1 加群根基と socle
空の共通部分と空の和を明示しておくことは、極大部分加群も単純部分加群ももたない加群を扱うために必要である。
定義 1.1. 左R加群Mの極大部分加群全体の共通部分をMの加群根基 (module radical) といい、
radR(M)と書く。Mが極大部分加群をもたない場合には、空の共通部分をMと定め、
radR(M):=Mとする。
定義 1.2. 左R加群Mの単純部分加群全体の和をMのsocle(ソークル) (socle) といい、
socR(M)と書く。Mが単純部分加群をもたない場合には、空の和を零部分加群と定め、
socR(M):=0とする。
単純加群Sについては、唯一の極大部分加群が0であり、唯一の非零単純部分加群がSである。したがって
radR(S)=0,socR(S)=S
である。零加群については二つの空族の規約から、根基も socle も零加群になる。
例 1.3 (有理数加群の二つの空族).QをZ加群とみなすと、
radZ(Q)=Q,socZ(Q)=0である。
実際、非零単純Z加群Sと0=s∈Sに対し、準同型Z→S、n↦nsは全射であり、その核はZの極大イデアルである。したがってSはある素数pに対するZ/pZと同型である。ここでQ/Nが非零単純になる部分群Nが存在すると仮定する。Q/Nは可除群であり、可除群の商も可除群であるが、Z/pZは可除群でない。したがってQは極大部分加群をもたない。
また、Qの非零部分群Sと0=x∈Sを取る。部分群ZxはSの非零部分加群である。x/2∈SならばZxはSの真の部分加群であり、x/2∈/Sならば2SはSの非零真の部分加群である。後者で2S=Sならばx=2yとなるy∈Sが存在してx/2=y∈Sとなるため、実際に2S=Sである。よって非零部分群Sは単純でなく、Qは単純部分加群をもたない。
2 単純商と最大半単純部分加群
加群根基を計算するには、極大部分加群そのものよりも単純加群への写像を使う方が便利である。
定理 2.1. 左R加群Mに対して
radR(M)=S は単純左 R 加群f∈HomR(M,S)⋂kerfである。該当する単純加群への非零写像が存在しない場合、右辺はMである。
証明.LをMの極大部分加群とする。商加群M/Lは単純であり、自然な全射
qL:M⟶M/Lの核はLである。したがって、右辺に現れる核の族はすべての極大部分加群を含む。
逆に、単純加群Sへの非零写像f:M→Sを取る。像はSの非零部分加群であるからSに等しく、fは全射である。第一同型定理によりM/kerf≅Sなので、kerfは極大部分加群である。零写像の核はMであり、共通部分を変えない。よって両辺で交わしている真の部分加群の族は一致する。極大部分加群が存在しない場合には非零写像も存在せず、両辺はそれぞれの空族の規約によってMになる。▨
socle は半単純部分加群をすべて集めたものとして特徴づけられる。
定理 2.2. 左R加群Mに対してsocR(M)は半単純部分加群である。さらに、N⊆Mが半単純部分加群ならば
N⊆socR(M)である。したがってsocR(M)はMの最大の半単純部分加群である。
証明.socR(M)はMの単純部分加群全体の和である。単純加群は半単純であり、半単純部分加群の任意の和は§E6.22 命題 3.2によって半単純である。よってsocR(M)は半単純である。
N⊆Mが半単純ならば、§E6.22 定理 2.3によりNは自身の単純部分加群の和である。それらはすべてMの単純部分加群でもあるため、定義からN⊆socR(M)となる。▨
命題 2.3.Rを単位元をもつ結合環、Mを左R加群とする。このとき
socR(M)=N⊆MN は本質的部分加群⋂Nである。
証明.S⊆Mを単純部分加群、N⊆Mを本質的部分加群とする。本質性からS∩N=0であり、Sの単純性からS∩N=Sとなる。したがってS⊆Nである。すべての単純部分加群Sの和と、すべての本質的部分加群Nの共通部分を取ると、
socR(M)⊆N⊆MN は本質的部分加群⋂Nを得る。
本質的部分加群全体の共通部分をLと置き、A⊆Lを任意の部分加群とする。§E6.19 補題 1.5により、A∩C=0であり、A⊕CがMの本質的部分加群となる部分加群C⊆Mが存在する。Lの定義からL⊆A⊕Cである。任意のx∈Lをx=a+c、a∈A、c∈Cと書くと、A⊆Lなのでc=x−a∈C∩Lである。したがって
