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 là một dãy hữu hạn tăng các iđêan của A sao cho và . Tồn tại một dãy hữu hạn 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) Với mọi j sao cho , tồn tại một dãy tăng các số nguyên sao cho với mọi j, iđêan của B được sinh bởi .
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 . Thật vậy, trong trường hợp tổng quát, A đẳng cấu với một thương của một đại số như thế A' bởi một iđêan ; gọi là ảnh ngược của trong A' và gọi () là các phần tử của A' thỏa mãn các điều kiện của mệnh đề đối với vành A' và dãy tăng các iđêan . Khi đó các ảnh của các trong A với 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 không độc lập đại số trên k, thì sẽ tồn tại một đa thức khác không
trong đó các là các đa thức trong ; vì là khả nghịch trong , (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 của A vì thế là đại số trên trường phân thức của B, điều này chứng minh (Đại số, Chương V, § 5, no. 3, Định lý 4) rằng các () là độc lập đại số. Hơn nữa, ; với mọi phần tử có thể viết trong đó ; nhưng vì B đóng nguyên ( 1, no. 3, Hệ quả 2 của Mệnh đề 13); do đó , điều này hoàn tất chứng minh các tính chất (a) và (b) trong trường hợp này.
(A2) Trường hợp tổng quát (). Ta lập luận bằng quy nạp theo , trường hợp là tầm thường. Hiển nhiên ta có thể giả sử rằng (nếu không thì ta có thể lấy , với và ). Cho là một phần tử khác không của ; theo (A1) tồn tại sao cho , độc lập đại số trên , là nguyên trên và . Theo giả thiết quy nạp tồn tại các phần tử của và một số nguyên sao cho là nguyên trên , độc lập đại số trên và iđêan được sinh bởi . Khi đó là nguyên trên ( 1, no. 1, Hệ quả của Mệnh đề 5 ) và do đó cũng vậy ( 1, no. 1, Mệnh đề 6 ); cùng một lập luận như trong trường hợp (A1) cho thấy rằng độc lập đại số trên ; sau cùng, vì , và và, vì được sinh (trong ) bởi được sinh (trong ) bởi .
(B) Đoạn từ trở lên. Cho , là các phần tử của thỏa mãn các điều kiện của định lý đối với dãy tăng các iđêan và đặt . Theo (A2), tồn tại các phần tử của và một số nguyên s sao cho
Hệ quả 1
Cho là một miền nguyên và là một -đại số sinh hữu hạn chứa như một vành con. Khi đó tồn tại một phần tử của và một đại số con của đẳng cấu với một đại số đa thức sao cho (Chương II, § 2, no. 1) là nguyên trên .
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 và đặt là trường phân thức của ; rõ ràng là một đại số sinh hữu hạn và, vì nó chứa 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 ) tồn tại một dãy hữu hạn các phần tử của độc lập đại số trên và sao cho là nguyên trên . Gọi là một hệ các phần tử sinh của như một -đại số; trong mỗi thỏa mãn một phương trình phụ thuộc nguyên
trong đó các là những đa thức theo các với hệ số trong . Tồn tại một phần tử của sao cho ta có thể viết sao cho, với và mọi hệ số của các đều có dạng trong đó ; sau hết, bằng cách thay thế, nếu cần, bởi một tích các phần tử của , ta có thể giả sử rằng trong
trong đó các là những đa thức theo với hệ số trong ; nếu ta viết , thì thấy rằng, bằng cách nhân (6) với , là nguyên trên . Ta chứng minh rằng các độc lập đại số trên ; nếu có một quan hệ dạng trong đó với mọi , ta suy ra rằng trong , trong đó trong ; do giả thiết nên với mọi , do đó với mọi . Hơn nữa, trong vành mỗi là nguyên trên (§ 1, no. 1, Mệnh đề 2) và, vì trong , nên thấy rằng các là nguyên trên , điều này hoàn tất chứng minh (§ 1, no. 1, Mệnh đề 4).
Hệ quả 2
Cho là một trường, là một vành con của và là trường phân thức của . Nếu là một -đại số sinh hữu hạn, thì là hữu hạn và tồn tại trong sao cho .
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 của và một phần tử của sao cho độc lập đại số trên (và do đó trên L) và là nguyên trên vành con . Khi đó, theo §2, no.1, Bổ đề 2, là một trường. Nhưng các phần tử khả nghịch duy nhất của một vành đa thức trên một miền nguyên C là các phần tử khả nghịch của C; áp dụng nhận xét này cho , ta thấy tất yếu và 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 với mọi trong A và mọi số nguyên . Gọi là đồng cấu chính tắc; tồn tại trong A sao cho, với mọi đồng cấu f từ A vào một trường đóng đại số L thỏa mãn , tồn tại một đồng cấu g từ B vào L sao cho và .
