[x,y,z](xy-z^2)로 나눈 몫환 K[x,y,z]/(xy-z^2)을 생각하자. 이 몫환에서 아이디얼 \mathfrak p=(x,z)를 정의하면, 이 아이디얼은 소 아이디얼이다. 즉, \mathfrak p^2=(x^2,z^2,xz)의 소근기 \sqrt{\mathfrak p^2}=\mathfrak p는 소 아이디얼이다. 그러나 \mathfrak p^2는 으뜸 아이디얼이 아니다. 왜냐하면 xy=z^2\in\mathfrak p^2이지만, x\not\in\mathfrak p^2이고, 모든 양의 정수 n에 대해 y^n\not\in\mathfrak p^2이기 때문이다. \mathfrak p^2의 으뜸 분해는 다음과 같다.

:\mathfrak p^2=(x)\cap(x^2,xz,y)

5. 역사

소인수 분해를 정수환에서 보다 일반적인 으로 일반화하는 것은 환론의 오래된 문제이다. 일부 대수적 수체의 대수적 정수환이 유일 인수 분해 정역이 아니지만(즉, 환의 원소가 기약원으로의 유일 인수 분해를 갖지 않을 수 있지만), 데데킨트 정역이라는 것(즉, 아이디얼소 아이디얼로의 유일한 분해를 갖는 것)이 밝혀지면서 환의 원소 분해 대신 아이디얼의 분해가 대두되었다. 그러나 데데킨트 정역이 아닌 환들의 경우, 소 아이디얼로의 분해 역시 실패한다.

이를 해결하기 위하여, 에마누엘 라스커가 라스커-뇌터 정리를 다항식환에 대하여 증명하였고,[8] 그 뒤 에미 뇌터가 라스커-뇌터 정리를 일반적 뇌터 가환환에 대하여 증명하였다.[9] 이에 따라 임의의 뇌터 가환환에 대하여 소인수 분해가 일반화되었다.

비가환환의 경우, 레옹스 르시외르(Léonce Lesieur프랑스어)와 로베르 크루아조(Robert Croisot프랑스어)가 삼종 아이디얼의 개념을 도입하여, 왼쪽 뇌터 환의 경우 삼종 분해가 성립함을 보였다.[10][11][12][13]

참조

[1] 문서
[2] 문서
[3] 문서
[4] 문서
[5] 문서
[6] 저널 Axiomatic primary and tertiary decomposition theory 1962-11
[7] 서적 Rings of quotients: an introduction to methods of ring theory Springer-Verlag 1975
[8] 저널 Zur Theorie der Moduln und Ideale http://resolver.sub.[...] 1905
[9] 저널 Idealtheorie in Ringbereiche https://web.archive.[...] 2016-05-14
[10] 저널 Exposé № 22. Théorie noethérienne des idéaux dans les anneaux et les demi-groupes non nécessairement commutatifs (exposé d’une partie d’un mémoire de L. Lesieur et R. Croisot, à paraître au Math. Zeitschrift) http://www.numdam.or[...] 1957-05-20
[11] 저널 Exposé № 14. Théorie noethérienne des anneaux non commutatifs: une propriété caractéristique des idéaux tertiaires http://www.numdam.or[...] 1958-02-17
[12] 저널 Extension au cas non commutatif d’un théorème de Krull et d’un lemme d’Artin-Rees. À M. Wolfgang Krull, à l’occasion de son 60e anniversaire http://resolver.sub.[...] 1960
[13] 서적 Algèbre nœthérienne non commutative http://www.numdam.or[...] Gauthier-Villars & Cie 1963



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