L=A⊕(C∩L)となる。Aは任意であったから、§E6.22 定理 2.3 (3)によりLは半単純である。定理 2.2によって
L⊆socR(M)であり、逆の包含も得られる。▨
3 写像、商および直和
socle は任意の準同型で前向きに移り、加群根基は全射で前向きに移る。この違いは、単純部分加群が像に移ることと、単純商への写像が全射との合成によって引き戻されることに対応する。
命題 3.1. 左R線形写像f:M→Nに対して
f(socR(M))⊆socR(N)である。さらにfが全射ならば
f(radR(M))⊆radR(N)である。
証明.S⊆Mを単純部分加群とする。制限f∣Sの像は零であるか、単純加群Sの非零準同型像として単純である。したがってf(S)⊆socR(N)であり、すべてのSの和を取れば第一の包含を得る。
fが全射であるとする。任意の単純加群Tと写像g:N→Tに対して、g∘f:M→Tも左R線形である。定理 2.1によりradR(M)⊆ker(gf)である。したがって
g(f(radR(M)))=0となる。再び同じ特徴づけをNへ適用すると第二の包含を得る。▨
命題 3.2.N⊆Mを部分加群とする。このとき
radR(M/N)=NL は M の極大部分加群N⊆L⋂Lであり、該当するLが存在しない場合には分子をMとする。特に
NradR(M)+N⊆radR(M/N).N⊆radR(M)ならば
radR(M/N)=radR(M)/Nである。また、常に
NsocR(M)+N⊆socR(M/N)である。
証明.M/Nの部分加群とNを含むMの部分加群の対応は包含関係を保つため、M/Nの極大部分加群はちょうどL/Nの形である。ただしLはNを含むMの極大部分加群を動く。したがって最初の等式を得る。
radR(M)はすべての極大部分加群に含まれるため、Nを含む極大部分加群の共通部分にも含まれる。これにNを加えて商を取ると最初の包含を得る。N⊆radR(M)ならばMのすべての極大部分加群がNを含むため、共通部分の族はradR(M)を定める族全体になり、等号が成り立つ。
自然な全射q:M→M/Nに命題 3.1の socle に関する主張を適用すると
q(socR(M))=NsocR(M)+N⊆socR(M/N)を得る。▨
二つの商に関する包含は一般には等号でない。例えば素数pに対してM=Z、N=p2Zと置くと、radZ(Z)=0である一方、Z/p2Zの唯一の極大部分加群はpZ/p2Zである。またM=Z、N=pZと置くとsocZ(Z)=0である一方、Z/pZは単純である。
定理 3.3. 左R加群の族(Mi)i∈Iに対して
radR(i∈I⨁Mi)=i∈I⨁radR(Mi)および
socR(i∈I⨁Mi)=i∈I⨁socR(Mi)が成り立つ。
証明.x=(xi)∈⨁iradR(Mi)とし、単純加群Sへの写像f:⨁iMi→Sを取る。各標準包含ιi:Mi→⨁iMiに対して、fιiはMiから単純加群への写像なので(fιi)(xi)=0である。xの台は有限であるから
f(x)=i∑(fιi)(xi)=0となる。核による特徴づけからx∈radR(⨁iMi)である。
逆にx=(xi)∈radR(⨁iMi)とする。各射影pi:⨁iMi→Miは全射なので、命題 3.1により
xi=pi(x)∈radR(Mi)である。よって根基の等式を得る。
各socR(Mi)の元を標準包含で移すと⨁iMiの socle に入るため、右辺は左辺に含まれる。逆にS⊆⨁iMiを単純部分加群とし、0=s∈Sを取る。単純性からS=Rsであり、sの台を有限集合FとするとS⊆⨁i∈FMiである。各iについてpi(S)は零または単純であるため、pi(S)⊆socR(Mi)となる。したがってS⊆⨁isocR(Mi)であり、すべてのSの和を取れば逆の包含を得る。▨
4 Jacobson 根基との関係
J:=J(R)と置く。§E6.7 系 4.4によりJは両側イデアルであるから、左加群Mに対して
JM:={k=1∑nakxkn≥0, ak∈J, xk∈M}
は部分加群である。
定理 4.1. 任意の左R加群Mに対して
J(R)M⊆radR(M)である。
