Kurs:Bündel, Garben und Kohomologie (Osnabrück 2019-2020)/Vorlesung 21/latex

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\setcounter{section}{21}






\zwischenueberschrift{Normale Ringe}




\inputdefinition
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{S }
{ \subseteq }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Menge der \definitionsverweis {Nichtnullteiler}{}{} von $R$. Dann nennt man die \definitionsverweis {Nenneraufnahme}{}{} $R_S$ den \definitionswort {totalen Quotientenring}{} von $R$. Er wird mit $Q(R)$ bezeichnet.

}




\inputdefinition
{}
{

Ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} heißt \definitionswort {normal}{,} wenn er \definitionsverweis {ganz-abgeschlossen}{}{} in seinem \definitionsverweis {totalen Quotientenring}{}{} ist.

}




\inputdefinition
{}
{

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{} und
\mathl{Q(R)}{} sein \definitionsverweis {totaler Quotientenring}{}{.} Dann nennt man den \definitionsverweis {ganzen Abschluss}{}{} von $R$ in
\mathl{Q(R)}{} die \definitionswort {Normalisierung}{} von $R$.

}




\inputbeispiel{}
{

Wir bestimmen die \definitionsverweis {Normalisierung}{}{} des Ringes
\mathl{K [X,Y]/(XY)}{} über einem Körper $K$. Das Element $X+Y$ ist ein \definitionsverweis {Nichtnullteiler}{}{} und für das Element
\mathl{{ \frac{ X-Y }{ X+Y } }}{} aus dem \definitionsverweis {totalen Quotientenring}{}{} $Q(R)$ gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( { \frac{ X-Y }{ X+Y } } \right) }^2 }
{ =} { { \frac{ (X-Y)^2 }{ (X+Y)^2 } } }
{ =} { { \frac{ X^2 +Y^2 }{ X^2+Y^2 } } }
{ =} { 1 }
{ } { }
} {}{}{,} d.h. dieses Element erfüllt eine Ganzheitsgleichung und gehört somit zur Normalisierung.


}






\zwischenueberschrift{Diskrete Bewertungsringe}




\inputdefinition
{}
{

Ein \definitionswort {diskreter Bewertungsring}{} $R$ ist ein \definitionsverweis {Hauptidealbereich}{}{} mit der Eigenschaft, dass es bis auf \definitionsverweis {Assoziiertheit}{}{} genau ein \definitionsverweis {Primelement}{}{} in $R$ gibt.

}




\inputdefinition
{}
{

Zu einem Element \mathind { f \in R } { f \neq 0 }{,} in einem \definitionsverweis {diskreten Bewertungsring}{}{} mit \definitionsverweis {Primelement}{}{} $p$ heißt die Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit der Eigenschaft
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ = }{up^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $u$ eine \definitionsverweis {Einheit}{}{} bezeichnet, die \definitionswort {Ordnung}{} von $f$. Sie wird mit
\mathl{\operatorname{ord} \, (f)}{} bezeichnet.

}


\inputfaktbeweis
{Diskreter Bewertungsring/Ordnungsfunktion/Erste Eigenschaften/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {}
\faktvoraussetzung {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} mit \definitionsverweis {maximalem Ideal}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ = }{ (p) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann hat die \definitionsverweis {Ordnung}{}{} \maabbeledisp {} {R \setminus \{0\} } { \N } {f} {\operatorname{ord} \, (f) } {,} folgende Eigenschaften. \aufzaehlungvier{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (fg) }
{ = }{ \operatorname{ord} \, (f) + \operatorname{ord} \, (g) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (f+g) }
{ \geq }{ \operatorname{min} \left( \operatorname{ord} \, (f) ,\, \operatorname{ord} \, (g) \right) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{ {\mathfrak m} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau dann, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (f) }
{ \geq }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{ R^{\times} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau dann, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (f) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{ Siehe Aufgabe 21.7. }


Wir zitieren den folgenden Charakterisierungssatz, der insbesondere besagt, dass normale lokale eindimensionale Integritätsbereiche diskrete Bewertungsringe und somit faktoriell und regulär sind. Dies bedeutet wiederum für einen normalen noetherschen Integritätsbereich $R$, dass sämtliche Lokalisierungen an Primidealen der Höhe $1$ diskrete Bewertungsringe sind.


\inputfakt{Diskrete Bewertungsringe/Charakterisierung/1/Fakt}{Satz}{} {

Es sei $R$ ein \definitionsverweis {noetherscher}{}{} \definitionsverweis {lokaler}{}{} \definitionsverweis {Integritätsbereich}{}{} mit der Eigenschaft, dass es genau zwei \definitionsverweis {Primideale}{}{}
\mathl{0 \subset {\mathfrak m}}{} gibt. Dann sind folgende Aussagen äquivalent. \aufzaehlungfuenf{$R$ ist ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{.} }{$R$ ist ein \definitionsverweis {Hauptidealbereich}{}{.} }{$R$ ist \definitionsverweis {faktoriell}{}{.} }{$R$ ist \definitionsverweis {normal}{}{.} }{$\mathfrak m$ ist ein \definitionsverweis {Hauptideal}{}{.} }

}





\inputfaktbeweis
{Diskreter Bewertungsrin/K/Restklassenkörper/Ordnung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} $B$ ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} über $K$, dessen \definitionsverweis {Restklassenkörper}{}{} gleich $K$ ist.}
\faktfolgerung {Dann ist die \definitionsverweis {Ordnung}{}{} von einem Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \in }{B }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} gleich der $K$-\definitionsverweis {Vektorraumdimension}{}{} von
\mathl{B/(f)}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt aus Aufgabe 21.2 durch Induktion über die Ordnung von $f$.

