Kurs:Singularitätentheorie (Osnabrück 2019)/Vorlesung 21/latex

\setcounter{section}{21}






\zwischenueberschrift{Reguläre Ringe}




\inputdefinition
{}
{

Ein \definitionsverweis {noetherscher}{}{} \definitionsverweis {lokaler Ring}{}{}
\mathl{(R, {\mathfrak m} )}{} der \definitionsverweis {Dimension}{}{} $n$ heißt \definitionswort {regulär}{,} wenn es $n$ Elemente
\mathl{f_1 , \ldots , f_n \in {\mathfrak m}}{} gibt, die das \definitionsverweis {maximale Ideal}{}{} ${\mathfrak m}$ \definitionsverweis {erzeugen}{}{.}

}

Ein regulärer nulldimensionaler lokaler Ring ist einfach ein Körper. Eindimensionale reguläre lokale Ringe nennt man auch diskrete Bewertungsringe. In ihnen wird das maximale Ideal durch ein Element $\neq 0$ erzeugt.




\inputbeispiel{}
{

Zu einem Körper $K$ und Variablen
\mathl{X_1 , \ldots , X_n}{} ist die \definitionsverweis {Lokalisierung}{}{}
\mathdisp {K[X_1 , \ldots , X_n ]_{ (X_1 , \ldots , X_n ) }} { }
ein \definitionsverweis {lokaler regulärer Ring}{}{.} Er besitzt die Dimension $n$ und das maximale Ideal wird eben durch
\mathl{X_1 , \ldots , X_n}{} erzeugt.


}

Wenn
\mathl{(a_1 , \ldots , a_n) \in K^n}{} ist, so ist auch die Lokalisierung des Polynomrings am maximalen Ideal
\mathl{(X-a_1 , \ldots , X-a_n)}{} regulär, und zwar isomorph zur Lokalisierung im Nullpunkt
\mathl{(0 , \ldots , 0)}{.} Es ist schwieriger zu zeigen, dass überhaupt die Lokalisierung an jedem maximalen Ideal
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ \subseteq} { K[ X_1 , \ldots , X_n] }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein lokaler regulärer Ring der Dimension $n$ ist, siehe Aufgabe 21.12.




\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten die Neilsche Parabel
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V }
{ = }{V { \left( X^2-Y^3 \right) } }
{ \subseteq }{ {\mathbb A}^{2}_{K} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} In jedem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ \in }{V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist die \definitionsverweis {Einbettungsdimension}{}{} des \definitionsverweis {lokalen Ringes}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathcal O}_P }
{ =} { K[X,Y]_{ {\mathfrak n}_P}/ { \left( X^2-Y^3 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} höchstens $2$, da dies für
\mathl{K[X,Y]_{ {\mathfrak m}_P}}{} gilt. Dabei ist ${\mathfrak n}_P$ das zugehörige maximale Ideal im Polynomring und ${\mathfrak m}_P$ sei das maximale Ideal im lokalen Ring ${\mathcal O}_P$. Es gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m}_P / {\mathfrak m}^2_P }
{ =} { {\mathfrak n}_P / { \left( {\mathfrak n}^2_P + { \left( X^2-Y^3 \right) } \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{(0,0) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak n}_P }
{ = }{ (X,Y) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{X^2-Y^3 }
{ \in }{ {\mathfrak n}^2_P }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m}_P / {\mathfrak m}^2_P }
{ =} { {\mathfrak n}_P / { \left( {\mathfrak n}^2_P + { \left( X^2-Y^3 \right) } \right) } }
{ =} { {\mathfrak n}_P / {\mathfrak n}^2_P }
{ =} { K^2 }
{ } { }
} {}{}{} und die Einbettungsdimension ist $2$. Der lokale Ring im Nullpunkt ist also nicht \definitionsverweis {regulär}{}{.} Im Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q }
{ = }{(1,1) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak n}_Q }
{ = }{ (X-1,Y-1) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und wir schreiben
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{X^2-Y^3 }
{ = }{ (X-1)(X+1) - (Y-1) { \left( Y^2+Y+1 \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} In ${\mathcal O}_Q$ gilt daher
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ X-1 }
{ =} { { \frac{ Y^2+Y+1 }{ X+1 } } (Y-1) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei eben die rationale Funktion zu ${\mathcal O}_Q$ gehört. Daher ist dort
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m}_Q }
{ =} { { \left( Y-1 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und die Einbettungsdimension ist $1$. Der lokale Ring in $(1,1)$ ist also regulär.


