diff --git a/12.tex b/12.tex deleted file mode 100644 index 764cab5..0000000 --- a/12.tex +++ /dev/null @@ -1,398 +0,0 @@ -% spell checker language -\selectlanguage{german} - -\chapter{Die Sätze von Cohen-Seidenberg} - -\sideremark{Vorlesung 14}Wir teilen vermutlich alle das Gefühl, dass der affine -Raum $𝔸¹$ und dass algebraische Kurven eindimensional seien, dass der Raum -$𝔸²$ zweidimensional und dass $𝔸³$ dreidimensional ist. Sie stimmen mir -vermutlich auch zu, dass die Dimension einer affinen Varietät eine intrinsische -Eigenschaft sein sollte. In diesem Teil der Vorlesung möchte ich die Frage -beantworten, wie man die Dimension einer Varietät jetzt genau definiert. - - -\section{Die Krull-Dimension} - -Ich spanne Sie nicht lange auf die Folter. Die Idee ist die: im Raum $𝔸³$ -finde ich eine Kette von irreduziblen Mengen der folgenden Form, -\[ - \text{Punkt} ⊊ \text{Gerade} ⊊ \text{Ebene} ⊊ 𝔸³. -\] -Diese Kette hat Länge drei\footnote{Länge = Anzahl der Inklusionszeichen}, das -ist unsere Wunschdimension für $𝔸³$. Außerdem kann man (=werden wir) beweisen, -dass diese Kette maximal lang ist. Anschaulich ist wahrscheinlich klar, dass es -keine echte Zwischenvarietät zwischen der Gerade und der Ebene geben kann. In -unserer Korrespondenz zwischen Algebra und Geometrie gehören irreduzible Mengen -zu Primidealen, das legt die folgende Definition nahe. - -\begin{defn}[Krullsche Dimension eines Ringes] - Es sei $R$ ein kommutativer Ring mit Eins. Die \emph{Krullsche - Dimension}\index{Krullsche Dimension!eines - Ringes}\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Krull}{Wolfgang - Krull} (* 26. August 1899 in Baden-Baden; † 12. April 1971 in Bonn) war ein - deutscher Mathematiker. Sein Schwerpunkt war die kommutative Algebra. Krull - studierte zunächst ab 1919 in Freiburg im Breisgau, später auch in Rostock und - Göttingen. Nicht zu verwechseln mit Felix Krull, dem Hochstapler.} von $R$ - ist das Maximum aller Längen von Ketten von Primidealen, - \[ - P_0 ⊊ P_1 ⊊ P_2 ⊊ … ⊊ P_n. - \] -\end{defn} - -\begin{defn}[Krullsche Dimension einer Varietät] - Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper und $X ⊂ 𝔸^n_k$ sei eine - Untervarietät. Die Krullsche Dimension des affinen Koordinatenringes $k[X]$ - wird auch als Krullsche Dimension der Varietät $X$ bezeichnet. -\end{defn} - -\begin{bemerkung} - Die Krullsche Dimension eines Ringes ist unendlich, wenn es eine unendlich - lange Kette von Primidealen gibt oder wenn zu jedem $n ∈ ℕ$ eine endliche - Kette der Länge $≥ n$ existiert. -\end{bemerkung} - -\begin{bsp}[Der Punkt] - Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Der affine Koordinatenring - des Punktes $𝔸⁰_k$ ist der Körper $k$. Dieser also nur das echte Ideal $(0)$ - und somit die Dimension 0. -\end{bsp} - -\begin{bsp}[Der Zahlenstrahl]\label{bsp:12-1-5}% - Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Der