§ 4. Đóng nguyên của một vành địa phương đầy đủ
1. Các vành Nhật Bản
Định nghĩa 1
Cho là một vành nguyên Noether. Ta nói rằng là Nhật Bản nếu đóng nguyên của trong mọi mở rộng hữu hạn của trường phân thức của nó là một đại số hữu hạn trên .
Nhận xét 1
Điều này tương đương với việc nói rằng thỏa mãn điều kiện sau: mọi đại số nguyên nguyên trên , được chứa trong một mở rộng sinh hữu hạn của trường phân thức của , là một đại số hữu hạn trên . Thật vậy, trường phân thức của là một mở rộng đại số của , và do đó có bậc hữu hạn trên (A, V, p. 112, hệ quả 1 của mệnh đề 17). Đại số trên được chứa trong đóng nguyên của trong , và do đó là hữu hạn nếu cái sau là hữu hạn.
Ví dụ
Mọi đại số nguyên sinh hữu hạn trên một trường đều là một vành Nhật Bản (V, § 3, No. 2, định lý 2).
Mệnh đề 1
Cho A là một vành nguyên Noether, K là trường phân thức của nó. Giả sử rằng với mọi mở rộng radicial hữu hạn L của K, đóng nguyên của A trong L là một đại số hữu hạn trên A. Khi đó vành A là Nhật Bản.
Cho E là một mở rộng hữu hạn của K. Cho N là một mở rộng gần-Galois hữu hạn của K chứa E (A, V, p. 54, hệ quả 1), và L là trường các bất biến của nhóm các tự đẳng cấu K của N. Khi đó (A, V, p. 73, mệnh đề 13), L là một mở rộng radicial của K và N là một mở rộng tách được của L. Đóng nguyên B của A trong L do đó theo giả thiết là một đại số hữu hạn trên A; đóng nguyên C của B trong N là một đại số hữu hạn trên B (V, § 1, No. 6, hệ quả 1 của mệnh đề 18), do đó là một đại số hữu hạn trên A. Đóng nguyên của A trong E được chứa trong C, và do đó là một đại số hữu hạn trên A vì A là Noether.
Hệ quả
Giả sử trường K hoàn hảo (chẳng hạn có đặc số 0). Khi đó A là Nhật Bản khi và chỉ khi đóng nguyên của nó là một đại số hữu hạn trên A.
Mệnh đề 2
Cho B là một vành nguyên Noether và A là một vành con Noether của B, sao cho B là một đại số hữu hạn trên A. Để A là Nhật Bản, điều kiện cần và đủ là B là Nhật Bản.
Gọi K (tương ứng L) là trường phân thức của A (tương ứng B). Trước hết giả sử rằng A là Nhật Bản, và cho M là một mở rộng hữu hạn của L. Gọi C là đóng nguyên của B trong M. Theo V, § 1, No. 1, mệnh đề 6, C là đóng nguyên của A trong M, và do đó là một đại số hữu hạn trên A vì M là một mở rộng hữu hạn của K và A là Nhật Bản. A fortiori, C là một đại số hữu hạn trên B. Điều này chứng minh rằng B là Nhật Bản.
Ngược lại, giả sử B là Nhật Bản và cho N là một mở rộng hữu hạn của K. Gọi D là đóng nguyên của A trong N. Cho E là một mở rộng của K hợp thành bởi L và N; vì B là Nhật Bản, đóng nguyên D’ của B trong E là một đại số hữu hạn trên B, do đó là một đại số hữu hạn trên A; A-môđun D, là một môđun con của D’, do đó là sinh hữu hạn, do đó suy ra rằng A là Nhật Bản.
2. Định lý Nagata
Định lý 1 (Tate)
Cho A là một vành Noether đóng nguyên, a là một phần tử của A. Giả sử rằng iđêan là nguyên tố, rằng vành là Nhật Bản, và rằng A là đầy đủ đối với tôpô -adic. Khi đó vành A là Nhật Bản.
a) Gọi trường phân thức của A là K, vì mệnh đề là tầm thường khi K có đặc số 0 (No. 1, hệ quả của mệnh đề 1), ta có thể giả sử K có đặc số . Ta cũng có thể giả sử .