}





\inputfaktbeweis
{Lokaler regulärer Ring/Parameter/Regularität/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $(R, {\mathfrak m})$ ein \definitionsverweis {lokaler regulärer Ring}{}{} der \definitionsverweis {Dimension}{}{} $d$ und seien
\mathl{f_1 , \ldots , f_n \in {\mathfrak m}}{} Elemente.}
\faktuebergang {Dann sind folgende Aussagen äquivalent.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungdrei{Es gibt Elemente
\mathl{f_{n+1} , \ldots , f_{d}}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ (f_{1} , \ldots , f_{d}) }
{ = }{ {\mathfrak m} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Die Restklassen von
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} in
\mathl{{\mathfrak m} /{\mathfrak m}^2}{} sind \definitionsverweis {linear unabhängig}{}{} über
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ = }{R/ {\mathfrak m} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Der Restklassenring
\mathl{R/(f_1 , \ldots , f_n)}{} ist regulär der Dimension
\mathl{d-n}{.} }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Wir beweisen zuerst die Äquivalenz zwischen (1) und (2). Der Restklassenmodul
\mathl{{\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2}{} ist ein $R /{\mathfrak m}$-Vektorraum, der nach dem Lemma von Nakayama die \definitionsverweis {Dimension}{}{} $d$ besitzt. Wenn
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{(f_1 , \ldots , f_n,f_{n+1} , \ldots , f_d) }
{ =} { {\mathfrak m} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist, so bilden die Restklassen eine Basis von
\mathl{{\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2}{} und jedes Teilsystem davon ist linear unabhängig. Wenn umgekehrt die Restklasen von
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} in
\mathl{{\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2}{} linear unabhängig sind, so lassen diese sich nach dem Basisergänzungssatz durch
\mathl{g_{n+1} , \ldots , g_d \in {\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2}{} zu einer Basis von
\mathl{{\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2}{} ergänzen. Diese Elemente werden wiederum durch Elemente
\mathl{f_{n+1} , \ldots , f_d \in {\mathfrak m}}{} repräsentiert, und nach dem Lemma von Nakayama gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (f_1 , \ldots , f_n, f_{n+1} , \ldots , f_d ) }
{ =} { {\mathfrak m} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

Wir beweisen nun die Äquivalenz zwischen (1) und (3). Wir setzen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ \defeq} { (f_1 , \ldots , f_n) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei zunächst wieder durch
\mathl{f_{n+1} , \ldots , f_d}{} eine Ergänzung zu einem vollen Erzeugendensystem von ${\mathfrak m}$ gegeben. Dann sind die Restklassen von
\mathl{f_{n+1} , \ldots , f_d}{} in
\mathl{R/{\mathfrak a}}{} ein Erzeugendensystem des maximalen Ideals
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak n} }
{ =} { {\mathfrak m} / {\mathfrak a} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} von
\mathl{R/ {\mathfrak a}}{.} Damit ist die \definitionsverweis {Einbettungsdimension}{}{} von
\mathl{R/ {\mathfrak a}}{} gleich
\mathl{d-n}{} und somit ist nach Satz 20.12 die Dimension von
\mathl{R/ {\mathfrak a}}{} höchstens
\mathl{d-n}{.} Andererseits ist die Dimension aber auch zumindest $d-n$ nach Korollar 18.9. Wäre nämlich die Dimension von
\mathl{R/ {\mathfrak a}}{} gleich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{m }
{ <} {d-n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} so würde es Parameter
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{g_1 , \ldots , g_m }
{ \in} { R/ {\mathfrak a} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} geben, und diese würden zusammen mit den
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} in $R$ das maximale Ideal als Radikal beschreiben, was nach Satz 18.7 nicht sein kann.