証明. 単純左R加群Sと写像f:M→Sを取る。単純左加群による Jacobson 根基の特徴づけ§E6.7 定理 4.3によりJS=0である。したがって
f(JM)=Jf(M)⊆JS=0となり、JM⊆kerfである。すべてのSとfについて核を交わし、定理 2.1を用いると主張を得る。▨
有限生成性だけではこの包含は等号にならない。この点は後の正しい十分条件と区別する必要がある。
例 4.2 (有限生成加群で等号が破れる例). 素数pを固定し、R=Z、M=Z/p2Zとする。Mは巡回加群なので有限生成である。整数環の極大イデアル全体の共通部分は零であるから
J(Z)=0,J(Z)M=0である。一方、Mの唯一の極大部分加群はpMなので
radZ(M)=pM=0.したがって、一般の有限生成加群に対するJ(R)M=radR(M)という主張は成り立たない。
有限生成性に射影性を加えると等号が回復する。
定理 4.3.Pを有限生成射影左R加群とする。このとき
radR(P)=J(R)Pである。
証明. 左正則加群RRの極大部分加群はRの極大左イデアルであるから、二つの定義より
radR(RR)=J(R)=J(R)Rである。定理 3.3を有限直和へ適用すると、任意の非負整数nについて
radR(Rn)=J(R)⊕n=J(R)Rnとなる。
Pは有限生成なので、§E6.11 命題 1.2により、あるnと全射π:Rn↠Pが存在する。Pは射影的なので、射影性の特徴づけ§E6.16 命題 1.2によりπは分裂する。したがってQ:=kerπと置けば
Rn=P⊕Qとなる。ここでは分裂によるPの像をPと同一視した。直和公式とJ(R)の作用の成分表示から
radR(Rn)=radR(P)⊕radR(Q),J(R)Rn=J(R)P⊕J(R)Qである。両者が等しいことと直和分解の第一成分を比較すると
radR(P)=J(R)Pを得る。▨
もう一つの十分条件は、環の剰余がすべての加群を半単純にする場合である。この条件は加群の有限生成性を必要としない。
定理 4.4.R/J(R)が左半単純環ならば、任意の左R加群Mに対して
radR(M)=J(R)Mである。
証明.M:=M/JMと置く。MへのRの作用はR/Jを通じて定まり、§E6.22 定理 4.2によりMは半単純R/J加群である。R部分加群とR/J部分加群は一致するため、Mは半単純R加群でもある。
半単純加群は単純加群の直和である。非零元を取れば、ある単純直和因子への射影がその元を零でない元へ写す。定理 2.1により
radR(M)=0である。商加群に関する包含命題 3.2をN=JMへ適用すると
JMradR(M)+JM⊆radR(M)=0となるため、radR(M)⊆JMである。逆の包含は定理 4.1で証明済みである。▨
5 高階の根基列と socle 列
根基を繰り返す列は上から下へ進み、socle を商で繰り返す列は下から上へ進む。
定義 5.1. 左R加群Mに対し、根基列 (radical series) を
radR0(M):=M,radRn+1(M):=radR(radRn(M))によって帰納的に定める。
また、socle 列 (socle series) を
socR,0(M):=0から始め、自然な射影
qn:M⟶M/socR,n(M)に対して
socR,n+1(M):=qn−1(socR(M/socR,n(M)))と定める。
あるd≥0についてradRd(M)=0となるとき、そのような最小のdを下 Loewy 長 (lower Loewy length) という。あるd≥0についてsocR,d(M)=Mとなるとき、そのような最小のdを上 Loewy 長 (upper Loewy length) という。
添字nを明示している間は、socR,n(M)を単にsocn(M)と書く。
命題 5.2. 任意のn≥0に対して
socn+1(M)/socn(M)=socR(M/socn(M))であり、この商加群は半単純である。さらに、socn+1(M)/socn(M)はM/socn(M)の最大の半単純部分加群である。
証明. 最初の等式は逆像による定義と部分加群の対応から従う。右辺は定理 2.2により半単純であり、同じ定理により商加群の最大の半単純部分加群である。▨
