R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
S. G UAZZONE
Su alcune classi di anelli noetheriani normali
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 37 (1967), p. 258-266
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DI ANELLI NOETHERIANI
NORMALI
di S. GUAZZONE
(a Roma) *)
È
ben noto chegli
anelli di frazionidegli
anelliintegri
normali sonoancora anelli normali. Esistono
però
anelli normali nonintegri
che am-mettono anelli di frazioni non normali. In
questo lavoro,
sulla base di un’analisi di anellisiffatti,
ottenutiapprofondendo
unesempio
di 31.Nagata 1),
si stabilisce(cfr. § 4)
che le tre condizioni:a)
A è un anellointegralmente
chiuso nel suo anello totale di quo- zienti(brevemente:
A ènormale);
b) Am
è normale perogni
massimale mdi A ; c) ogni
anello di frazioni di A ènormale;
sono a due a due non
equivalenti (più precisamente
ciascuna èpiù
re-strittiva della
precedente).
Il
§
1 è introduttivo e contienegli
enunciati di teoremi noti che si utiliz-zano nel lavoro.
Nel § 2
si danno delle condizioni sufhcienti affinchè un anello normale soddisfi alla condizioneb)
oc).
Nelsuccessivo §
3 si deducono dei teoremi distruttura,
tra cui una caratterizzazionedegli
anelli noetheriani normali in cui lo 0 èprivo
dicomponenti
immerse come somme dirette di domini normali e di anelliprimari (teor. 7).
Indi si espongonogli esempi già menzionati,
infine(§ 5)
si caratterizzanogli
anelli normali a estensionipolinomiali
normali.*)
Lavoroeseguito
nell’ambito deiGruppi
di ricerca del Comitato Nazionale per la Matematica del CNR.Indirizzo dell’A.: Istituto Matematico G. Castelnuovo, Università, Roma.
1) L’esempio
di M.Nagata
mi è stato comunicato da P. Salmon. Esso rientra nella classe diesempi
descrittinel §
4 diquesto
lavoro,ponendo
ivif
= g2 - Y3e localizzando nel massimale
(X,
Y,Z).
259
§
1. - Richiami di nozioni e risultati noti.Gli anelli che
qui
si considerano sono tutti commutativi con unità.Gli anelli « locali » sono noetheriani per definizione. Fissiamo la termino-
logia
relativa alle diverse condizioni di chiusuraintegrale
di cui dovremooccuparci,
uniformandoci per il resto aquella
adottata in[8] 2).
Un anello A
(non
necessariamenteintegro)
si dirà normale se èintegral-
mente chiuso nel
proprio
anello totale diquozienti.
Inparticolare
si diràtotale se coincide col
proprio
anello totale diquozienti,
cioè seogni
non0-divisore è invertibile.
A si dirà anello LMN se 1’a,nello di frazioni è normale per
ogni
ideale massimale m di A.
A si dirà anello LN se
ogni
anello di frazioni di A è normale.Gli anelli LN sono ovviamente LlVIN e normali. Gli anelli
quasilocali
normali sono ovviamente
LMN,
ma non sempre LN(§ 4).
Ci sonoalgebre
di
tipo
finito normali ma non LMN(§ 4).
Ci serviremo neiparagrafi
suc-cessivi delle
seguenti
noteproposizioni:
TEOREMA 1:
Ogni
anello LMN è normale.Una dimostrazione di
questo
fatto trovasi adesempio
in[5],
p. 160.TEOREMA 2:
Ogni
anello normale. noetheriano ridotto è somma diretta di anelliintegri (e quindi
èLN).
(Cfr. [4], Chap. 5,
p.16).
TEOREMA 3:
Ogni
anello locale normale o èintegro
oppure è totale.([1],
p.
162).
TEOREMA 4: Un anello noetheriano A è normale se e solo se si
verificano
le
seguenti
due condizioni:I) gli
idealiprincipali generati
da non 0-divisori sonopuri;
II) i
localizzatiA~
di A neiprimi
di altezza 1 nondegeneri
sono normali.(Cfr. [9],
p.73,
teor. 7 e[8],
p.41,
cor.12.7).
