Bourbaki

1. Iđêan nguyên tố

1. Định nghĩa của iđêan nguyên tố

Định nghĩa 1

Một iđêan pp của một vành AA được gọi là nguyên tố nếu vành A/pA/p là một miền nguyên.

Theo định nghĩa này, một iđêan pp của một vành AA là nguyên tố nếu hai điều kiện sau đây được thỏa mãn: (1) p≠Ap \neq A; (2) nếu x,yx, y là hai phần tử của AA sao cho x∉px \notin p và y∉py \notin p, thì xy∉pxy \notin p.

Các điều kiện này cũng có thể được phát biểu bằng cách nói rằng tích của mọi họ hữu hạn các phần tử của gp\mathfrak{g}p thuộc về gp\mathfrak{g}p, vì áp dụng điều kiện này cho tập rỗng cho ta 1∉p1 \notin p.

Một iđêan cực đại mm của AA là nguyên tố vì A/mA/m là một trường; do đó suy ra từ định lý Krull (Đại số, Chương I, § 8, no. 7, Định lý 2) rằng mọi iđêan của

() Ngoại trừ các mệnh đề được đặt giữa hai dấu sao: \ ... *, các kết quả của chương này chỉ phụ thuộc vào các Quyển I đến VI và Chương I, §§ 1–3 của Quyển này.

A khác với A\mathbf{A} được chứa trong ít nhất một iđêan nguyên tố. Đặc biệt, để các iđêan nguyên tố tồn tại trong một vành A\mathbf{A}, điều kiện cần và đủ là A\mathbf{A} không bị rút gọn về 0.

Cho f:A→Bf : \mathbf{A} \to \mathbf{B} là một đồng cấu vành và qq là một iđêan của B\mathbf{B}. Đặt p=f−1(q)p = f^{-1}(q); đồng cấu f‾:A/p→B/q\overline{f} : \mathbf{A}/p \to \mathbf{B}/q dẫn xuất từ ff bằng cách lấy thương là đơn ánh. Giả sử qq là nguyên tố; vì vành B/q\mathbf{B}/q là một miền nguyên, nên A/p\mathbf{A}/p cũng vậy, do nó đẳng cấu với một vành con của B/q\mathbf{B}/q; do đó iđêan p=f−1(q)p = f^{-1}(q) là nguyên tố. Đặc biệt, giả sử A\mathbf{A} là một vành con của B\mathbf{B}; với mọi iđêan qq của B\mathbf{B}, q∩Aq \cap \mathbf{A} là một iđêan nguyên tố A\mathbf{A}. Nếu ff là toàn ánh, f‾\overline{f} là một đẳng cấu; các điều kiện "p là nguyên tố" và "qq là nguyên tố" khi đó là tương đương. Do đó, nếu pp và aa là các iđêan của A\mathbf{A} sao cho a⊂pa \subset p, một điều kiện cần và đủ để pp là nguyên tố là p/ap/a là nguyên tố trong A/a\mathbf{A}/a.

Mệnh đề 1

Cho A\mathbf{A} là một vành, a1,a2,…,ana_1, a_2, \ldots, a_n là các iđêan của A\mathbf{A} và pp là một iđêan nguyên tố của A\mathbf{A}. Nếu pp chứa tích a1a2…ana_1 a_2 \ldots a_n, thì nó chứa ít nhất một trong các aia_i.

Giả sử trên thực tế rằng pp không chứa một phần tử nào trong các aia_i. Với 1≤i≤n1 \leq i \leq n, khi đó tồn tại một phần tử si∈ai∩ps_i \in a_i \cap p; khi đó s=s1s2…sns = s_1 s_2 \ldots s_n được chứa trong a1a2…ana_1 a_2 \ldots a_n, và không được chứa trong pp, điều này là vô lý.

Hệ quả

Cho mm là một iđêan cực đại của A\mathbf{A}; với mọi số nguyên n>0n > 0, iđêan nguyên tố duy nhất chứa mnm^n là mm.

Một iđêan như vậy pp phải chứa mm theo Mệnh đề 1 được áp dụng cho ai=ma_i = m với 1≤i≤n1 \leq i \leq n; vì mm là cực đại, p=mp = m.