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
Giả thiết trên b kéo theo rằng, nếu h là đồng cấu chính tắc từ B vào , thì đồng cấu từ A vào là đơn ánh. Bởi Hệ quả 1, do đó tồn tại một phần tử của A và một vành con của sao cho là nguyên trên và đẳng cấu với một đại số đa thức . Cho f là một đồng cấu từ A vào một trường đóng đại số L sao cho ; tồn tại một đồng cấu từ vào L kéo dài f và do đó tồn tại một đồng cấu từ vào L kéo dài f. Vì trong L, tồn tại một đồng cấu từ vào L sao cho
đối với mọi và mọi (Chương II, §2, no. 1, Mệnh đề 1). Cuối cùng, vì là nguyên trên , nên tồn tại một đồng cấu từ đến L mở rộng (§2, no. 1, Hệ quả 4 của Định lý 1). Nếu là đồng cấu chính tắc từ B đến , thì giải được bài toán vì khả nghịch trong và do đó trong L.
Chú ý rằng, nếu trong Hệ quả 3, B được giả thiết là một miền nguyên và , thì giả thiết trên b tương đương với .
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 là bao đóng nguyên của A trong một trường K' là một mở rộng đại số hữu hạn của K. Khi đó 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 và sao cho A là nguyên trên C; 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 . Gọi là mở rộng quasi-Galois của (trong một bao đóng đại số của ) được sinh bởi , khi đó N là một mở rộng đại số hữu hạn của (Đại số, Chương V, § 6, no. 3, Hệ quả 1 của Mệnh đề 9). Chỉ cần chứng minh rằng bao đóng nguyên của trong là một -môđun hữu hạn sinh, vì là một A-môđun con của và 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 là một mở rộng quasi-Galois của . Khi đó ta biết (Đại số, Chương V, § 10, no. 9, Mệnh đề 14) rằng là một mở rộng Galois (hữu hạn) của một mở rộng radicial (hữu hạn) của . Nếu là bao đóng nguyên của trong , thì là bao đóng nguyên của trong , và chỉ cần chứng minh rằng là một A-môđun hữu hạn sinh và là một -môđun hữu hạn sinh. Bây giờ, nếu đã chứng minh được rằng là một A-môđun hữu hạn sinh, thì nó là một miền Noether, nguyên đóng theo định nghĩa; việc là một -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 và là một mở rộng thuần bất khả phân hữu hạn của . Khi đó được sinh bởi một họ hữu hạn các phần tử và tồn tại một lũy thừa của số mũ của đặc tính của sao cho . Gọi () là các hệ số của tử số và mẫu số của các hàm hữu tỉ theo , bằng với (). Khi đó được chứa trong mở rộng , trong đó (ta đang ở trong một bao đóng đại số của ) và được chứa trong bao đóng đại số của trong . Bây giờ, là đại số trên và do đó là nguyên trên (, no. 1, mệnh đề 5); vì là nguyên đóng (, no. 3, hệ quả 2 to mệnh đề 13), ta thấy rằng vành này là bao đóng nguyên của trong và do đó cũng là bao đóng nguyên của (, no. 1, mệnh đề 6), nói cách khác . Rõ ràng là một -môđun sinh hữu hạn (, no. 1, mệnh đề 4) và, vì là một mở rộng hữu hạn của , là một -môđun sinh hữu hạn và do đó là một -môđun sinh hữu hạn; vì là Noether và , là một -môđun sinh hữu hạn.
3. Nullstellensatz
Mệnh đề 1
Cho là một đại số sinh hữu hạn trên một trường và là bao đóng đại số của .
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
(i) Nếu , tồn tại một -đồng cấu từ vào .
(ii) Cho là hai đồng cấu từ vào . Để và có cùng hạt nhân, điều kiện cần và đủ là tồn tại một tự đẳng cấu của sao cho .
(iii) Cho là một iđêan của . Để là cực đại, điều kiện cần và đủ là nó là hạt nhân của một đồng cấu k từ vào .
(iv) Để một phần tử của có tính chất đối với mọi đồng cấu k từ vào , điều kiện cần và đủ là lũy linh.
Mệnh đề (i) suy ra từ no. 1, Hệ quả 3 của Định lý 1 áp dụng với việc thay thế bởi , bởi , bởi phần tử đơn vị của và bởi đơn ánh chính tắc của vào .