Poichè la normalità si conserva per somma diretta
(e, viceversa,
simantiene
passando
da un anello ad un suo addendodiretto)
unaprima
vasta classe di anelli normali è costituita dalle somme dirette di anelli
integri
normali e anelli totali. Un’altra classe di anelli normali è costituita2)
I numeri fra [ ] rinviano allaBibliografia
in fondo alla Nota.dagli
anelli «pseudofattoriali
»3),
che sono stati studiati in[6],
fra iquali
sono
compresi degli
anelli normali nonintegri,
non totali e aspettro
connesso. Ad
esempio
anelli deltipo A
=k[X, X Y)
ove è uncampo arbitrario e
X,
Y due indeterminate.Dette x,
y le classi diX,
Ymod
(X2, X Y),
l’ideale(0)
in A ha ladecomposizione primaria (0)
-f1
(x2, y), pertanto
l’insiemedegli
0-divisori di A coincide con il massimale(ae, y). Dunque
A non èintegro
ma haspettro
connesso(cfr. [10],
p.205,
Vol.
I).
A è normaleperchè
èpseudofattoriale.
Sipuò
anche dedurre lanormalità di A direttamente dal teorema
4,
oppure mediante una immer- sione « sottodiretta » associata alladecomposizione primaria
dell’ideale(0)
comenegli esempi
descritti in[6].
§
2. - Criteri sufficienti afhnchè un anello normale sia LNlVl.TEOREMA 5:
Ogni
anello noetheriano normale di dimensione 1 è LMN.Prova: Se m è un massimale di
A,
anello noetheriano normale di di- mensione1,
ed m è associato allo(0)
inA,
è totale.Se m non è associato allo
(0),
m è nondegenere
di altezza 1. In base al teorema 4del § 1, ~lm
è alloraintegro
normale. Si osservi inoltre che lecomponenti primarie
di(0)
non immerse sono idealiprimi,
a due a duenon contenuti nello stesso massimale non
degenere.
TEOREMA 6:
Ogni
anello noetheriano normale A in cui(0)
non haponenti
immerse è LN.La dimostrazione di
questo
teorema sipuò conseguire
con adattamenti abbastanza ovvii delleargomentazioni
indicate da S.Abhyankar (in
[2],
p.505).
Tuttavia la
esponiamo
percompletezza
di discorso.Prova : Sia 8 un sistema
moltiplicativo
arbitrario diA,
B =As,
esiano
K,
Lgli
anelli totali di frazioni diA,
Brispettivamente. Sia
I; A - B l’omomorfismo canonico
e 1p:
K- L il suoprolungamento.
Proviamo
che y
è unepimorfismo.
Per ottenere ciò è succiente mostrare che perogni
y non 0-divisore inB1
= esiste un v E A non 0-divisoretale che
q;(v)
= y. Sia(0)
- a1 n ... n ~c ladecomposizione primaria
ridottadello
(0)
in ... ,~>c
iprimi associati,
fra iquali
peripotesi
non ci sono3) In [6] abbiamo
designato
conquesto
terminegli
anelli i cui elementi non 0-divisori sianoprodotti
di elementiprimi.
Tali anelli posseggonoparecchie
delleproprietà degli
anelliintegri
fattoriali, tra cui la normalità.261
relazioni d’inclusione. Sia
Ker cp
- qi n ... n C c, mapossiamo
sup- porre a c altrimentiKer 99
= 0 e non c’è niente da dimostrare.Perciò,
se esiste t E
A,
0-divisore inA,
e tale che y -g(t)
è non 0-divisore inB,
allora esiste un intero b tale
che a C
b C c e tale che t E ... (1.t3c
ma
previo
eventuale riordinamento di~a+x, ..., p,, spostando agli
ultimiposti
tutti e soli iprimi
checontengono
t. PoniamoAllora a non è contenuto in
a’, perchè
per
qualche i
tale che 1 i C b => un’inclusione traprimi
associatidistinti. Pertanto esiste u E a’. Poniamo v = t -~-- u. Se fosse
v E con
1 i
b sarebbe t = v - u E contro la sceltadi t,
e se fossev i con b -f-
1 i
c sarebbe u = v - t i contro la scelta di u.Pertanto v è non 0-divisore in
A,
epoichè cp(a)
- 0perchè
a c Ker 99, èq(t) cioè y =
Ciò provache y
èsurgettivo.