Wenn umgekehrt
\mathl{R/ {\mathfrak a}}{} regulär der Dimension
\mathl{d-n}{} ist, so sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak n} }
{ =} { (g_{n+1} , \ldots , g_d) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Diese $g_i$ werden durch
\mathl{f_{n+1} , \ldots , f_d \in {\mathfrak m}}{} repräsentiert und die
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} erzeugen ${\mathfrak m}$.

}





\inputfaktbeweis
{Lokaler Ring/Regulär/Integer/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Ein \definitionsverweis {regulärer lokaler Ring}{}{}}
\faktfolgerung {ist ein \definitionsverweis {Integritätsbereich}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Wir führen Induktion über die Dimension $d$ von $R$. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{d }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und es liegt ein Körper vor. Es sei die Aussage für reguläre Ringe kleinerer Dimension schon bewiesen. Es seien
\mathl{{\mathfrak p}_1 , \ldots , {\mathfrak p}_n}{} die \definitionsverweis {minimalen Primideale}{}{} von $R$. Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p}_1 }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zu zeigen. Wir wenden Lemma Anhang 15.2 auf diese Primideale und auf
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ = }{ {\mathfrak m} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak b} }
{ = }{ {\mathfrak m}^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} an. Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ \not \subseteq }{ {\mathfrak p}_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} da die Dimension zumindest $1$ ist, und es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ \not \subseteq }{ {\mathfrak m}^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} denn sonst wäre
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} /{\mathfrak m}^2 }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Somit ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ \not \subseteq }{ {\mathfrak m}^2 \cup \bigcup_{i = 1}^n {\mathfrak p}_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} d.h. es gibt ein
\mathl{h \in {\mathfrak m}}{,} das in keinem minimalen Primideal und nicht in ${\mathfrak m}^2$ enthalten ist. Nach Lemma 21.4 ist
\mathl{R/(h)}{} ein regulärer Ring der Dimension
\mathl{d-1}{,} es ist also ein Integritätsbereich nach Induktionsvoraussetzung. Somit ist das Hauptideal
\mathl{(h)}{} ein \definitionsverweis {Primideal}{}{} in $R$. Da jedes Primideal ein minimales Primideal umfasst, gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p}_i }
{ \subseteq} { (h) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für ein $i$, und die Inklusion muss nach der Wahl von $h$ echt sein. Somit muss
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p}_i }
{ =} { {\mathfrak a} \cdot (h) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit einem Ideal ${\mathfrak a}$ sein. Aus der Primeigenschaft in Verbindung mit
\mathl{h \notin {\mathfrak p}_i}{} folgt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ \subseteq} { {\mathfrak p}_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und somit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ =} { {\mathfrak p}_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p}_i }
{ =} { {\mathfrak p}_i \cdot (h) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} erzwingt aber nach dem Lemma von Nakayama
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak p}_i }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}






\zwischenueberschrift{Reguläre Ringe und glatte Punkte}





\inputfaktbeweis
{Affine Varietät/Punkt/Jacobi-Matrix und regulär/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {algebraisch abgeschlossener Körper}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ P }
{ \in} {V ( {\mathfrak a} ) }
{ \subseteq} { { {\mathbb A}_{ K }^{ n } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein Punkt der \definitionsverweis {affin-algebraischen Menge}{}{} zum Ideal
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak a} }
{ = }{ (f_1 , \ldots , f_m) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit dem lokalen Ring
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ R }
{ =} { (K[X_1 , \ldots , X_n]/{\mathfrak a})_{ {\mathfrak m}_P} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist der Punkt genau dann \definitionsverweis {glatt}{}{,} wenn $R$ \definitionsverweis {regulär}{}{} ist.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Ohne Einschränkung sei $P$ der Nullpunkt mit dem zugehörigen maximalen Ideal
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak n} }
{ = }{ (X_1 , \ldots , X_n) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} im Polynomring, dem zugehörigen maximalen Ideal
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak r} }
{ = }{ {\mathfrak n}/{\mathfrak a} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in
\mathl{K[ X_1 , \ldots , X_n]/ {\mathfrak a}}{} und dem zugehörigen maximalen Ideal
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ = }{ {\mathfrak m}_P }
{ = }{ {\mathfrak r} ( K[ X_1 , \ldots , X_n]/ {\mathfrak a} )_{\mathfrak r} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in $R$. Wir betrachten die $K$-\definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbeledisp {} { K[X_1 , \ldots , X_n ] } { K^n } {g} { ((\partial_1 g) (P) , \ldots , (\partial_n g) (P)) } {.} Dabei werden die Variablen $X_i$ auf die Standardvektoren $e_i$ abgebildet und die Abbildung ist surjektiv. Ein Element
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{g }
{ =} {c_0 +c_1X_1 + \cdots + c_nX_n + \text{ höhere Terme} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} wird auf
\mathl{\left( c_1 , \, \ldots , \, c_n \right)}{} abgebildet. Ein homogenes Element
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{g }
{ \in} {{\mathfrak n}^2 }
{ =} { K[X_1 , \ldots , X_n ]_{\geq 2} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} besitzt zumindest den Grad $2$ und wird daher auf $0$ abgebildet, da die partiellen Ableitungen den Grad um $1$ reduzieren und somit ergibt sich jeweils ein Element von positivem Grad. Durch Einsetzen des Nullpunktes ergibt sich dann $0$. Insgesamt induziert dies eine $K$-lineare Abbildung \maabbdisp {} { {\mathfrak n} / {\mathfrak n}^2 } {K^n } {,} die bijektiv ist, da die Räume die gleiche Vektorraumdimension besitzen.