Cho L là một mở rộng radicial hữu hạn của K và q là một lũy thừa của p sao cho . Đặt và . Theo mệnh đề 1 của No. 1, chỉ cần chứng minh rằng đóng nguyên B của A trong M là một đại số hữu hạn trên A.
b) Trước hết hãy chứng minh rằng iđêan là iđêan nguyên tố duy nhất của B nằm trên . Thật vậy tồn tại ít nhất một iđêan nguyên tố của B nằm trên (V, § 2, No. 1, định lý 1). Cho q là một trong các iđêan này. Ta có , do đó vì q là nguyên tố. Ngược lại, cho y là một phần tử của q; phần tử của K là nguyên trên A, và do đó thuộc A vì A đóng nguyên. Vì , tồn tại một phần tử của A sao cho . Do đó phần tử của M là nguyên trên A, và do đó thuộc B; vậy ta có , do đó , điều này chứng minh mệnh đề của chúng ta.
c) Suy ra rằng vành là đóng nguyên trong M của vành (V, § 1, No. 5, mệnh đề 16 và § 2, No. 1, mệnh đề 2). Theo VI, § 3, No. 6, mệnh đề 9, là một vành định giá rời rạc; khi đó suy ra từ định lý Krull-Akizuki (VII, § 2, No. 5, mệnh đề 5) rằng trường là một mở rộng hữu hạn của và rằng là Noether.
d) Vành là nguyên trên vành Nhật Bản và trường phân thức của nó là một mở rộng hữu hạn của trường phân thức của vành sau. Do đó, là một -môđun sinh hữu hạn. Với mọi số nguyên , điều tương tự cũng đúng đối với môđun ; suy ra rằng -môđun có một chuỗi hợp thành độ dài q mà các thương của nó là các -môđun sinh hữu hạn, và do đó bản thân nó là một -môđun sinh hữu hạn.
e) Ta trang bị cho vành A với lọc -adic và vành B với lọc -adic. Khi đó A là đầy đủ theo giả thiết; vì là một miền nguyên và Noether, lọc -adic của là tách được (III, § 3, No. 2, hệ quả của mệnh đề 5); do đó ta có , và lọc -adic của B là tách được; môđun gr(A)-môđun gr(B) được sinh bởi gr_0(B), do đó là sinh hữu hạn theo d). Từ III, § 2, No. 9, hệ quả 1 của mệnh đề 12, suy ra rằng B là một A-môđun sinh hữu hạn, điều này hoàn tất chứng minh.
Hệ quả
Cho R là một miền nguyên Noether và n là một số nguyên. Nếu R là Japanese, vành là Japanese.
Lập luận bằng quy nạp, ta có thể giả sử rằng . Gọi S là bao đóng nguyên của R; nếu R là Japanese, S là một đại số hữu hạn trên R, do đó là một vành Japanese (No. 1, mệnh đề 2). Vành S[[T]] là Noether và đóng nguyên (V, § 1, No. 4, mệnh đề 14); áp dụng Định lý 1 cho và , ta suy ra S[[T]] là Japanese. Do đó R[[T]] là Japanese (No. 1, mệnh đề 2).
Định lý 2 (Nagata)
Mọi miền nguyên Noether địa phương đầy đủ A đều là Japanese.
Theo Định lý 3 của § 2, No. 5 và Định lý 2 của § 3, No. 3, tồn tại một số nguyên , một vành R là một trường hoặc một vành định giá rời rạc với trường phân thức có đặc số 0, và một vành con B của A, đẳng cấu với R[[T₁, ..., Tₙ]] và sao cho A là một đại số hữu hạn trên B. Khi đó R là Japanese (No. 1, ví dụ và hệ quả của mệnh đề 1), do đó B là Japanese (hệ quả của Định lý 1), và A là Japanese (No. 1, mệnh đề 2).
Hệ quả
Cho A là một vành Noether nửa địa phương có hoàn thành là giảm. Khi đó bao đóng nguyên A' của A trong vành phân thức toàn phần R của nó là một A-đại số hữu hạn.
Trước hết giả sử rằng A là địa phương và đầy đủ, và gọi p₁, ..., pₙ là các iđêan nguyên tố cực tiểu (phân biệt) của A; với i = 1, ..., n, gọi Kᵢ là trường phân thức của A/pᵢ và Aᵢ' là bao đóng nguyên của A/pᵢ. Vì A là giảm, R là tích của các vành Kᵢ và A' là tích của các vành Aᵢ' (V, § 1, No. 2, hệ quả 1 của mệnh đề 9). Vì các vành địa phương A/pᵢ là các miền nguyên và đầy đủ, chúng là Japanese (Định lý 2), do đó mỗi Aᵢ' là một A-đại số hữu hạn, và A' là một A-đại số hữu hạn.
Nếu A là nửa địa phương và đầy đủ, nó đẳng cấu với một tích hữu hạn của các vành địa phương đầy đủ (III, § 2, No. 13, hệ quả của mệnh đề 19), và ta kết luận ngay từ điều trước.
