§ 3. Các trường đại diện
1. Các vành địa phương có cùng đặc số
Cho A là một vành. Nhắc lại (A, V, p. 2) rằng đặc số của A được xác định khi A chứa một trường con. Nó bằng 0 khi và chỉ khi A chứa một trường con đẳng cấu với ; và bằng một số nguyên tố khi và chỉ khi ta có . Nếu đặc số của A được xác định, và nếu là một đồng cấu khác không của các vành, thì đặc số của B được xác định và nó bằng đặc số của A.
Cho A là một vành địa phương, với iđêan cực đại , và trường thặng dư .
a) Giả sử rằng có đặc số 0. Khi đó A chứa một trường và đặc số của A bằng 0. Thật vậy, đồng cấu chính tắc từ vào A là đơn ánh, và với mọi số nguyên khác không , là khả nghịch trong A, vì nó không thuộc .
b) Giả sử rằng có đặc số . Khi đó A chứa một trường khi và chỉ khi . Trong trường hợp này đặc số của A bằng .
Giả sử rằng A là một vành địa phương nguyên, với trường phân thức K và trường thặng dư .
a’) Vành A chứa một trường con khi và chỉ khi các đặc số của và K bằng nhau. Trong trường hợp này, đặc số của A bằng đặc số của và K, và ta nói rằng A là một vành địa phương có cùng đặc số.
b’) Giả sử rằng các trường và K không có cùng đặc số. Khi đó tồn tại một số nguyên tố sao cho có đặc số . Vì ta có với mọi số nguyên tố , nên trường K có đặc số 0. Khi đó ta nói rằng A là một vành địa phương có các đặc số khác nhau.
2. Một định lý nâng
Mệnh đề 1
Cho là một trường, A là một -đại số là một vành địa phương tách và đầy đủ, K là một mở rộng con- của có một cơ sở siêu việt tách được trên (A, V, p. 130, déf. 1). Với mỗi , gọi là một đại diện của trong A. Tồn tại duy nhất một trường con L của A, chứa và các phần tử , sao cho đồng cấu chính tắc từ A lên cảm sinh một đẳng cấu của L lên K.
Gọi là -đồng cấu của vành đa thức vào A biến thành với mọi . Gọi là một phần tử khác không của ; ta có , bởi vì họ là tự do đại số trên trong ; do đó, là khả nghịch trong vành địa phương A. Suy ra rằng mở rộng thành một đồng cấu của trường vào A. Khi đó A là một -đại số, là một mở rộng của và K là một mở rộng con của là đại số và tách được trên . Còn phải chứng minh rằng tồn tại duy nhất một trường con L của A chứa và sao cho .
a) Sự tồn tại của L: Gọi S là tập hợp các trường con L của A, chứa và sao cho ; nó là quy nạp đối với quan hệ bao hàm. Gọi L là một phần tử cực đại của S; ta xem K như một mở rộng (đại số và tách được, theo A, V, p. 40, mệnh đề 9) của L. Gọi và gọi là đa thức tối tiểu của nó trên L. Vì là một nghiệm đơn của P, bổ đề Hensel (III, § 4, no. 5, hệ quả 1 của định lý 2) đảm bảo sự tồn tại của một phần tử x của A sao cho và . Vành con của A thuộc S; do tính chất cực đại của L, do đó ta có , do đó . Cuối cùng ta có .
b) Tính duy nhất của L: Gọi L và L’ là hai trường con của A chứa và sao cho . Gọi , và gọi và là các phần tử sao cho . Nếu là đa thức tối tiểu của trên , thì là một nghiệm đơn của P, và ta có . Theo bổ đề Hensel (loc. cit.) ta có . Do đó .
Nhận xét
\* Chứng minh trước đây áp dụng tổng quát hơn cho trường hợp người ta chỉ giả thiết rằng A là một vành địa phương hensel*. Chứng minh tính duy nhất sử dụng giả thiết rằng vành địa phương A là tách được, nhưng không sử dụng giả thiết rằng nó đầy đủ.
3. Các trường đại diện
Định nghĩa 1
Cho A là một vành địa phương. Một trường đại diện của A là bất kỳ trường con K nào của A sao cho đồng cấu chính tắc của A lên cảm sinh một đẳng cấu của K lên (nói cách khác, sao cho ).
Một trường đại diện của A chỉ có thể tồn tại nếu A có một đặc số. Điều kiện này là đủ khi A là tách được và đầy đủ. Chính xác hơn, ta có định lý sau:
Định lý 1
Cho A là một vành địa phương tách được và đầy đủ có đặc số p.
a) Giả sử và là một họ các phần tử của A mà các lớp của chúng modulo tạo thành một cơ sở siêu việt của trên . Có một trường đại diện duy nhất của A chứa các phần tử .
b) Giả sử . Cho là một họ các phần tử của A mà các lớp của chúng modulo tạo thành một cơ sở p của (A, V, p. 95). Có một trường đại diện duy nhất của A chứa các phần tử . Nó là một vành con Cohen của A.
Giả sử rằng ta có , sao cho A là một -đại số. Mọi cơ sở siêu việt của trên đều là tách được, nên mệnh đề a) suy ra từ mệnh đề 1 của no. 1 áp dụng cho trường hợp , .
Bây giờ giả sử rằng ta có . Khi đó ta có , và mọi vành con Cohen C của A thỏa mãn . Nói cách khác, có sự đồng nhất giữa các khái niệm trường đại diện và vành con Cohen của A. Mệnh đề b) khi đó suy ra từ § 2, no. 2, định lý 1.
Hệ quả 1
Cho là một vành địa phương tách được và đầy đủ, có trường thặng dư là một mở rộng đại số của . Khi đó tồn tại một trường đại diện duy nhất của . Thật vậy vành có đặc số 0 (no. 1).
Hệ quả 2
Cho là một vành địa phương tách được và đầy đủ có đặc số . Giả sử rằng trường thặng dư là hoàn hảo. Khi đó tồn tại một trường đại diện duy nhất của , cụ thể là tập hợp các đại diện nhân. Hệ quả 2 suy ra ngay lập tức từ định lý 1 và mệnh đề 7 của § 2, no. 4.
Định lý 2
Cho là một vành địa phương Noether đầy đủ có chiều chứa một trường. Cho là một trường hệ số của , và cho là chiều của không gian vectơ trên trường . a) Tồn tại một iđêan của sao cho đại số là đẳng cấu với . b) Tồn tại một đại số con- của , đẳng cấu với và sao cho là một đại số hữu hạn trên . c) Giả sử vành địa phương Noether là chính quy, tức là . Khi đó tồn tại một -đẳng cấu từ lên . Cho là các phần tử của mà các lớp của chúng modulo sinh không gian vectơ trên . Theo bổ đề 3 của § 2, No. 5, tồn tại một đồng cấu toàn ánh từ vào , ánh xạ thành với . Điều này chứng minh . Tương tự, mệnh đề suy ra từ bổ đề 4 của cùng chỗ đã dẫn và từ sự tồn tại của một dãy cát tuyến cực đại đối với (VIII, § 3, No. 2, Định lý 1). Cuối cùng, mệnh đề không gì khác ngoài hệ quả 3 của Định lý 1 của VIII, § 5, No. 2.
Bài tập
Xem các bài tập cho § 3.