Nach Lemma 18.9 ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak r} / {\mathfrak r}^2 }
{ \cong }{ {\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Unter der surjektiven Abbildung
\mathdisp {{\mathfrak n} \longrightarrow {\mathfrak r} \longrightarrow {\mathfrak r}/{\mathfrak r}^2} { }
wird ${\mathfrak n}^2$ und ${\mathfrak a}$ auf $0$ abgebildet, und zwar ist der Kern genau
\mathl{{\mathfrak n}^2 + {\mathfrak a}}{.} Somit gibt es eine $K$-lineare Bijektion \maabbdisp {} { {\mathfrak n}/ ( {\mathfrak n}^2 + {\mathfrak a} ) } {{\mathfrak r}/{\mathfrak r}^2 } {.} Wir betrachten die Abbildungen
\mathdisp {K^m \stackrel{\operatorname{Jak} }{\longrightarrow} K^n \cong {\mathfrak n}/{\mathfrak n}^2 \longrightarrow {\mathfrak n}/ { \left( {\mathfrak n}^2+ {\mathfrak a} \right) }} { . }
Ein Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ [g] }
{ \in }{ {\mathfrak n}/{\mathfrak n}^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} wird rechts genau dann auf $0$ geschickt, wenn der lineare Anteil von $g$ zu ${\mathfrak n}^2+ {\mathfrak a}$ gehört. Dies bedeutet, dass eine Gleichung der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g }
{ =} { \sum_{i= 1}^m h_i f_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} modulo ${\mathfrak n}^2$ besteht und dies bedeutet \zusatzklammer {für die $h_i$ ist nur der konstante Term relevant} {} {,} dass eine lineare Gleichung der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} ( \partial_1 g) (P) \\ \vdots \\ (\partial_n g) (P) \end{pmatrix} }
{ =} { \sum_{i= 1}^m h_i \begin{pmatrix} ( \partial_1 f_i) (P) \\ \vdots \\ (\partial_n f_i) (P) \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} Dies ist genau dann der Fall, wenn
\mathl{\begin{pmatrix} ( \partial_1 g) (P) \\ \vdots \\ (\partial_n g) (P) \end{pmatrix}}{} im Bild der Jacobimatrix liegt. Daher ist das Bild der Jacobimatrix gleich dem Kern der surjektiven Abbildung rechts. Somit ist nach der Dimensionsformel
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{n }
{ =} { \operatorname{rang} \, (\operatorname{Jak}) + \dim_{ K } { \left( {\mathfrak n}/ { \left( {\mathfrak n}^2 + {\mathfrak a} \right) } \right) } }
{ =} { \operatorname{rang} \, (\operatorname{Jak}) + \dim_{ K } { \left( {\mathfrak m}/{\mathfrak m}^2 \right) } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei nun $d$ die Dimension von $V( {\mathfrak a} )$ im Punkt $P$, die mit der Dimension des lokalen Ringes $R$ übereinstimmt. Nach Definition ist $P$ genau dann nichtsingulär, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{ \operatorname{rang} \, (\operatorname{Jak}) + d }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. Dies ist daher genau dann der Fall, wenn
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \dim_{ K } { \left( {\mathfrak m}/{\mathfrak m}^2 \right) } }
{ =} { d }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist, und dies ist die Definition eines regulären Ringes.

