Khi gán cho Xi trọng số pi, đa thức Φn là đẳng trọng của trọng số pn (A, IV, p. 3).
Mệnh đề 1
Cho A là một vành lọc và (Jn)n∈Z là phép lọc của nó. Giả sử rằng có J0=A và p.1A∈J1. Cho m và n là các số nguyên sao cho m⩾1 và n⩾0, và cho a0,...,an,b0,...,bn là các phần tử của A.
b) Giả sử rằng, với mọi số nguyên k⩾1, và mọi x∈A, quan hệ p.x∈Jk+1 kéo theo x∈Jk. Nếu có Φi(a0,...,ai)≡Φi(b0,...,bi)modJm+i với 0⩽i⩽n, thì có ai≡bimodJm với 0⩽i⩽n.
Bổ đề 1
Nếu x và y là hai phần tử của A đồng dư modulo Jm, ta có
xpn≡ypnmodJm+n.
Bằng quy nạp theo n, ta quy về trường hợp n=1. Gọi P là đa thức ∑i=0p−1XiYp−1−i của Z[X,Y]. Theo giả thiết đã đặt ra đối với x và y, ta có P(x,y)≡P(x,x)≡p.xp−1modJm. Khi đó có Jm+p.A⊂J1, do đó P(x,y)∈J1. Cuối cùng, xp−yp=(x−y)P(x,y) thuộc về JmJ1⊂Jm+1.
Ta chứng minh a) bằng quy nạp theo n. Trường hợp n=0 là ngay lập tức. Giả sử n⩾1. Theo các giả thiết của a), ta có (4) aip≡bipmodJm+1 với 0⩽i⩽n−1 theo Bổ đề 1 , (5) Φn−1(a0p,...,an−1p)≡Φn−1(b0p,...,bn−1p)modJm+n theo giả thiết quy nạp được áp dụng cho các phần tử a0p,...,an−1p,b0p,...,bn−1p của A, và (6) Φn(a0,...,an)−pn.an≡Φn(b0,...,bn)−pn.bnmodJm+n theo các công thức (2) và (5). Vì an−bn thuộc về Jm, phần tử pn.an−pn.bn thuộc về Jm+n và từ (6) suy ra đồng dư thức
Φn(a0,...,an)≡Φn(b0,...,bn)modJm+n,
do đó a).
Ta hãy chứng minh b) bằng quy nạp theo n. Trường hợp n=0 là ngay lập tức. Giả sử n⩾1. Theo các giả thiết của b), ta có ai≡bimodJm với 0⩽i⩽n−1 theo giả thiết quy nạp, và từ đó, như trước đây, ta suy ra các đồng dư (4), (5) và (6). Nhưng theo giả thiết Φn(a0,...,an) và Φn(b0,...,bn) đồng dư mod. Jm+n, và do đó ta có pn.(an−bn)∈Jm+n. Vì quan hệ p.x∈Jk+1 kéo theo x∈Jk đối với mọi x∈A và mọi k⩾1, ta có an−bn∈Jm, điều này hoàn tất chứng minh.
2. Các ánh xạ f,v và Φ
Cho A là một vành. Trang bị AN cấu trúc vành tích. Ký hiệu bởi fA, hoặc đơn giản là f, tự đồng cấu (an)n∈N↦(an+1)n∈N của AN. Ký hiệu bởi vA, hoặc đơn giản là v, tự đồng cấu của nhóm cộng nền của AN gán (0,p⋅a0,p⋅a1,...) với (an)n∈N.
Với mỗi số nguyên m⩾0, ký hiệu bởi Φm ánh xạ từ AN vào A gán Φm(a0,...,am) với a=(an)n∈N. Ta ký hiệu bởi ΦA, hoặc đơn giản là Φ, ánh xạ a↦(Φn(a))n∈N từ AN vào chính nó.
Bổ đề 2
Cho A là một vành được trang bị một tự đồng cấu σ thỏa mãn σ(a)≡apmod.p⋅A đối với mọi a∈A. Cho n⩾1 là một số nguyên và cho a0,...,an−1 là các phần tử của A. Đặt ui=Φi(a0,...,ai) với 0⩽i⩽n−1. Cho un là một phần tử của A. Các điều kiện sau là tương đương:
a) Tồn tại an∈A sao cho un=Φn(a0,...,an).
b) Ta có σ(un−1)≡unmod.pn⋅A.
Với 0⩽i⩽n−1, ta có σ(ai)≡aipmod.p⋅A. Theo mệnh đề 1 của no. 1 được áp dụng cho trường hợp Jk=pk⋅A (với k∈N) và m=1, ta có đồng dư
Bây giờ, theo công thức (2), quan hệ un=Φn(a0,...,an) tương đương với
un=Φn−1(a0p,...,an−1p)+pn⋅an.
Bổ đề được suy ra.
Mệnh đề 2
Cho A là một vành.
(a) Nếu p⋅1A không là một ước của 0 trong A, ánh xạ ΦA là đơn ánh.
(b) Nếu p⋅1A khả nghịch trong A, ánh xạ ΦA là song ánh.