Sia ora q E L intero
algebrico
su B :Esiste ~
taleche q = ~(~)
epossiamo
anche scrivereMoltiplicando l’equazione
didipendenza integrale
per1p(sn)
otteniamoperciò
esiste s’ E S che annullal’espressione
traparentesi quadra.
Alloraposto x = ~ss’
abbiamocon ci -
ajsi-I(s)i,
ondey(x)
-onde 97 -- 1p(~)
-E
B,
e la dimostrazione è conclusa.§
3. - Caratterizzazioni di classispeciali
di anelli normali.TEOREMA 7: Un anello noetheriano normale ed ha lo
(0) privo
di com-ponenti
immerse se e solo se è sommac diretta di anelliintegri
normali e anelliprimari.
Provac: Sia
(0)
- ... n ~c, e sia m un massimale checontenga,
se èpossibile,
duecomponenti primarie
distinte di(0).
Sia adesempio,
conopportuno riordinamento,
m:::>~~ U Q 2 U ... U ~h, conh > 1,
i peri >
h.È
alloraAllora
(teoremi
3 e6) Am
è totale oppureintegro.
Nelprimo
caso=
Vit-
conopportuno i
tale che1 C i C h,
allora h =1,
altrimentisi avrebbe una
componente
immersa. Nel secondo casoA/N
risulta in-tegro,
allora N èprimo,
ancora h = 1. Pertantogli
i cieali ai per i
=1,
... , c sono a due a duecorriassimali,
e ciascuno o è O-dimensionale oppure èprimo.
Siapi
adesempio
una dellecomponenti
che è unprimo.
I massimali di rimontando
1’epimorfismo
canonico A -dànno
luogo
a massimali di A checontengono
solamente~1
fra le compo- nenti di(0)
in A. Allora perogni
localizzazione c’è un massimale nt e A tale cheAm
=pertanto
è anello ditipo
LMN.Il teorema 1 conclude la prova in un senso. Il viceversa è ovvio.
OSSERVAZIONE : Il teorema 7
comprende
come casiparticolari
il teo-rema 2 e la nota caratterizzazione
degli
anelli a ideali ciclici(PIR)
comesomme dirette di anelli
principali (PID)
e anelliprimari
a ideali ciclici(cfr. [10]
Vol.I,
p.245).
La condizione LMN diventa
significativa
solo senegli
anelli a cui vieneimposta
ci sono «parecchi
» ideali massimali.Da
questo punto
di vista sipresenta spontanea
la considerazionedegli
anelli di
Jacobson,
in cuiogni primo
è intersezione di massimali. Si ha infatti la nota:PROPOSIZIONE : Se A è un anello
di
Jacobsone p
è unprimo
non mas-simale, allora p
è contenuto in infiniti massimali.Prova : Se m~,..., fossero tutti i massimali che
contengono p,
dovrebbeessere ~ ==
m~ C’ ... f1 m~ ... mh epertanto
almeno uno dei massimali sarebbe contenuto inp.
Contraddizione.263
TEOREMA 8 : Per un anello A noetheriano di Jaeobson e a
spettro
connesso leseguenti
condizioni sonoequivalenti :
a,) AèditipoLMN;
b)
l’ideale(0 )
ha laseguente
struttura:(egeludendo
il caso banale incui
(0)
siaprimario
associato ad unmassimale)
lecomponenti primarie
isolate sono ideali
primi
nonmassimali ;
lecomponenti primarie
immersesono tutte di dimensione
0 ;
i sono duecomponenti
isolate distintee non coÌnassiù%ali +
Jj
f è 0-dimensionale e+
è interse- zione di massimali associati a 0. illuogo
non normale diA/’1,Ji
i hauno
spettro finito
costituito da massimali di le cuicontroimmagini
in-4-1 sono associate a
(0 ),
perogni componente
.Prova:
a)
=>b).