}





\inputfaktbeweis
{Lokaler Ring/Restkörperbedingung/Regulär und Freier Kählermodul/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {vollkommener Körper}{}{} und $R$ die \definitionsverweis {Lokalisierung}{}{} einer \definitionsverweis {endlich erzeugten}{}{} $K$-\definitionsverweis {Algebra}{}{.} Der \definitionsverweis {Restklassenkörper}{}{}
\mathl{R/ {\mathfrak m}}{} sei \definitionsverweis {isomorph}{}{} zu $K$.}
\faktfolgerung {Dann ist $R$ genau dann \definitionsverweis {regulär}{}{,} wenn der \definitionsverweis {Modul der Kähler-Differentiale}{}{} \definitionsverweis {frei}{}{} ist und sein \definitionsverweis {Rang}{}{} mit der \definitionsverweis {Dimension}{}{} des Ringes übereinstimmt.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Wir verwenden Lemma 13.5, also den natürlichen $R/ {\mathfrak m}$-\definitionsverweis {Isomorphismus}{}{} \maabbeledisp {} { {\mathfrak m}/{\mathfrak m}^2 } { \Omega_{ R {{|}} K } \otimes_{ R } R/ {\mathfrak m} } {[f]} { df \otimes 1 } {.} Wenn $\Omega_{R {{|}} K}$ ein freier $R$-Modul und sein Rang gleich der Dimension $d$ ist, so gilt dies auch für den $R/ {\mathfrak m}$-Modul
\mathl{\Omega_{ R {{|}} K } \otimes_{ R } R/ {\mathfrak m}}{} und dann ist insbesondere
\mathl{{\mathfrak m}/ {\mathfrak m}^2}{} ein $d$-dimensionaler $R/ {\mathfrak m}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Dies bedeutet nach Definition, dass $R$ \definitionsverweis {regulär}{}{} ist. Umgekehrt folgt aus der Regularität, dass
\mathl{{\mathfrak m}/ {\mathfrak m}^2}{} und entsprechend
\mathl{\Omega_{ R {{|}} K } \otimes_{ R } R/ {\mathfrak m}}{} ein $d$-dimensionaler Vektorraum ist, und nach dem Lemma von Nakayama, dass $\Omega_{ R {{|}} K }$ als $R$-Modul von $d$ Elementen erzeugt wird. Nach Satz 21.5 ist $R$ ein \definitionsverweis {Integritätsbereich}{}{,} sei
\mathl{Q(R)}{} sein \definitionsverweis {Quotientenkörper}{}{.} Nach Satz 19.7 ist der \definitionsverweis {Transzendenzgrad}{}{} von $Q(R)$ über $K$ gleich der Dimension von $R$. Da der Modul der Kähler-Differentiale mit \definitionsverweis {Nenneraufnahmen}{}{} verträglich ist, gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Omega_{ R {{|}} K } \otimes_{ R } Q(R) }
{ =} { \Omega_{ Q(R) {{|}} K } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Da $K$ vollkommen ist, ist die \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{Q(R) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} nach Satz Anhang 15.4 \zusatzklammer {nicht endlich, aber} {} {} \definitionsverweis {separabel}{}{.} Damit ist
\mathl{\Omega_{ Q(R) {{|}} K }}{} ein freier $Q(R)$-Modul, dessen Rang gleich dem Transzendenzgrad ist. Zusammenfassend besitzt also der $R$-Modul
\mathl{\Omega_{ Q(R) {{|}} K }}{} die Eigenschaft, dass er von $d$ Elementen
\mathl{\omega_1 , \ldots , \omega_d}{} erzeugt wird und dass die Tensorierung mit $Q(R)$ ein $Q(R)$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} der Dimension $d$ ist. Somit müssen die
\mathl{\omega_1 , \ldots , \omega_d}{} $R$-\definitionsverweis {linear unabhängig}{}{} sein, da sie dies über $Q(R)$ sind, und daher handelt es sich um eine \definitionsverweis {Basis}{}{.} Also ist $\Omega_{ R {{|}} K }$ frei vom Rang $d$.