(c) Nếu σ là một tự đồng cấu của vành A, thỏa mãn σ(a)≡apmod.p⋅A với mọi a∈A, ảnh A′ của ΦA là một vành con của AN, ổn định dưới fA và vA. Nó là tập hợp các phần tử (un)n∈N của AN sao cho σ(un)≡un+1mod.pn+1⋅A với mọi n∈N.
Nếu a=(an)n∈N và u=(un)n∈N là các phần tử của AN, quan hệ ΦA(a)=u là tương đương, theo công thức (2), với các đẳng thức
Cho u=(un)n∈N thuộc AN. Khi p⋅1A không là một ước của 0 trong A (tương ứng. khi p⋅1A khả nghịch trong A), tồn tại nhiều nhất một dãy (an)n∈N trong A (tương ứng. đúng một dãy (an)n∈N trong A) thỏa mãn các đẳng thức (10), do đó có a) và b).
Ta chứng minh c). Theo Bổ đề 2, ảnh A′ của AN qua ΦA là tập hợp các u=(un)n∈N trong AN sao cho σ(un)≡un+1mod.pn+1⋅A với mọi n∈N. Suy ra ngay lập tức rằng A′ là một vành con của AN, ổn định dưới fA và vA.
Nhận xét
Cho a=(an)n∈N và u=(un)n∈N là các phần tử của AN sao cho u=ΦA(a), và cho m là một số nguyên ⩾0. Từ (10) suy ra các khẳng định sau:
Nếu các un, với 0⩽n⩽m, thuộc một vành con B của A và nếu, với mọi x∈A, quan hệ p.x∈B kéo theo x∈B, thì các an, với 0⩽n⩽m, thuộc B.
Nếu A được trang bị một phép phân bậc kiểu N, nếu p.1A không là một ước của 0 trong A, nếu d∈N và nếu un là thuần nhất có bậc dpn với 0⩽n⩽m, thì an là thuần nhất có bậc dpn với 0⩽n⩽m.
3. Phép dựng các đa thức
Cho A là vành Z[X,Y] các đa thức với hệ số nguyên trong hai họ các bất định X=(Xn)n∈N và Y=(Yn)n∈N. Cho θ là tự đồng cấu của A được xác định bởi θ(Xn)=Xnp và θ(Yn)=Ynp với mọi n∈N. Khi đó p không là một ước của 0 trong A và tập hợp các a trong A sao cho θ(a)≡apmod.p.A là một vành con của A chứa các Xn và các Yn, do đó bằng chính A.
Theo mệnh đề 2, a) và c) của số 2, tồn tại các phần tử S=(Sn)n∈N,P=(Pn)n∈N,I=(In)n∈N và F=(Fn)n∈N của AN được đặc trưng tương ứng bởi các đẳng thức
Gán cho Xn và Yn trọng số pn với mọi n∈N. Ta suy ra từ nhận xét của số 2 các khẳng định sau:
a) Ta có Sn∈Z[X0,...,Xn,Y0,...,Yn] và Sn là đẳng trọng có trọng số pn. b) Ta có Pn∈Z[X0,...,Xn,Y0,...,Yn] và Pn là đẳng trọng có trọng số pn trong mỗi họ (X0,...,Xn) và (Y0,...,Yn). c) Ta có In∈Z[X0,...,Xn] và In là đẳng trọng có trọng số pn. d) Ta có Fn∈Z[X0,...,Xn+1] và Fn là đẳng trọng có trọng số pn+1.
Công thức (2) cho phép trong thực tế xác định lần lượt các đa thức Sn,Pn,In và Fn.
Ví dụ 1
Ta có
S0=X0+Y0
S1=X1+Y1−i=1∑p−1p1(ip)X0iY0p−i.
Hơn nữa, Sn−Xn−Yn thuộc về vành Z[X0,...,Xn−1,Y0,...,Yn−1].
Ví dụ 2
Ta có
P0=X0Y0
P1=pX1Y1+X0pY1+X1Y0p.
Ví dụ 3
Khi p=2, ta có In=−Xn. Với p=2, ta có
I0=−X0
I1=−(X02+X1)
I2=−X04−X02X1−X12−X2.
Ví dụ 4
Ta có
F0=X0p+pX1
F1=X1p+pX2−i=0∑p−1(ip)pp−i−1X0piX1p−i.
Vì ta có Φn(F0,...,Fn)≡Φn(X0p,...,Xnp)mod.pn+1. Và với mọi n∈N (các công thức (2) và (15)), suy ra từ mệnh đề 1, b) rằng ta có Fn≡Xnpmod.p. Và với mọi n∈N.
Nhận xét
Cho J là tập hợp các số nguyên j≥1. Với mỗi phần tử j của J, định nghĩa đa thức φj của Z[(Xj)j∈J] bởi công thức
φj=d∑dXdj/d,
trong đó tổng được lấy trên các phần tử của J chia hết j. Với mỗi số nguyên n≥0, ta có
φpn=Φn(Xp0,...,Xpn).
Với mỗi vành A và mỗi phần tử m của J, ta ký hiệu bởi φm ánh xạ từ AJ vào A gán cho (aj)j∈J phần tử φm((aj)j∈J); ta ký hiệu bởi φA, hoặc đơn giản là φ, ánh xạ từ AJ vào chính nó gán cho a=(aj)j∈J(φm(a))m∈J.
