Il Teorema degli zeri di Hilbert e la geometria algebrica

3 Geometria algebrica su anelli commutativi arbitrari.Sia adesso R un anello commutativo qualsiasi, tale che 1 ∈ R. Vogliamo associare ad Run oggetto geometrico, estendendo quanto fatto nel caso in cui R è un anello di polinomia coefficienti in C o, più in generale, una C-algebra finitamente generata. Chiameremoschema tale oggetto geometricoIl primo passo è quello di associare a R uno spazio, che costituisca l’insieme di puntisoggiacente allo “schema che vogliamo definire. Sul modello di quanto studiato, ispiratidal teorema degli zeri di Hilbert, un candidato naturale per tale spazio è l’insieme di tuttigli ideali massimali di R. Denotiamo Max(R) l’insieme di tutti gli ideali massimali di R.L’obiettivo finale è quello di ottenere una equivalenza di categorie tra la categoria deglianelli commutativi unitari, con gli omomorfismi di anelli, e la categoria di questi schemi(da definire) con i loro morfismi (anch’essi da definire).Tale equivalenza, come nel caso delle varietà , deve invertire le frecce, ovvero ad unomomorfismo λ : R −→ R ′ deve corrispondere un morfismo di schemi che vada dalloschema associato ad R ′ a quello associato ad R.Se i nostri schemi fossero supportati sull’insieme degli ideali massimali, dovremmo avereun morfismo φ : Max(R ′ ) −→ Max(R) associato a λ in modo funtoriale. In particolaredovremmo avere che φ(M ′ ) = λ −1 (M ′ ). C’è però un problema: se M ⊂ R ′ è un idealemassimale in R ′ , l’ideale λ −1 (M ′ ) non è necessariamente un ideale massimale di R.Per esempio, nell’inclusione λ : Z ↩→ Q[x] la preimmagine dell’ideale massimale (x) èl’ideale 0 in Z che certo non è massimale.Questo ci dice che Max(R) non è lo spazio giusto. Osserviamo ora che per ogni omomorfismoλ : R −→ R ′ , la preimmagine di un ideale primo di R ′ è un ideale primo diR. Il modo giusto di procedere è infatti proprio quello di considerare non solo gli idealimassimali (che ovviamente sono anche primi) ma tutti gli ideali primi di R. DefiniamoSpec R := {P R : P è un ideale primo }.(Ricordiamo che un ideale primo di un anello R è un ideale proprio P ⊂ R tale che l’anelloquoziente R/P è privo di divisori dello 0).Consideriamo questa definizione nel caso R = C[x], e confrontiamola con C, la varietàassociata ad R precedentemente. Notiamo che, come insiemi di punti, Spec C[x] contieneesattamente un punto in più rispetto a C. Sia infatti P ⊂ C[x] un ideale primo, allora cisono due possibilità , o P è l’ideale (0) oppure P è un ideale massimale. Sappiamo che gliideali massimali di C[x] sono in corrispondenza biunivoca con i punti di C; concludiamoquindi che, come insieme, Spec C[x] è come C con l’aggiunta del punto (0). Vedremo trapoco che questo comporta un’importante differenza geometrica (anzi, topologica).3.1 Spec R come spazio topologicoProcedendo in modo analogo a quanto fatto per le varietà , definiremo ora su Spec R unastruttura di spazio topologico, basata sulla definizione seguente: sia T ⊂ R,V (T ) := {P ∈ Spec R : T ⊂ P } ⊂ Spec ROvvero: V (T ) è il luogo di tutti gli ideali primi contenenti T . Definiamo ora su Spec R latopologia di Zariski, che ha come classe di insiemi chiusi la classe C definita qua sotto in9