분할 거듭제곱 환

가환대수학에서 분할 거듭제곱 환(分割-環, 영어: divided power ring, 프랑스어: anneau à puissances divisées)은 표수의 배수인 의 경우에도, 적어도 어떤 아이디얼의 원소 의 경우에는 “”과 유사한 연산이 가능하게 하는 구조가 주어진 가환환이다. 표수 0의 체 위의 가환 결합 대수의 경우에는 분할 거듭제곱 구조는 유일하지만, 양의 표수에서는 일반적으로 그렇지 않다.

정의

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분할 거듭제곱 환  은 다음과 같은 데이터로 주어진다.

  • 가환환  
  •  아이디얼  
  • 자연수  에 대하여, 함수  . 이를   위의 분할 거듭제곱 구조(分割-構造, 영어: divided power structure, 프랑스어: structure à puissances divisées)라고 한다.

이 데이터는 다음 조건들을 만족시켜야 한다.

 
 
 
 
 
 
 

간혹   대신  와 같은 표기도 사용된다.

분할 거듭제곱 환 준동형

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두 분할 거듭제곱 환  ,   사이의 준동형  은 다음 두 조건을 만족시키는 환 준동형이다.

 
 

이에 따라, 분할 거듭제곱 환과 그 준동형들로 구성된 구체적 범주가 존재한다.

분할 거듭제곱 스킴

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분할 거듭제곱 환의 개념을 스킴으로 일반화시킬 수 있다.

분할 거듭제곱 스킴(分割-scheme, 영어: divided power scheme)은 다음 데이터로 주어진다.

  • 스킴  
  •   위의 아이디얼 층  
  •  의 각 (자리스키) 열린집합  에 대하여, 분할 거듭제곱 구조  

이 데이터는 다음 조건을 만족시켜야 한다.

  • 임의의 두 (자리스키) 열린집합   에 대하여, 다음 그림이 가환한다. (즉, 준층의 사상을 이룬다.)
     

분할 거듭제곱 스킴 사이의 사상 역시 분할 거듭제곱 환 사이의 준동형과 유사하게 정의된다.

성질

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임의의 분할 거듭제곱 환  에서, 다음이 성립한다.

 

물론, 만약  에서  이라면, 좌변과 우변 둘 다 0이다.

증명:

분할 거듭제곱 구조의 공리에 따라,

 

이다. 이를 반복하면

 

을 얻는다.

분할 거듭제곱 포락

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다음이 주어졌다고 하자.

  • 분할 거듭제곱 환  
  • 가환환  
  • 환 준동형  
  •  아이디얼  . 또한,  라고 하자.

그렇다면, 다음 보편 성질을 만족시키는 분할 거듭제곱 환  가 항상 존재함을 보일 수 있다.

임의의 분할 거듭제곱 환  에 대하여,
 

여기서

  •  은 분할 거듭제곱 환의 범주이다.
  •  가환환아이디얼들의 범주이다. 즉,
    •  의 대상  가환환  와 그 속의 아이디얼  순서쌍이다.
    •  의 사상   환 준동형  이다.
  •  조각 범주를 뜻한다.

보편 성질을 만족시키는 분할 거듭제곱 환    위의 분할 거듭제곱 포락(分割-包絡, 영어: divided power envelope)이라고 한다. 즉, 이는 아이디얼에 분할 거듭제곱 구조를 “가장 자연스럽게” 부여한 것이다.

분할 거듭제곱 미분

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고전적인 켈러 미분의 이론은 양의 표수에서 잘 작동하지 않는다. 분할 거듭제곱 환의 이론을 사용하면, 양의 표수에서도 공사슬 복합체를 이루는 분할 거듭제곱 드람 복합체를 정의할 수 있다.

구체적으로, 다음이 주어졌다고 하자.

  • 가환환  
  • 분할 거듭제곱 환  
  • 환 준동형  

켈러 미분의 가군과 유사하게, 분할 거듭제곱 미분 가군(分割-微分加群, 영어: module of divided-power differentials)  를 다음과 같은 항등식들을 만족시키는  들로 생성되는  -가군으로 정의할 수 있다.

 
 
 
 

이것이 보통 켈러 미분하고 다른 점은 넷째 조건 밖에 없다.

이제, 켈러 미분과 마찬가지로

 
 

를 정의하면, 이것이 다음과 같은 공사슬 복합체를 이룸을 보일 수 있다.

 

이를 분할 거듭제곱 드람 복합체(分割-de Rham複合體, 영어: divided-power de Rham complex)라고 한다.

이 드람 복합체의 존재는 궁극적으로 구조층  결정 위치 위의 결정이기 때문이다.

