Bourbaki

3. Các đại số sinh hữu hạn trên một trường

1. Bổ đề chuẩn hóa

Trong số này và số tiếp theo, k ký hiệu một trường giao hoán.

Định lý 1 (Bổ đề chuẩn hóa)

Cho A là một đại số trên k sinh hữu hạn và cho a1⊂a2⊂…⊂apa_1 \subset a_2 \subset \ldots \subset a_p là một dãy hữu hạn tăng các iđêan của A sao cho p≥1p \geq 1 và ap≠Aa_p \neq A. Tồn tại một dãy hữu hạn (xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n} các phần tử của A, độc lập đại số trên k (Chương III, § 1, no. 1), sao cho: (a) A là nguyên trên vành B=k[x1,…,xn]B = k[x_1, \ldots, x_n]. (b) Với mọi j sao cho 1≤j≤p1 \leq j \leq p, tồn tại một dãy tăng (h(j))j≤j≤p(h(j))_{j \leq j \leq p} các số nguyên sao cho với mọi j, iđêan aj∩Ba_j \cap B của B được sinh bởi x1,…,xh(j)x_1, \ldots, x_{h(j)}.

Trích dẫn đến 5 · Được trích dẫn bởi 4

Trích dẫn đến III § 1. Đại số phân bậc sinh hữu hạn, Mệnh đề 2, V § 1, Hệ quả 2, V § 1, Hệ quả, V § 1, Mệnh đề 6, V § 1

Được trích dẫn bởi Mệnh đề 1, Hệ quả 1, Định lý 2, Định lý 3

Trước hết chú ý rằng chỉ cần chứng minh định lý trong trường hợp A là một đại số đa thức k[Y1,…,Ym]k[Y_1, \ldots, Y_m]. Thật vậy, trong trường hợp tổng quát, A đẳng cấu với một thương của một đại số như thế A' bởi một iđêan a0′a'_0; gọi aj′a'_j là ảnh ngược của aja_j trong A' và gọi xi′x'_i (1≤i≤r1 \leq i \leq r) là các phần tử của A' thỏa mãn các điều kiện của mệnh đề đối với vành A' và dãy tăng các iđêan a0′⊂a1′⊂…⊂ap′a'_0 \subset a'_1 \subset \ldots \subset a'_p. Khi đó các ảnh xix_i của các xi′x'_i trong A với i>h(0)i > h(0) thỏa mãn các điều kiện cần có; điều này hiển nhiên đối với điều kiện (b), còn đối với điều kiện (a) thì điều này suy ra từ § 1, no. 1, Mệnh đề 2; sau cùng, nếu các xi(h(0)+1≤i≤r)x_i(h(0) + 1 \leq i \leq r) không độc lập đại số trên k, thì sẽ tồn tại một đa thức khác không

Q∈k[Xh(0)+1,…,Xr] Q \in k[X_{h(0)+1}, \ldots, X_r]

trong đó các QjQ_j là các đa thức trong k[Y1,…,Ym]k[Y_1, \ldots, Y_m]; vì ap≠0a_p \neq 0 là khả nghịch trong kk, (4) chắc chắn là một phương trình phụ thuộc nguyên với các hệ số trong B, do đó có mệnh đề của chúng ta.

Trường phân thức k(Y1,…,Yr)k(Y_1, \ldots, Y_r) của A vì thế là đại số trên trường phân thức k(x1,…,xm)k(x_1, \ldots, x_m) của B, điều này chứng minh (Đại số, Chương V, § 5, no. 3, Định lý 4) rằng các xix_i (1≤i≤m1 \leq i \leq m) là độc lập đại số. Hơn nữa, a∩B=Bx1a \cap B = Bx_1; với mọi phần tử z∈a,∩Bz \in a, \cap B có thể viết z=x1z′z = x_1 z' trong đó z′∈A∩k(x1,…,xr)z' \in A \cap k(x_1, \ldots, x_r); nhưng A∩k(x1,…,xr)=k[x1,…,xm]=BA \cap k(x_1, \ldots, x_r) = k[x_1, \ldots, x_m] = B vì B đóng nguyên (§\S 1, no. 3, Hệ quả 2 của Mệnh đề 13); do đó z′∈Bz' \in B, điều này hoàn tất chứng minh các tính chất (a) và (b) trong trường hợp này.

(A2) Trường hợp tổng quát (p=1p = 1). Ta lập luận bằng quy nạp theo mm, trường hợp m=0m = 0 là tầm thường. Hiển nhiên ta có thể giả sử rằng ai≠0a_i \neq 0 (nếu không thì ta có thể lấy xi=Yx_i = Y, với 1≤i≤m1 \leq i \leq m và h(1)=0h(1) = 0). Cho x1x_1 là một phần tử khác không của aia_i; theo (A1) tồn tại t2,…,tmt_2, \ldots, t_m sao cho x1,t2,…,tx_1, t_2, \ldots, t, độc lập đại số trên kk, AA là nguyên trên C=k[x1,t2,…,tm]C = k[x_1, t_2, \ldots, t_m] và x1A∩C=x1Cx_1 A \cap C = x_1 C. Theo giả thiết quy nạp tồn tại các phần tử x2,…,xmx_2, \ldots, x_m của k[t2,…,tm]k[t_2, \ldots, t_m] và một số nguyên hh sao cho k[t2,…,tm]k[t_2, \ldots, t_m] là nguyên trên B′=k[x2,…,xm]B' = k[x_2, \ldots, x_m], x2,…,xmx_2, \ldots, x_m độc lập đại số trên kk và iđêan ai∩B′a_i \cap B' được sinh bởi x2,…,xhx_2, \ldots, x_h. Khi đó CC là nguyên trên B=k[x1,x2,…,xm]B = k[x_1, x_2, \ldots, x_m] (§\S 1, no. 1, Hệ quả của Mệnh đề 5 ) và do đó AA cũng vậy (§\S 1, no. 1, Mệnh đề 6 ); cùng một lập luận như trong trường hợp (A1) cho thấy rằng x1,…,xmx_1, \ldots, x_m độc lập đại số trên kk; sau cùng, vì x1∈aix_1 \in a_i, và B=B′[x1],ai∩B=Bx,+(ai∩B′)B = B'[x_1], a_i \cap B = Bx, + (a_i \cap B') và, vì ai∩B′a_i \cap B' được sinh (trong B′B') bởi x2,…,xh,ai∩Bx_2, \ldots, x_h, a_i \cap B được sinh (trong BB) bởi x1,x2,…,xhx_1, x_2, \ldots, x_h.