}







\zwischenueberschrift{Reguläre Ringe und Multiplizität}





\inputfaktbeweis
{Lokaler Ring/Assoziierter graduierter Ring/Regularität/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei $R$ ein \definitionsverweis {lokaler}{}{} \definitionsverweis {noetherscher Ring}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist $R$ genau dann \definitionsverweis {regulär}{}{,} wenn der \definitionsverweis {assoziierte graduierte Ring}{}{}
\mathl{\operatorname{Gr}_{ {\mathfrak m} } R}{} ein \definitionsverweis {Polynomring}{}{} über
\mathl{R/ {\mathfrak m}}{} in
\mathl{\operatorname{dim} { \left( R \right) }}{} Variablen ist.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Das maximale Ideal ${\mathfrak m}$ sei durch die Erzeuger
\mathl{f_1 , \ldots , f_e}{} gegeben, wobei $e$ die \definitionsverweis {Einbettungsdimension}{}{} von $R$ bezeichnet. Dazu gehört ein surjektiver graduierter $R/ {\mathfrak m}$-\definitionsverweis {Algebrahomomorphismus}{}{} \maabbeledisp {} { R/ {\mathfrak m} [X_1 , \ldots , X_e ]} { \operatorname{Gr}_{ {\mathfrak m} } R = R/ {\mathfrak m} \oplus {\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2 \oplus {\mathfrak m}^2 / {\mathfrak m}^3 \ldots } {X_i} { [f_i] } {,} \zusatzklammer {$[f_i]$ bezeichnet die Klasse von $f_i$ in \mathlk{{\mathfrak m} / {\mathfrak m}^2}{}} {} {.} Es steht links ein Ring der \definitionsverweis {Dimension}{}{} $e$ und rechts nach Satz 19.10 bzw. der graduierten Version davon ein Ring der Dimension
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{d }
{ = }{ \operatorname{dim} { \left( R \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wenn $R$ regulär ist, so ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{d }
{ = }{e }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und der Kern muss trivial sein, da echte Restklassenringe eines Integritätsbereiches eine kleinere Dimension besitzen. Wenn umgekehrt ein Isomorphismus vorliegt, so muss
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{d }
{ = }{e }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sein.

}





\inputfaktbeweis
{Lokaler Ring/Regulär/Multiplizität/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {}
\faktfolgerung {Die \definitionsverweis {Hilbert-Samuel-Multiplizität}{}{} eines \definitionsverweis {lokalen}{}{} \definitionsverweis {regulären Ringes}{}{} ist $1$.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt aus Satz 21.8 in Verbindung mit Satz 16.13.

}





\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten den \definitionsverweis {lokalen Ring}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{R }
{ =} { K[X,Y,Z]_{(X,Y,Z)} /(XY,XZ) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} der geometrisch aus einer Ebene und einer Geraden besteht. Für die \definitionsverweis {Potenzen}{}{} des \definitionsverweis {maximalen Ideals}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m} }
{ = }{ (X,Y,Z) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m}^n }
{ =} { (X^n) + (Y,Z)^n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} da ja sämtliche Monome, in denen neben $X$ noch eine weitere Variable vorkommt, gleich $0$ sind. Somit gilt für die Restklassenräume
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ {\mathfrak m}^n/ {\mathfrak m}^{n+1} }
{ =} { K \langle X^n,Y^n,Y^{n-1}Z , \ldots , Z^n \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und dessen $K$-\definitionsverweis {Dimension}{}{} ist $n+2$. Somit ist die \definitionsverweis {Hilbert-Samuel-Funktion}{}{} des Ringes gleich
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H_R(n) }
{ = }{ n+2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und die \definitionsverweis {Hilbert-Samuel-Multiplizität}{}{} des Ringes ist $1$. Der Ring ist aber nicht \definitionsverweis {regulär}{}{.}


}