Scriviamo in modogenerico
unadecomposizione primaria :
Proviamo che le
componenti
isolate sono tutte di dimensionepositiva.
Se qui fosse 0-dimensionale e
isolata,,
allora sarebbea~ ~ a i ,
onde ~~+
+ qi
=A,
per tuttigli i
=2,
... , r, onde ~quindi .
contro la
ipotesi.
Ciascunacomponente
isolata è di fatto unprimo.
Infatti sia ancora qui una di esse. Poichè a1 ha dimensionepositiva
ci sono infiniti massimali non associati a 0 e contenenti qi . Sem è uno
qualsiasi
di essiAm - (AIN),,I,
èintegro, quindi
N = ...è
primo, quindi N =
~~ e qui èprimo.
Sia q una
componente immersa,
esiste un’altracomponente a’
tale chePer
ogni
m >-,,/q
è ove N =q n q’ U
... ;dunque N
non èprimo
eAm
ètotale, quindi
m è associato a(0)
di A. Allora c’è solo un numero finito di massimali contenentiV4-,
ondeýq
è mas-simale. Siano
componenti
isolate taliche pi + 2
esia pi
++
.~J2
= 21 f1 ... ~ eh unadecomposizione primaria.
Se m è un massimaletale che
+ .~J2, Am
non èintegro
ed m è associato a0 ;
ciòpuò
avvenire solo per un numero finito dimassimali,
onde m =~/~;
e
quindi p, + )2
è 0-dimensionale e+ )2
è intersezione di massimali associati a 0.Se p
è unacomponente
isolata ed m un massimale diAfp,
allora(A/~)m
è normale eccetto alpiù
nei casi(numero finito)
in cui la controim-magine
di m in A è un massimale associato a 0.Altrimenti p
è l’unicacomponente primaria
di 0 contenuta nellacontroimmagine
m di xrt equindi
in tal caso(A/~ )m - A.n,t
che è normale peripotesi.
b)=>a).
Se m è un massimale associato a0,
cioè deltipo J£,
anchem.Am
è associato a 0 inAm ,
5 ondeAm
è totale equindi
normale. Se m non è associato a 0 inA,
allora m contiene una solacomponente
« irri-ducibile » p
di(0)
inA,
onde(A/).LLt
edm/p appartiene
alluogo
normale di
A/p.
Pertanto A è ditipo
c abbiamo concluso.§
4. - Una classe di anelli noetheriani di dimensione2,
normali ma cheammettono anelli di frazioni non normali.
Sia k un campo
qualunque
e sia R =k[X, Y, Z]
l’anello deipolinomi
nelle tre indeterminate
X, Y,
Z. Siaf
Ek[X, Y]
unpolinomio
deltipo
f
.... p~ con p e(X, Y)
e pprimo
perogni i
=1,
... ,h ;
suppo-niamo inoltre che
f
= 0 sia una curvapriva
dipunti multipli
fuori del-l’origine 4),
ma tale chel’origine
non siasemplice.
Consideriamo in R l’ideale a =(X, Y, Z) . (f),
e sia A = Proviamo che A è normale enon di
tipo
LMN.. In base al teorema 4 è sipuò
intanto provare cheogni
ideale
principale
nondegenere
di A è puro, e che perogni primo p=) A
di altezza 1 e non
degenere,
l’anello locale~..
èregolare.
Oraogni
elementob E A è non 0-divisore se e solo se è
immagine
di unpolinomio
b =bo
+ +b1X
-~- +b3Z
E R con 0 #bo E k, bi polinomi opportuni.
Ora(b)
è puro in A se e solo se
(b, a)
è puro in R. Ma(b, a)
-(b, f ) perchè f
== -
b2 Y f - }
e(b, f )
è puro in Rperchè f, b
è unaR-successione.
Sia
ora VcA
unprimo
nondegenere
di altezza 1. Proviamo che unpunto generale (, , ) di J
èsemplice
sulla varietà V associata ad a.È
lecito sostituire al campo base k unappropriato
dominio universaleS2,
ove si possono
prendere
ilpunto ( ~, r~, ~)
e le suespecializzazioni (cfr. [7],
p.
