Monomiale Kurven/Multiplizität/Textabschnitt

Zu einem numerischen Monoid ${}M\subseteq \mathbb {N}$, das von teilerfremden natürlichen Zahlen ${}e_{1}<e_{2}<\ldots <e_{r}$ erzeugt werde, wird der minimale Erzeuger, also ${}e_{1}$, auch als Multiplizität bezeichnet. Es ist zu zeigen, dass dies die richtige Multiplizität ergibt. Dazu sei

$M_{+}={\left\{m\in M\mid m\geq 1\right\}}$

und

$nM_{+}={\left\{m\in M\mid {\text{ es gibt eine Darstellung }}m=m_{1}+\ldots +m_{n}{\text{ mit }}m_{i}\in M_{+}\right\}}$

Dies sind offensichtlich Monoid-Ideale von ${}M$. Es folgt, dass die zugehörigen Mengen ${}K[nM_{+}]=\bigoplus _{m\in nM_{+}}T^{m}$ Ideale im Monoidring sind. Und zwar ist ${}{\mathfrak {m}}=K[M_{+}]$ ein maximales Ideal, und die Potenzen davon sind ${}{\mathfrak {m}}^{n}=K[nM_{+}]$.

Definition

Sei ${}M\subseteq \mathbb {N}$ ein durch teilerfremde Erzeuger definiertes numerisches Monoid. Dann nennt man das minimale positive Element ${}e\in M$, ${}e\geq 1$, die Multiplizität von ${}M$, geschrieben ${}e(M)$.

Lemma

Sei ${}M\subseteq \mathbb {N}$ ein numerisches Monoid mit (numerischer) Multiplizität ${}e_{1}$ und sei ${}\ell$ eine Zahl mit ${}\mathbb {N} _{\geq \ell }\subseteq M$.

Dann gelten für die Mächtigkeit der Differenzmenge ${}M-nM_{+}$ die Abschätzungen

${}ne_{1}-\ell \leq {\#\left(M-nM_{+}\right)}\leq (n-1)e_{1}+\ell \,.$

Beweis

Die Abschätzung nach unten folgt daraus, dass die kleinste Zahl in ${}nM_{+}$ genau ${}ne_{1}$ ist, die natürlichen Zahlen ${}0,1,\ldots ,ne_{1}-1$ liegen also außerhalb davon. Dabei liegen die Zahlen ${}\geq \ell$ in ${}M$, so dass von diesen ${}ne_{1}$ Zahlen mindestens ${}ne_{1}-\ell$ zu ${}M$, aber nicht zu ${}nM_{+}$ gehören.

Zur Abschätzung nach oben behaupten wir, dass alle Zahlen ${}\geq (n-1)e_{1}+\ell$ zu ${}nM_{+}$ gehören. Es sei ${}x\geq (n-1)e_{1}+\ell$. Dann ist $x=(n-1)e_{1}+\ell '$ mit $\ell '\geq \ell$ und daher ist ${}\ell '\in M$. Also liegt direkt eine Zerlegung von ${}x$ in ${}n$ Summanden aus ${}M$ vor.

$\Box$

Es folgt, dass der Ausdruck ${}{\frac {\#\left(M\setminus nM_{+}\right)}{n}}$ für ${}n\mapsto \infty$ gegen ${}e_{1}$ konvergiert.

Der Restklassenring ${}K[M]/K[nM_{+}]$ hat die Elemente aus ${}M\setminus nM_{+}$ als ${}K$-Basis, deren Anzahl ist also die Dimension davon. Es gilt also

${}\lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {\dim _{K}{\left(K[M]/{\mathfrak {m}}^{n}\right)}}{n}}=e_{1}\,.$