}







\zwischenueberschrift{Normale Schemata}




\inputdefinition
{}
{

Ein \definitionsverweis {Schema}{}{} heißt \definitionswort {normal}{,} wenn jeder \definitionsverweis {lokale Ring}{}{}
\mathl{{\mathcal O}_x}{} zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \in }{X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {normaler Ring}{}{} ist.

}





\inputfaktbeweis
{Normales Schema/Affine Eigenschaft/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Für ein \definitionsverweis {Schema}{}{}
\mathl{(X, {\mathcal O}_{ X } )}{}}
\faktuebergang {sind folgende Eigenschaften äquivalent.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungdrei{$X$ ist \definitionsverweis {normal}{}{.} }{Für jede offene affine Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ = }{ \operatorname{Spek} { \left( R \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} von $X$ ist $R$ ein \definitionsverweis {normaler Ring}{}{.} }{Es gibt eine offene affine Überdeckung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{X }
{ = }{ \bigcup_{i \in I} U_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U_i }
{ = }{ \operatorname{Spek} { \left( R_i \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $R_i$ ein normaler Ring ist. }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Von (2) nach (3) ist eine Einschränkung. Es sei (3) erfüllt. Für einen jeden Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \in }{X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es somit eine offene affine Umgebung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x }
{ \in} {U }
{ =} { \operatorname{Spek} { \left( R \right) } }
{ \subseteq} {X }
{ } { }
} {}{}{} mit $R$ normal. Dabei ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{{\mathcal O}_x }
{ = }{R_{\mathfrak p} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit einem Primideal ${\mathfrak p}$ aus $R$. Nach Satz 23.3 (Kommutative Algebra) ist
\mathl{R_{\mathfrak p}}{} ebenfalls normal.

}





\inputfaktbeweis
{Normaler noetherscher Bereich/Durchschnitt/Lokalisierungen zur Höhe 1/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {normaler}{}{} \definitionsverweis {noetherscher}{}{} \definitionsverweis {Integritätsbereich}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ =} { \bigcap_{\mathfrak p} R_{\mathfrak p} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei ${\mathfrak p}$ über alle \definitionsverweis {Primideale}{}{} ${\mathfrak p}$ der \definitionsverweis {Höhe}{}{} $1$ von $R$ läuft.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ = }{g/h }
{ \in }{Q(R) }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei vorausgesetzt, dass $f$ nicht zu $R$ gehört. Dann gibt es nach Lemma 27.1 (Kommutative Algebra) auch ein zu einem Restklassenring nach einem Hauptideal \definitionsverweis {assoziiertes Primideal}{}{} ${\mathfrak p}$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f }
{ \notin }{ R_{\mathfrak p} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es ist also ${\mathfrak p}$ das Annullatorideal zu einem Element $x$ modulo dem Hauptideal
\mathl{(y)}{.} Wir können durch Lokalisierung annehmen, dass ${\mathfrak p}$ das maximale Ideal von $R$ ist. Wir betrachten den $R$-\definitionsverweis {Untermodul}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{N }
{ =} { { \left\{ q \in Q(R) \mid q {\mathfrak p} \subseteq R \right\} } }
{ \subseteq} { Q(R) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dabei gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} }
{ \subseteq} { {\mathfrak p} N }
{ \subseteq} { R }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wegen der Maximalität von ${\mathfrak p}$ ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} }
{ =} { {\mathfrak p} N }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} oder
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} N }
{ =} { R }
{ } { }
{ } { }
{ } {}
} {}{}{.} Im ersten Fall folgt aus Lemma 22.6 (Kommutative Algebra), dass die Elemente aus $N$ ganz über $R$ sind. Wegen der Normalität von $R$ folgt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{N }
{ = }{R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wegen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x {\mathfrak p} }
{ \subseteq }{ (y) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist auch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ { \frac{ x }{ y } } {\mathfrak p} }
{ \subseteq }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{}
} {}{}{,} also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ x }{ y } } }
{ \in} { N }
{ =} {R }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} ein Widerspruch. Also liegt der zweite Fall,
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} N }
{ = }{ R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{}
} {}{}{,} vor. Doch dann muss es Elemente
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \in }{ {\mathfrak p} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{q }
{ \in }{ N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{aq }
{ =} {1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} geben. Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{b }
{ \in }{ {\mathfrak p} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist dann
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{b q }
{ = }{b/a }
{ \in }{R }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{b }
{ \in }{ (a) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und damit ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p} }
{ = }{ (a) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Hauptideal. Nach Satz 24.5 (Kommutative Algebra) ist $R$ ein \definitionsverweis {diskreter Bewertungsring}{}{} und ${\mathfrak p}$ besitzt die Höhe $1$.

}