Cho A=Z[(Xj)j∈J,(Yj)j∈J] là vành các đa thức với hệ số nguyên theo hai họ biến bất định X=(Xj)j∈J và Y=(Yj)j∈J. Người ta có thể chỉ ra (p. 51, bài tập 34) rằng tồn tại trong A các phần tử
s=(sj)j∈J,p=(pj)j∈Jvaˋi=(ij)j∈J,
được đặc trưng bởi các đẳng thức sau:
φA(s)=φA(X)+φA(Y)
φA(p)=φA(X)φA(Y)
φA(i)=−φA(X).
4. Vành W(A) của các vectơ Witt
Cho A là một vành. Nếu a=(an)n∈N và b=(bn)n∈N là các phần tử của AN, ta sẽ ký hiệu bởi SA(a,b) (tương ứng PA(a,b), tương ứng IA(a)) hoặc đơn giản là S(a,b) (tương ứng P(a,b), tương ứng I(a)) dãy (Sn(a0,...,an;b0,...,bn))n∈N (tương ứng (Pn(a0,...,an;b0,...,bn))n∈N, tương ứng (In(a0,...,an))n∈N). Bằng cách thay an cho Xn và bn cho Yn, với mọi n∈N, trong các công thức (12), (13) và (14), ta thu được các đẳng thức
(16)
ΦA(SA(a,b))=ΦA(a)+ΦA(b)
(17)
ΦA(PA(a,b))=ΦA(a)ΦA(b)
(18)
ΦA(IA(a))=−ΦA(a).
Ta sẽ ký hiệu bởi W(A) tập hợp AN được trang bị các luật hợp thành SA và PA.
Cho ρ:B→A là một đồng cấu vành. Ta sẽ ký hiệu bởi ρN hoặc cũng bởi W(ρ) ánh xạ từ BN vào AN gán cho phần tử b=(bn)n∈N của BN phần tử (ρ(bn))n∈N. Từ các định nghĩa suy ra ngay lập tức rằng ta có
(19)
W(ρ)∘SB=SA∘(W(ρ)×W(ρ))
(20)
W(ρ)∘PB=PA∘(W(ρ)×W(ρ))
(21)
W(ρ)∘IB=IA∘W(ρ)
(22)
ρN∘ΦB=ΦA∘W(ρ).
Bổ đề 3
Cho A là một vành. Tồn tại một đồng cấu toàn ánh của các vành ρ:B→A, trong đó B là một vành thỏa mãn các điều kiện sau: p không là một ước của 0 trong B, và tồn tại một tự đồng cấu σ của B sao cho σ(b)≡bpmod.p.B với mọi b∈B.
Thật vậy, chỉ cần đặt B=Z[(Xa)a∈A], lấy σ là tự đồng cấu của B được xác định bởi σ(Xa)=Xap với mọi a∈A, và lấy ρ là đồng cấu từ B vào A được xác định bởi ρ(Xa)=a với mọi a∈A.
Định lý 1
a) Cho A là một vành (giao hoán). Được trang bị phép cộng SA và phép nhân PA, W(A) là một vành (giao hoán). Phần tử đơn vị đối với phép cộng là dãy 0A mà tất cả các số hạng của nó đều bằng không; phần tử đơn vị đối với phép nhân là dãy 1A mà tất cả các số hạng của nó đều bằng không ngoại trừ số hạng có chỉ số 0 bằng 1A. Phần tử đối của một phần tử a của W(A) là IA(a).
b) Cho ρ:B→A là một đồng cấu của các vành. Khi đó W(ρ):W(B)→W(A) là một đồng cấu của các vành.
c) Cho A là một vành. Ánh xạ ΦA là một đồng cấu của các vành từ W(A) vào vành tích AN. Đặc biệt, với mọi n∈N, ánh xạ Φn:a↦Φn(a0,...,an) là một đồng cấu của các vành từ W(A) vào A.
Xét đến các công thức (16), (17), (19) và (20), chỉ cần chứng minh mệnh đề a.
Cho ρ:B→A là một đồng cấu của các vành thỏa mãn các điều kiện của Bổ đề 3. Gọi B′ là vành con của BN được tạo thành bởi các phần tử (bn)n∈N sao cho σ(bn)≡bn+1mod.pn+1.B với mọi n∈N. Theo Mệnh đề 2 của No. 2, ΦB cảm sinh một song ánh ΦB′ từ W(B) lên B′. Được xem như từ các công thức (16) đến (18) và các quan hệ Φn(0B)=0 và Φn(1B)=1B (n∈N), ta thấy bằng phép chuyển cấu trúc rằng W(B) là một vành, với phần tử đơn vị 0B đối với phép cộng, 1B đối với phép nhân, phần tử đối của b là IB(b).
Ánh xạ W(ρ):W(B)→W(A) là toàn ánh. Theo các công thức (19) và (20), quan hệ tương đương R trên W(B) liên kết với ánh xạ W(ρ) tương thích với cấu trúc vành của W(B). Vì W(ρ) cảm sinh một song ánh Ψ từ vành thương W(B)/R lên W(A), tương thích với các luật của phép cộng và phép nhân, nên mệnh đề a suy ra từ đây bằng phép chuyển cấu trúc.
