7. Định lý xấp xỉ
1. Giao của một số hữu hạn các vành định giá
Mệnh đề 1
Cho K là một trường, (Ai)1≤i≤n là một họ hữu hạn các vành định giá của K và B=⋂i=1nAi. Ta viết pi=B∩m(Ai). Khi đó Ai=Bpi với mọi i và trường phân thức của B là K.
Rõ ràng Bpi⊂Ai. Để chứng minh bao hàm đảo lại, ta cần bổ đề sau:
Bổ đề 1
Cho vi (1≤i≤n) là các định giá trên trường K và x∈K∗. Khi đó tồn tại một đa thứcf (X) có dạng
f(X)=1+n1X+⋯+nk−1Xk−1+Xk(k≥2, nj∈Z với 1≤j≤k−1)
sao cho f(x)=0 và phần tử z=f(x)−1 có các tính chất sau đâyvới 1≤i≤n:
vi(z)=0neˆˊuvi(x)≥0vi(z)+vi(x)>0neˆˊuvi(x)<0.
Giả sử bổ đề này trong chốc lát, ta chỉ ra cách nó suy ra rằng A1⊂Bp1. Cho x là một phần tử khác không của Ai. Ta áp dụng bổ đề cho x và các định giá vi liên kết với các Ai. Khi đó vi(z)≥0 và vi(zx)≥0 với mọi i, do đó z∈B và zx∈B. Vì v1(x)≥0, v1(z)=0 và do đó z∈/p1. Vậy x=zx/z∈Bp1. Trường phân thức của B khi đó chứa A1 và do đó là K.
Bây giờ ta chuyển sang chứng minh bổ đề. Gọi I là tập hợp các chỉ số i sao cho vi(x)≥0. Với mọi i∈I, gọi xˉi là ảnh chính tắc của x trong κ(Ai). Với mọi i∈I ta xây dựng một đa thứcf như sau: nếu tồn tại một đa thức g(X) có dạng (1) sao cho g(xˉi)=0 trong κ(Ai), ta lấyf là một đa thức như vậy; nếu không ta lấy fi=1. Khi đó ta viết f(X)=1+X2∏i∈Ifi(X). Hiển nhiên đó là một đa thức có dạng (1). Nếu i∈I, thì f(x)∈Ai và cũng (xˉi)=0 theo phép dựng; do đó f(x)∈/m(Ai), vi(f(x))=0 và v(z)=0. Nếu i∈/I, thì vi(x)<0, do đó vi(f(x))=kvi(x) (§ 3, no. 1, Mệnh đề 1) và
vi(x)+vi(z)=(1−k)vi(x)>0
(vì k≥2). Do đó bổ đề.
Mệnh đề 2
Với các giả thiết của Mệnh đề 1, giả sử thêm rằng Ai⊂Aj với i=j. Khi đó các pi là các iđêan cực đại phân biệt của B và mọi iđêan cực đại của B đều bằng một trong các pi.
Nếu pi⊂pj với i=j, thì Ai=Bpi⊃Bpj=Aj. Khi đó chỉ cần áp dụng Chương II, § 3, no. 5, Hệ quả của Mệnh đề 17.
Hệ quả 1
Giả sử rằng Ai⊂Aj với i=j. Với mọi họ các phần tử ai∈Ai (1≤i≤n), tồn tại x∈B sao cho x≡ai(modm(Ai)) với 1≤i≤n.
Vì các pi là các iđêan cực đại của B, Ai/m(Ai)=Bpi/piBpi=B/pi và do đó có thể giả sử rằng ai∈B với mọi i. Hệ quả suy ra từ sự kiện rằng ánh xạ chính tắc từ B đến ∏i=1n(B/pi) là toàn ánh (Chương 11, § 1, no. 2, Mệnh đề 5).
Hệ quả 2
Giả sử rằng Ai⊂Aj với i=j. Tồn tại các phần tử xi (1≤i≤n) của K sao cho vi(xi)=0 và vj(xi)>0 với i=j.
Với mỗi chỉ số i áp dụng Hệ quả 1 cho họ (ai) sao cho ai=1 và aj=0 với j=i.
Hệ quả 3
Mọi vành định giá của K chứa B đều chứa một trong các Ai.