affine Koordinatenring - des Punktes $𝔸¹_k$ ist der Polynomring $k[x]$, und das ist ein - Hauptidealring. Die Primideale sind von der Form $(f)$, wobei $f ∈ k[x]$ - irreduzibel ist. Alle Ketten von Primidealen sind demnach von der Form - \[ - (0) ⊊ (f) ⊊ k[x]. - \] - Also ist $\dim 𝔸¹_k = \dim k[x] = 1$. -\end{bsp} - -\begin{bsp}[Die ganzen Zahlen] - Der Ring $ℤ$ ist ebenfalls ein Hauptidealring. Wie oben ist $\dim ℤ = 1$. -\end{bsp} - -\begin{bsp}[Der affine Raum]\label{bsp:12-1-6}% - Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper. Der affine Koordinatenring - des affinen Raumes $𝔸^n_k$ ist der Polynomring $k[x_1, …, x_n]$. Die Kette - \[ - (0) ⊊ (x_1) ⊊ (x_1, x_2) ⊊ ⋯ ⊊ - (x_1, …, x_n) ⊊ k[x_1, …, x_n] - \] - ist eine Kette von Primidealen, also ist $\dim 𝔸^n_k = \dim k[x_1, …, x_n] ≥ - n$. -\end{bsp} - -Vielleicht empfinden Sie das Beispiel~\ref{bsp:12-1-6} als … ein wenig -unbefriedigend. Natürlich ist die Dimension von $𝔸^n_k$ gleich $n$, aber das -ist nicht völlig trivial zu zeigen. Bis wir so weit sind, ist noch etwas -Vorarbeit zu leisten. - - -\section{Going up} - -Die folgenden Sätze werden in Algebra-Büchern und Skripten gern ohne jede -geometrische Anschauung erklärt. Ich selbst kann mir ohne geometrische -Anschauung überhaupt nichts merken und diskutiere deshalb lieber erst einmal ein -geometrisches Beispiel. - -\begin{bsp}[Die Dimension der Knotenkurve, Teil 1]\label{bsp:12-2-1}% - Schauen Sie sich noch einmal Abbildung~\vref{fig:tc} an, wo die Knotenkurve $C - = \{ x³ + x² - y² \}$ dargestellt ist. Natürlich sollte die Dimension der - Knotenkurve gleich eins sein. Um das zu beweisen, möchte ich den affinen - Koordinatenring $B := k[C]$ (dessen Dimension ich ja wissen will) als - Erweiterung des affinen Koordinatenringes $A := k[x]$ verstehen --- der Ring - $A$ ist der affine Koordinatenring der $x$-Achse, dessen Dimension ich nach - Beispiel~\ref{bsp:12-1-5} ja schon kenne. Die Erweiterung $A ⊂ B$ ist - endlich,\footnote{Ein System von Erzeugern ist zum Beispiel $\{1,y\}$} und - deshalb nach Korollar~\vref{kor:3-3-3} ganz. Wir haben in - Abschnitt~\ref{sec:7-3}, dass zu dem Inklusionsmorphismus $A → B$ von affinen - Koordinatenringen ein Morphismus von Varietäten gehört. In unserem Beispiel - ist dies einfach die orthogonale Projektion von $C$ auf die $x$-Achse, - \[ - π: C → \{x\text{-Achse}\}, \quad (x,y) → x. - \] -\end{bsp} - -In diesem Abschnitt werden wir zeigen, dass sich die Dimension von Ringen bei -ganzen Ringerweiterungen nicht ändert. - -\begin{satz}[Dimension ist invariant unter ganzen Ringerweiterungen]\label{satz:12-2-2}% - Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Dann ist $\dim A - = \dim B$. -\end{satz} - -Um den Satz zu beweisen, müssen wir ganze Ringerweiterungen $A ⊂ B$ betrachten -und uns überlegen, wie sich die Primideale in $A$ und die Primideale in $B$ -zueinander