鎖条件は、対応する列が停滞する前に必ず真に進むことを保証する。ただし Noether 性は根基列が有限回で零になることを意味せず、Artin 性は socle 列が有限回で全体になることを意味しない。
定理 5.3.Mを Noether 左R加群とする。radRn(M)=0ならば
radRn+1(M)⊊radRn(M)である。
証明.N:=radRn(M)と置く。Noether 加群の部分加群Nも Noether であり、§E6.20 命題 1.2により有限生成である。N=0なので、§E6.11 命題 1.5によりNは極大部分加群Lをもつ。定義から
radR(N)⊆L⊊Nである。radR(N)=radRn+1(M)なので主張を得る。▨
例 5.4 (Noether 加群の終わらない根基列). 体k上の一変数形式的冪級数環R=k[[t]]を左正則加群とみなす。非零イデアルIの元のt次数の最小値をdとすると、次数dの元はtdと単元の積である。したがってI=(td)であり、Rは Noether 環である。
Rの元は定数項が非零であることと単元であることが同値なので、(t)は唯一の極大イデアルであり、
radR(R)=J(R)=(t)である。乗法写像R→(tn)、a↦atnは加群同型であるため、任意のn≥0について
radRn(R)=(tn)となる。よって根基列は各段で真に減少するが、有限回では零にならない。
定理 5.5.Mを Artin 左R加群とする。socn(M)=Mならば
socn(M)⊊socn+1(M)である。
証明.Q:=M/socn(M)と置く。QはMの商加群なので、Artin 性の短完全列に沿った遺伝§E6.20 命題 3.2により Artin である。仮定からQ=0である。Qの非零部分加群全体へ Artin 性の極小元による特徴づけ§E6.20 命題 2.2を適用し、極小元Sを取る。Sは単純部分加群なので
0=S⊆socR(Q)である。命題 5.2により
socn+1(M)/socn(M)=socR(Q)=0,したがって包含は真である。▨
6 左 Artin 環の半単純剰余環
ここからAを左 Artin 環とし、J:=J(A)と置く。最初にJが有限個の極大左イデアルの共通部分であることを鎖条件から導く。
補題 6.1. 左 Artin 環Aには、ある非負整数tと極大左イデアル
m1,…,mtが存在して
J(A)=m1∩⋯∩mtとなる。t=0のとき右辺はAである。
証明. 極大左イデアルの有限個の共通部分全体をFとし、空の共通部分AもFに含める。Fは空でない左イデアルの族である。左正則加群AAは Artin なので、§E6.20 命題 2.2によりFは包含関係について極小元Iをもつ。
Aが極大左イデアルをもたない場合、定義からJ(A)=Aであり、空の共通部分を選べばよい。極大左イデアルmが存在する場合、I∩m∈FかつI∩m⊆Iである。Iの極小性からI∩m=Iとなり、I⊆mである。これはすべての極大左イデアルについて成り立つからI⊆J(A)である。一方、Iは有限個の極大左イデアルの共通部分なのでJ(A)⊆Iである。よってI=J(A)となる。▨
定理 6.2. 左 Artin 環Aに対してA/J(A)は左半単純環である。
証明方針は、前補題で得た有限個の極大左イデアルを用い、A/J(A)を有限個の単純加群の直和へ対角的に埋め込むことである。半単純加群の部分加群も半単純であるため、この埋め込みから剰余環の左正則加群の半単純性が従う。
証明.補題 6.1の極大左イデアルm1,…,mtを取る。写像
Δ:A⟶i=1⨁tA/mi,a⟼(a+mi)i=1tは左A線形であり、その核は
kerΔ=i=1⋂tmi=J(A)である。したがってΔは単射
Δ:A/J(A)\lhook\joinrel⟶i=1⨁tA/miを誘導する。
各A/miは§E6.22 命題 1.1により単純左A加群であるから、右辺は半単純である。その部分加群であるA/J(A)も§E6.22 命題 3.1により半単純左A加群である。J(A)はA/J(A)を零化するため、A部分加群とA/J(A)部分加群は一致し、半単純性も一致する。よって左正則A/J(A)加群は半単純であり、A/J(A)は左半単純環である。
t=0ならばJ(A)=Aであり、A/J(A)=0である。右辺を空直和0とすれば同じ証明が成り立つ。▨