Nếu là một đồng cấu k từ vào thì là một vành con của chứa ; vì là một mở rộng đại số của , là một trường (Đại số, Chương V, § 3, no. 2, Mệnh đề 3) và, nếu là hạt nhân của f, , đẳng cấu với , do đó là một trường, điều này chứng tỏ là cực đại. Ngược lại, nếu là một iđêan cực đại của , thì từ (i) suy ra tồn tại một đồng cấu k từ vào và do đó một đồng cấu k của vào mà hạt nhân chứa ; nhưng vì là cực đại nên ; điều này chứng tỏ (iii).
Bây giờ chứng minh (ii). Nếu là một tự đẳng cấu trên k của sao cho , thì rõ ràng và có cùng hạt nhân. Ngược lại, giả sử rằng và có cùng hạt nhân; khi đó tồn tại một đẳng cấu trên k từ trường lên trường sao cho ; nhưng theo Đại số, Chương V, § 6, no. 3, Mệnh đề 7, mở rộng thành một tự đẳng cấu trên k của và do đó .
Cuối cùng, nếu sao cho , thì với mọi đồng cấu trên k từ đến , ta có và do đó vì là một trường. Ngược lại, giả sử rằng không lũy linh; khi đó là một đại số trên 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 từ đến theo (i). Nếu là đồng cấu chính tắc, thì là một đồng cấu trên k từ đến và , do đó .
Cho là một trường và là một trường mở rộng của ; một phần tử của được gọi là một không điểm trong của một iđêan của vành đa thức nếu
với mọi .
Bổ đề 1
Cho là một đại số sinh hữu hạn trên một trường , là một hệ sinh của đại số này và là iđêan các quan hệ đại số giữa các với hệ số trong (Đại số, Chương IV, § 2, no. 1). Với mọi trường mở rộng của , ánh xạ là một song ánh từ tập hợp các đồng cấu trên k từ đến lên tập hợp các không điểm của trong .
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 từ lên sao cho , với và theo định nghĩa là hạt nhân của . Ánh xạ f h là một song ánh từ tập các đồng cấu k từ vào lên tập các đồng cấu k từ vào mà bằng không trên c. Với mọi đa thức và mọi phần tử ta viết ; khi đó ánh xạ là một song ánh từ lên tập các đồng cấu k từ vào (một đồng cấu như vậy được xác định bởi các giá trị của nó tại các () ); nói rằng bằng không trên c có nghĩa là là một điểm không của c trong , do đó bổ đề được chứng minh.
Nếu áp dụng Mệnh đề 1 cho đại số , trong đó c là một iđêan của 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 không chứa 1 đều có ít nhất một điểm không trong .
(ii) Cho là hai phần tử của ; để tập các đa thức của bằng không tại x trùng với tập các đa thức của bằng không tại y, điều kiện cần và đủ là tồn tại một tự đẳng cấu k s của L sao cho với .
(iii) Để một iđêan a của là cực đại, điều kiện cần và đủ là tồn tại một x trong sao cho a là tập các đa thức của bằng không tại x.
(iv) Để một đa thức Q của bằng không trên tập các điểm không trong của một iđêan c của , điều kiện cần và đủ là tồn tại một số nguyên m > 0 sao cho .
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 là một vành Jacobson, iđêan nguyên tố duy nhất không cực đại là (0) là giao của các iđêan cực đại của , trong đó 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 là một vành Jacobson, vì các iđêan của có dạng , trong đó b là một iđêan của A chứa a, và 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 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 là giao của các iđêan cực đại (tương ứng, nguyên tố) của (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 của , giao của các iđêan nguyên tố chứa bằng giao của các iđêan cực đại chứa . Điều kiện này hiển nhiên đúng với mọi iđêan của nếu là một vành Jacobson; ngược lại, nếu nó đúng với mọi iđêan nguyên tố của , thì theo định nghĩa là một vành Jacobson.
Hệ quả
Cho là một vành Jacobson; với mọi iđêan của , căn của là giao của các iđêan cực đại của chứa .
Được trích dẫn bởi 1
Được trích dẫn bởi Hệ quả 2
Chỉ cần chú ý rằng là một vành Jacobson.
Mệnh đề 4
Cho là một miền iđêan chính và là một hệ đại diện các phần tử cực biên của (Đại số, Chương VII, § 1, no. 3, Định nghĩa 2). Để là một vành Jacobson, điều kiện cần và đủ là 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 là các (loc. cit., no. 2, Mệnh đề 2). Nếu hữu hạn, giao của chúng là iđêan , trong đó (ibid.) và do đó khác ; mặt khác, nếu vô hạn, giao của các là , mỗi phần tử của 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 là iđêan nguyên tố duy nhất không cực đại trong (Đại số, Chương VI, § 1, no. 13, Mệnh đề 14 (DIV)).
Mệnh đề 5
Cho là một vành và là một -đại số nguyên trên . Nếu là một vành Jacobson thì 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 bởi ảnh chính tắc của nó trong , ta có thể giả sử rằng . Cho là một iđêan nguyên tố của và đặt . Theo giả thiết tồn tại một họ các iđêan cực đại của mà giao của chúng bằng p. Với mọi tồn tại một iđêan cực đại của nằm trên và chứa (§ 2, no. 1, Mệnh đề 1 và Hệ quả 2 của Định lý 1). Nếu đặt , thì và , do đó (, no. 1, Hệ quả 1 của Mệnh đề 1).
Định lý 3
Cho là một vành Jacobson, là một -đại số sinh hữu hạn và là đồng cấu chính tắc. Khi đó:* (i) là một vành Jacobson. (ii) *Với mọi iđêan cực đại của , là một iđêan cực đại của và là một mở rộng đại số hữu hạn của .
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 là một iđêan nguyên tố của và . Cho là một phần tử của .
Vì là một (Alp)-đại số nguyên sinh hữu hạn và đồng cấu chính tắc là đơn ánh, nên tồn tại một phần tử của sao cho, với mọi đồng cấu từ vào một trường đóng đại số mà hạt nhân không chứa , tồn tại một đồng cấu từ vào mà hạt nhân không chứa và sao cho (no. 1, Hệ quả 3 của Định lý 1). Vì là một vành Jacobson, nên tồn tại một iđêan cực đại của chứa và sao cho . Ta lấy là một bao đóng đại số của và là đồng cấu chính tắc ; gọi
là một đồng cấu sao cho và . Khi đó
do đó là một trường con của (Đại số, Chương V, § 3, no. 2, Mệnh đề 3) và vì thế hạt nhân của là một iđêan cực đại của không chứa . Vậy ta thấy rằng giao của các iđêan cực đại của thu về 0, điều này chứng minh rằng là một vành Jacobson. Hơn nữa, nếu là cực đại, thì tất yếu là đơn ánh và do đó là cực đại; sau cùng khi đó là một đại số sinh hữu hạn trên trường và vì thế là một mở rộng hữu hạn của (no. 1, Hệ quả 2 của Định lý 1).
Hệ quả 1
Mọi đại số sinh hữu hạn trên đều là một vành Jacobson; để một iđêan nguyên tố là cực đại, điều kiện cần và đủ là vành là hữu hạn.
Nếu miền nguyên là hữu hạn, thì nó là một trường, vì, với mọi trong , ánh xạ của vào chính nó là đơn ánh và do đó song ánh vì là hữu hạn. Ngược lại, với mọi iđêan cực đại của , ảnh ngược của trong là một iđêan cực đại và là hữu hạn trên trường nguyên tố theo Định lý 3.
Hệ quả 2
Cho là một họ các đa thức trong và là một đa thức trong sao cho, với mọi hệ các phần tử thuộc một trường hữu hạn và thỏa mãn với mọi , thì cũng có . Khi đó, nếu là iđêan của sinh bởi các , thì tồn tại một số nguyên sao cho . Hơn nữa, với mọi vành rút gọn và mọi hệ các phần tử của sao cho với mọi , thì cũng có .
Mệnh đề thứ hai suy ra từ mệnh đề thứ nhất vì iđêan của gồm các đa thức sao cho chứa . Để chứng minh mệnh đề thứ nhất, chỉ cần chú ý rằng, với mọi iđêan cực đại của chứa , là một trường hữu hạn (Hệ quả 1) và giả thiết kéo theo rằng ảnh chính tắc của trong bằng không; khi đó thuộc giao của các iđêan cực đại của chứa , giao này là căn của (Hệ quả của Mệnh đề 3).
Hệ quả 3
Cho là một vành Jacobson. Nếu tồn tại một -đại số sinh hữu hạn chứa và là một trường, thì là một trường và là một mở rộng đại số của .
Trích dẫn đến 1
Trích dẫn đến Định lý 3
Chỉ cần áp dụng Định lý 3 (ii) với .
Bài tập
với mọi iđêan nguyên tố của đều tồn tại một iđêan nguyên tố của nằm trên . Lập luận bằng phản chứng: lấy và đặt , khi đó là một iđêan phân biệt với . Gọi là một iđêan nguyên tố liên kết với ; khi đó iđêan thương phân biệt với (Chương IV, § 1, no. 4, Mệnh đề 9) và do đó tồn tại sao cho và
93
Xem các bài tập của § 3.