Định nghĩa 1
Cho A là một vành. Vành W(A) được gọi là vành các vectơ Witt với các hệ số trong A.
Đối với a trong W(A) và n trong N, phần tử Φn(a)=Φn(a0,...,an) đôi khi được gọi là thành phần ma của chỉ số n của a.
Nhận xét
Ta nhắc lại các ký hiệu của nhận xét ở No. 3. Cho A là một vành. Nếu a và b là các phần tử của AJ và r=(rj)j∈J là một phần tử của AJ, ta ký hiệu bởi rA(a,b) phần tử (rj(a,b))j∈J của AJ. Ta ký hiệu bởi U(A) tập hợp AJ được trang bị các luật hợp thành sA và pA. Có thể chỉ ra (p. 52, Bài tập 35) rằng, được trang bị phép cộng sA và phép nhân pA, U(A) là một vành (giao hoán); nó được gọi là vành Witt phổ quát của A. Phần tử đơn vị đối với phép cộng là phần tử của U(A) mà mọi thành phần của nó đều bằng không; phần tử đơn vị đối với phép nhân là phần tử của U(A) mà mọi thành phần của nó đều bằng không ngoại trừ thành phần có chỉ số 1 bằng 1A; phần tử đối của một phần tử a của U(A) là iA(a). Ánh xạ φA là một đồng cấu vành từ U(A) vào vành tích AJ.
Cho ρ:B→A là một đồng cấu vành; ta ký hiệu bởi U(ρ) ánh xạ từ BJ vào AJ gán cho phần tử (bj)j∈J của BJ phần tử (ρ(bj))j∈J của AJ. Có thể chỉ ra (ntd.) rằng U(ρ) là một đồng cấu vành từ U(B) vào U(A).
5. Đồng cấu F và phép dịch V
Cho A là một vành. Trong phần tiếp theo của đoạn này, ta lần lượt ký hiệu bởi + và × các luật phép cộng và phép nhân trong W(A). Ta cũng sẽ viết 0 thay cho 0A và 1 thay cho 1A. Ta định nghĩa 1 hai ánh xạ FA và VA (cũng ký hiệu đơn giản bởi F và V) từ W(A) vào chính nó bởi các công thức
(23)FA(a)=(Fn(a0,...,an+1))n∈N,
(24)VA(a)=(0,a0,a1,...)
(cho a=(an)n∈N trong W(A)). Ánh xạ VA được gọi là phép dịch.
suy ra ngay lập tức từ (15). Nó cũng có thể được viết dưới dạng
(26)ΦA∘FA=fA∘ΦA.
Công thức
(27)ΦA∘VA=vA∘ΦA
suy ra từ quan hệ (3).
Cho ρ:B→A là một đồng cấu của các vành. Các hệ thức
(28)W(ρ)∘FB=FA∘W(ρ)
(29)W(ρ)∘VB=VA∘W(ρ)
suy ra ngay lập tức từ các định nghĩa.
Mệnh đề 3
Cho A là một vành.* a) Ánh xạ FA là một tự đồng cấu của vành W(A). b) Ánh xạ VA là một tự đồng cấu của nhóm cộng nằm dưới vành W(A). c) Với mọi a trong W(A), ta có FA(VA(a))=p.a (tổng trong W(A) của p số hạng bằng a). d) Cho dù a và b trong W(A) là gì, ta đều có
(30)VA(a×FA(b))=VA(a)×b
(31)VA(a)×VA(b)=p.VA(a×b)
(tổng trong W(A) của p số hạng bằng VA(a×b)). e) Đặt μ=VA(1)=(0,1,0,...). Với mọi b trong W(A), ta có
(32)VA(FA(b))=μ×b.
1 Chữ cái F là chữ cái đầu của tên Frobenius, và chữ cái V là chữ cái đầu của từ tiếng Đức Verschiebung.
f) Với mọi phần tử a của W(A), ký hiệu a∗p là tích trong W(A) của p phần tử bằng a. Khi đó ta có
(33)FA(a)≡a∗pmod.p.W(A)(iđeˆan của W(A) sinh bởi p.1).
Cho ρ:B→A là một đồng cấu của các vành thỏa mãn các điều kiện của Bổ đề 3 của No. 4. Khi đó W(ρ):W(B)→W(A) là một đồng cấu toàn ánh của các vành, và ΦB:W(B)→BN là một đơn cấu của các vành. Hơn nữa, fB:BN→BN là một đồng cấu của các vành. Theo các công thức (26) và (28), ta có
ΦB∘FB=fB∘ΦB,W(ρ)∘FB=FA∘W(ρ),
do đó ngay lập tức có mệnh đề a. Mệnh đề b suy ra theo cách tương tự từ các công thức (27) và (29) và từ sự kiện rằng vB là một tự đồng cấu của nhóm cộng nằm dưới BN.
