1. Iđêan nguyên tố
1. Định nghĩa của iđêan nguyên tố
Định nghĩa 1
Một iđêan của một vành được gọi là nguyên tố nếu vành là một miền nguyên.
Theo định nghĩa này, một iđêan của một vành là nguyên tố nếu hai điều kiện sau đây được thỏa mãn: (1) ; (2) nếu là hai phần tử của sao cho và , thì .
Các điều kiện này cũng có thể được phát biểu bằng cách nói rằng tích của mọi họ hữu hạn các phần tử của thuộc về , vì áp dụng điều kiện này cho tập rỗng cho ta .
Một iđêan cực đại của là nguyên tố vì 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 được chứa trong ít nhất một iđêan nguyên tố. Đặc biệt, để các iđêan nguyên tố tồn tại trong một vành , điều kiện cần và đủ là không bị rút gọn về 0.
Cho là một đồng cấu vành và là một iđêan của . Đặt ; đồng cấu dẫn xuất từ bằng cách lấy thương là đơn ánh. Giả sử là nguyên tố; vì vành là một miền nguyên, nên cũng vậy, do nó đẳng cấu với một vành con của ; do đó iđêan là nguyên tố. Đặc biệt, giả sử là một vành con của ; với mọi iđêan của , là một iđêan nguyên tố . Nếu là toàn ánh, là một đẳng cấu; các điều kiện "p là nguyên tố" và " là nguyên tố" khi đó là tương đương. Do đó, nếu và là các iđêan của sao cho , một điều kiện cần và đủ để là nguyên tố là là nguyên tố trong .
Mệnh đề 1
Cho là một vành, là các iđêan của và là một iđêan nguyên tố của . Nếu chứa tích , thì nó chứa ít nhất một trong các .
Giả sử trên thực tế rằng không chứa một phần tử nào trong các . Với , khi đó tồn tại một phần tử ; khi đó được chứa trong , và không được chứa trong , điều này là vô lý.
Hệ quả
Cho là một iđêan cực đại của ; với mọi số nguyên , iđêan nguyên tố duy nhất chứa là .
Một iđêan như vậy phải chứa theo Mệnh đề 1 được áp dụng cho với ; vì là cực đại, .
Mệnh đề 2
Cho là một vành, là một tập hợp khác rỗng của đóng đối với phép cộng và phép nhân và là một họ hữu hạn khác rỗng các iđêan của . Giả sử rằng được chứa trong hợp của các và nhiều nhất hai trong các không nguyên tố. Khi đó được chứa trong một trong các .
Ta lập luận bằng quy nạp theo ; mệnh đề là tầm thường nếu . Giả sử ; nếu tồn tại một chỉ số sao cho , thì tập hợp , là hợp của các với , được chứa trong và do đó trong một trong các theo giả thiết quy nạp. Vậy giả sử rằng không tồn tại chỉ số như thế; với mọi , gọi là một phần tử của không thuộc bất kỳ nào với . Gọi là một phần tử của được chọn sao cho là nguyên tố nếu và được chọn tùy ý nếu ; đặt . Khi đó , vì đóng đối với phép cộng và phép nhân; nếu thì thuộc , nhưng , do đó . Mặt khác, không thuộc , vì không thừa số nào trong các thuộc nó và là nguyên tố nếu ; vì , nên không thuộc và mệnh đề được chứng minh.
2. Iđêan nguyên tố cùng nhau
Cho là một vành; hai iđêan của được gọi là nguyên tố cùng nhau nếu . Để điều này đúng, điều kiện cần và đủ là 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 lẫn . Hai iđêan cực đại phân biệt thì nguyên tố cùng nhau.
Nếu là một miền iđêan chính (Đại số, Chương VII, § 1), thì để hai phần tử của 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 và nguyên tố cùng nhau.