Ta chuyển sang trường hợp tổng quát, và nhận xét rằng hoàn thành  của A là một vành Noether nửa địa phương, đầy đủ, phẳng trung thành trên A (III, loc. cit., § 3, No. 4, hệ quả của mệnh đề 8 và § 3, No. 5, mệnh đề 9). Gọi S là tập hợp các phần tử không là ước của không của A; ta có R = S⁻¹A. Vì  phẳng trên A, các phần tử của S là các phần tử không là ước của không trong Â, và S⁻¹Â được đồng nhất với một vành con của vành phân thức toàn phần T của Â. Lại vì  phẳng trên A, vành A' ⊗_A  được đồng nhất với một vành con của R ⊗_A  = S⁻¹Â, do đó cũng với một vành con của T nguyên trên Â. Theo phần đầu của chứng minh, A' ⊗_A  vì thế là một Â-môđun sinh hữu hạn; do đó A' là một A-môđun sinh hữu hạn (I, § 3, No. 6, mệnh đề 11).
Nhắc lại (A, V, p. 114, định nghĩa 1) rằng một đại số E trên một trường K được gọi là tách được nếu vành L ⊗_K E là giảm với mọi mở rộng L của K; chỉ cần điều này đúng với mọi mở rộng hữu hạn của K. Mệnh đề sau đây mở rộng Định lý 2:
Mệnh đề 3
Cho A là một miền nguyên Noether nửa địa phương, K là trường phân thức của nó. Nếu K-đại số K ⊗_A Â là tách được, vành A là Japanese.
Cho L là một mở rộng hữu hạn của K và B là bao đóng nguyên của A trong L. Cho F là một tập con hữu hạn của B sao cho L = K[F] (V, § 1, No. 5, hệ quả 2 của mệnh đề 16); gọi C là A-đại số (hữu hạn) được sinh bởi F. Vì L là trường phân thức của C, vành B là bao đóng nguyên của C (V, § 1, No. 1, mệnh đề 6) và chỉ cần chứng minh rằng B là một C-đại số hữu hạn. Bây giờ, C là một vành Noether nửa địa phương (IV, § 2, No. 5, hệ quả 3 của mệnh đề 9); hoàn thành của nó được đồng nhất với C ⊗_A Â (III, § 3, No. 4, định lý 3 (ii)), do đó cũng với một vành con của vành giảm L ⊗_A Â = L ⊗_K (K ⊗_A Â) và vì thế là giảm. Mệnh đề 3 do đó suy ra từ hệ quả của Định lý 2.
3. Một số bổ đề
Bổ đề 1
Cho A là một vành Noether nửa địa phương và B là một A-đại số hữu hạn. Khi đó vành B là nửa địa phương và Noether; gọi m₁, ..., mₙ là các iđêan cực đại của nó.
Đồng cấu chính tắc của B vào mở rộng thành một đẳng cấu từ lên .
Theo IV, § 2, No. 5, hệ quả 3 của mệnh đề 9, vành B là nửa địa phương và là một iđêan định nghĩa của nó. Theo III, § 3, No. 4, định lý 3, (ii), vành là hoàn thành của B đối với tôpô được xác định bởi căn của nó; khi đó áp dụng III, § 2, No. 13, hệ quả của mệnh đề 19.
Bổ đề 2
Cho A là một vành Noether và M là một A-môđun. Ánh xạ chính tắc của M vào tích là đơn ánh.
Thật vậy, cho m là một phần tử khác không của M; khi đó Ann(m) được chứa trong một iđêan nguyên tố p của A liên kết với M (IV, § 1, No. 1, mệnh đề 2), và ảnh của m trong là khác không (II, § 2, No. 2, mệnh đề 4).
Bổ đề 3
Cho là một vành Noether, là một phần tử của , là một A-môđun sinh hữu hạn, và là một iđêan nguyên tố của liên kết với . Giả sử rằng phép vị tự là đơn ánh. Gọi là một iđêan nguyên tố của , cực tiểu trong số các iđêan chứa . Khi đó liên kết với A-môđun .
Cho là môđun con của tạo bởi các phần tử sao cho . Ta có ; thật vậy, nếu một phần tử của sao cho , thì vì là đơn ánh, do đó . Do đó, -môđun là đẳng cấu với môđun con của , và chỉ cần chứng minh rằng liên kết với . Vì liên kết với , tồn tại một phần tử của sao cho ; ta có , do đó và vì vậy theo II, § 4, No. 4, hệ quả của mệnh đề 18; do đó, liên kết với (IV, § 1, No. 4, định lý 2).
Bổ đề 4
Cho là một vành định giá rời rạc, là một vành địa phương Noether, và là một đồng cấu địa phương và phẳng. Nếu vành là giảm, thì là giảm.
Giả sử tồn tại một phần tử lũy linh khác không của , và gọi là một phần tử chuẩn hóa của . Vì , vành là tách được đối với tôpô -adic. Do đó tồn tại và sao cho và . Vì là phẳng trên , phép nhân bởi là đơn ánh trong . Lớp của trong do đó là một phần tử lũy linh khác không, điều này mâu thuẫn với giả thiết.
