形式陈述
设 ( R , m ) 是Noether 环 公理库 Noether 环 Noetherian ring 每个理想有限生成,等价地理想升链最终稳定的环。 ,并且是局部环。若
depth R = dim R , 则称 R 为 Cohen–Macaulay 环 ,简称 CM 环。左边是把 R 视为自身模时的深度 公理库 模的深度 Depth of a module 局部环中有限模的正则序列最大长度定义深度,以光滑点、节点与嵌入点完整比较深度和支撑维数。 ,右边为 Krull 维数 公理库 Krull 维数 Krull dimension 以素理想严格包含链长度的上确界度量交换环的代数维数。 。对一般 Noether 环,CM 指对每个素理想 p ,局部环 R p 都满足这个等式。
设局部环维数为 d 。d 个极大理想元素 x 1 , … , x d 若生成一个 m -准素理想,称为一组参数系 。等价地,模去它们后得到零维局部环。一个 Noether 局部环 CM,当且仅当任意参数系都是正则序列;等价地,存在一组正则参数系。
更一般地,在 CM 局部环中,对 x 1 , … , x r ∈ m ,
正 则 x 1 , … , x r 正则 ⟺ dim R / ( x 1 , … , x r ) = d − r . 成功切下去后,各中间商环仍 CM。
直觉
参数系从维数角度说“这些方程已经把附近结构压到一个零维点”;正则序列从零因子角度说“每个方程都真正施加了一个新的约束”。CM 条件使这两种判断一致。
它并不要求所有局部方向像 Euclidean 坐标一样自由,也不排除零因子或幂零厚度。CM 更精确地保证:只要一组参数按应有速度降低维数,就不会在中途遇到隐藏的零因子障碍。
例子与边界
节点是 CM,却不是光滑点
令 A = k [ x , y ] ( x , y ) / ( x y ) 。底层为两条相交的线,维数为一。x + y 不属于两个分支素理想 ( x ) 、( y ) ,并且可直接验证它不是零因子。取商后
A / ( x + y ) ≅ k [ x ] ( x ) / ( x 2 ) , 是零维非零环,因此 x + y 是正则参数,depth A = 1 = dim A 。
但极大理想 ( x ¯ , y ¯ ) 仍需要两个生成元:关系 x y 没有一次项,所以 x ¯ , y ¯ 在 m / m 2 中线性无关。嵌入维数为二,大于实际维数一,因此它不是正则局部环 公理库 正则局部环 Regular local ring 比较极大理想的一阶生成元数与 Krull 维数来定义正则性;用抛物线和尖点计算嵌入维数,并说明基域条件。 。CM 与无奇点不能互换。
幂零厚线也可以是 CM
取 C = k [ x , y ] ( x , y ) / ( x 2 ) 。它有非零幂零元 x ¯ ,所以不是约化环;但每个元素可以按 x 唯一写成 f ( y ) + x g ( y ) ,其中 f , g ∈ k [ y ] ( y ) ;乘以 y 单射,因此 y 是正则元素。商 C / ( y ) ≅ k [ x ] / ( x 2 ) 零维,故 C 是一维 CM 环。
再看零维 Noether 局部环本身:深度上界就是零,空序列达到零,因此它总是 CM。双数环 k [ ε ] / ( ε 2 ) 是最小例子,表明 CM 条件允许幂零元。
嵌入点让参数失去正则性
令 B = k [ x , y ] ( x , y ) / ( x 2 , x y ) 。它仍一维,y 也是参数,因为 B / ( y ) ≅ k [ x ] / ( x 2 ) 零维。但 y 杀死非零 x ¯ ,所以不是正则元素;事实上极大理想的每个元素都杀死 x ¯ ,深度为零。于是 B 不是 CM。
这个例子具体否定了“降到零维就自动正则”。参数系判据的前提正是待研究环的 CM 性,不能在任意局部环里循环使用。
推论与应用
参数为何不会遇到零因子
CM 局部环的伴随素理想都是极小分支,且相应商环具有原来的维数 d 。若参数第一项落入其中一个伴随素理想,它就在那条 d 维分支上完全失效;剩下 d − 1 个参数按高度定理不可能把这条分支压到零维。因此第一项必避开全部零因子。
模去它以后,维数与深度都降低一,商环仍 CM。对余下参数归纳,就得到整列正则。这条证明路线说明参数判据背后用到了伴随素理想 公理库 伴随素理想 Associated prime 用非零模元素的素零化子定义伴随素理想,计算线与嵌入点,并证明所有零因子恰由这些素理想覆盖。 、维数下降和正则切割,而不只是形式上的两个整数相等。
若 R CM 且 f ∈ m 不是零因子,则 R / ( f ) 仍 CM,维数降低一。特别地,正则局部环模去一列正则序列 公理库 正则序列 Regular sequence 逐次在商模上检查非零因子得到正则序列,展示独立约束、单位排除条件,以及非局部环境中的顺序风险。 得到的局部完全交环一定 CM;节点和厚线都是这种简单超曲面例子。反过来,并非每个 CM 环都可由正则局部环模正则序列得到。
在有限模的局部计算中,CM 性还可通过极大理想完备化检查。这个保持性质需要 Noether 条件,具体接口见 理想进完备化 公理库 I-adic 完备化 Adic completion · I-adic completion 把模 I 的逐阶兼容近似组成逆极限,计算形式幂级数和 5 进逆元,并说明 Noether 有限性下的正合与忠实平坦条件。 。
参考资料