Mệnh đề 2

Cho A\mathbf{A} là một vành, aa là một tập hợp khác rỗng của A\mathbf{A} đóng đối với phép cộng và phép nhân và (pi)i∈I(p_i)_{i \in I} là một họ hữu hạn khác rỗng các iđêan của A\mathbf{A}. Giả sử rằng aa được chứa trong hợp của các pip_i và nhiều nhất hai trong các pip_i không nguyên tố. Khi đó aa được chứa trong một trong các pip_i.

Ta lập luận bằng quy nạp theo n=Card(I)n = \mathrm{Card}(I); mệnh đề là tầm thường nếu n=1n = 1. Giả sử n≥2n \geq 2; nếu tồn tại một chỉ số jj sao cho a∩pj⊂⋃i≠jpia \cap p_j \subset \bigcup_{i \neq j} p_i, thì tập hợp aa, là hợp của các a∩pia \cap p_i với i∈Ii \in I, được chứa trong ⋃i≠jpi\bigcup_{i \neq j} p_i và do đó trong một trong các pip_i theo giả thiết quy nạp. Vậy giả sử rằng không tồn tại chỉ số như thế; với mọi j∈Ij \in I, gọi yjy_j là một phần tử của a∩pja \cap p_j không thuộc bất kỳ pip_i nào với i≠ji \neq j. Gọi kk là một phần tử của II được chọn sao cho pkp_k là nguyên tố nếu n>2n > 2 và được chọn tùy ý nếu n=2n = 2; đặt z=yk+∏i≠kyiz = y_k + \prod_{i \neq k} y_i. Khi đó z∈az \in a, vì aa đóng đối với phép cộng và phép nhân; nếu j≠kj \neq k thì ∏i≠kyi\prod_{i \neq k} y_i thuộc pjp_j, nhưng yk∉pjy_k \notin p_j, do đó z∉pjz \notin p_j. Mặt khác, ∏i≠kyi\prod_{i \neq k} y_i không thuộc pkp_k, vì không thừa số nào trong các yi (i≠k)y_i \ (i \neq k) thuộc nó và pkp_k là nguyên tố nếu n−1>1n - 1 > 1; vì yk∈pky_k \in p_k, nên zz không thuộc pkp_k và mệnh đề được chứng minh.

2. Iđêan nguyên tố cùng nhau

Cho AA là một vành; hai iđêan a,ba, b của AA được gọi là nguyên tố cùng nhau nếu a+b=Aa + b = A. Để điều này đúng, điều kiện cần và đủ là a+ba + b không được chứa trong iđêan nguyên tố nào (Đại số, Chương I, § 8, no. 7, Định lý 2), nói cách khác, không có iđêan nguyên tố nào chứa đồng thời cả aa lẫn bb. Hai iđêan cực đại phân biệt thì nguyên tố cùng nhau.

Nếu AA là một miền iđêan chính (Đại số, Chương VII, § 1), thì để hai phần tử a,ba, b của AA là nguyên tố cùng nhau, điều kiện cần và đủ, theo đồng nhất thức Bezout (loc. cit., no. 2, Định lý 1), là các iđêan AaAa và AbAb nguyên tố cùng nhau.

Mệnh đề 3

Cho aa và bb là hai iđêan nguyên tố cùng nhau của một vành AA. Cho a′a' và b′b' là hai iđêan của AA sao cho mọi phần tử của aa (resp. bb) có một lũy thừa thuộc a′a' (resp. b′b'). Khi đó a′a' và b′b' nguyên tố cùng nhau.

Theo giả thiết đã cho, mọi iđêan nguyên tố chứa a′a' đều chứa aa và mọi iđêan nguyên tố chứa b′b' đều chứa bb. Nếu một iđêan nguyên tố chứa a′a' và b′b', thì nó chứa aa và bb, điều này là vô lý, vì aa và bb nguyên tố cùng nhau; do đó a′a' và b′b' nguyên tố cùng nhau.

Mệnh đề 4

Cho a,b1,…,bna, b_1, \ldots, b_n là các iđêan của một vành AA. Nếu aa nguyên tố cùng nhau với mỗi bib_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n), thì nó nguyên tố cùng nhau với b1b2…bnb_1 b_2 \ldots b_n.

