Bourbaki

9. Ứng dụng: các trường compact địa phương

1. Hàm môđun trên một trường compact địa phương

Cho KK là một trường compact địa phương (không nhất thiết giao hoán). Nhắc lại rằng hàm mod (hay mod,) đã được định nghĩa (Tích phân, Chương VII, § 1, no. 10, Định nghĩa 6) trên KK như sau: mod⁡K(0)=0\operatorname{mod}_K(0) = 0 và với x≠0x \neq 0 trong KK, số mod⁡K(x)\operatorname{mod}_K(x) là môđun của tự đẳng cấu y↦xyy \mapsto xy của nhóm cộng của KK.

Mệnh đề 1

Nếu KK là một trường compact địa phương, hàm mod, thuộc V(K)\mathscr{V}(K) (§ 6, no. 1). Hơn nữa:* (i) Nếu s>0s > 0 sao cho (mod⁡K)s=g(\operatorname{mod}_K)^s = g là một giá trị tuyệt đối, thì gg xác định tôpô trên KK. (ii) *Nếu KK không rời rạc và mod, là một giá trị tuyệt đối siêu mêtric, thì tồn tại một định giá rời rạc chuẩn hóa vv trên KK mà vành của nó là compact và trường thặng dư của nó là hữu hạn với qq phần tử, sao cho mod⁡,=q−v\operatorname{mod}, = q^{-v}. Tôpô trên KK được xác định bởi vv.

Điều này suy ra từ § 6, no. 1, Mệnh đề 1, § 5, no. 1, Mệnh đề 2 và Tích phân, Chương VII, § 1, no. 10, các Mệnh đề 12 và 13.

Mệnh đề 2

Cho K,K′K, K' là hai trường compact địa phương (không nhất thiết giao hoán) sao cho KK là một trường con tôpô của K′K' và KK không rời rạc. Khi đó:* (i) K′K' là một không gian vectơ trái (ứng với phải) hữu hạn chiều trên KK. (ii) Nếu KK được chứa trong tâm của K′K', thì, với mọi x∈K′x \in K'. (1)

mod⁡K′(x)=mod⁡K(NK′/K(x)). \operatorname{mod}_{K'}(x) = \operatorname{mod}_K(N_{K'/K}(x)).
Vì KK là một trường định giá đầy đủ không rời rạc, mệnh đề (i) suy ra từ Không gian vectơ tôpô, Chương I, § 2, no. 4, Định lý 3; mệnh đề (ii) chính là Tích phân, Chương VII, § 1, no. 11, Mệnh đề 17.

Hệ quả 1

Mọi trường compact địa phương có tâm không rời rạc đều có hạng hữu hạn trên tâm của nó.

Tâm ZZ của một trường compact địa phương KK là đóng trong KK và do đó compact địa phương.

Hệ quả 2

Cho K′K' là một trường compact địa phương và KK là một trường con đóng của K′K' (không trường nào nhất thiết giao hoán). Nếu K′K' là một không gian vectơ trái (ứng với phải) số chiều hữu hạn nn trên KK, thì* (2)

mod⁡K′(x)=(mod⁡K(x))nvới mọi x∈K. \operatorname{mod}_{K'}(x) = (\operatorname{mod}_K(x))^n \quad \text{với mọi } x \in K.

Nói chung người ta biết rằng trong một không gian vectơ (trái hoặc phải) số chiều hữu hạn nn trên KK, phép vị tự với tỷ số x∈Kx \in K có môđun bằng (modK(x))n(\mathrm{mod}_K(x))^n; chỉ cần áp dụng điều này cho K′K'.

2. Sự tồn tại của các đại diện

Mệnh đề 3

Cho KK là một trường compact địa phương (không nhất thiết giao hoán) không rời rạc và có tôpô được xác định bởi một định giá rời rạc vv; gọi AA là vành và mm là iđêan của vv và đặt Card(A/m)=q=pf\mathrm{Card}(A/m) = q = p^f (pp nguyên tố). Khi đó, tồn tại một hệ đại diện SS của A/mA/m trong AA và một phần tử đều hóa uu đối với vv sao cho O∈SO \in S, S∗=S∩K∗S^* = S \cap K^* là một nhóm con cyclic của K∗K^* và u−1Su=Su^{-1} Su = S. Hơn nữa, mọi phần tử của AA đều có thể viết duy nhất dưới dạng ∑i=0∞siui\sum_{i=0}^\infty s_i u^i, trong đó si∈Ss_i \in S.