(B) Đoạn từ p−1p - 1 trở lên. Cho t1,…,trt_1, \ldots, t_r, là các phần tử của AA thỏa mãn các điều kiện của định lý đối với dãy tăng các iđêan a1⊂…⊂ap−1a_1 \subset \ldots \subset a_{p-1} và đặt r=h(p−1)r = h(p - 1). Theo (A2), tồn tại các phần tử xr+1,…,xsx_{r+1}, \ldots, x_s của k[tr+1,…,tm]k[t_{r+1}, \ldots, t_m] và một số nguyên s sao cho

C=k[tr+1,…,tm] C = k[t_{r+1}, \ldots, t_m]
là nguyên trên B′=k[xr+1,…,xm]B' = k[x_{r+1}, \ldots, x_m], xr+1,…,xsx_{r+1}, \ldots, x_s độc lập đại số trên kk và iđêan ap∩B′a_p \cap B' được sinh bởi xr+1,…,xsx_{r+1}, \ldots, x_s. Viết xi=tix_i = t_i với i≤ri \leq r thì họ (xi)1≤i≤m(x_i)_{1 \leq i \leq m} thu được giải quyết bài toán với h(p)=sh(p) = s. Vì AA là nguyên trên C[t1,…,tr]=C[x1,…,xr]C[t_1, \ldots, t_r] = C[x_1, \ldots, x_r] và do đó cũng nguyên trên B=k[x1,…,xm]=B′[x1,…,xr]B = k[x_1, \ldots, x_m] = B'[x_1, \ldots, x_r] vì CC là nguyên trên B′B' (§\S 1, no. 1, Hệ quả của Mệnh đề 5 và Mệnh đề 6); có thể chỉ ra như trong trường hợp (A1) rằng các xix_i độc lập đại số trên kk. Mặt khác, với j≤p−1j \leq p - 1, iđêan
aj∩k[x1,…,xr,tr+1,…,tm] a_j \cap k[x_1, \ldots, x_r, t_{r+1}, \ldots, t_m]
theo giả thiết là tập hợp các đa thức theo x1,…,xr,tr+1,…,tmx_1, \ldots, x_r, t_{r+1}, \ldots, t_m mà mọi đơn thức của chúng đều chứa một trong các phần tử x1,…,xh(j)x_1, \ldots, x_{h(j)}; vì xr+1,…,xmx_{r+1}, \ldots, x_m là các đa thức theo tr+1,…,tt_{r+1}, \ldots, t, với các hệ số trong kk, nên ngay lập tức thấy rằng một đa thức theo x1,…,xr,xr+1,…,xsx_1, \ldots, x_r, x_{r+1}, \ldots, x_s (với các hệ số trong kk) chỉ có thể thuộc aja_j nếu mọi đơn thức của nó đều chứa một trong các phần tử x1,…,xh(j)x_1, \ldots, x_{h(j)}. Sau cùng, vì x1,…,xrx_1, \ldots, x_r thuộc ap−1a_{p-1}, và do đó cũng thuộc apa_p, nên ap∩B′[x1,…,xr]a_p \cap B'[x_1, \ldots, x_r] gồm các đa thức theo x1,…,xrx_1, \ldots, x_r với hệ số trong B′B' mà số hạng hằng thuộc ap∩B′a_p \cap B'; vậy iđêan này được sinh bởi x1,…,xr,xr+1,…,xtx_1, \ldots, x_r, x_{r+1}, \ldots, x_t.

Hệ quả 1

Cho AA là một miền nguyên và BB là một AA-đại số sinh hữu hạn chứa AA như một vành con. Khi đó tồn tại một phần tử s≠0s \neq 0 của AA và một đại số con B′B' của BB đẳng cấu với một đại số đa thức A[Y1,…,Yn]A[Y_1, \ldots, Y_n] sao cho B[s−1]B[s^{-1}] (Chương II, § 2, no. 1) là nguyên trên B′[s−1]B'[s^{-1}].

Trích dẫn đến 5 · Được trích dẫn bởi 4

Trích dẫn đến II § 2. Vành và môđun phân thức, Định lý 1, II § 2, Định lý 1 (Bổ đề chuẩn hóa), Mệnh đề 2, V § 1, Mệnh đề 4, V § 1

Được trích dẫn bởi Bài tập 2, § 3, Mệnh đề 5, Hệ quả 2, Hệ quả 3

Ta viết S=A−{0}S = A - \{0\} và đặt k=S−1Ak = S^{-1}A là trường phân thức của AA; rõ ràng S−1BS^{-1}B là một đại số kk sinh hữu hạn và, vì nó chứa kk theo giả thiết (Chương II, § 2, no. 4, Định lý 1), nó không bị thu về 0. Do đó theo Định lý 1 (áp dụng với top = 1 và ai=0a_i = 0) tồn tại một dãy hữu hạn (xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n} các phần tử của S−1BS^{-1}B độc lập đại số trên kk và sao cho S−1BS^{-1}B là nguyên trên k[x1,…,xn]k[x_1, \ldots, x_n]. Gọi (zj)1≤j≤m(z_j)_{1 \leq j \leq m} là một hệ các phần tử sinh của BB như một AA-đại số; trong S−1BS^{-1}B mỗi zj/1z_j/1 thỏa mãn một phương trình phụ thuộc nguyên