Ta có thể giới hạn sự chú ý vào trường hợp Ai⊂Aj với i#j. Gọi V là một vành định giá của K chứa B. Ta viết
p=m(V)∩B. Tồn tại một iđêan cực đại
pi của
B chứa
p, do đó
Ai=Bpi⊂B,⊂V.
2. Các định giá độc lập
Định nghĩa 1
Cho A và A′ là hai vành định giá của cùng một trường K. A và A′ được gọi là độc lập nếu K là vành sinh bởi A và A′. Hai định giá trên K 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 K độc lập với mọi định giá trên K. Để hai định giá có cấp 1 trên K 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 vi (1≤i≤n) là các định giá trên một trường K độc lập từng đôi một và Γi là nhóm cấp của vi. Cho ai∈K và αi∈Γi (1≤i≤n). Khi đó tồn tại x∈K sao cho vi(x−ai)≥αi với mọi i
Nếu vi không đúng, thì ai=0 và quan hệ vi(x−ai)≥ai đúng với mọi x∈K. Do đó ta có thể giả sử rằng các vi không không đúng.
Gọi Ai là vành của vi, B=⋂i=1nAi và pi=m(Ai)∩B. Theo Mệnh đề 1 của no. 1, các ai có thể được viết ai=bi/s (bi∈B,s∈B−{0}); nếu ta viết x=y/s và αi′=αi+vi(s), thì vi(y−6i)≥αi′. Điều này chỉ ra rằng ta có thể giả sử ai∈B với mọi i; ta cũng có thể giả sử rằng αi>0 với mọi i. Gọi vi 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,j sao cho qi⊂pj và i=j. Ta sẽ sớm thấy rằng căn của qi là một iđêan nguyên tố p của B. Khi đó p⊂pj và cũng p⊂pi vì αi>0 và do đó qi⊂pi. Vì vậy A1=Bs⊂Bp (no. 1, Mệnh đề 1) và tương tự A1⊂Br. Bây giờ, vì vi=(0) và vi=Bpiqi (Chương 11, § 2, no. 4, Mệnh đề 10), qi=(0), do đó p=(0) và Br=K. Điều này mâu thuẫn với giả thiết rằng A1 và A1 độc lập.
Còn lại là chứng minh rằng p 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∈c. Khi đó tồn tại n≥1 sao cho (xy)n∈b. Gọi v là một định giá liên kết với A. Nếu, ví dụ, v(x)≥v(y), thì
v(x2n)≥v(xnyn),
do đó x2n∈b và x∈c.
Hệ quả 1
Với mọi họ các phần tử γi∈Γi (1≤i≤n), tồn tại x∈K sao cho vi(x)=γi (1≤i≤n).
Ta có thể giả sử rằng Ai=K với mọi i. Khi đó, với mọi i, tồn tại một ai∈K sao cho vi(ai)=γi và một ar∈Γr sao cho γi<ar. Ta áp dụng Định lý 1 cho các phần tử ai này: tồn tại x∈K sao cho vi(x−ai)>vi(ai); do đó, vì x=ai+(x−ai), vi(x)=vi(ai)=γi (§3, no. 1, Mệnh đề 1).
Hệ quả 2
Gọi Ti là tôpô được định nghĩa trên K bởi vi; trang bị cho Kn tôpô tích của các Ti. Nếu các vi không suy biến, đường chéo của Kn là trù mật trong Kn.
Mệnh đề 3
Cho v và v′ là hai định giá không suy biến trên cùng một trường K. Để v và v′ định nghĩa cùng một tôpô trên K, điều kiện cần và đủ là chúng phụ thuộc.
Giả sử rằng các tôpô Tv và Tv′, được định nghĩa bởi v và v′, là đồng nhất. Vì Tv là Hausdorff, đường chéo của K2 là đóng và do đó v và v′ phụ thuộc (Hệ quả 2 của Định lý 1).