Ta sẽ dùng bổ đề sau:

Bổ đề 1

Cho x,yx, y là hai phần tử của AA giao hoán với nhau sao cho x−y∈mj (j≥1)x - y \in m^j \ (j \geq 1); khi đó xpn−ypn∈mj+nx^{p^n} - y^{p^n} \in m^{j+n} với mọi số nguyên n≥0n \geq 0.

Quy nạp theo nn, ta quy về việc chứng minh bổ đề cho n=1n = 1. Khi đó

xp−yp=(x−y)(xp−1+xp−2y+…+yp−1); x^p - y^p = (x - y)(x^{p-1} + x^{p-2}y + \ldots + y^{p-1});

nhân tử thứ hai là một tổng gồm pp số hạng đồng dư với nhau mod. mm và, vì A/mA/m có đặc số pp, ta có p⋅1∈mp \cdot 1 \in m trong AA và do đó

xp−1+xp−2y+…+yp−1∈m; x^{p-1} + x^{p-2}y + \ldots + y^{p-1} \in m;

do đó xp−yp∈mj+1x^p - y^p \in m^{j+1}.

Ta biết rằng nhóm nhân (A/m)∗(A/m)^* là một nhóm cyclic có q−1q - 1 phần tử (Algebra, Chương V, § 11, no. 1, Định lý 1); lấy xx là một đại diện trong AA của một phần tử sinh của nhóm này; khi đó xq−x∈mx^q - x \in m, do đó, theo Bổ đề 1, xqn+1−xqn∈m1+fnx^{q^{n+1}} - x^{q^n} \in m^{1+fn}, vì xqx^q và xx giao hoán với nhau. Điều này chứng minh rằng (xqn)n≥0(x^{q^n})_{n \geq 0} là một dãy Cauchy trong AA; vì AA compact và do đó đầy đủ, dãy này có một giới hạn trong AA; giới hạn đó hiển nhiên thỏa mãn s≡x(modm)s \equiv x \pmod{m} và sq=ss^q = s. Vì s≠0s \neq 0, ta có sq−1=1s^{q-1} = 1; chính xác hơn, ss là một primitive (q−1)(q-1)*-th root of unity* trong AA. Rõ ràng tập hợp SS gồm 00 và các lũy thừa sj (0≤j≤q−2)s^j \ (0 \leq j \leq q-2) là một hệ đại diện của các lớp của AA mod. mm và là bất biến đối với phép nhân trong AA.

Bây giờ lấy aa là một phần tử sinh cho vv và xét tự đẳng cấu trong y↦a−1yay \mapsto a^{-1}ya của KK; nó biến AA thành chính nó, mm thành chính nó và do đó, lấy thương, nó xác định một tự đẳng cấu của trường A/mA/m; người ta biết (Algebra, Chương V, § 11, no. 4, Mệnh đề 5) rằng một tự đẳng cấu như vậy có dạng z↦zprz \mapsto z^{p^r}, trong đó 0≤r≤f−10 \leq r \leq f-1. Khi đó a−1sja≡sjpr(modm)a^{-1}s^j a \equiv s^{jp^r} \pmod{m} với 0≤j≤q−20 \leq j \leq q-2; vì a∈ma \in m và s∉ms \notin m, điều này suy ra s−jasjpr≡a(modm2)s^{-j}as^{jp^r} \equiv a \pmod{m^2}.

Ta viết

u=∑i=0q−2s−1asipr. u = \sum_{i=0}^{q-2} s^{-1} a s^i p^r.