(zj/1)aj+∑h<ajPhj(x1,…,xn)(zj/1)h=0 (z_j/1)^{a_j} + \sum_{h < a_j} P_{hj}(x_1, \ldots, x_n)(z_j/1)^h = 0

trong đó các PhjP_{hj} là những đa thức theo các xix_i với hệ số trong kk. Tồn tại một phần tử s≠0s \neq 0 của AA sao cho ta có thể viết xi=yi/sx_i = y_i/s sao cho, ∈B\in B với 1≤i≤n1 \leq i \leq n và mọi hệ số của các PhjP_{hj} đều có dạng c/sc/s trong đó c∈Ac \in A; sau hết, bằng cách thay thế, nếu cần, ss bởi một tích các phần tử của SS, ta có thể giả sử rằng trong BB

szjaj+∑h<ajQhjzjh=0 sz_j^{a_j} + \sum_{h < a_j} Q_{hj}z_j^h = 0

trong đó các QhjQ_{hj} là những đa thức theo y1,…,yny_1, \ldots, y_n với hệ số trong AA; nếu ta viết zj′=szjz'_j = sz_j, thì thấy rằng, bằng cách nhân (6) với saj−1s^{a_j-1}, zj′z'_j là nguyên trên B′=A[y1,…,yn]B' = A[y_1, \ldots, y_n]. Ta chứng minh rằng các yiy_i độc lập đại số trên AA; nếu có một quan hệ dạng ∑papy1p1…ynpn=0\sum_p a_p y_1^{p_1} \ldots y_n^{p_n} = 0 trong đó ap∈Aa_p \in A với mọi pp, ta suy ra rằng ∑pap′x1p1…xnpn=0\sum_p a'_p x_1^{p_1} \ldots x_n^{p_n} = 0 trong S−1BS^{-1}B, trong đó ap′=apsp1+⋯+pna'_p = a_p s^{p_1 + \cdots + p_n} trong kk; do giả thiết nên ap′=0a'_p = 0 với mọi pp, do đó ap=0a_p = 0 với mọi pp. Hơn nữa, trong vành B[s−1]B[s^{-1}] mỗi zj′/1z'_j/1 là nguyên trên B′[s−1]B'[s^{-1}] (§ 1, no. 1, Mệnh đề 2) và, vì zj/1=(zj′/1)(1/s)z_j/1 = (z'_j/1)(1/s) trong B[s−1]B[s^{-1}], nên thấy rằng các zj/1z_j/1 là nguyên trên B′[s−1]B'[s^{-1}], điều này hoàn tất chứng minh (§ 1, no. 1, Mệnh đề 4).

Hệ quả 2

Cho KK là một trường, AA là một vành con của KK và LL là trường phân thức của AA. Nếu KK là một AA-đại số sinh hữu hạn, thì [K:L][K:L] là hữu hạn và tồn tại a≠0a \neq 0 trong AA sao cho L=A[a−1]L = A[a^{-1}].

Trích dẫn đến 3 · Được trích dẫn bởi 1

Trích dẫn đến Mệnh đề 4, V § 1, Bổ đề 2, V § 2, Hệ quả 1

Được trích dẫn bởi Định lý 3

Từ Hệ quả 1 suy ra rằng tồn tại các phần tử x1,…,xnx_1, \ldots, x_n của KK và một phần tử a≠0a \neq 0 của AA sao cho x1,…,xnx_1, \ldots, x_n độc lập đại số trên AA (và do đó trên L) và KK là nguyên trên vành con A[x1,…,xn,a−1]A[x_1, \ldots, x_n, a^{-1}]. Khi đó, theo §2, no.1, Bổ đề 2, A[x1,…,xn,a−1]A[x_1, \ldots, x_n, a^{-1}] là một trường. Nhưng các phần tử khả nghịch duy nhất của một vành đa thức C[Y1,…,Yn]C[Y_1, \ldots, Y_n] trên một miền nguyên C là các phần tử khả nghịch của C; áp dụng nhận xét này cho C=A[a−1]C = A[a^{-1}], ta thấy tất yếu n=0n = 0 và A[a−1]A[a^{-1}] là một trường bằng L theo định nghĩa của trường này. Vì K là nguyên trên L và là một L-đại số sinh hữu hạn, nên bậc [K:L] là hữu hạn (§ 1, no. 1, Mệnh đề 4).

Hệ quả 3

Cho A là một miền nguyên, B là một A-đại số sinh hữu hạn và b là một phần tử của B sao cho zbn≠0zb^n \neq 0 với mọi z≠0z \neq 0 trong A và mọi số nguyên n>0n > 0. Gọi φ:A→B\varphi : A \to B là đồng cấu chính tắc; tồn tại a≠0a \neq 0 trong A sao cho, với mọi đồng cấu f từ A vào một trường đóng đại số L thỏa mãn f(a)≠0f(a) \neq 0, tồn tại một đồng cấu g từ B vào L sao cho g(b)≠0g(b) \neq 0 và f=g∘φf = g \circ \varphi.