Ngược lại, giả sử rằng v và v′ phụ thuộc. Khi đó các vành A và A′ của chúng được chứa trong cùng một vành A′′ phân biệt với K và A′′ là vành của một định giá v′′ (§4, no. 1, Mệnh đề 1). Chỉ cần chứng minh rằng tôpô Tv′′ đồng nhất với Tv. Gọi Γ và Γ′′ là các nhóm cấp của v và v′′. Có một đồng cấu tăng λ từ Γ lên Γ′′ sao cho v′′=A∘v (§4, no. 3). Nếu a′′∈I?′′, lấy a∈λ−1(a′′); điều kiện v(x)≥α suy ra v′′(x)≥a′′. Lấy β∈Γ và β′′=λ(β); điều kiện v(x)≤β suy ra v′′(x)≤β′′ và do đó điều kiện v′′(x)>β′′ suy ra v(x)>β. Vì v và v′′ không bất chính, các bất đẳng thức đang xét xác định các hệ cơ bản các lân cận của 0 đối với Tv và Tv′′. Do đó Tv=Tv′′, điều này hoàn tất chứng minh.
Nhận xét (1) Mệnh đề 3 cho thấy quan hệ '"v và 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, 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, no. 2, Mệnh đề 5).
Mệnh đề 4
Cho v1,…,vn (n≥2) là các định giá từng đôi một phụ thuộc trên cùng một trường K. Khi đó các vành A1,…,An của v1,…,v, sinh ra một vành con δ K phân biệt với K.
Với n=2, Mệnh đề 4 suy ra từ Định nghĩa 1. Giả sử mệnh đề đúng đối với n−1 định giá. Khi đó tồn tại một vành con A của K phân biệt với K và chứa A1,…,An; cũng tồn tại một vành con B =K chứa A, , và A. Vì A và B chứa A, _, nên chúng so sánh được theo quan hệ bao hàm (§4, no. 1, Hệ quả của Mệnh đề 1). Do đó, vành lớn hơn trong hai vành này chứa tất cả các Ai.
3. Trường hợp các giá trị tuyệt đối
Định lý 2 (Định lý xấp xỉ đối với các giá trị tuyệt đối)
Cho fi (1≤i≤n) là các giá trị tuyệt đối trên cùng một trường K không bất chính và không có hai giá trị nào tương đương. Cho a, (1≤i≤n) là các phần tử của K và ε là một số thực >0. Khi đó tồn tại x∈K sao cho fi(x−ai)≤ε với mọi i.
Cho Ki là trường K với tôpô được xác định bởi fi. Kết quả cần chứng minh tương đương với điều sau: trong tích P=K1×⋯×Kn, bao đóng D của đường chéo D bằng P. Điều này là hiển nhiên đối với n=1. Giả sử điểm này đã được thiết lập trong trường hợp có k giá trị tuyệt đối với k<n.
Trước hết ta chứng minh rằng tồn tại, với 2≤h≤n, một phần tử xh của K sao cho f1(xh)<1,f2(xh)>1 và fi(xh)=1 với 3≤i≤h. Ta lập luận bằng quy nạp theo h. Nếu h=2, điều này suy ra từ sự kiện rằng f1 và f2 không tương đương. Do đó ta giả sử sự tồn tại của xh−1 đã được chứng minh và chứng minh sự tồn tại của xh. Nếu fh(xh−1)=1, ta có thể lấy xh=xh−1; nếu fh(xh−1)=1, ta chọn z∈K∗ sao cho fh(z)=1 và xh=z(xh−1)s giải quyết bài toán với s đủ lớn. Như vậy ta đã chứng minh sự tồn tại của xh.
Khi số nguyên q tiến tới vô hạn, f1(xnq) tiến tới 0, f2(xnq) tiến tới +∞ và fi(xnq) tiến tới 0 hoặc +∞ với i≥3. Viết yq=xnq(1+xnq)−1,
1−yq=(1+xnq)−1; do đó dãy
(yq) tiến tới 0 trong
K1, tới 1 trong
K2 và tới 0 hoặc 1 trong
Ki với
i≥3. Bằng cách thay đổi cách đánh số các
Ki, ta có thể giả sử rằng tồn tại một số nguyên
r (
1≤r<n) sao cho
D chứa điểm
(e1,…,en) trong đó
ei=1 với
1≤i≤r và
ei=0 với
r+1≤i≤n. Bây giờ,
D là một không gian con K-vectơ của P. Do đó
D chứa các đường chéo D' và D'' của
P′=K1×⋯×Kr, và
P′′=Kr+1×⋯×Kn. Theo giả thiết quy nạp,
P′=D′ và
P′′=D′′. Suy ra
D=P.
Bài tập
Xem các bài tập cho § 7.