198).
Dunque (~,
q,,) "* (0, 0, ~),
altrimentiquest’ultimo punto
avrebbedimensione 1 ed ammetterebbe
quindi
laspecializzazione (O, 09 0),
control’ipotesi che p
sia nondegenere.
Allora
(i, q, ~)
ammette su 12 unaspecializzazione (a, ~, y) con (a, #) #
~
(O, 0).
L’ideale di V è l’idealeprincipale ( f )
in R. Peripotesi
è1)
Inparticolare
i fattori pi sono a due a due non associati.265
ma la matrice Jacobiana
ha allora car = 1 e
poichè
tale caratteristica nonpuò
crescere perspecia- lizzazione,
abbiamo chePertanto A è normale. Nel caso in cui
f
ha una formasemplice
comead
esempio X Y
oppure X2 - Y3 sipuò
ottenere senza molta fatica un’altra dimostrazione della normalità diA,
mediante calcoli diretti apartire
dallaimmersione sottodiretta di A associata ad una
decomposizione primaria
di
(0).
B
facile infine constatare che localizzando A adesempio
in(X, Y,
si ottiene un anello (X) che non è nor- male. Se infatti fosse normale con
f riducibile,
si a-vrebbe un anello locale normale non
integro
e nontotale, perchè
z - 1è un non 0-divisore non invertibile. Ciò è assurdo per il teorema 3. Se
( f )
è irriducibile allora ove L sia il corpoquoziente
di Ma il localizzato di un anellointegro
in unprimo
dialtezza
1,
se è normale èregolare (cfr.
ad es.[1],
p.180).
Ciò è assurdoperchè (0, 0, Z)
è unpunto generale
di(x, y),
razionale su k e non sem-plice (cfr. [7],
p.204).
Da
quanto
detto risulta anche che 1’anello 13 = che è l’anello totale diA,
equindi normale,
anzi ditipo
LMNperchè locale,
non ha tuttii localizzati normali. Di fatti
B(x,.) N (l~/( f ))~x~y) .
Possiamo riassumere brevemente i fatti osservati:
I)
esistonoalgebre
finitamentegenerate
sopra un c~ampo, di di- mensione2,
che sono normali ma non LMN(cfr.
teor.5, § 2);
II )
esistono anelli locali di dimensione 2 che sono LMN ma non LN.§
5. - Sulla permanenza della normalità nelle estensionipolinomiali
È
nota la permanenza della normalità nelle estensionipolinomiali
degli
anelliintegri
normali([4], Cap. 7). Orbene, gli
anelli considerati nel teorema 8 ovviamente non ammettono estensionipolinomiali
ditipo
LMN. Si
può
allora chiedere perquali
anelli normali A èA[X]
ancoranormale Una
prima
condizione necessaria è fornita dalseguente :
LEMMA: Se A è tale che
A[X]
ènormale,
allora in A norc ci sono elementi,nilpotenti.
Prova:
Sia $ #
0 tale che$P
=0,
p > 1. Allora/X
è intero sopraA[X]
e nonpuò appartenergH.
TEOREMA 9: un anello
noetheriano,
X una é>id6t6i’mihata. Condi- zione necessaria esufficiente aff nchè A [X ]
sia normale è che A sia sommadiretta di anelli
interi
normali.Prova: Sia
A[X]
normale. Allora A è senzanilpotenti. Quindi A[X] ]
è senza
nilpotenti ([3], Cap. 8,
p.73).
Per il teorema2, A[X]
è sommadiretta di anelli
integri
normali. Siano el, ... , Cngli idempotenti ortogonali
associati a tale
decomposizione
diretta.Gli ci
sono elementi di Aperchè posto
adesempio el
= ao +a,X
+ ... +aXn
con n >1, da ei
= eisegue an =
0quindi an
= 0. Allora è A =e1A
E9 ... E9enA
oveAi - eiA
èintegro
e normaleperchè Ai[X] ]
-ei(A[X])
èintegro
e normale.Il viceversa è ovvio.
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