Cho a là một phần tử của W(A), và chọn một phần tử x của W(B) mà W(ρ) ánh xạ toàn ánh lên a. Đặt ξ=ΦB(x). Từ các định nghĩa của fB và vB, suy ra ngay lập tức rằng ta có fB(vB(ξ))=p.ξ (tổng trong BN của p số hạng bằng ξ). Theo các công thức (26) và (27) (trong đó A được thay bởi B), các phần tử FB(VB(x)) và p.x của W(B) do đó có cùng ảnh p.ξ qua ánh xạ đơn cấu ΦB, và vì thế chúng bằng nhau. Công thức FA(VA(a))=p.a sau đó suy ra từ các quan hệ (28) và (29). Điều này chứng minh c.
Lập luận theo cách tương tự, ta rút gọn chứng minh của công thức (30) về chứng minh của quan hệ
vB(ξfB(η))=vB(ξ)η
đối với ξ,η trong BN. Bây giờ điều này suy ra từ các đẳng thức
ξfB(η)=(ξ0η1,ξ1η2,...)
vB(ξ)η=(0,pξ0η1,pξ1η2,...)
Có tính đến b và c, công thức (31) suy ra từ công thức (30), trong đó b được thay bởi VA(b). Công thức (32) là trường hợp riêng a=1 của công thức (30).
Theo cách tương tự, ta rút gọn chứng minh của công thức (33) về chứng minh của quan hệ
fB(ξ)≡ξpmod.p.ΦB(BN),
trong đó ξp chỉ tích trong BN của p phần tử bằng ξ. Theo Mệnh đề 2, c) của No. 2, điều này tương đương với việc với mọi n⩾0, ta có
σ(ξn+1−ξnp)≡ξn+2−ξn+1pmod.pn+2B.
Bây giờ, với mọi n⩾0, theo loc. cit., ta có
σ(ξn)≡ξn+1mod.pn+1B
vì ξ=ΦB(x); từ đó, nhờ Bổ đề 1 của No. 1, suy ra
σ(ξn)p≡ξn+1pmod.pn+2B.
Điều này chứng minh quan hệ cần chứng minh.
Nhận xét
Để biết định nghĩa các ánh xạ tương tự các ánh xạ F và V, trong trường hợp của vành Witt phổ quát, xem các bài tập 36, 37 và 38, p. 52 và các trang tiếp theo.
Cho ρ:B→A là một đồng cấu vành thỏa mãn các điều kiện của Bổ đề 3 của No. 4. Khi đó W(ρ):W(B)→W(A) là một đồng cấu toàn ánh của các vành, và ΦB:W(B)→BN là một đồng cấu đơn ánh. Vì thế, chỉ cần chứng minh rằng ta có
với bất kỳ b nào trong W(B) và các số nguyên m⩾1,n⩾0. Bây giờ ta có
Φn(b0,...,bm−1,...)=Φn(b0,...,bn)neˆˊu0⩽n<m
=i=0∑m−1pi⋅bipn−ineˆˊum⩽n
Φn(0,...,0,bm,bm+1,...)=0neˆˊu0⩽n<m
=i=m∑npi⋅bipn−ineˆˊum⩽n,
do đó công thức (35).
Cho A là một vành. Với mọi số nguyên m⩾0, ký hiệu Vm(A) là tập hợp các vectơ Witt a=(an)n∈N sao cho an=0 với 0⩽n<m. Nó là ảnh của lũy thừa thứ m Vm của ánh xạ VA. Các công thức
(36)
Vm(a+b)=Vm(a)+Vm(b)
(37)
Vm(a)×b=Vm(a×Fm(b))
suy ra từ mệnh đề 3 của No. 5 bằng quy nạp theo m. Chúng kéo theo rằng Vm(A) là một iđêan của W(A).
Trong phần tiếp theo, ta sẽ trang bị cho W(A) tôpô T liên kết với lọc (Vm(A))m∈Z. Vì Vm(A) là một iđêan của W(A) với mọi m∈Z, tôpô T tương thích với cấu trúc vành của W(A) (TG, III, p. 49, ví dụ 3). Cho a∈W(A); các tập hợp a+Vm(A), trong đó m chạy qua N, tạo thành một hệ cơ bản các lân cận của a đối với T. Bây giờ, từ bổ đề 4 suy ra rằng a+Vm(A) gồm các vectơ Witt b sao cho ai=bi với 0≤i<m. Do đó, T không gì khác ngoài tôpô tích trên AN của tôpô rời rạc trên mỗi nhân tử, và vì thế W(A) là một vành tôpô tách biệt và đầy đủ (TG, II, p. 17, mệnh đề 10 và TG, III, p. 22, mệnh đề 4).
Ký hiệu τA (hoặc đơn giản là τ) là ánh xạ của A vào W(A) liên kết với một phần tử a của A phần tử (a,0,0,...) . Ta có Φn(τ(a))=apn với mọi n∈N. Với mọi đồng cấu vành ρ:B→A, ta có W(ρ)∘τB=τA∘ρ.