Cho pp là một iđêan nguyên tố của AA. Nếu pp chứa aa và b1b2…bnb_1 b_2 \ldots b_n thì nó chứa một trong các bib_i (no. 1, Mệnh đề 1), điều này là vô lý vì aa và bib_i nguyên tố cùng nhau.

Mệnh đề 5

Cho (ai)i∈I(a_i)_{i \in I} là một họ hữu hạn khác rỗng các iđêan của một vành AA. Các tính chất sau là tương đương = (a) Với i≠ji \neq j, aia_i và aja_j nguyên tố cùng nhau. (b) Đồng cấu chính tắc ϕ:A→∏i≠I(A/ai)\phi : A \to \prod_{i \neq I} (A/a_i) (Đại số, Chương 11, § 1, no. 7) là toàn ánh. Nếu các tính chất này được thỏa mãn, thì giao aa của các aia_i bằng với tích của chúng và đồng cấu chính tắc ϕ:A/a→∏i∈I(A/ai)\phi : A/a \to \prod_{i \in I} (A/a_i) (Đại số, Chương II, § 1, no. 7) là song ánh.

Ta lập luận bằng quy nạp theo nn là số phần tử của II, trường hợp n=1n = 1 là tầm thường. Trước hết xét trường hợp n=2n = 2. Khi đó tính tương đương của (a) và (b) suy ra từ tính chính xác của dãy

0⟶A/(a1∩a2)→ψ(A/a1)⊕(A/a2)⟶A/(a1+a2)⟶0 0 \longrightarrow A/(a_1 \cap a_2) \xrightarrow{\psi} (A/a_1) \oplus (A/a_2) \longrightarrow A/(a_1 + a_2) \longrightarrow 0

(Đại số, Chương II, § 1, no. 7, công thức (30)). Hơn nữa, tồn tại e1∈ae_1 \in a, và e2∈a2e_2 \in a_2 sao cho 1=e1+e21 = e_1 + e_2; khi đó, với mọi x∈a=a1∩a2x \in a = a_1 \cap a_2, ta có x=xe1+xe2x = xe_1 + xe_2; nhưng theo định nghĩa xe1∈a1a2xe_1 \in a_1 a_2 và xe2∈a1a2xe_2 \in a_1 a_2, do đó x∈a1a2x \in a_1 a_2; do đó a⊂a1a2a \subset a_1 a_2 và bao hàm ngược lại là hiển nhiên.

Trong trường hợp tổng quát, giả sử điều kiện (a) được thỏa mãn và cho kk là một phần tử của II và bk=⋂i≠kaib_k = \bigcap_{i \neq k} a_i; giả thiết quy nạp suy ra rằng bk=∏i∈Iaib_k = \prod_{i \in I} a_i, và từ Mệnh đề 4 suy ra aa, và bb, nguyên tố cùng nhau; khi đó

a=⋂i∈Iai=a,∩bk=akbk=∏i∈Iai, a = \bigcap_{i \in I} a_i = a, \quad \cap b_k = a_k b_k = \prod_{i \in I} a_i,

theo phần thứ nhất của lập luận và vì cùng lý do đó đồng cấu chính tắc A/a↠(A/ak)×(A/bk)A/a \twoheadrightarrow (A/a_k) \times (A/b_k) là song ánh; theo giả thiết quy nạp, đồng cấu chính tắc A/bk→∏i≠k(A/ai)A/b_k \to \prod_{i \neq k} (A/a_i) là song ánh và do đó hợp thành

A/a→(A/ak)×(A/bk)→(A/ak)×∏i≠k(A/ai)=∏i∈I(A/ai) A/a \to (A/a_k) \times (A/b_k) \to (A/a_k) \times \prod_{i \neq k} (A/a_i) = \prod_{i \in I} (A/a_i)

cũng là song ánh.

chính xác là ψ\psi; tức là, (b) được thỏa mãn. Ngược lại, giả sử rằng (b) được thỏa mãn. Ta chứng minh rằng các aia_i tất yếu nguyên tố cùng nhau từng đôi một. Trong trường hợp ngược lại, sẽ tồn tại một iđêan c≠Ac \neq A chứa aia_i và aja_j, với i≠ji \neq j. Đặt ah′=aha_h' = a_h với hh khác ii và jj và ai′=aj′=ca_i' = a_j' = c; đồng cấu chính tắc ϕ′:A→∏i∈I(A/ai′)\phi': A \to \prod_{i \in I} (A/a_i') có thể viết thành hợp thành của các ánh xạ