4. Vành Nagata
Định nghĩa 2
Một vành được gọi là một vành Nagata nếu nó là Noether và nếu, với mọi iđêan nguyên tố của , vành nguyên Noether là Japanese (No. 1, định nghĩa 1).
Ví dụ 1
Mọi đại số sinh hữu hạn trên một trường đều là một vành Nagata (No. 1, ví dụ).
Ví dụ 2
Mọi vành địa phương Noether đầy đủ đều là một vành Nagata (No. 2, định lý 2).
Ví dụ 3
Vành là một vành Nagata (No. 1, ví dụ và hệ quả của mệnh đề 1).
Ví dụ 4
Có thể chứng minh (bài tập 30) rằng mọi đại số sinh hữu hạn trên một vành Nagata đều là một vành Nagata.
Mệnh đề 4
Cho là một vành Nagata. a) Mọi đại số hữu hạn đều là một vành Nagata. b) Với mọi tập con nhân của , vành là một vành Nagata. a) Cho là một đại số hữu hạn, là đồng cấu chính tắc. Với mọi iđêan nguyên tố của , vành , là một đại số hữu hạn trên vành Nhật , là Nhật (No. 1, mệnh đề 2). b) Cho là một iđêan nguyên tố của ; khi đó tồn tại một iđêan nguyên tố của sao cho . Vành là một vành phân thức của vành Nhật , và do đó là Nhật (No. 1, nhận xét 2).
Định lý 3 (Zariski-Nagata)
Cho là một vành Noether nửa địa phương. Các điều kiện sau là tương đương: (i) là một vành Nagata; (ii) với mọi iđêan nguyên tố của , đại số - là tách được; (iii) với mọi đại số -rút gọn , vành là rút gọn. Trước hết ta chứng minh sự tương đương của các điều kiện (ii) và (iii). Sự kéo theo (iii) (ii) là tầm thường; ngược lại, giả sử rằng thỏa mãn điều kiện (ii). Khi đó, với mọi đại số - là một trường, vành là rút gọn. Bây giờ cho là một đại số -rút gọn hữu hạn kiểu; vành , vì là Noether, đẳng cấu với một vành con của một tích hữu hạn của các trường (IV, § 2, No. 5, Mệnh đề 10); vì là phẳng trên , vành đẳng cấu với một vành con của vành rút gọn , do đó là rút gọn. Cuối cùng, cho là một đại số -rút gọn bất kỳ; khi đó là hợp của họ lọc gồm các đại số con hữu hạn kiểu của nó, và là giới hạn trực tiếp của họ lọc gồm các vành rút gọn, do đó là rút gọn. Ta chứng minh rằng (ii) kéo theo (i). Cho là một iđêan nguyên tố của ; trường phân thức của vành được đồng nhất với , và đại số - được đồng nhất với , do đó với . Nếu là một đại số -tách được, vành là Nhật Bản (No. 2, Mệnh đề 3). Ta chứng minh sự kéo theo (i) (ii) bằng quy nạp theo . Điều này là hiển nhiên nếu vì khi đó là Artin, do đó đầy đủ. Cho là một số nguyên ; xét giả thiết sau:
(R)
Cho là một vành Nagata Noether nửa địa phương có chiều , cho là một iđêan nguyên tố của và là một mở rộng hữu hạn của trường ; chỉ cần chứng minh,
Hệ quả 1
Hoàn thành của một vành Nagata địa phương rút gọn là rút gọn.* Thực vậy, chỉ cần đặt R = A trong Định lý 3, (iii).
Hệ quả 2 (Chevalley)
Cho A là một đại số rút gọn hữu hạn kiểu trên một trường, và p là một iđêan nguyên tố của A. Hoàn thành của vành địa phương là rút gọn.* Vì A là rút gọn, vành địa phương là rút gọn; hơn nữa A là một vành Nagata (ví dụ 1), do đó là một vành Nagata (Mệnh đề 4), và Hệ quả 2 suy ra từ Hệ quả 1, áp dụng cho vành .
Hệ quả 3
Cho là một trường có đặc số 0, và là một -đại số địa phương Noether. Để là một vành Nagata, điều kiện cần và đủ là, với mọi iđêan nguyên tố của , vành là giảm.* Thật vậy, vì các trường có đặc số 0, điều này tương đương với việc nói rằng các đại số là giảm hoặc chúng là tách được (A, V, p. 117, Định lý 1), điều này cho thấy điều kiện đã nêu là đủ (Định lý 3, (ii) ⇒ (i)); hơn nữa nó là cần thiết (Định lý 3, (i) ⇒ (iii) với R = A/p).
Bài tập
Xem các bài tập cho § 4.