Mệnh đề 4
Cho a và b thuộc A và cho x=(xn)n∈N là một phần tử của W(A).
a) Ta có các công thức
τ(ab)=τ(a)×τ(b)
τ(a)×x=(apnxn)n∈N.
b) Chuỗi có số hạng tổng quát Vn(τ(xn)) là hội tụ trong W(A), với tổng là x. Cho n là một số nguyên dương. Đa thức Pn(X0,...,Xn;Y0,...,Yn) được đưa vào trong No. 3 là đẳng trọng số với trọng số pn trong họ (X0,...,Xn) khi Xi được gán trọng số pi. Do đó
Vì 1=(1,0,0,...) là phần tử đơn vị của vành các vectơ Witt với các hệ số trong Z[(Xn)n∈N,(Yn)n∈N], ta có
Pn(1,0,...,0;Y0,...,Yn)=Yn.
Bằng cách thay a vào chỗ X0 và xi vào chỗ Yi, ta suy ra từ (40) và (41) quan hệ:
Pn(a,0,...,0;x0,...,xn)=apnxn.
Theo định nghĩa của phép nhân trong W(A), ta đã chứng minh (39); công thức (38) là một trường hợp riêng của (39).
Ta hãy chứng minh b). Theo định nghĩa, Vn(τ(xn)) là dãy mà tất cả các thành phần của nó đều bằng không, trừ thành phần có chỉ số n, thành phần này bằng xn. Suy ra từ Bổ đề 4, bằng quy nạp theo m, rằng ta có
n=0∑mVn(τ(xn))=(x0,...,xm,0,0,...)
với mọi số nguyên m≥0; ta suy ra b) bằng cách chuyển qua giới hạn vì tôpô T trên W(A) là tích của các tôpô rời rạc của các thừa số A.
7. Các vành Wn(A) của các vectơ Witt có độ dài hữu hạn
Định nghĩa 2
Cho A là một vành và cho n≥1 là một số nguyên. Ta ký hiệu bởi Wn(A) vành thương W(A)/Vn(A).
Cho các phần tử a0,...,an−1 của A, ta ký hiệu bởi [a0,...,an−1] hoặc [ai]0≤i<n lớp modulo Vn(A) của phần tử (a0,...,an−1,0,0,...) của W(A). Theo Bổ đề 4 của No. 6, ánh xạ (a0,...,an−1)↦[a0,...,an−1] từ An vào Wn(A) là một song ánh. Vì lý do này, ta nói rằng các phần tử của Wn(A) là các vectơ Witt có độ dài n; bằng phép tương tự, đôi khi người ta gọi các phần tử của W(A) là các vectơ Witt có độ dài vô hạn.
Ta ký hiệu bởi πn đồng cấu chính tắc từ W(A) vào Wn(A). Theo Bổ đề 4 của No. 6, ta có
πn(a)=[a0,...,an−1]
với mọi a=(an)n∈N trong W(A).
Theo định nghĩa của các phép toán trong W(A), ta có mô tả sau đây về các phép toán trong Wn(A):
Hơn nữa, phần tử đơn vị của phép cộng trong Wn(A) là [0,...,0] và phần tử đơn vị của phép nhân là [1,0,...,0].
Cho i là một số nguyên sao cho 0≤i≤n. Bằng cách chuyển qua thương, đồng cấu Φi từ W(A) vào A xác định một đồng cấu Φi từ Wn(A) vào A. Điều này gắn với vectơ Witt [a0,...,an−1] phần tử Φi(a0,...,ai) của A (còn được gọi là thành phần ma có chỉ số i của [a0,...,an−1]).
Cho ρ:B→A là một đồng cấu vành. Bằng cách chuyển qua các thương, đồng cấu W(ρ) từ W(B) vào W(A) xác định một đồng cấu Wn(ρ) từ Wn(B) vào Wn(A). Nó được mô tả bởi công thức
Wn(ρ)[b0,...,bn−1]=[ρ(b0),...,ρ(bn−1)]
với mọi [b0,...,bn−1] trong Wn(B).
Cho m và n là hai số nguyên sao cho 1≤n≤m. Ta có Vn(A)⊃Vm(A), do đó một đồng cấu chính tắc từ Wm(A)=W(A)/Vm(A) lên Wn(A)=W(A)/Vn(A); đồng cấu này sẽ được ký hiệu là πn,m. Tường minh, ta có
πn,m[a0,...,am−1]=[a0,...,an−1]
với [a0,...,am−1] trong Wm(A). Họ (Wn(A),πn,m) là một hệ xạ ảnh các vành và ánh xạ π:a↦(πn(a))n≥1 là một đồng cấu vành từ W(A) vào lim←Wn(A), được gọi là chính tắc. Vì W(A) là tách được và đầy đủ đối với lọc (Vn(A))n∈Z (cf. No. 6), đồng cấu chính tắc π là một đẳng cấu của các vành tôpô, khi Wn(A) được trang bị tôpô rời rạc với mọi số nguyên n≥1 (III, § 2, No. 6).
Kể từ nay, các đồng cấu πn và πn,m sẽ được gọi là các đồng cấu phép chiếu từ W(A) vào Wn(A), và từ Wm(A) vào Wn(A) tương ứng.
Ví dụ 1
Đồng cấu Φ0:W1(A)→A là một đẳng cấu.