Trích dẫn đến 3 · Được trích dẫn bởi 2

Trích dẫn đến Hệ quả 1, Mệnh đề 1, II § 2, Hệ quả 4, V § 2

Được trích dẫn bởi Mệnh đề 1, Định lý 3

Giả thiết trên b kéo theo rằng, nếu h là đồng cấu chính tắc x↦x/1x \mapsto x/1 từ B vào B[b−1]B[b^{-1}], thì đồng cấu h∘φh \circ \varphi từ A vào B[b−1]B[b^{-1}] là đơn ánh. Bởi Hệ quả 1, do đó tồn tại một phần tử a≠0a \neq 0 của A và một vành con B′B' của B[b−1]B[b^{-1}] sao cho B[b−1,a−1]B[b^{-1}, a^{-1}] là nguyên trên B′[a−1]B'[a^{-1}] và B′B' đẳng cấu với một đại số đa thức A[Y1,…,Yn]A[Y_1, \ldots, Y_n]. Cho f là một đồng cấu từ A vào một trường đóng đại số L sao cho f(a)≠0f(a) \neq 0; tồn tại một đồng cấu từ A[Y1,…,Yn]A[Y_1, \ldots, Y_n] vào L kéo dài f và do đó tồn tại một đồng cấu f′f' từ B′B' vào L kéo dài f. Vì f′(a)≠0f'(a) \neq 0 trong L, tồn tại một đồng cấu f′′f'' từ B′[a−1]B'[a^{-1}] vào L sao cho

f′′(x/an)=f′(x)⋅(f(a))−n f''(x/a^n) = f'(x) \cdot (f(a))^{-n}

đối với mọi x∈B′x \in B' và mọi n>0n > 0 (Chương II, §2, no. 1, Mệnh đề 1). Cuối cùng, vì B[b−1,a−1]B[b^{-1}, a^{-1}] là nguyên trên B′[a−1]B'[a^{-1}], nên tồn tại một đồng cấu f′′′f''' từ B[b−1,a−1]B[b^{-1}, a^{-1}] đến L mở rộng f′′f'' (§2, no. 1, Hệ quả 4 của Định lý 1). Nếu j:x↦x/1j : x \mapsto x/1 là đồng cấu chính tắc từ B đến B[b−1,a−1]B[b^{-1}, a^{-1}], thì g=f′′′∘jg = f''' \circ j giải được bài toán vì j(b)j(b) khả nghịch trong B[b−1,a−1]B[b^{-1}, a^{-1}] và do đó f′′′(j(b))≠0f'''(j(b)) \neq 0 trong L.

Chú ý rằng, nếu trong Hệ quả 3, B được giả thiết là một miền nguyên và A⊂BA \subset B, thì giả thiết trên b tương đương với b≠0b \neq 0.

2. Bao đóng nguyên của một đại số hữu hạn sinh trên một trường

Định lý 2

Cho A là một đại số nguyên trên k sinh hữu hạn, K trường phân thức của nó và A′A' là bao đóng nguyên của A trong một trường K' là một mở rộng đại số hữu hạn của K. Khi đó A′A' là một A-môđun hữu hạn sinh và một đại số trên k sinh hữu hạn.

Trích dẫn đến 6 · Được trích dẫn bởi 2

Trích dẫn đến Hệ quả 2, III § 2, Hệ quả 1, V § 1, Mệnh đề 6, V § 1, Định lý 1 (Bổ đề chuẩn hóa), Mệnh đề 4, Mệnh đề 5

Được trích dẫn bởi Hệ quả 3, V § 1, Bài tập 6, § 3

Theo Định lý 1, tồn tại một đại số con C của A đẳng cấu với một đại số đa thức k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] và sao cho A là nguyên trên C; A′A' hiển nhiên là bao đóng nguyên của C trong K' (§ 1, no. 1, Mệnh đề 6); do đó ta có thể chỉ xét trường hợp A=k[X1,…,Xn]A = k[X_1, \ldots, X_n]. Gọi NN là mở rộng quasi-Galois của KK (trong một bao đóng đại số của KK) được sinh bởi K′K', khi đó N là một mở rộng đại số hữu hạn của KK (Đại số, Chương V, § 6, no. 3, Hệ quả 1 của Mệnh đề 9). Chỉ cần chứng minh rằng bao đóng nguyên BB của AA trong NN là một AA-môđun hữu hạn sinh, vì A′A' là một A-môđun con của BB và AA là một vành Noether (Chương III, § 2, no. 10, Hệ quả 2 của Định lý 2). Do đó ta có thể chỉ xét trường hợp K′K' là một mở rộng quasi-Galois của KK. Khi đó ta biết (Đại số, Chương V, § 10, no. 9, Mệnh đề 14) rằng K′K' là một mở rộng Galois (hữu hạn) của một mở rộng radicial (hữu hạn) K′′K'' của KK. Nếu A′′A'' là bao đóng nguyên của AA trong K′′K'', thì A′A' là bao đóng nguyên của A′′A'' trong K′K', và chỉ cần chứng minh rằng A′′A'' là một A-môđun hữu hạn sinh và A′A' là một A′′A''-môđun hữu hạn sinh. Bây giờ, nếu đã chứng minh được rằng A′′A'' là một A-môđun hữu hạn sinh, thì nó là một miền Noether, nguyên đóng theo định nghĩa; việc AA là một A′′A''-môđun hữu hạn sinh sẽ suy ra từ § 1, no. 6, Hệ quả 1 của Mệnh đề 18.