Khi đó u≡(q−l)a≡−a(mod. m2)u \equiv (q - l) a \equiv -a (\text{mod. } m^2) vì p.1∈mp . 1 \in m; ta kết luận rằng uu cũng là một phần tử sinh cho vv; hơn nữa (3)

s−1uspr=u s^{-1} u s^{p^r} = u
do đó ta suy ra rằng u−1Su=Su^{-1} S u = S.

Cuối cùng, với mọi x∈Ax \in A tồn tại một dãy duy nhất (si)(s_i) (i∈Ni \in \mathbf{N}) sao cho si∈Ss_i \in S với mọi ii và x≡∑siuix \equiv \sum s_i u^i (mod. mn+1m^{n+1}) với mọi n≥0n \geq 0: điều này ngay lập tức có được bằng quy nạp theo nn, mọi phần tử tt của mn+1m^{n+1} thỏa mãn một quan hệ dạng t≡t′un+1t \equiv t' u^{n+1} (mod. mn+2m^{n+2}), trong đó t′t' là một phần tử của SS được xác định duy nhất. Khi đó x=∑i=0∞siuix = \sum_{i=0}^{\infty} s_i u^i và họ (si)(s_i) thỏa mãn quan hệ này và sao cho si∈Ss_i \in S với mọi ii được xác định duy nhất.

3. Cấu trúc của các trường compact địa phương

Các bổ sung đầy đủ R\mathbf{R} và Qp\mathbf{Q}_p của trường Q\mathbf{Q} đối với các giá trị tuyệt đối không không chính quy trên Q\mathbf{Q} (pp là một số nguyên tố bất kỳ) là compact địa phương. Mặt khác, với mọi lũy thừa q=pfq = p^f của một số nguyên tố pp, trường Fq((T))\mathbf{F}_q((T)) các chuỗi lũy thừa hình thức trên trường hữu hạn FF, với định giá được xác định ở § 3, no. 4, Ví dụ 3 là compact địa phương: vì iđêan cực đại của vành định giá Fq[[T]]\mathbf{F}_q[[T]] được sinh bởi TT; ta biết rằng vành này là đầy đủ đối với tôpô (T)-adic (Chương III, § 2, no. 6, Mệnh đề 6) và, vì trường thặng dư Fq\mathbf{F}_q là hữu hạn, Mệnh đề 2 của § 5, no. 1 chứng minh mệnh đề của chúng ta. Ngược lại:

Định lý 1

Cho K là một trường compact địa phương (không nhất thiết giao hoán) mà không rời rạc.

(i) Nếu K có đặc số 0 và mod, không phải là một giá trị tuyệt đối siêu mêtric thì K đẳng cấu với một trong các trường R,C\mathbf{R}, \mathbf{C} hoặc H\mathbf{H}.

(ii) Nếu K có đặc số 0 và mod, là một giá trị tuyệt đối siêu mêtric, thì K là một đại số hạng hữu hạn trên một trường p-adic Qp\mathbf{Q}_p.

(iii) Nếu K có đặc số p≠0p \neq 0, thì nó đẳng cấu với một trường có tâm là một trường các chuỗi lũy thừa hình thức Fq((T))\mathbf{F}_q((T)) (trong đó qq là một lũy thừa của pp) và có hạng hữu hạn trên tâm của nó.

(i) Suy ra từ Định lý Ostrowski (§ 6, no. 4, Định lý 2) rằng K là một trường tôpô đẳng cấu với một trường con trù mật khắp nơi của R,C\mathbf{R}, \mathbf{C} hoặc H\mathbf{H} và, vì K là đầy đủ, nó đẳng cấu với R,C\mathbf{R}, \mathbf{C} hoặc H\mathbf{H}.

(ii) Gọi A là vành của giá trị tuyệt đối mod, và m là iđêan cực đại của nó. Ta biết rằng A/m là một trường hữu hạn (§ 5, no. 1, Mệnh đề 2) và do đó giá trị tuyệt đối cảm sinh bởi mod, trên Q\mathbf{Q} có một trường thặng dư hữu hạn, điều này chỉ có thể xảy ra nếu nó tương đương với một giá trị tuyệt đối pp-adic (§6§ 6, no. 3, Mệnh đề 4); bao đóng của Q\mathbf{Q} trong KK vì vậy đẳng cấu với Qp\mathbf{Q}_p và được chứa trong tâm của KK vì tâm này đóng trong KK; ta kết luận bằng cách sử dụng Mệnh đề 2 của no. 1.