Ví dụ 2
Ta hãy mô tả tường minh các phép toán trong W2(A). Ta có
với [a0,a1] và [b0,b1] trong W2(A). Các thành phần ma của [a0,a1] là a0 và a0p+p⋅a1.
Ví dụ 3
Cho n≥1 là một số nguyên. Nếu a0,...,an−1,b0,...,bn−1 là các số nguyên sao cho ai≡bimodp với 0≤i<n, ta có (No. 1, Mệnh đề 1)
Φn−1(a0,...,an−1)≡Φn−1(b0,...,bn−1)modpn.
Do đó, Φn−1 xác định qua phép chuyển qua các thương một đồng cấu vành φn:Wn(Z/pZ)→Z/pnZ. Ảnh của φn là một nhóm con của Z/pnZ chứa 1, do đó φn là toàn ánh. Vì các tập hợp hữu hạn Wn(Z/pZ) và Z/pnZ có cùng lực lượng pn, φn là một đẳng cấu.
Cho m và n là các số nguyên sao cho 1≤n≤m. Tồn tại một đồng cấu vành duy nhất αn,m:Z/pmZ→Z/pnZ; do đó biểu đồ
là giao hoán. Suy ra rằng φ=limφn là một đẳng cấu của các vành tôpô từ W(Z/pZ)=lim←Wn(Z/pZ) lên Zp=lim←Z/pnZ (III, § 2, No. 12, ví dụ 3).
Cho m và n là hai số nguyên ≥1. Theo phép dựng, ta có một dãy khớp của các nhóm cộng
(E)
0⟶W(A)νmW(A)πmWm(A)⟶0.
Qua phép chuyển qua các thương, tự đồng cấu Vn của nhóm cộng của W(A) xác định một đồng cấu Vmn của nhóm cộng của Wm(A) vào nhóm cộng của Wm+n(A). Nói cách khác, ta có một biểu đồ giao hoán
W(A)πm↓Wm(A)VnVmnW(A)πn+m↓Wn+m(A)
Qua phép chuyển qua các thương, từ dãy khớp (E) ta suy ra một dãy khớp
Theo Mệnh đề 3, c) của No. 5, ta có FVm+1(a)=p.Vm(a) với mọi a trong W(A) và do đó ta có F(Vm+1(A))⊂Vm(A). Bằng quy nạp theo n, ta suy ra rằng Fn biến Vn+m(A) vào Vm(A), và vì thế xác định, qua phép chuyển qua các thương, một đồng cấu vành Fmn:Wn+m(A)→Wm(A). Theo phép dựng, ta có một biểu đồ giao hoán
W(A)πn+m↓Wn+m(A)FnFmnW(A)πm↓Wm(A)
Nhắc lại (No. 3) rằng đa thức Fi thuộc về Z[X0,...,Xi+1] với mọi số nguyên i⩾0; đồng cấu Fm1 từ Wm+1(A) vào Wm(A) do đó được cho tường minh như sau:
(46)
Fm1[a0,...,am]=[Fi(a0,...,ai+1)]0⩽i<m.
Cho a∈Wm(A), a′∈Wm(A) và b∈Wm+1(A). Các công thức sau thu được bằng phép chuyển qua các thương từ Mệnh đề 3 của No. 5:
(47)
Fm1(Vm1(a))=p.a
(48)
Vm1(a×Fm1(b))=Vm1(a)×b
(49)
Vm1(a)×Vm1(a′)=p.Vm1(a×a′)
(50)
Vm1(Fm1(b))=μm+1×b
(với μm+1=[0,1,0,...,0]).
8. Vành các vectơ Witt với hệ số trong một vành có đặc số p
Mệnh đề 5
Cho A là một vành có đặc số p (A, V, p. 2). Với mọi phần tử a và b của W(A), và các số nguyên dương m,n, ta có, nếu a=(an)n∈N,
(51)F(a)=(anp)n∈N
(52)p.a=VF(a)=FV(a)=(0,a0p,a1p,...)
(53)Vm(a)×Vn(b)=Vm+n(Fn(a)×Fm(b)).
Công thức (51) suy ra từ Ví dụ 4 của No. 3. Từ đó ngay lập tức suy ra đẳng thức
VF(a)=FV(a)=(0,a0p,a1p,...),
và đẳng thức p.a=FV(a) đã được chứng minh (No. 5, mệnh đề 3), do đó có (52).
Ta hãy chứng minh (53). Theo công thức (37) (trong đó thay Vn(b) cho b), ta có
(54)Vm(a)×Vn(b)=Vm(a×Fm(Vn(b))).
Từ công thức (37), ta cũng suy ra
(55)Vn(Fm(b))×a=Vn(Fm(b)×Fn(a)).
Công thức (53) khi đó suy ra từ (54) và (55) và từ quan hệ Fm∘Vn=Vn∘Fm, bản thân nó là một hệ quả của (51).
Hệ quả
Nếu m và n là hai số nguyên dương, ta có
Vm(A)×Vn(A)⊂Vm+n(A).
Điều này suy ra từ công thức (53), vì Vm(A) là ảnh của Vm:W(A)→W(A).