Do đó ta thấy rằng ta có thể chỉ cần xét trường hợp A=k[X1,…,Xn]A = k[X_1, \ldots, X_n] và K′K' là một mở rộng thuần bất khả phân hữu hạn của K=k(X1,…,Xr)K = k(X_1, \ldots, X_r). Khi đó K′K' được sinh bởi một họ hữu hạn các phần tử (yi)1≤i≤m(y_i)_{1 \leq i \leq m} và tồn tại một lũy thừa qq của số mũ của đặc tính của kk sao cho yiq∈k(X1,…,Xr)y_i^q \in k(X_1, \ldots, X_r). Gọi cjc_j (1≤j≤r1 \leq j \leq r) là các hệ số của tử số và mẫu số của các hàm hữu tỉ theo X1,…,XrX_1, \ldots, X_r, bằng với yiqy_i^q (1≤i≤m1 \leq i \leq m). Khi đó K′K' được chứa trong mở rộng L=k′(X1q−1,…,Xnq−1)L = k'(X_1^{q^{-1}}, \ldots, X_n^{q^{-1}}), trong đó k′=k(c1q−1,…,crq−1)k' = k(c_1^{q^{-1}}, \ldots, c_r^{q^{-1}}) (ta đang ở trong một bao đóng đại số của K′K') và AA được chứa trong bao đóng đại số B′B' của AA trong L′L'. Bây giờ, k′k' là đại số trên kk và do đó C′=k′[X1,…,Xn]C' = k'[X_1, \ldots, X_n] là nguyên trên AA (§1§ 1, no. 1, mệnh đề 5); vì k′[X1q−1,…,Xnq−1]k'[X_1^{q^{-1}}, \ldots, X_n^{q^{-1}}] là nguyên đóng (§1§ 1, no. 3, hệ quả 2 to mệnh đề 13), ta thấy rằng vành này là bao đóng nguyên của C′C' trong L′L' và do đó cũng là bao đóng nguyên của AA (§1§ 1, no. 1, mệnh đề 6), nói cách khác B′=k′[X1q−1,…,Xnq−1]B' = k'[X_1^{q^{-1}}, \ldots, X_n^{q^{-1}}]. Rõ ràng B′B' là một C′C'-môđun sinh hữu hạn (§1§ 1, no. 1, mệnh đề 4) và, vì k′k' là một mở rộng hữu hạn của kk, C′C' là một AA-môđun sinh hữu hạn và do đó B′B' là một AA-môđun sinh hữu hạn; vì AA là Noether và A⊂B′A \subset B', A′A' là một AA-môđun sinh hữu hạn.

3. Nullstellensatz

Mệnh đề 1

Cho AA là một đại số sinh hữu hạn trên một trường kk và LL là bao đóng đại số của kk.

Trích dẫn đến 3 · Được trích dẫn bởi 2

Trích dẫn đến Định lý 1 (Bổ đề chuẩn hóa), Hệ quả 3, Mệnh đề 3, A V § 3

Được trích dẫn bởi Bổ đề 1, Mệnh đề 5

(i) Nếu A≠{0}A \neq \{0\}, tồn tại một kk-đồng cấu từ AA vào LL.

(ii) Cho f1,f2f_1, f_2 là hai đồng cấu kk từ AA vào LL. Để f1f_1 và f2f_2 có cùng hạt nhân, điều kiện cần và đủ là tồn tại một tự đẳng cấu kk ss của LL sao cho f2=s∘f1f_2 = s \circ f_1.

(iii) Cho aa là một iđêan của AA. Để aa là cực đại, điều kiện cần và đủ là nó là hạt nhân của một đồng cấu k từ AA vào LL.

(iv) Để một phần tử xx của AA có tính chất f(x)=0f(x) = 0 đối với mọi đồng cấu k ff từ AA vào LL, điều kiện cần và đủ là xx lũy linh.

Mệnh đề (i) suy ra từ no. 1, Hệ quả 3 của Định lý 1 áp dụng với việc thay thế AA bởi kk, BB bởi AA, bb bởi phần tử đơn vị của BB và ff bởi đơn ánh chính tắc của kk vào LL.

Nếu ff là một đồng cấu k từ AA vào LL thì f(A)f(A) là một vành con của LL chứa kk; vì LL là một mở rộng đại số của kk, f(A)f(A) là một trường (Đại số, Chương V, § 3, no. 2, Mệnh đề 3) và, nếu aa là hạt nhân của f, A/aA/a, đẳng cấu với f(A)f(A), do đó là một trường, điều này chứng tỏ aa là cực đại. Ngược lại, nếu aa là một iđêan cực đại của AA, thì từ (i) suy ra tồn tại một đồng cấu k từ A/aA/a vào LL và do đó một đồng cấu k của AA vào LL mà hạt nhân bb chứa aa; nhưng vì aa là cực đại nên b=ab = a; điều này chứng tỏ (iii).

Bây giờ chứng minh (ii). Nếu ss là một tự đẳng cấu trên k của LL sao cho f2=s∘f1f_2 = s \circ f_1, thì rõ ràng f1f_1 và f2f_2 có cùng hạt nhân. Ngược lại, giả sử rằng f1f_1 và f2f_2 có cùng hạt nhân; khi đó tồn tại một đẳng cấu trên k s0s_0 từ trường f1(A)f_1(A) lên trường f2(A)f_2(A) sao cho f2=s0∘f1f_2 = s_0 \circ f_1; nhưng theo Đại số, Chương V, § 6, no. 3, Mệnh đề 7, s0s_0 mở rộng thành một tự đẳng cấu trên k của LL và do đó f2=s∘f1f_2 = s \circ f_1.

Cuối cùng, nếu x∈Ax \in A sao cho xn=0x^n = 0, thì với mọi đồng cấu trên k ff từ AA đến LL, ta có (f(x))n=f(xn)=0(f(x))^n = f(x^n) = 0 và do đó f(x)=0f(x) = 0 vì LL là một trường. Ngược lại, giả sử rằng x∈Ax \in A không lũy linh; khi đó A[x−1]A[x^{-1}] là một đại số trên AA sinh hữu hạn (và do đó là một đại số trên k sinh hữu hạn) không thu về 0 (Chương 11, § 2, no. 1, Nhận xét 3) và do đó tồn tại một đồng cấu trên k gg từ A[x−1]A[x^{-1}] đến LL theo (i). Nếu j:A→A[x−1]j : A \to A[x^{-1}] là đồng cấu chính tắc, thì f=g∘jf = g \circ j là một đồng cấu trên k từ AA đến LL và f(x)g(1/x)=g(x/1)g(1/x)=g(1)=1f(x)g(1/x) = g(x/1)g(1/x) = g(1) = 1, do đó f(x)≠0f(x) \neq 0.

