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定义Definition

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。

形式陈述 ​

设 (R,m) 为 Noether 局部环,M 为有限生成非零 R-模。M 的深度定义为极大理想 m 中的 M-正则序列的最大长度,记为

depthRM.

空序列长度为零,因此定义总有候选;Noether 局部有限性保证长度有限,且任何不能再延长的正则序列都有相同长度。

令 dim⁡M=dim⁡(R/AnnRM),也就是模的支撑的 Krull 维数,则

0≤depthRM≤dim⁡M≤dim⁡R.

比较对象首先是 dim⁡M,而不总是整个环境环的维数。本页只讨论非零模,避免混入零模深度的不同约定。

直觉

维数问几何上还能沿多少层素理想向下细分,深度问在极大理想中还能连续选多少个不会制造额外零因子的约束。几何方向存在,并不保证每一个方向都能正则地切下去;嵌入分量会让某些方向一开始就被堵住。

一次成功的正则切割使问题下降一层。如果 x∈m 在 M 上是非零因子,则

depthR(M/xM)=depthRM−1.

右侧不能仅从定义的“最大值”直接读出,还需正则序列延长或同调刻画的定理;它确保不同第一步最终得到同一个深度。

例子与边界

光滑二维局部模型:深度二 ​

取 R=k[x,y](x,y)、M=R。先模 x 得到 k[y](y),再模 y 得到 k;每一步乘法单射,故 (x,y) 为正则序列,深度至少为二。另一方面 dim⁡R=2,深度不能超过维数,因此

depthR=2.

这里需要上界才能把“找到长度二”升级为“最大长度恰为二”。

两条线的交点:有零因子但深度一 ​

取 A=k[x,y](x,y)/(xy)。两个极小素理想为 (x¯) 和 (y¯),每个分支是一维,所以 dim⁡A=1。元素 x¯+y¯ 是非零因子,理由可用逐项多项式计算,也可由它避开两个伴随素理想得出。于是深度至少为一,再由维数上界得到

depthA=1.

取商 A/(x+y)≅k[x](x)/(x2),其中极大理想的每个元素都杀死某个非零元素,没有第二个正则步骤。零因子存在,并不强迫深度为零。

一条线加嵌入点:深度零 ​

令

B=k[x,y](x,y)/(x2,xy).

其根理想为 (x),所以 dim⁡B=1。但 x¯≠0,而极大理想 n=(x¯,y¯) 的每个元素都杀死 x¯。因此没有任何极大理想元素能作为正则序列第一项,得到

depthB=0<1=dim⁡B.

几何底层仍是一条线,深度却检测到藏在原点的额外结构。这也是本单元准素分解例子进入局部结构后的含义。

再取二维环境环 R=k[x,y](x,y) 的剩余域模 M=k。它的深度是零,支撑维数也为零;与 dim⁡R=2 比较虽然得到严格不等式,却不说明该模在自己的支撑上出了问题。

推论与应用

深度零如何用伴随素理想识别 ​

对这里的有限非零模,

depthRM=0⟺m∈AssR(M).

若 m 是某个非零元素的零化子,任何候选第一项都会杀死它,深度显然为零。反过来,若深度零,极大理想全由零因子组成;零因子为有限个伴随素理想之并,再用有限素理想回避引理,得到 m 包含在某个伴随素理想中。它已经极大,故二者相等。

这个判据给出实际流程:先算伴随素理想,检查极大理想是否出现;若未出现,选一个避开它们的元素作正则切割,再研究商模。它不是在任意表示的环上自动高效的算法,因为算伴随素理想本身可能困难。

当 depthR=dim⁡R 时,局部环称为 Cohen–Macaulay 环。上面的节点环 A 达到这个等号,嵌入点环 B 没有;这比仅问“是否有零因子”更细致。

参考资料
  • The Stacks Project,§10.72 Depth,深度定义、正则切割与维数上界。
  • The Stacks Project,§10.63 Associated primes,有限性与素理想回避在深度零判据中的作用。
关系图谱14 个相邻概念 · 3 类关系

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