표수 0의 대수

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표수 0의   위의 가환 결합 대수  의 임의의 아이디얼   위에는 유일한 분할 거듭제곱 구조가 존재하며, 다음과 같다.

 

증명:

 에서는  가역원이다. 이에 따라  이므로  이다.

물론, 이 경우  로 놓을 수 있다.

자유 분할 거듭제곱 구조

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가환환

 

주 아이디얼   위에는 다음과 같은 분할 거듭제곱 구조가 존재한다.

 

이 분할 거듭제곱 대수는 하나의 생성원에 대한 자유  -분할 거듭제곱 대수이다. 여기서 “자유”라는 것은, 범주 이론의 의미로 붙인 것이다.

분할 거듭제곱 다항식환

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다음이 주어졌다고 하자.

그렇다면, 분할 거듭제곱 단항식(分割-單項式, 영어: divided power monomial)은 다음과 같은 꼴의 형식적 단항식이다.

 

이와 같은 분할 거듭제곱 단항식들의 (유한 개의) 합들로 구성된 가환  -결합 대수  분할 거듭제곱 다항식환(分割-多項式環, 영어: divided power polynomial ring)이라고 한다.

이 속에서, 양의 차수(즉,  인 것)인 분할 거듭제곱 단항식들로 구성된 아이디얼을 생각할 수 있다. 이 위에는

 

와 같은 표준적인 분할 거듭제곱 구조가 주어진다.

양의 표수

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양의 표수의 위의 가환 결합 대수의 경우,  는 성립하더라도,  로 나눌 수 없는 경우가 생길 수 있으므로, 분할 거듭제곱 구조는 유일하지 않을 수 있다.

예를 들어, 만약

  • 소수  표수를 갖는 가환환  
  •  멱영 아이디얼  

에 대하여, 다음과 같은 분할 거듭제곱 구조를 정의할 수 있다.

 

일반적으로 양의 표수의 환에서 주의할 점 하나는, 아이디얼  과, 모든  에 대해  로 생성된 아이디얼 사이에는 차이가 있다는 점이다. 전자는 0이 아닐 수 있지만, 후자의 경우는 분할 거듭제곱 구조가 존재한다면 항상 0이 된다는 것을 증명할 수 있다.

응용

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분할 거듭제곱 구조는 분할 거듭제곱 미분 연산자의 이론이나 결정 코호몰로지 이론에서 기본적인 도구로 사용된다. 이를 이용하여, 양의 표수를 가지는 환에서의 기술적인 어려움들이 극복될 수 있다.

구체적으로, 양의 표수  의 경우, 에탈 코호몰로지는  인 경우에서만 유용하다. 직관적으로, 표수  가환환   위의 다항식환  에서, 미분의 곱 규칙

 

을 생각하자. 만약  일 경우

 

이 된다. 이 때문에 쿠머 열(영어: Kummer sequence)이  에서는 에탈 위상 위에서 완전열이 되지 못하게 된다.

이를 해결하기 위해서는 앞에 붙는  을 처리해야만 한다. 이러한 미분을 위해서, 다음과 같은 특수한 곱을 정의하자.

 

그렇다면, 여기에 미분 구조를 주었다고 하면

 

가 되며, 골칫거리인  이 사라지게 된다.

즉, 가환환  에 대하여, 다음과 같은 정의를 생각할 수 있다.

 

이와 같은 구성을 조금 더 일반화하면, 분할 거듭제곱 환 및 분할 거듭제곱 스킴의 개념에 도달하게 된다.

보통, 대수기하학에서는 멱영 아이디얼 위의 분할 거듭제곱 구조만을 고려하는데, 이는 분할 거듭제곱 구조를 주어야 하는 곳은 한정되어야 하기 때문이다. 예를 들면,  같은 경우는  로 생성되는 주 아이디얼에만 “작업을 가하면” 된다. 우리가 어려움을 겪는 이유는  가 들어간 것의 미분 때문이기 때문이다. 아이디얼을 더 크게 잡으면, 망가지지 말아야 할  의 연산도 망가지게 된다.

같이 보기

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참고 문헌

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  • Berthelot, Pierre; Ogus, Arthur (1978). 《Notes on Crystalline Cohomology》. Annals of Mathematics Studies (영어). Princeton University Press. Zbl 0383.14010. 
  • Hazewinkel, Michiel (1978). 《Formal Groups and Applications》. Pure and applied mathematics (영어) 78. Elsevier. ISBN 0123351502. Zbl 0454.14020. 
  • Berthelot, Pierre (1974). 《Cohomologie cristalline des schémas de caractéristique p>0》. Lecture Notes in Mathematics (프랑스어) 407. Springer-Verlag. doi:10.1007/BFb0068636. ISBN 978-3-540-06852-5. MR 0384804. 

외부 링크

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