Cho kk là một trường và LL là một trường mở rộng của kk; một phần tử x=(x1,…,xn)x = (x_1, \ldots, x_n) của LnL^n được gọi là một không điểm trong LnL^n của một iđêan cc của vành đa thức k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] nếu

P(x)=P(x1,…,xn)=0 P(x) = P(x_1, \ldots, x_n) = 0

với mọi P∈rP \in r.

Bổ đề 1

Cho AA là một đại số sinh hữu hạn trên một trường kk, (ai)1≤i≤n(a_i)_{1 \leq i \leq n} là một hệ sinh của đại số này và cc là iđêan các quan hệ đại số giữa các aia_i với hệ số trong kk (Đại số, Chương IV, § 2, no. 1). Với mọi trường mở rộng LL của kk, ánh xạ f↦(f(ai))1≤i≤nf \mapsto (f(a_i))_{1 \leq i \leq n} là một song ánh từ tập hợp các đồng cấu trên k từ AA đến LL lên tập hợp các không điểm của rr trong LnL^n.

Trích dẫn đến 2

Trích dẫn đến A IV § 2. Các nghiệm không của đa thức, Mệnh đề 1

Tồn tại duy nhất một đồng cấu đại số trên k hh từ k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] lên AA sao cho h(Xi)=aih(X_i) = a_i, với 1≤i≤n1 \leq i \leq n và theo định nghĩa rr là hạt nhân của hh. Ánh xạ f ↦\mapsto h là một song ánh từ tập các đồng cấu k từ AA vào LL lên tập các đồng cấu k từ k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] vào LL mà bằng không trên c. Với mọi đa thức P∈k[X1,…,Xn]P \in k[X_1, \ldots, X_n] và mọi phần tử x=(x1,…,xi)∈Lnx = (x_1, \ldots, x_i) \in L^n ta viết hx(P)=P(x)h_x(P) = P(x); khi đó ánh xạ x↦hxx \mapsto h_x là một song ánh từ LnL^n lên tập các đồng cấu k từ k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] vào LL (một đồng cấu như vậy được xác định bởi các giá trị của nó tại các XiX_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) ); nói rằng hxh_x bằng không trên c có nghĩa là xx là một điểm không của c trong L′′L'', do đó bổ đề được chứng minh.

Nếu áp dụng Mệnh đề 1 cho đại số A=k[X1,…,Xn]/rA = k[X_1, \ldots, X_n]/r, trong đó c là một iđêan của k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] phân biệt với toàn bộ vành, thì theo Bổ đề 1 ta thu được mệnh đề sau:

Mệnh đề 2 (Định lý không điểm của Hilbert)

Cho k là một trường và L là một bao đóng đại số của k.

(i) Mọi iđêan r⊄k[X1,…,Xn]r \not\subset k[X_1, \ldots, X_n] không chứa 1 đều có ít nhất một điểm không trong LnL^n.

(ii) Cho x=(x1,…,xn),y=(y1,…,yn)x = (x_1, \ldots, x_n), y = (y_1, \ldots, y_n) là hai phần tử của LnL^n; để tập các đa thức của k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] bằng không tại x trùng với tập các đa thức của k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] bằng không tại y, điều kiện cần và đủ là tồn tại một tự đẳng cấu k s của L sao cho yi=s(xi)y_i = s(x_i) với 1≤i≤n1 \leq i \leq n.

(iii) Để một iđêan a của k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] là cực đại, điều kiện cần và đủ là tồn tại một x trong LnL^n sao cho a là tập các đa thức của k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] bằng không tại x.

(iv) Để một đa thức Q của k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n] bằng không trên tập các điểm không trong L′′L'' của một iđêan c của k[X1,…,Xn]k[X_1, \ldots, X_n], điều kiện cần và đủ là tồn tại một số nguyên m > 0 sao cho Qm∈cQ^m \in c.

4. Các vành Jacobson

Định nghĩa 1

Một vành A được gọi là một vành Jacobson nếu mọi iđêan nguyên tố của A là giao của một họ các iđêan cực đại.

Trích dẫn đến 1

Trích dẫn đến Mệnh đề 4

Ví dụ

(1) Mọi trường đều là một vành Jacobson. (2) Vành Z\mathbf{Z} là một vành Jacobson, iđêan nguyên tố duy nhất không cực đại là (0) là giao của các iđêan cực đại (p)(p) của Z\mathbf{Z}, trong đó pp chạy qua tập các số nguyên tố (xem Mệnh đề 4). (3) Cho A là một vành Jacobson và cho a là một iđêan của A. Khi đó A/aA/a là một vành Jacobson, vì các iđêan của A/aA/a có dạng b/ab/a, trong đó b là một iđêan của A chứa a, và b/ab/a là nguyên tố (tương ứng, cực đại) khi và chỉ khi b là như vậy.

Mệnh đề 3

Để một vành A là một vành Jacobson, điều kiện cần và đủ là, với mọi iđêan a của A, căn Jacobson của A/aA/a bằng căn lũy linh của nó (Chương II, § 2, no. 6).

Trích dẫn đến 1 · Được trích dẫn bởi 1

Trích dẫn đến II § 2. Vành và môđun phân thức

Được trích dẫn bởi Hệ quả 1, VII § 2

Căn Jacobson (tương ứng, căn nil) của A/aA/a là giao của các iđêan cực đại (tương ứng, nguyên tố) của A/aA/a (Đại số, Chương VIII, § 6, no. 3, Định nghĩa 3 và Đại số giao hoán, Chương II, § 2, no. 6, Mệnh đề 13). Do đó điều kiện đã nêu có nghĩa là với mọi iđêan aa của AA, giao của các iđêan nguyên tố chứa aa bằng giao của các iđêan cực đại chứa aa. Điều kiện này hiển nhiên đúng với mọi iđêan aa của AA nếu AA là một vành Jacobson; ngược lại, nếu nó đúng với mọi iđêan nguyên tố của AA, thì theo định nghĩa AA là một vành Jacobson.