(iii) Mệnh đề thứ hai suy ra từ mệnh đề thứ nhất và Hệ quả của Mệnh đề 2 của no. 2. Để chứng minh mệnh đề thứ nhất, chú ý rằng mod, tất yếu là một giá trị tuyệt đối siêu mêtric (§6§ 6, no. 2, Hệ quả của Mệnh đề 3); theo ký hiệu của chứng minh Mệnh đề 3 của no. 2, tâm ZZ của KK gồm các phần tử giao hoán với cả ss lẫn uu; nhưng nhờ (3),

u−qsuq=sqpr=s, u^{-q} s u^q = s^{q p^r} = s,

nên uq∈Zu^q \in Z và ta kết luận rằng ZZ không rời rạc. Vì ZZ là compact địa phương, ta có thể tự giới hạn vào trường hợp K là giao hoán. Đại số con trên Fp\mathbf{F}_p là Fp[s]\mathbf{F}_p[s] trong KK khi đó là một trường hữu hạn vì sq−1=1s^{q-1} = 1 và hiển nhiên yq=yy^q = y với mọi phần tử của trường này, do đó nó đồng nhất với SS và đẳng cấu với Fq\mathbf{F}_q vì S⊂Fp[s]S \subset \mathbf{F}_p[s] có qq phần tử. Vì tổng của hai phần tử của SS nằm trong SS, ánh xạ biến mỗi chuỗi lũy thừa hình thức ∑i=0∞siTi∈Fq[[T]]\sum_{i=0}^\infty s_i T^i \in \mathbf{F}_q[[T]] thành phần tử ∑i=0∞siui\sum_{i=0}^\infty s_i u^i là một đồng cấu song ánh từ vành Fq[[T]]\mathbf{F}_q[[T]] lên vành AA, do đó ngay lập tức có kết luận.

Hệ quả 1

Mọi trường compact địa phương* mà không rời rạc đều có hạng hữu hạn trên tâm của nó.

Hệ quả 2

Mọi trường compact địa phương đều liên thông hoặc hoàn toàn không liên thông; nếu nó liên thông, thì nó đẳng cấu với R,C\mathbf{R}, \mathbf{C} hoặc H\mathbf{H}.

Nếu tôpô trên một trường KK được xác định bởi một giá trị tuyệt đối siêu mêtric, thì KK hoàn toàn không liên thông đối với tôpô này.

Nhận xét

Cho ss là một số nguyên >0> 0; trường con Fq((Ts))=L\mathbf{F}_q((T^s)) = L của K=Fq((T))K = \mathbf{F}_q((T)) là đóng trong KK và e(K/L)=se(K/L) = s và f(K/L)=1f(K/L) = 1. Vì vậy thấy rằng có những trường con đóng LL của KK không rời rạc và sao cho e(K/L)e(K/L) (và a fortiori bậc [K:L][K:L]) lớn tùy ý (trái với điều xảy ra đối với các trường compact địa phương có đặc số 0, ở đó mọi trường con compact địa phương LL của một trường như vậy KK tất yếu chứa R\mathbf{R} hoặc Qp\mathbf{Q}_p và do đó [K:L][K:L] bị chặn).

Bài tập

22. (a) Nếu tồn tại một định giá rời rạc trên một trường K, hãy chứng minh rằng bao đóng đại số của K là vô hạn trên K.

(b) Cho K là một mở rộng sinh hữu hạn của trường K0K_0. Chứng minh rằng, nếu K không đại số trên K0K_0, thì tồn tại một định giá rời rạc vv trên K sao cho v(x)=0v(x) = 0 trên K0K_0.

39

Xem các bài tập của § 9.

Machine translation of the English, by gpt-5.4, against glossary version 34. Not checked by a person.