verhalten. - -\begin{notation}[Übereinander liegende Ideale] - Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Ringerweiterung und es seien $q ⊂ B$ und $p ⊂ A$ - Ideale. Falls die Gleichheit $p = q ∩ A$ gilt, so sagt man, \emph{$q$ liegt - über $p$}. -\end{notation} - -Das Beispiel mit der Knotenkurve erklärt, woher der eigentümliche Begriff -„übereinander liegen“ kommt. - -\begin{bsp}[Die Dimension der Knotenkurve, Teil 2] - In Beispiel~\ref{bsp:12-2-1} sei $v = (v_x, v_y)$ ein Punkt der Kurve $C$, mit - zugehörendem maximalen Ideal $q ⊂ B$. Dann ist das Ideal $p := q ∩ A$ wieder - ein maximales Ideal, nämlich $p = (x-v_x) ⊂ A$. Dies ist das maximale Ideal - des Punktes $π(v)$. -\end{bsp} - -Der erste Satz von -Cohen\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Irvin_Cohen}{Irvin Sol Cohen} -(* 1917; † 14.~Februar 1955) war ein US-amerikanischer -Mathematiker.}-Seidenberg\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Abraham_Seidenberg}{Abraham -Seidenberg} (* 2.~Juni 1916 in Washington, D.C.; † 3.~Mai 1988 in Mailand) war -ein US-amerikanischer Mathematiker.} betrachtet eine ganze Ringerweiterung $A ⊂ -B$ und vergleicht die Dimensionen, indem man zu jeder Kette von Primidealen $p_• -⊂ A$ eine Kette von Primidealen $q_• ⊂ B$ konstruiert, wobei die $q_•$ jeweils -über den $p_•$ liegen. Der Satz, der als „Going up“ bekannt ist, impliziert -dann sehr schnell, dass die Dimensionen von $A$ und $B$ übereinstimmen. - - -\subsection{Beweis des Satzes „Going up“} - -Der Beweis des Satzes „Going up“ ist nicht kompliziert, aber ein mühsam. Um den -Beweis lesbarer zu machen, habe ich ihn in eine Reihe relativ unabhängiger -Aussagen eingeteilt, die einzeln bewiesen werden. - -\begin{satz}\label{satz:12-2-5}% - Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Ringerweiterung. Dann gilt Folgendes. - \begin{enumerate} - \item\label{il:12-2-4-1} Es sei $q ⊂ B$ und $p ⊂ A$ Ideal, wobei $q$ über $p$ - liegt. Nach dem Isomorphiesatz gibt es eine kanonische Einbettung - \[ - \factor{A}{p} \rightarrow \factor{B}{q}. - \] - Dies ist wieder eine ganze Ringerweiterung. - - \item\label{il:12-2-4-2} Falls $S ⊂ A$ ein multiplikatives System ist, dann - ist $S^{-1}A \rightarrow S^{-1}B$ eine ganze Ringerweiterung. - \end{enumerate} -\end{satz} -\begin{proof} - \video{14-1} -\end{proof} - -\begin{notation}[Schlechte Notation] - Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Ringerweiterung, es sei $p ⊂ A$ ein Primideal und es - sei $S := A∖p$. In der Literatur wird die Abbildung $S^{-1}A \rightarrow - S^{-1}B$ häufig auch als $A_p \rightarrow B_p$ notiert, obwohl $p$ im - Allgemeinen kein Primideal in $B$ ist. -\end{notation} - -\begin{beobachtung} - Es seien $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter seien - Primideale $q ⊂ B$ und $p ⊂ A$ gegeben, wobei $q$ über $p$ liegt. Dann gelten - folgende Äquivalenzen. - \begin{align*} - \text{Das Ideal $q$ ist maximal.