Hệ quả

Cho AA là một vành Jacobson; với mọi iđêan aa của AA, căn của aa là giao của các iđêan cực đại của AA chứa aa.

Được trích dẫn bởi 1

Được trích dẫn bởi Hệ quả 2

Chỉ cần chú ý rằng A/aA/a là một vành Jacobson.

Mệnh đề 4

Cho AA là một miền iđêan chính và (pλ)λ∈L(\mathbf{p}_\lambda)_{\lambda \in L} là một hệ đại diện các phần tử cực biên của AA (Đại số, Chương VII, § 1, no. 3, Định nghĩa 2). Để AA là một vành Jacobson, điều kiện cần và đủ là LL vô hạn.

Trích dẫn đến 1 · Được trích dẫn bởi 2

Trích dẫn đến Định nghĩa 2, A VII § 1

Được trích dẫn bởi Định nghĩa 1, Định lý 2

Các iđêan cực đại của AA là các ApλA\mathbf{p}_\lambda (loc. cit., no. 2, Mệnh đề 2). Nếu LL hữu hạn, giao của chúng là iđêan AxAx, trong đó x=∏λ∈Lpλx = \prod_{\lambda \in L} \mathbf{p}_\lambda (ibid.) và do đó khác (0)(0); mặt khác, nếu LL vô hạn, giao của các ApλA\mathbf{p}_\lambda là (0)(0), mỗi phần tử ≠0\neq 0 của AA chỉ chia hết cho một số hữu hạn phần tử cực biên (loc. cit., no. 3, Định lý 2). Khi đó mệnh đề suy ra từ sự kiện rằng (0)(0) là iđêan nguyên tố duy nhất không cực đại trong AA (Đại số, Chương VI, § 1, no. 13, Mệnh đề 14 (DIV)).

Mệnh đề 5

Cho AA là một vành và BB là một AA-đại số nguyên trên AA. Nếu AA là một vành Jacobson thì BB cũng vậy.

Trích dẫn đến 4 · Được trích dẫn bởi 1

Trích dẫn đến Mệnh đề 1, V § 2, Hệ quả 2, V § 2, Mệnh đề 1, Hệ quả 1

Được trích dẫn bởi Định lý 2

Thay thế AA bởi ảnh chính tắc của nó trong BB, ta có thể giả sử rằng A⊂BA \subset B. Cho p′\mathfrak{p}' là một iđêan nguyên tố của BB và đặt p=A∩p′\mathfrak{p} = A \cap \mathfrak{p}'. Theo giả thiết tồn tại một họ (mλ)λ∈L(\mathfrak{m}_\lambda)_{\lambda \in L} các iđêan cực đại của AA mà giao của chúng bằng p. Với mọi λ∈L\lambda \in L tồn tại một iđêan cực đại mλ′\mathfrak{m}'_\lambda của BB nằm trên mλ\mathfrak{m}_\lambda và chứa p′\mathfrak{p}' (§ 2, no. 1, Mệnh đề 1 và Hệ quả 2 của Định lý 1). Nếu đặt q′=⋂λ∈Lmλ′\mathfrak{q}' = \bigcap_{\lambda \in L} \mathfrak{m}'_\lambda, thì q′∩A=⋂λ∈Lmλ=p\mathfrak{q}' \cap A = \bigcap_{\lambda \in L} \mathfrak{m}_\lambda = \mathfrak{p} và q′⊃p′\mathfrak{q}' \supset \mathfrak{p}', do đó q′=p′\mathfrak{q}' = \mathfrak{p}' (22, no. 1, Hệ quả 1 của Mệnh đề 1).

Định lý 3

Cho AA là một vành Jacobson, BB là một AA-đại số sinh hữu hạn và φ:A→B\varphi : A \to B là đồng cấu chính tắc. Khi đó:* (i) BB là một vành Jacobson. (ii) *Với mọi iđêan cực đại m′m' của BB, m=φ−1(m′)m = \varphi^{-1}(m') là một iđêan cực đại của AA và B/m′B/m' là một mở rộng đại số hữu hạn của A/mA/m.

Trích dẫn đến 4 · Được trích dẫn bởi 3

Trích dẫn đến Định lý 1 (Bổ đề chuẩn hóa), Hệ quả 3, Hệ quả 2, Mệnh đề 3, A V § 3

Được trích dẫn bởi Bài tập 7, § 3, Hệ quả 1, Hệ quả 3

Cho p′\mathfrak{p}' là một iđêan nguyên tố của BB và p=φ−1(p′)\mathfrak{p} = \varphi^{-1}(\mathfrak{p}'). Cho vv là một phần tử ≠0\neq 0 của B/p′B/\mathfrak{p}'.

Vì B/p′B/p' là một (Alp)-đại số nguyên sinh hữu hạn và đồng cấu chính tắc ϕ:A/p→B/p′\phi : A/p \to B/p' là đơn ánh, nên tồn tại một phần tử u≠0u \neq 0 của A/pA/p sao cho, với mọi đồng cấu ff từ A/pA/p vào một trường đóng đại số LL mà hạt nhân không chứa uu, tồn tại một đồng cấu gg từ B/p′B/p' vào LL mà hạt nhân không chứa vv và sao cho f=g∘ϕf = g \circ \phi (no. 1, Hệ quả 3 của Định lý 1). Vì AA là một vành Jacobson, nên tồn tại một iđêan cực đại mm của AA chứa pp và sao cho u∉m/pu \notin m/p. Ta lấy LL là một bao đóng đại số của A/mA/m và ff là đồng cấu chính tắc A/p→LA/p \to L; gọi