系 6.3.Aを左 Artin 環、Mを任意の左A加群とする。このとき
radA(M)=J(A)Mである。
7 Jacobson 根基の冪と socle 列
I◃Aを両側イデアル、Mを左A加群とするとき
AnnM(I):={x∈M∣Ix=0}
と書く。Iの両側イデアル性から、これはMの部分加群である。J0:=Aと定めるので、単位的加群についてAnnM(J0)=0である。
定理 7.1.Aを左 Artin 環、J:=J(A)、Mを任意の左A加群とする。任意のn≥0に対して
socA,n(M)=AnnM(Jn)={x∈M∣Jnx=0}である。
証明方針は、まずsocA(M)=AnnM(J)を示し、その等式を逐次商M/socA,n(M)へ適用することである。前向きの包含にはJが単純加群を零化することを使い、逆向きにはAnnM(J)が半単純環A/J上の加群であることを使う。
証明. まずn=1の等式を任意の左A加群について示す。S⊆Mを単純部分加群とすると、§E6.7 定理 4.3によりJS=0である。したがって
socA(M)⊆AnnM(J)である。
逆にAnnM(J)はA/J上の加群である。定理 6.2と§E6.22 定理 4.2により、これは半単純A/J加群であり、したがって半単純A加群でもある。socle の最大半単純性定理 2.2から
AnnM(J)⊆socA(M)を得る。よってsocA(M)=AnnM(J)である。
n=0では
socA,0(M)=0=AnnM(A)=AnnM(J0)である。あるn≥0について
socA,n(M)=AnnM(Jn)が成り立つと仮定する。x∈Mに対し、先ほど証明したn=1の等式を商加群M/socA,n(M)へ適用すると、
x∈socA,n+1(M)⟺J(x+socA,n(M))=0⟺Jx⊆socA,n(M)⟺Jn(Jx)=0⟺Jn+1x=0となる。したがって帰納法により、すべてのnについて等式が成り立つ。▨
例 7.2 (切断多項式環の二つの列). 体k、整数m≥1に対して
A:=k[t]/(tm),J:=(t)と置く。Aは有限次元k代数なので左 Artin 環であり、A/J≅kである。左正則加群AAについて
radAn(A)=Jn=(tn)(0≤n≤m)である。また定理 7.1により
socA,n(A)=AnnA(Jn)=(tm−n)(0≤n≤m).したがって根基列は指数を増やしながら下降し、socle 列は逆向きに同じイデアルを上昇する。上下の Loewy 長はいずれもmである。
8 右加群と反対環
右R加群は左Rop加群とみなす。右部分加群と左Rop部分加群、単純性、半単純性および鎖条件はこの読み替えで変わらない。
命題 8.1. 右R加群Mについて、極大右部分加群の共通部分をrad(M)、単純右部分加群の和をsoc(M)と定めると、左加群について本記事で証明した核による特徴づけ、最大半単純性、商および任意直和の公式がすべて成り立つ。さらに次が成り立つ。
- 任意の右R加群Mに対してMJ(R)⊆rad(M)である。
- 有限生成射影右R加群Pに対してrad(P)=PJ(R)である。
- R/J(R)が右半単純ならば、任意の右R加群Mに対してrad(M)=MJ(R)である。
- Rが右 Artin 環ならばR/J(R)は右半単純であり、任意の右R加群Mとn≥0に対して
socn(M)={x∈M∣xJ(R)n=0}
である。
証明.§E6.1 定義 4.1により、右R加群は左Rop加群である。極大部分加群、単純部分加群、商および直和は集合と加法群を変えないため、一般の公式はRop上の結果をそのまま読み替えればよい。
極大右イデアルによる Jacobson 根基の特徴づけ§E6.7 定理 5.1により
J(Rop)=J(R)が集合として成り立つ。また、恒等写像が環同型
Rop/J(Rop)≅(R/J(R))opを誘導する。したがって左辺の左半単純性はR/J(R)の右半単純性を意味する。左Rop加群に対する積J(Rop)Mは右R加群の記法ではMJ(R)である。有限生成性、射影性および Artin 性も反対環への読み替えでそれぞれ対応する。したがって定理 4.1、定理 4.3、定理 4.4、定理 6.2および定理 7.1をRopへ適用すると四つの主張を得る。▨
9 演習
問題 9.1.