Mệnh đề 6
Cho A là một vành.
a) Với mọi số nguyên k⩾1, ta có (V1(A))k=pk−1⋅V1(A).
b) Giả sử rằng A là một vành có đặc số p. Trên vành W(A), tôpô V1(A)-adic và tôpô p-adic trùng nhau, và chúng mịn hơn tôpô tích C (xem No. 6). Vành W(A) là tách được và đầy đủ đối với tôpô p-adic.
Ta hãy chứng minh a) bằng quy nạp theo k. Trường hợp k=1 là hiển nhiên. Giả sử k⩾2. Theo giả thiết quy nạp, ta có V1(A)k−1=pk−2⋅V1(A) và do đó V1(A)k=pk−2⋅(V1(A))2. Nhưng từ mệnh đề 3, d), công thức (31), của No. 5 suy ra rằng ta có (V1(A))2=p⋅V1(A), do đó có a).
Bây giờ giả sử rằng A có đặc số p. Vì ta có
p⋅W(A)=VF(W(A))⊂V1(A)(coˆng thức (52)),
ta suy ra từ a) các bao hàm pk.W(A)⊂(V1(A))k⊂pk−1.W(A), và từ hệ quả của mệnh đề 5 bao hàm (V1(A))k⊂Vk(A), với mọi số nguyên k⩾1. Khẳng định thứ nhất của b) được suy ra.
Cho k là một số nguyên ⩾1. Theo công thức (52), iđêan pk.W(A) của W(A) là tập hợp các phần tử a=(an)n∈N của W(A) sao cho có an=0 với n<k và an∈Apk với n⩾k. Do đó nó là đóng đối với tôpô G. Vì W(A) là tách được và đầy đủ đối với tôpô G (no 6) và vì các iđêan pk.W(A) của W(A), với k⩾1, tạo thành một cơ sở các lân cận của 0 trong W(A) đối với tôpô p-adic, nên vành W(A) là tách được và đầy đủ đối với tôpô p-adic (TG, III, p. 26, hệ quả 1 của mệnh đề 10).
Mệnh đề 7
Cho A là một vành hoàn hảo có đặc số p.
a) Với mọi phần tử a=(an)n∈N của W(A), chuỗi có số hạng tổng quát pnτ(anp−n) là hội tụ trong W(A), với tổng là a.
b) Trên W(A), tôpô V1(A)-adic, tôpô p-adic và tôpô G trùng nhau. Chính xác hơn, ta có Vn(A)=pn.W(A)=(V1(A))n với mọi số nguyên n⩾0. Đặc biệt Φ0 xác định một đẳng cấu của W(A)/p.W(A) lên A.
Theo định nghĩa (A, V, p. 5), ánh xạ a↦ap là một tự đẳng cấu của vành A. Theo mệnh đề 5, F do đó là một tự đẳng cấu của vành W(A), và ta có, với mọi n∈N,
pn.W(A)=VnFn(W(A))=Vn(W(A))=Vn(A).
Đặc biệt, ta có (V1(A))n=(p.W(A))n=pn.W(A). Mệnh đề b) suy ra từ đó.
Theo mệnh đề 5, ta có
pn.τ(anp−n)=VnFnτ(anp−n)=Vnτ(an),
và mệnh đề a) suy ra từ mệnh đề 4 của no 6.
Mệnh đề 8
Cho A là một trường có đặc số p. Vành W(A) là một vành địa phương nguyên, tách được và đầy đủ, với iđêan cực đại V1(A) và trường thặng dư đẳng cấu với A. Nếu trường A là hoàn hảo, vành W(A) là một vành định giá rời rạc, và iđêan cực đại của nó là p.W(A).
Đồng cấu Φ0 xác định một đẳng cấu của W(A)/V1(A) lên A (no 7, ví dụ 1). Iđêan V1(A) của W(A) do đó là cực đại. Vì vành W(A) là tách được và đầy đủ đối với tôpô V1(A)-adic (mệnh đề 6, b), nó là một vành địa phương, với iđêan cực đại V1(A) (III, § 2, no 13, mệnh đề 19).
Cho a và b là hai phần tử khác không của W(A). Tồn tại các số nguyên m⩾0 và n⩾0, và các phần tử a′=(an′)n∈N và b′=(bn′)n∈N của W(A) sao cho a=Vm(a′), b=Vn(b′) và các phần tử a0′ và b0′ của A là khác không. Khi đó thành phần có chỉ số m+n của a×b bằng thành phần có chỉ số 0 của Fn(a′)×Fm(b′) (công thức (53)), nghĩa là bằng a0′pnb0′pm (công thức (51) và No. 3, Ví dụ 2). Do đó a×b là khác không và W(A) là một miền nguyên.
Nếu trường A là hoàn hảo, iđêan cực đại V1(A) của W(A) bằng p.W(A) (Prop. 7, b)) và do đó W(A) là một vành định giá rời rạc (VI, § 3, No. 6, Prop. 9, c)).
Nhận xét 1
Cho A là một trường có đặc số p. Bây giờ có thể chứng minh rằng vành W(A) là Noether khi và chỉ khi A là hoàn hảo (p. 43, Bài tập 9).
Nhận xét 2
Cho A là một vành có đặc số p. Theo Prop. 5, ta có các công thức