g:B/p′→L g : B/p' \to L

là một đồng cấu sao cho f=g∘ϕf = g \circ \phi và g(v)≠0g(v) \neq 0. Khi đó

A/m⊂g(B/p′)⊂L, A/m \subset g(B/p') \subset L,

do đó g(B/p′)g(B/p') là một trường con của KK (Đại số, Chương V, § 3, no. 2, Mệnh đề 3) và vì thế hạt nhân của gg là một iđêan cực đại của B/p′B/p' không chứa vv. Vậy ta thấy rằng giao của các iđêan cực đại của B/p′B/p' thu về 0, điều này chứng minh rằng BB là một vành Jacobson. Hơn nữa, nếu p′p' là cực đại, thì gg tất yếu là đơn ánh và do đó p=mp = m là cực đại; sau cùng B/p′B/p' khi đó là một đại số sinh hữu hạn trên trường A/mA/m và vì thế là một mở rộng hữu hạn của A/mA/m (no. 1, Hệ quả 2 của Định lý 1).

Hệ quả 1

Mọi đại số sinh hữu hạn AA trên Z\mathbf{Z} đều là một vành Jacobson; để một iđêan nguyên tố p⊂Ap \subset A là cực đại, điều kiện cần và đủ là vành A/pA/p là hữu hạn.

Trích dẫn đến 1 · Được trích dẫn bởi 1

Trích dẫn đến Định lý 3

Được trích dẫn bởi Hệ quả 2

Nếu miền nguyên A/pA/p là hữu hạn, thì nó là một trường, vì, với mọi u≠0u \neq 0 trong A/pA/p, ánh xạ v↦uvv \mapsto uv của A/pA/p vào chính nó là đơn ánh và do đó song ánh vì A/pA/p là hữu hạn. Ngược lại, với mọi iđêan cực đại mm của AA, ảnh ngược của mm trong AA là một iđêan cực đại (p)(p) và A/mA/m là hữu hạn trên trường nguyên tố Z/(p)=Fp\mathbf{Z}/(p) = \mathbf{F}_p theo Định lý 3.

Hệ quả 2

Cho (Pλ)λ∈L(P_\lambda)_{\lambda \in L} là một họ các đa thức trong Z[X1,…,Xn]\mathbf{Z}[X_1, \ldots, X_n] và QQ là một đa thức trong Z[X1,…,Xn]\mathbf{Z}[X_1, \ldots, X_n] sao cho, với mọi hệ các phần tử (xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n} thuộc một trường hữu hạn và thỏa mãn Pλ(x1,…,xn)=0P_\lambda(x_1, \ldots, x_n) = 0 với mọi λ\lambda, thì cũng có Q(x1,…,xn)=0Q(x_1, \ldots, x_n) = 0. Khi đó, nếu aa là iđêan của Z[X1,…,Xn]\mathbf{Z}[X_1, \ldots, X_n] sinh bởi các PλP_\lambda, thì tồn tại một số nguyên m>0m > 0 sao cho Qm∈aQ^m \in a. Hơn nữa, với mọi vành rút gọn RR và mọi hệ (yi)1≤i≤n(y_i)_{1 \leq i \leq n} các phần tử của RR sao cho Pλ(y1,…,yn)=0P_\lambda(y_1, \ldots, y_n) = 0 với mọi λ\lambda, thì cũng có Q(y1,…,yn)=0Q(y_1, \ldots, y_n) = 0.

Trích dẫn đến 2

Trích dẫn đến Hệ quả, Hệ quả 1

Mệnh đề thứ hai suy ra từ mệnh đề thứ nhất vì iđêan của Z[X1,…,Xn]\mathbf{Z}[X_1, \ldots, X_n] gồm các đa thức PP sao cho P(y1,…,yn)=0P(y_1, \ldots, y_n) = 0 chứa aa. Để chứng minh mệnh đề thứ nhất, chỉ cần chú ý rằng, với mọi iđêan cực đại mm của A=Z[X1,…,Xn]A = \mathbf{Z}[X_1, \ldots, X_n] chứa aa, A/mA/m là một trường hữu hạn (Hệ quả 1) và giả thiết kéo theo rằng ảnh chính tắc của QQ trong A/mA/m bằng không; khi đó QQ thuộc giao của các iđêan cực đại của AA chứa aa, giao này là căn của aa (Hệ quả của Mệnh đề 3).

Hệ quả 3

Cho AA là một vành Jacobson. Nếu tồn tại một AA-đại số sinh hữu hạn BB chứa AA và là một trường, thì AA là một trường và BB là một mở rộng đại số của AA.

Trích dẫn đến 1

Trích dẫn đến Định lý 3

Chỉ cần áp dụng Định lý 3 (ii) với m′=(0)m' = (0).

Bài tập

với mọi iđêan nguyên tố p\mathfrak{p} của AA đều tồn tại một iđêan nguyên tố p′\mathfrak{p}' của A′A' nằm trên p\mathfrak{p}. Lập luận bằng phản chứng: lấy x∈A′∩gAx \in A' \cap \mathfrak{g}A và đặt a=A∩(x−1A)a = A \cap (x^{-1}A), khi đó aa là một iđêan phân biệt với AA. Gọi p\mathfrak{p} là một iđêan nguyên tố liên kết với A/aA/a; khi đó iđêan thương b=a:pb = a : \mathfrak{p} phân biệt với aa (Chương IV, § 1, no. 4, Mệnh đề 9) và do đó tồn tại y∈by \in b sao cho xy∉Axy \notin A và

xyp⊂pA′∩A=p; xy \mathfrak{p} \subset \mathfrak{p}A' \cap A = \mathfrak{p};
suy ra một mâu thuẫn.)

93

Xem các bài tập của § 3.

Bản dịch máy từ tiếng Anh, bởi gpt-5.4, theo bảng thuật ngữ phiên bản 34. Chưa được người kiểm tra.