Mệnh đề 3
Cho và là hai iđêan nguyên tố cùng nhau của một vành . Cho và là hai iđêan của sao cho mọi phần tử của (resp. ) có một lũy thừa thuộc (resp. ). Khi đó và nguyên tố cùng nhau.
Theo giả thiết đã cho, mọi iđêan nguyên tố chứa đều chứa và mọi iđêan nguyên tố chứa đều chứa . Nếu một iđêan nguyên tố chứa và , thì nó chứa và , điều này là vô lý, vì và nguyên tố cùng nhau; do đó và nguyên tố cùng nhau.
Mệnh đề 4
Cho là các iđêan của một vành . Nếu nguyên tố cùng nhau với mỗi (), thì nó nguyên tố cùng nhau với .
Cho là một iđêan nguyên tố của . Nếu chứa và thì nó chứa một trong các (no. 1, Mệnh đề 1), điều này là vô lý vì và nguyên tố cùng nhau.
Mệnh đề 5
Cho là một họ hữu hạn khác rỗng các iđêan của một vành . Các tính chất sau là tương đương = (a) Với , và nguyên tố cùng nhau. (b) Đồng cấu chính tắc (Đại số, Chương 11, § 1, no. 7) là toàn ánh. Nếu các tính chất này được thỏa mãn, thì giao của các bằng với tích của chúng và đồng cấu chính tắc (Đại số, Chương II, § 1, no. 7) là song ánh.
Ta lập luận bằng quy nạp theo là số phần tử của , trường hợp là tầm thường. Trước hết xét trường hợp . Khi đó tính tương đương của (a) và (b) suy ra từ tính chính xác của dãy
(Đại số, Chương II, § 1, no. 7, công thức (30)). Hơn nữa, tồn tại , và sao cho ; khi đó, với mọi , ta có ; nhưng theo định nghĩa và , do đó ; do đó và bao hàm ngược lại là hiển nhiên.
Trong trường hợp tổng quát, giả sử điều kiện (a) được thỏa mãn và cho là một phần tử của và ; giả thiết quy nạp suy ra rằng , và từ Mệnh đề 4 suy ra , và , nguyên tố cùng nhau; khi đó
theo phần thứ nhất của lập luận và vì cùng lý do đó đồng cấu chính tắc là song ánh; theo giả thiết quy nạp, đồng cấu chính tắc là song ánh và do đó hợp thành
cũng là song ánh.
chính xác là ; tức là, (b) được thỏa mãn. Ngược lại, giả sử rằng (b) được thỏa mãn. Ta chứng minh rằng các tất yếu nguyên tố cùng nhau từng đôi một. Trong trường hợp ngược lại, sẽ tồn tại một iđêan chứa và , với . Đặt với khác và và ; đồng cấu chính tắc có thể viết thành hợp thành của các ánh xạ
trong đó là tích của các đồng cấu chính tắc ; rõ ràng không toàn ánh, vì phép chiếu của lên là đường chéo của tích , khác với tích này vì . Vì là toàn ánh, điều đó cho thấy không toàn ánh.
Mệnh đề 6
Cho là một họ hữu hạn khác rỗng các iđêan của một vành nguyên tố cùng nhau từng đôi một; gọi là giao của các . Với mọi -môđun , ánh xạ chính tắc là toàn ánh và hạt nhân của nó là .
Rõ ràng ánh xạ chính tắc từ vào bằng không trên ; do đó, bằng cách lấy thương, nó xác định một đồng cấu . Mặt khác, theo Mệnh đề 5, đồng cấu chính tắc
Ví dụ
Cho là một trường, là các phần tử phân biệt của và, với mỗi , gọi là một đa thức trong ; iđêan chính là cực đại trong , do đó, với mọi hệ gồm số nguyên , các iđêan nguyên tố cùng nhau từng đôi một. Khi đó theo Mệnh đề 5, tồn tại một đa thức sao cho với , hiệu của hai đa thức như vậy chia hết cho . Nếu lấy tất cả các 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.