9. Ứng dụng: các trường compact địa phương
1. Hàm môđun trên một trường compact địa phương
Cho 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 như sau: và với trong , số là môđun của tự đẳng cấu của nhóm cộng của .
Mệnh đề 1
Nếu là một trường compact địa phương, hàm mod, thuộc (§ 6, no. 1). Hơn nữa:* (i) Nếu sao cho là một giá trị tuyệt đối, thì xác định tôpô trên . (ii) *Nếu không rời rạc và mod, là một giá trị tuyệt đối siêu mêtric, thì tồn tại một định giá rời rạc chuẩn hóa trên mà vành của nó là compact và trường thặng dư của nó là hữu hạn với phần tử, sao cho . Tôpô trên được xác định bởi .
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 là hai trường compact địa phương (không nhất thiết giao hoán) sao cho là một trường con tôpô của và không rời rạc. Khi đó:* (i) là một không gian vectơ trái (ứng với phải) hữu hạn chiều trên . (ii) Nếu được chứa trong tâm của , thì, với mọi . (1)
Hệ quả 1
Mọi trường compact địa phương có tâm không rời rạc đều có hạng hữu hạn trên tâm của nó.
Tâm của một trường compact địa phương là đóng trong và do đó compact địa phương.
Hệ quả 2
Cho là một trường compact địa phương và là một trường con đóng của (không trường nào nhất thiết giao hoán). Nếu là một không gian vectơ trái (ứng với phải) số chiều hữu hạn trên , thì* (2)
Nói chung người ta biết rằng trong một không gian vectơ (trái hoặc phải) số chiều hữu hạn trên , phép vị tự với tỷ số có môđun bằng ; chỉ cần áp dụng điều này cho .
2. Sự tồn tại của các đại diện
Mệnh đề 3
Cho 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 ; gọi là vành và là iđêan của và đặt ( nguyên tố). Khi đó, tồn tại một hệ đại diện của trong và một phần tử đều hóa đối với sao cho , là một nhóm con cyclic của và . Hơn nữa, mọi phần tử của đều có thể viết duy nhất dưới dạng , trong đó .
Ta sẽ dùng bổ đề sau:
Bổ đề 1
Cho là hai phần tử của giao hoán với nhau sao cho ; khi đó với mọi số nguyên .
Quy nạp theo , ta quy về việc chứng minh bổ đề cho . Khi đó
nhân tử thứ hai là một tổng gồm số hạng đồng dư với nhau mod. và, vì có đặc số , ta có trong và do đó
do đó .
Ta biết rằng nhóm nhân là một nhóm cyclic có phần tử (Algebra, Chương V, § 11, no. 1, Định lý 1); lấy là một đại diện trong của một phần tử sinh của nhóm này; khi đó , do đó, theo Bổ đề 1, , vì và giao hoán với nhau. Điều này chứng minh rằng là một dãy Cauchy trong ; vì compact và do đó đầy đủ, dãy này có một giới hạn trong ; giới hạn đó hiển nhiên thỏa mãn và . Vì , ta có ; chính xác hơn, là một primitive *-th root of unity* trong . Rõ ràng tập hợp gồm và các lũy thừa là một hệ đại diện của các lớp của mod. và là bất biến đối với phép nhân trong .
Bây giờ lấy là một phần tử sinh cho và xét tự đẳng cấu trong của ; nó biến thành chính nó, thành chính nó và do đó, lấy thương, nó xác định một tự đẳng cấu của trường ; người ta biết (Algebra, Chương V, § 11, no. 4, Mệnh đề 5) rằng một tự đẳng cấu như vậy có dạng , trong đó . Khi đó với ; vì và , điều này suy ra .
Ta viết
Khi đó vì ; ta kết luận rằng cũng là một phần tử sinh cho ; hơn nữa (3)
Cuối cùng, với mọi tồn tại một dãy duy nhất () sao cho với mọi và (mod. ) với mọi : điều này ngay lập tức có được bằng quy nạp theo , mọi phần tử của thỏa mãn một quan hệ dạng (mod. ), trong đó là một phần tử của được xác định duy nhất. Khi đó và họ thỏa mãn quan hệ này và sao cho với mọi được xác định duy nhất.
3. Cấu trúc của các trường compact địa phương
Các bổ sung đầy đủ và của trường đối với các giá trị tuyệt đối không không chính quy trên ( là một số nguyên tố bất kỳ) là compact địa phương. Mặt khác, với mọi lũy thừa của một số nguyên tố , trường các chuỗi lũy thừa hình thức trên trường hữu hạn , 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 được sinh bởi ; 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 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 hoặc .
(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 .
(iii) Nếu K có đặc số , thì nó đẳng cấu với một trường có tâm là một trường các chuỗi lũy thừa hình thức (trong đó là một lũy thừa của ) 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 hoặc và, vì K là đầy đủ, nó đẳng cấu với hoặc .
(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 có một trường thặng dư hữu hạn, điều này chỉ có thể xảy ra nếu nó tương đương với một giá trị tuyệt đối -adic (, no. 3, Mệnh đề 4); bao đóng của trong vì vậy đẳng cấu với và được chứa trong tâm của vì tâm này đóng trong ; 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 (, no. 2, Hệ quả của Mệnh đề 3); theo ký hiệu của chứng minh Mệnh đề 3 của no. 2, tâm của gồm các phần tử giao hoán với cả lẫn ; nhưng nhờ (3),
nên và ta kết luận rằng không rời rạc. Vì là compact địa phương, ta có thể tự giới hạn vào trường hợp K là giao hoán. Đại số con trên là trong khi đó là một trường hữu hạn vì và hiển nhiên với mọi phần tử của trường này, do đó nó đồng nhất với và đẳng cấu với vì có phần tử. Vì tổng của hai phần tử của nằm trong , ánh xạ biến mỗi chuỗi lũy thừa hình thức thành phần tử là một đồng cấu song ánh từ vành lên vành , 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 hoặc .
Nếu tôpô trên một trường được xác định bởi một giá trị tuyệt đối siêu mêtric, thì hoàn toàn không liên thông đối với tôpô này.
Nhận xét
Cho là một số nguyên ; trường con của là đóng trong và và . Vì vậy thấy rằng có những trường con đóng của không rời rạc và sao cho (và a fortiori bậc ) 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 của một trường như vậy tất yếu chứa hoặc và do đó 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 . Chứng minh rằng, nếu K không đại số trên , thì tồn tại một định giá rời rạc trên K sao cho trên .
39
Xem các bài tập của § 9.