} & ⇔ B/q \text{ ist ein Körper} \\ - & ⇔ A/p \text{ ist ein Körper} & \text{\ref{il:12-2-4-1} und Blatt 2, Aufgabe 3} \\ - & ⇔ \text{Das Ideal $p$ ist maximal.} - \end{align*} -\end{beobachtung} - -\begin{satz}[Existenz von Primidealen über einem vorgegebenen Ideal]\label{satz:12-2-8}% - Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter sei $p ⊂ - A$ ein Primideal. Dann existiert ein Primideal $q ⊂ B$ über $A$. -\end{satz} -\begin{proof} - \video{14-2} -\end{proof} - -\begin{satz}[Primideale über gegebenen Ideal sind nicht ineinander enthalten] - Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter sei $p ⊂ - A$ Primideal und es seien $q_1 ⊂ q_2 ⊂ B$ Primideale über $p$. Dann ist $q_1 - = q_2$. -\end{satz} -\begin{proof} -Betrachte die Lokalisierung $A_p → B_p$. Dann gilt Folgendes, -\begin{itemize} -\item $p·A_p$ ist eindeutiges maximales Ideal in $A_p$, - -\item $q_1·B_p$ ist Primideal in $B_p$, - -\item $q_2·B_p$ ist Primideal in $B_p$, und - -\item $q_1·B_p ⊂ q_2·B_p$ und $(q_1·B_p) ∩ A_p = (q_2·B_p) ∩ A_p = p·A_p$. -\end{itemize} -Da $q_1·B_p$ und $q_2·B_p$ über $p·A_p$ liegen, sind sie maximal. Deshalb sind -die Ideale gleich. Daraus folgt, dass $q_1 = q_2$ ist. -\end{proof} - -\begin{satz}[Going up]\label{satz:goingUp}% - Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter seien - $p_1 ⊊ p_2 ⊂ A$ Primideale in $A$ und es sei $q_1 ⊂ B$ ein Primideal über - $p_1$. Dann gibt es ein Primideal $q_2 ⊂ B$ über $p_2$ welches $q_1$ enthält. -\end{satz} -\begin{proof} - \video{14-3} -\end{proof} - - -\subsection{Anwendungen und geometrische Konsequenzen} - -Zurück zum eigentlichen Ziel: mithilfe des Satzes „Going up“ können wir jetzt -sehr schnell den Satz~\ref{satz:12-2-2} über die Invarianz der Dimension unter -ganzen Ringerweiterungen beweisen. - -\begin{proof}[Beweis des Satzes~\ref{satz:12-2-2}] - \video{14-4} -\end{proof} - -\begin{beobachtung}[Ganze Ringerweiterungen gehören zu surjektiven Morphismen]\label{beo:12-2-11}% - Es sei $k$ ein algebraisch abgeschlossener Körper, es sei $f : X → Y$ ein - Morphismus von algebraischen Varietäten über $k$, sodass die Bildmenge $f(X)$ - dicht in $Y$ liegt. In Proposition~\vref{prop:7-3-4} hatten wir gesehen, dass - die zugeordnete Abbildung zwischen den Koordinatenringen, $f^* : k[Y] → k[X]$, - dann injektiv ist. Wir können $k[Y]$ also als Unterring von $k[X]$ auffassen. - Was bedeutet es, wenn wir annehmen, dass diese Ringerweiterung ganz ist? Wir - können diese Frage nicht vollständig beantworten, aber eines ist klar: gegeben - ein Punkt $y ∈ Y$, also ein maximales Ideal $m_y ⊂ k[Y]$, dann existiert nach - Satz~\ref{satz:12-2-8} ein Primideal $p ⊂ k[X]$ über $m_Y$. Insbesondere gibt - es ein maximales Ideal $m_x ⊂ k[X]$ über $m_Y$. Überlegen Sie sich, was das - geometrisch bedeutet: Es gibt einen Punkt $x ∈ X$, der auf $y ∈ Y$ abgebildet - wird. Die Abbildung $f$ muss also surjektiv sein! -\end{beobachtung} - -\begin{fakt} - Es sei $f : X → Y$ ein Morphismus von algebraischen Varietäten über $ℂ$, - sodass die Bildmenge $f(X)$ dicht in $Y$ liegt. Dann gilt: Die Abbildung $f^* - : k[Y] → k[X]$ ist genau dann eine ganze Ringerweiterung, wenn $f$ surjektiv - ist, alle Fasern endlich sind und $f$ eigentlich ist. Erinnern Sie sich, was - das Wort „eigentlich“ in der Topologie bedeutet: Urbilder kompakter Mengen - sind wieder kompakt. -\end{fakt} - - -\section{Going down} - -\sideremark{Vorlesung 15}Die Umkehrung von Satz~\ref{satz:goingUp} („Going up“) -ist im Allgemeinen falsch, aber mit Zusatzannahmen richtig. Das Zauberwort -heißt „Normalität“. - -\begin{defn}\label{def:12-3-1}% - Ein Integritätsring $A$ heißt \emph{normal}\index{normaler Ring}, wenn $A$ - ganz abgeschlossen im Quotientenkörper $Q(A)$ liegt. Mit anderen Worten: $A$ - ist normal, wenn die folgende Gleichheit gilt: - \[ - \left\{ \frac{a}{b} ∈ Q(A) \::\: \frac{a}{b} \text{ ist ganz über } A - \right\} = A. - \] -\end{defn} - -\begin{satz}[Going down]\label{satz:goingDown}% - Es sei $A ⊂ B$ eine ganze Erweiterung von Integritätsringen. Weiter seien - Primideale $p_1 ⊂ p_2 ⊂ A$ und $q_2 ⊂ B$ gegeben, wobei $q_2$ über $p_2$ - liegt. Falls $A$ normal ist, dann gibt es ein Primideal $q_1 ⊂ q_2 ⊂ B$ mit - $q_1 ∩ A = p_1$. \qed -\end{satz} - -Anwendungen des Satzes „Going down“ kommen in den Übungen. Obwohl der Beweis -nicht kompliziert ist, möchte ich den Satz „Going down“ in dieser Vorlesung -nicht vertiefen und auch nicht beweisen. - - -\subsection{Normale Ringe} - -Stattdessen interessiere ich mich für den Begriff des „normalen Ringes“. Zum -einen ist der Satz „Going down“ natürlich nur dann interessant, wenn wir in -relevante Situationen die Normalität tatsächlich entscheiden können. Zum -anderen ist Normalität eine ausgesprochen interessante Eigenschaft, auch wenn -ich die geometrischen Konsequenzen in dieser Vorlesung nicht wirklich -diskutieren kann. - -\begin{satz}[Normalität ist lokal]\label{satz:12-3-3}% - Es sei $A$ ein Integritätsring. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent. - \begin{enumerate} - \item\label{12-3-3-1} Der Ring $A$ ist normal. - - \item\label{12-3-3-2} Für alle Primideale $p ⊂ A$ gilt: Der Ring $A_p$ ist - normal. - - \item Für maximalen Ideale $m ⊊ A$ gilt: Der Ring $A_m$ ist normal. - \end{enumerate} -\end{satz} - -Der Beweis folgt nach einem kurzen Lemma. - -\begin{lem}[Lokalisierung und ganzer Abschluss]\label{lem:12-3-4}% - Es $A ⊂ B$ eine Erweiterung von Integritätsringen und es sei $C ⊂ B$ der ganze - Abschluss von $A$ in $B$. Gegeben ein multiplikatives System $S ⊂ A$, dann - ist $S^{-1}C$ der ganze Abschluss von $S^{-1}A$ in $S^{-1}B$. -\end{lem} -\begin{proof}[Beweis von Lemma~\ref{lem:12-3-4}] - Wir wissen aus Satz~\vref{satz:12-2-5}, dass $S^{-1}A ⊂ S^{-1}C$ eine ganze - Ringerweiterung ist. Es bleibt also noch zu zeigen, dass jedes Element in - $S^{-1}B$, welches ganz über $S^{-1}A$ ist, schon in $S^{-1}C$ liegt. - - Sei also ein Element $\frac{b}{s} ∈ S^{-1}B$ gegeben, welches ganz über - $S^{-1}A$ ist. Wir finden also eine Ganzheitsgleichung der Form - \begin{equation}\label{eq:12-3-4-0} - \Bigl(\frac{b}{s}\Bigr)^n + - \frac{a_{n-1}}{s_{n-1}}·\Bigl(\frac{b}{s}\Bigr)^{n-1} + ⋯ + - \frac{a_0}{s_0} = 0, - \end{equation} - wobei die Elemente $\frac{a_i}{s_i} ∈ S^{-1}A$ sind. Setze $t := s_0 ⋯ - s_{n-1} ∈ S$, multipliziere die Gleichung~\eqref{eq:12-3-4-0} mit dem Element - $s·t ∈ S$ und erhalte - \[ - \Bigl(b·t \Bigr)^n + a_{n-1}\frac{st}{s_1} \Bigl(b·t \Bigr)^{n-1} + ⋯ + - a_0 \frac{s^n t^n}{s_0} = 0. - \] - Dies ist eine Ganzheitsgleichung für das Element $b·t ∈ B$ über $A$. Also ist - $b·t ∈ C$ und es folgt die gewünschte Aussage $\frac{b}{s} = \frac{bt}{st} ∈ - S^{-1}C$. -\end{proof} - -\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{satz:12-3-3}] - In der Situation von Satz~\ref{satz:12-3-3} bezeichne den Quotientenkörper von - $A$ mit $B := Q(A)$. Weiter sei $C$ der ganze Abschluss von $A$ in $B$. Wenn - wir die Inklusion mit $ι : A → C$ bezeichnen, dann gilt gemäß - Definition~\ref{def:12-3-1} die folgende Äquivalenz. - \[ - A\text{ ist normal} \iff ι : A → C \text{ ist surjektiv.} - \] - Jetzt sei $p ⊂ A$ ein Primideal. Dann ist $B_p$ der Quotientenkörper von - $A_p$ und nach Lemma~\ref{lem:12-3-4} ist $C_p$ der ganze Abschluss von $A_p$ - in $B_p$. Also gilt ganz analog - \[ - A_p\text{ ist normal} \iff i_p : A_p → C_p \text{ ist surjektiv.} - \] - Da Surjektivität nach Korollar~\ref{kor:10-5-3} eine lokale Eigenschaft ist, - folgt die Äquivalenz von \ref{12-3-3-1} und \ref{12-3-3-2}. Der Beweis für - maximale Ideal folgt natürlich analog. -\end{proof} - -\begin{satz} - Faktorielle Ringe sind normal. -\end{satz} -\begin{proof} - Es sei $A$ ein faktorieller Ring und $x ∈ Q(A)$ sei ganz über A. Wir müssen - zeigen, dass $x ∈ A$ ist. Weil $A$ faktoriell ist, finden wir eine - Darstellung von $x$ als Bruch der Form $x = \frac{p}{q}$, wobei entweder $q$ - eine Einheit ist oder $p$ und $q$ teilerfremd sind. Per Annahme erfüllt $x$ - eine Ganzheitsgleichung über $A$. Es gibt also $a_i ∈ A$, sodass in $Q(A)$ - die Gleichung - \begin{equation}\label{eq:12-3-5-1} - \Bigl( \frac{p}{q} \Bigr)^n + a_{n-1}·\Bigl( \frac{p}{q} \Bigr)^{n-1} + - ⋯ + a_0 = 0 - \end{equation} - gilt. Multipliziere \eqref{eq:12-3-5-1} mit $q^n$ und erhalte die folgende - Gleichung von Elementen in $A$, - \[ - p^n + a_{n-1}q·p^{n-1} + ⋯ + a_0·q^n = 0. - \] - Also gilt $q \mid p^n$. Weil $A$ per Annahme ein faktorieller Ring ist, gilt - $q \mid p$ und deshalb ist $q ∈ A^*$, also $x ∈ A$. -\end{proof} - - -%%% Local Variables: -%%% mode: latex -%%% TeX-master: "21-KA" -%%% End: