Bourbaki

7. Định lý xấp xỉ

1. Giao của một số hữu hạn các vành định giá

Mệnh đề 1

Cho KK là một trường, (Ai)1≤i≤n(\mathbf{A}_i)_{1 \leq i \leq n} là một họ hữu hạn các vành định giá của KK và B=⋂i=1nAiB = \bigcap_{i=1}^n \mathbf{A}_i. Ta viết pi=B∩m(Ai)p_i = B \cap m(\mathbf{A}_i). Khi đó Ai=BpiA_i = B_{p_i} với mọi ii và trường phân thức của BB là KK.

Rõ ràng Bpi⊂AiB_{p_i} \subset A_i. Để chứng minh bao hàm đảo lại, ta cần bổ đề sau:

Bổ đề 1

Cho viv_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) là các định giá trên trường KK và x∈K∗x \in K^*. Khi đó tồn tại một đa thứcf (X)(X) có dạng

f(X)=1+n1X+⋯+nk−1Xk−1+Xk(k≥2, nj∈Z với 1≤j≤k−1) f(X) = 1 + n_1 X + \cdots + n_{k-1} X^{k-1} + X^k \quad (k \geq 2,\ n_j \in \mathbf{Z} \text{ với } 1 \leq j \leq k - 1)

sao cho f(x)≠0f(x) \neq 0 và phần tử z=f(x)−1z = f(x)^{-1} có các tính chất sau đâyvới 1≤i≤n1 \leq i \leq n:

vi(z)=0neˆˊuvi(x)≥0vi(z)+vi(x)>0neˆˊuvi(x)<0. v_i(z) = 0 \qquad \text{nếu} \quad v_i(x) \geq 0 \\ v_i(z) + v_i(x) > 0 \qquad \text{nếu} \quad v_i(x) < 0.

Giả sử bổ đề này trong chốc lát, ta chỉ ra cách nó suy ra rằng A1⊂Bp1A_1 \subset B_{p_1}. Cho xx là một phần tử khác không của AiA_i. Ta áp dụng bổ đề cho xx và các định giá viv_i liên kết với các Ai\mathbf{A}_i. Khi đó vi(z)≥0v_i(z) \geq 0 và vi(zx)≥0v_i(zx) \geq 0 với mọi ii, do đó z∈Bz \in B và zx∈Bzx \in B. Vì v1(x)≥0v_1(x) \geq 0, v1(z)=0v_1(z) = 0 và do đó z∉p1z \notin p_1. Vậy x=zx/z∈Bp1x = zx/z \in B_{p_1}. Trường phân thức của BB khi đó chứa A1A_1 và do đó là KK.

Bây giờ ta chuyển sang chứng minh bổ đề. Gọi II là tập hợp các chỉ số ii sao cho vi(x)≥0v_i(x) \geq 0. Với mọi i∈Ii \in I, gọi xˉi\bar{x}_i là ảnh chính tắc của xx trong κ(Ai)\kappa(\mathbf{A}_i). Với mọi i∈Ii \in I ta xây dựng một đa thứcf như sau: nếu tồn tại một đa thức g(X)g(X) có dạng (1) sao cho g(xˉi)=0g(\bar{x}_i) = 0 trong κ(Ai)\kappa(\mathbf{A}_i), ta lấyf là một đa thức như vậy; nếu không ta lấy fi=1f_i = 1. Khi đó ta viết f(X)=1+X2∏i∈Ifi(X)f(X) = 1 + X^2 \prod_{i \in I} f_i(X). Hiển nhiên đó là một đa thức có dạng (1). Nếu i∈Ii \in I, thì f(x)∈Aif(x) \in A_i và cũng (xˉi)≠0(\bar{x}_i) \neq 0 theo phép dựng; do đó f(x)∉m(Ai)f(x) \notin m(\mathbf{A}_i), vi(f(x))=0v_i(f(x)) = 0 và v(z)=0v(z) = 0. Nếu i∉Ii \notin I, thì vi(x)<0v_i(x) < 0, do đó vi(f(x))=kvi(x)v_i(f(x)) = kv_i(x) (§ 3, no. 1, Mệnh đề 1) và

vi(x)+vi(z)=(1−k)vi(x)>0 v_i(x) + v_i(z) = (1 - k)v_i(x) > 0

(vì k≥2k \geq 2). Do đó bổ đề.

Mệnh đề 2

Với các giả thiết của Mệnh đề 1, giả sử thêm rằng Ai⊄Aj\mathbf{A}_i \not\subset \mathbf{A}_j với i≠ji \neq j. Khi đó các pip_i là các iđêan cực đại phân biệt của BB và mọi iđêan cực đại của BB đều bằng một trong các pip_i.

Nếu pi⊂pjp_i \subset p_j với i≠ji \neq j, thì Ai=Bpi⊃Bpj=Aj\mathbf{A}_i = B_{p_i} \supset B_{p_j} = \mathbf{A}_j. Khi đó chỉ cần áp dụng Chương II, § 3, no. 5, Hệ quả của Mệnh đề 17.

Hệ quả 1

Giả sử rằng Ai⊄AjA_i \not\subset A_j với i≠ji \neq j. Với mọi họ các phần tử ai∈Aia_i \in A_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n), tồn tại x∈Bx \in B sao cho x≡ai(modm(Ai))x \equiv a_i \pmod{m(A_i)} với 1≤i≤n1 \leq i \leq n.

Vì các pip_i là các iđêan cực đại của BB, Ai/m(Ai)=Bpi/piBpi=B/piA_i/m(A_i) = B_{p_i}/p_iB_{p_i} = B/p_i và do đó có thể giả sử rằng ai∈Ba_i \in B với mọi ii. Hệ quả suy ra từ sự kiện rằng ánh xạ chính tắc từ BB đến ∏i=1n(B/pi)\prod_{i=1}^n (B/p_i) là toàn ánh (Chương 11, § 1, no. 2, Mệnh đề 5).

Hệ quả 2

Giả sử rằng Ai⊄AjA_i \not\subset A_j với i≠ji \neq j. Tồn tại các phần tử xix_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) của KK sao cho vi(xi)=0v_i(x_i) = 0 và vj(xi)>0v_j(x_i) > 0 với i≠ji \neq j.

Với mỗi chỉ số ii áp dụng Hệ quả 1 cho họ (ai)(a_i) sao cho ai=1a_i = 1 và aj=0a_j = 0 với j≠ij \neq i.

Hệ quả 3

Mọi vành định giá của KK chứa BB đều chứa một trong các AiA_i.

Ta có thể giới hạn sự chú ý vào trường hợp Ai⊄AjA_i \not\subset A_j với i#ji \# j. Gọi VV là một vành định giá của KK chứa BB. Ta viết

p=m(V)∩B. p = m(V) \cap B.
Tồn tại một iđêan cực đại pip_i của BB chứa pp, do đó
Ai=Bpi⊂B,⊂V. A_i = B_{p_i} \subset B, \subset V.

2. Các định giá độc lập

Định nghĩa 1

Cho AA và A′A' là hai vành định giá của cùng một trường KK. AA và A′A' được gọi là độc lập nếu KK là vành sinh bởi AA và A′A'. Hai định giá trên KK được gọi là độc lập nếu các vành của chúng độc lập và phụ thuộc trong trường hợp ngược lại.

Một định giá không đúng trên KK độc lập với mọi định giá trên KK. Để hai định giá có cấp 1 trên KK độc lập, điều kiện cần và đủ là chúng không tương đương (§ 4, no. 5, Mệnh đề 6 (c)).

Định lý 1 (Định lý xấp xỉ cho các định giá)

Cho viv_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) là các định giá trên một trường KK độc lập từng đôi một và Γi\Gamma_i là nhóm cấp của viv_i. Cho ai∈Ka_i \in K và αi∈Γi\alpha_i \in \Gamma_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n). Khi đó tồn tại x∈Kx \in K sao cho vi(x−ai)≥αiv_i(x - a_i) \geq \alpha_i với mọi ii

Nếu viv_i không đúng, thì ai=0a_i = 0 và quan hệ vi(x−ai)≥aiv_i(x - a_i) \geq a_i đúng với mọi x∈Kx \in K. Do đó ta có thể giả sử rằng các viv_i không không đúng.

Gọi AiA_i là vành của viv_i, B=⋂i=1nAiB = \bigcap_{i=1}^n A_i và pi=m(Ai)∩Bp_i = m(A_i) \cap B. Theo Mệnh đề 1 của no. 1, các aia_i có thể được viết ai=bi/sa_i = b_i/s (bi∈B,s∈B−{0}b_i \in B, s \in B - \{0\}); nếu ta viết x=y/sx = y/s và αi′=αi+vi(s)\alpha_i' = \alpha_i + v_i(s), thì vi(y−6i)≥αi′v_i(y - 6_i) \geq \alpha_i'. Điều này chỉ ra rằng ta có thể giả sử ai∈Ba_i \in B với mọi ii; ta cũng có thể giả sử rằng αi>0\alpha_i > 0 với mọi ii. Gọi viv_i là tập hợp các z \in \mathbf{K} \text{ sao cho } v_i(z) \geq a, \text{ ta viết } q_i = v_i \cap B. \text{ Với } x \in B, v_i(x - a_i) \geq \alpha_i \text{ tương đương với } x \equiv a_i (\mathfrak{q}_i). \text{ Do đó ta cần chứng minh rằng đồng cấu chính tắc } B \to \prod_{i=1}^n (B/q_i) \text{ là toàn ánh, nghĩa là } q_i + q_j = B \text{ với } i \neq j \text{ (Chương 11, § 1, no. 2, Mệnh đề 5). Vì các iđêan cực đại của B là các } \mathfrak{p}_i \text{ (Mệnh đề 2), điều này sẽ đủ để chỉ ra rằng } q_i \notin \mathfrak{p}_j \text{ với } i \neq j.

Giả sử tồn tại i,ji, j sao cho qi⊂pjq_i \subset \mathfrak{p}_j và i≠ji \neq j. Ta sẽ sớm thấy rằng căn của qiq_i là một iđêan nguyên tố pp của B. Khi đó p⊂pjp \subset \mathfrak{p}_j và cũng p⊂pip \subset \mathfrak{p}_i vì αi>0\alpha_i > 0 và do đó qi⊂piq_i \subset \mathfrak{p}_i. Vì vậy A1=Bs⊂BpA_1 = B_s \subset B_p (no. 1, Mệnh đề 1) và tương tự A1⊂BrA_1 \subset B_r. Bây giờ, vì vi≠(0)v_i \neq (0) và vi=Bpiqiv_i = B_{\mathfrak{p}_i} q_i (Chương 11, § 2, no. 4, Mệnh đề 10), qi≠(0)q_i \neq (0), do đó p≠(0)p \neq (0) và Br≠KB_r \neq K. Điều này mâu thuẫn với giả thiết rằng A1A_1 và A1A_1 độc lập.

Còn lại là chứng minh rằng pp là nguyên tố. Điều này suy ra từ bổ đề sau:

Bổ đề 2

Cho A là một vành định giá và b là một iđêan của A phân biệt với A. Khi đó căn c của b là một iđêan nguyên tố.

Giả sử rằng xy∈cxy \in c. Khi đó tồn tại n≥1n \geq 1 sao cho (xy)n∈b(xy)^n \in b. Gọi vv là một định giá liên kết với A. Nếu, ví dụ, v(x)≥v(y)v(x) \geq v(y), thì

v(x2n)≥v(xnyn), v(x^{2n}) \geq v(x^n y^n),

do đó x2n∈bx^{2n} \in b và x∈cx \in c.

Hệ quả 1

Với mọi họ các phần tử γi∈Γi\gamma_i \in \Gamma_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n), tồn tại x∈Kx \in K sao cho vi(x)=γiv_i(x) = \gamma_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n).

Ta có thể giả sử rằng Ai≠KA_i \neq K với mọi ii. Khi đó, với mọi ii, tồn tại một ai∈Ka_i \in K sao cho vi(ai)=γiv_i(a_i) = \gamma_i và một ar∈Γra_r \in \Gamma_r sao cho γi<ar\gamma_i < a_r. Ta áp dụng Định lý 1 cho các phần tử aia_i này: tồn tại x∈Kx \in K sao cho vi(x−ai)>vi(ai)v_i(x - a_i) > v_i(a_i); do đó, vì x=ai+(x−ai)x = a_i + (x - a_i), vi(x)=vi(ai)=γiv_i(x) = v_i(a_i) = \gamma_i (§3§ 3, no. 1, Mệnh đề 1).

Hệ quả 2

Gọi Ti\mathscr{T}_i là tôpô được định nghĩa trên KK bởi viv_i; trang bị cho KnK^n tôpô tích của các Ti\mathscr{T}_i. Nếu các viv_i không suy biến, đường chéo của KnK^n là trù mật trong KnK^n.

Mệnh đề 3

Cho vv và v′v' là hai định giá không suy biến trên cùng một trường KK. Để vv và v′v' định nghĩa cùng một tôpô trên KK, điều kiện cần và đủ là chúng phụ thuộc.

Giả sử rằng các tôpô Tv\mathscr{T}_v và Tv′\mathscr{T}_{v'}, được định nghĩa bởi vv và v′v', là đồng nhất. Vì Tv\mathscr{T}_v là Hausdorff, đường chéo của K2K^2 là đóng và do đó vv và v′v' phụ thuộc (Hệ quả 2 của Định lý 1).

Ngược lại, giả sử rằng vv và v′v' phụ thuộc. Khi đó các vành AA và A′A' của chúng được chứa trong cùng một vành A′′A'' phân biệt với KK và A′′A'' là vành của một định giá v′′v'' (§4§ 4, no. 1, Mệnh đề 1). Chỉ cần chứng minh rằng tôpô Tv′′\mathscr{T}_{v''} đồng nhất với Tv\mathscr{T}_v. Gọi Γ\Gamma và Γ′′\Gamma'' là các nhóm cấp của vv và v′′v''. Có một đồng cấu tăng λ\lambda từ Γ\Gamma lên Γ′′\Gamma'' sao cho v′′=A∘vv'' = A \circ v (§4§ 4, no. 3). Nếu a′′∈I?′′a'' \in I?'', lấy a∈λ−1(a′′)a \in \lambda^{-1}(a''); điều kiện v(x)≥αv(x) \geq \alpha suy ra v′′(x)≥a′′v''(x) \geq a''. Lấy β∈Γ\beta \in \Gamma và β′′=λ(β)\beta'' = \lambda(\beta); điều kiện v(x)≤βv(x) \leq \beta suy ra v′′(x)≤β′′v''(x) \leq \beta'' và do đó điều kiện v′′(x)>β′′v''(x) > \beta'' suy ra v(x)>βv(x) > \beta. Vì vv và v′′v'' không bất chính, các bất đẳng thức đang xét xác định các hệ cơ bản các lân cận của 0 đối với Tv\mathscr{T}_v và Tv′′\mathscr{T}_{v''}. Do đó Tv=Tv′′\mathscr{T}_v = \mathscr{T}_{v''}, điều này hoàn tất chứng minh.

Nhận xét (1) Mệnh đề 3 cho thấy quan hệ '"vv và v′v' phụ thuộc"' là một quan hệ tương đương. (2) Xét đến các quan hệ giữa các định giá cấp 1 và các giá trị tuyệt đối siêu mêtric (§6§ 6, no. 2), Mệnh đề 3 cũng suy ra, trong trường hợp các định giá cấp 1, từ đặc trưng hóa các giá trị tuyệt đối tương đương (General Topology, Chương IX, §3§ 3, no. 2, Mệnh đề 5).

Mệnh đề 4

Cho v1,…,vnv_1, \ldots, v_n (n≥2n \geq 2) là các định giá từng đôi một phụ thuộc trên cùng một trường KK. Khi đó các vành A1,…,AnA_1, \ldots, A_n của v1,…,v,v_1, \ldots, v, sinh ra một vành con δ K\delta \ K phân biệt với KK.

Với n=2n = 2, Mệnh đề 4 suy ra từ Định nghĩa 1. Giả sử mệnh đề đúng đối với n−1n - 1 định giá. Khi đó tồn tại một vành con A của K phân biệt với K và chứa A1,…,AnA_1, \ldots, A_n; cũng tồn tại một vành con B ≠K\neq K chứa A, , và A. Vì A và B chứa A, _, nên chúng so sánh được theo quan hệ bao hàm (§4§ 4, no. 1, Hệ quả của Mệnh đề 1). Do đó, vành lớn hơn trong hai vành này chứa tất cả các AiA_i.

3. Trường hợp các giá trị tuyệt đối

Định lý 2 (Định lý xấp xỉ đối với các giá trị tuyệt đối)

Cho fif_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) là các giá trị tuyệt đối trên cùng một trường KK không bất chính và không có hai giá trị nào tương đương. Cho a, (1≤i≤n)a, \ (1 \leq i \leq n) là các phần tử của KK và ε\varepsilon là một số thực >0> 0. Khi đó tồn tại x∈Kx \in K sao cho fi(x−ai)≤εf_i(x - a_i) \leq \varepsilon với mọi ii.

Cho KiK_i là trường K với tôpô được xác định bởi fif_i. Kết quả cần chứng minh tương đương với điều sau: trong tích P=K1×⋯×KnP = K_1 \times \cdots \times K_n, bao đóng D‾\overline{D} của đường chéo D bằng P. Điều này là hiển nhiên đối với n=1n = 1. Giả sử điểm này đã được thiết lập trong trường hợp có k giá trị tuyệt đối với k<nk < n.

Trước hết ta chứng minh rằng tồn tại, với 2≤h≤n2 \leq h \leq n, một phần tử xhx_h của K sao cho f1(xh)<1,f2(xh)>1f_1(x_h) < 1, f_2(x_h) > 1 và fi(xh)≠1f_i(x_h) \neq 1 với 3≤i≤h3 \leq i \leq h. Ta lập luận bằng quy nạp theo hh. Nếu h=2h = 2, điều này suy ra từ sự kiện rằng f1f_1 và f2f_2 không tương đương. Do đó ta giả sử sự tồn tại của xh−1x_{h-1} đã được chứng minh và chứng minh sự tồn tại của xhx_h. Nếu fh(xh−1)≠1f_h(x_{h-1}) \neq 1, ta có thể lấy xh=xh−1x_h = x_{h-1}; nếu fh(xh−1)=1f_h(x_{h-1}) = 1, ta chọn z∈K∗z \in K^* sao cho fh(z)≠1f_h(z) \neq 1 và xh=z(xh−1)sx_h = z(x_{h-1})^s giải quyết bài toán với s đủ lớn. Như vậy ta đã chứng minh sự tồn tại của xhx_h.

Khi số nguyên qq tiến tới vô hạn, f1(xnq)f_1(x_n^q) tiến tới 0, f2(xnq)f_2(x_n^q) tiến tới +∞+\infty và fi(xnq)f_i(x_n^q) tiến tới 0 hoặc +∞+\infty với i≥3i \geq 3. Viết yq=xnq(1+xnq)−1y_q = x_n^q(1 + x_n^q)^{-1},

1−yq=(1+xnq)−1; 1 - y_q = (1 + x_n^q)^{-1};
do đó dãy (yq)(y_q) tiến tới 0 trong K1K_1, tới 1 trong K2K_2 và tới 0 hoặc 1 trong KiK_i với i≥3i \geq 3. Bằng cách thay đổi cách đánh số các KiK_i, ta có thể giả sử rằng tồn tại một số nguyên rr (1≤r<n1 \leq r < n) sao cho D‾\overline{D} chứa điểm (e1,…,en)(e_1, \ldots, e_n) trong đó ei=1e_i = 1 với 1≤i≤r1 \leq i \leq r và ei=0e_i = 0 với r+1≤i≤nr + 1 \leq i \leq n. Bây giờ, D‾\overline{D} là một không gian con K-vectơ của P. Do đó D‾\overline{D} chứa các đường chéo D' và D'' của
P′=K1×⋯×Kr, P' = K_1 \times \cdots \times K_r,
và P′′=Kr+1×⋯×KnP'' = K_{r+1} \times \cdots \times K_n. Theo giả thiết quy nạp, P′=D‾′P' = \overline{D}' và P′′=D‾′′P'' = \overline{D}''. Suy ra D‾=P\overline{D} = P.

Bài tập

Xem các bài tập cho § 7.

Machine translation of the English, by gpt-5-6, gpt-5-6-mini, against glossary version 34. Not checked by a person. That model is a cut down version of the one the rest of this language was written by.