- QをZ加群とみなし、極大部分加群と単純部分加群が存在しないことをそれぞれ示せ。二つの空族の規約から根基と socle を求めよ。
- 素数pに対し、Z/pmZの根基と socle を求めよ。m=2を用いて、J(R)M=radR(M)が有限生成性だけからは従わないことを説明せよ。
- 商加群に関する二つの包含が真になりうる例をそれぞれ与えよ。またN⊆radR(M)のときの根基の等式を証明せよ。
- 任意直和について根基と socle が成分ごとの直和に一致することを、単純加群への写像と成分射影から再構成せよ。
- Noether 加群の根基列と Artin 加群の socle 列について、各段が非終端ならば次の包含が真になることを証明せよ。この主張だけでは列が有限回で終端するとは限らない理由も述べよ。
- 左 Artin 環AについてJ(A)の有限共通部分表示からA/J(A)の半単純性を証明し、socA,n(M)=AnnM(J(A)n)を導け。右 Artin 環の場合も反対環によって述べよ。
解答 (演習の解答).
- Qの商は可除群なので非零単純群Z/pZにならず、極大部分加群は存在しない。非零部分群Sと0=x∈Sに対し、x/2がSに属するかどうかでZxまたは2Sが非零真の部分加群を与える。よって単純部分加群も存在せず、根基はQ、socle は0である。
- m≥1について唯一の極大部分加群はp(Z/pmZ)なので根基はこれに等しい。位数pの唯一の部分加群pm−1(Z/pmZ)が socle である。m=2ではJ(Z)=0だが加群根基は非零のpMである。
- 根基にはM=Z、N=p2Zを取ると、左辺は零だが商の根基はpZ/p2Zである。socle にはM=Z、N=pZを取ると、左辺は零だが商は単純である。N⊆radR(M)ならばすべての極大部分加群がNを含むので、部分加群対応で得る共通部分の族が変わらない。
- 根基については、各成分の根基に属する有限台の元を単純加群への写像が零へ写す。逆包含は各成分射影が全射であることから従う。socle については各成分の単純部分加群を標準包含で移す。一方、直和内の単純部分加群は一つの非零元で生成され、その元の有限台に含まれ、各成分射影の像が零または単純になる。
- 根基列の非零な段は Noether 部分加群なので有限生成であり、極大部分加群をもつ。その共通部分は一つの極大部分加群に含まれるため真に小さい。socle 列の真の段による商は非零 Artin 加群であり、極小非零部分加群、すなわち単純部分加群をもつため次の層は非零である。ただし Noether 性は昇鎖条件、Artin 性は降鎖条件であり、ここで現れる反対向きの列の有限停止をそれぞれ単独では保証しない。
- 極大左イデアルの有限共通部分の族から極小元を選ぶと、それはすべての極大左イデアルに含まれるためJ(A)に等しい。対角写像はA/J(A)を有限個の単純加群A/miの直和へ埋め込み、その部分加群としてA/J(A)は半単純である。まずsocA(M)=AnnM(J)を、単純加群がJで零化されることとAnnM(J)がA/J上半単純であることから示す。これを逐次商へ適用すると、Jx⊆socA,n(M)とJn+1x=0の同値から帰納法が進む。右側はRopへ同じ証明を適用し、左作用Jxを右作用xJに読み替える。
▨
10 範囲の境界
本記事は、加群根基と socle を単純商および単純部分加群から構成し、Loewy 列と Jacobson 根基の冪を結び付けた。有限生成加群だけではJ(R)M=radR(M)が成り立たないことを明示し、有限生成射影性またはR/J(R)の半単純性という正しい十分条件を与えた。本質的部分加群の定義は「本質拡大と入射包絡」で扱った。小部分加群、半完全環および射影被覆の理論は後続の単元へ委ねる。