A→ϕ∏i∈I(A/ai)→f∏i∈I(A/ai′) A \xrightarrow{\phi} \prod_{i \in I} (A/a_i) \xrightarrow{f} \prod_{i \in I} (A/a_i')

trong đó ff là tích của các đồng cấu chính tắc A/ai→A/ai′A/a_i \to A/a_i'; rõ ràng ϕ′\phi' không toàn ánh, vì phép chiếu của +(A)+(A) lên (A/ai′)×(A/ai′)(A/a_i') \times (A/a_i') là đường chéo của tích (A/c)×(A/c)(A/c) \times (A/c), khác với tích này vì c≠Ac \neq A. Vì ff là toàn ánh, điều đó cho thấy ϕ\phi không toàn ánh.

Mệnh đề 6

Cho (ai)i∈I(a_i)_{i \in I} là một họ hữu hạn khác rỗng các iđêan của một vành AA nguyên tố cùng nhau từng đôi một; gọi aa là giao của các aia_i. Với mọi AA-môđun MM, ánh xạ chính tắc M→∏i∈I(M/aiM)M \to \prod_{i \in I} (M/a_i M) là toàn ánh và hạt nhân của nó là aMaM.

Rõ ràng ánh xạ chính tắc từ MM vào ∏i∈I(M/aiM)\prod_{i \in I} (M/a_i M) bằng không trên aMaM; do đó, bằng cách lấy thương, nó xác định một đồng cấu A:M/aM→∏i∈I(M/aiM)A : M/aM \to \prod_{i \in I} (M/a_i M). Mặt khác, theo Mệnh đề 5, đồng cấu chính tắc

ψ:A/a→∏i∈I(A/ai) \psi : A/a \to \prod_{i \in I} (A/a_i)
là song ánh. Khi đó 1M⊗ψ:M⊗(A/a)→M⊗∏i∈I(A/ai)1_M \otimes \psi : M \otimes (A/a) \to M \otimes \prod_{i \in I} (A/a_i) cũng song ánh. Bây giờ M⊗(A/a)M \otimes (A/a) được đồng nhất với M/aMM/aM và M⊗∏i∈I(A/ai)M \otimes \prod_{i \in I} (A/a_i) với ∏i∈IM⊗(A/ai)\prod_{i \in I} M \otimes (A/a_i), mà bản thân nó được đồng nhất với ∏i∈I(M/aiM)\prod_{i \in I} (M/a_i M). Ngay lập tức kiểm tra được rằng các sự đồng nhất ở trên biến 1M⊗ψ1_M \otimes \psi thành λ\lambda, do đó suy ra mệnh đề.

Ví dụ

Cho KK là một trường, a,(1≤i≤m)a, (1 \leq i \leq m) là các phần tử phân biệt của KK và, với mỗi ii, gọi gig_i là một đa thức trong K[X]K[X]; iđêan chính (X−ai)=mi(X - a_i) = m_i là cực đại trong K[X]K[X], do đó, với mọi hệ (ni)1≤i≤m(n_i)_{1 \leq i \leq m} gồm mm số nguyên ≥1\geq 1, các iđêan minim_i^{n_i} nguyên tố cùng nhau từng đôi một. Khi đó theo Mệnh đề 5, tồn tại một đa thức f∈K[X]f \in K[X] sao cho f(X)≡gi(X)(mod(X−ai)ni)f(X) \equiv g_i(X) \pmod{(X - a_i)^{n_i}} với 1≤i≤m1 \leq i \leq m, hiệu của hai đa thức như vậy chia hết cho ω(X)=∏i=1m(X−ai)ni\omega(X) = \prod_{i=1}^m (X - a_i)^{n_i}. Nếu lấy tất cả các nin_i bằng 1, ta thấy bài toán được giải một cách tường minh bằng công thức nội suy của Lagrange (Đại số, Chương IV, § 2, no. 4).

Bài tập

Xem bài tập của § 1.

Machine translation of the English, by gpt-5-6-mini, gpt-5.4, against glossary version 34. Not checked by a person. That model is a cut down version of the one the rest of this language was written by.