2. Miền Dedekind
1. Định nghĩa miền Dedekind
Cho là một miền nguyên. Rõ ràng các điều kiện sau là tương đương: (a) không có hai iđêan nguyên tố khác không nào của là so sánh được đối với quan hệ bao hàm; (b) các iđêan nguyên tố khác không của là cực đại; (c) các iđêan nguyên tố khác không của có chiều cao bằng 1.
Định nghĩa 1
Một miền Krull mà mọi iđêan nguyên tố khác không đều là cực đại được gọi là một miền Dedekind.
Trích dẫn đến 5
Trích dẫn đến Hệ quả 1, V § 2, Mệnh đề 12, VII § 1, Bài tập 12, § 1, Mệnh đề 11, II § 2, Mệnh đề 6, VII § 1
Các ví dụ về miền Dedekind (1) Mọi miền iđêan chính đều là một miền Dedekind. (2) Cho K là một mở rộng hữu hạn của và A là bao đóng nguyên của trong K. Vành A là một miền Krull (§ 1, no. 8, Mệnh đề 12). Cho là một iđêan nguyên tố khác không của A. Khi đó là khác không (Chương V, § 2, no. 1, Hệ quả của Mệnh đề 1) và do đó là một iđêan cực đại của ; do đó là một iđêan cực đại của A (loc. cit., Mệnh đề 1). Vậy A là một miền Dedekind. Nói chung, A không phải là một miền iđêan chính (Algebra, Chương VII, § 1, Bài tập 12). (3) \* Cho V là một đa tạp đại số afin và A là vành các hàm chính quy trên V. Giả sử rằng A không phải là một trường (tức là V không thu về một điểm). Để A là một miền Dedekind, điều kiện cần và đủ là V là một đường cong bất khả quy không có điểm kỳ dị: vì nói rằng A là một miền nguyên tương đương với nói rằng V là bất khả quy; nói rằng mọi iđêan nguyên tố khác không của A đều là cực đại tương đương với nói rằng A là một đường cong; sau cùng, vì A là Noether, nói rằng nó là một miền Krull tương đương với nói rằng nó đóng nguyên, nghĩa là V là một đường cong chuẩn tắc, hay cũng có nghĩa là nó không có điểm kỳ dị. \* (4) Một vành phân thức của một miền Dedekind A là một miền Dedekind nếu . Thật vậy, là một miền Krull (§ 1, no. 4, Mệnh đề 6) và mọi iđêan nguyên tố khác không của đều là cực đại theo Chương II, § 2, no. 5, Mệnh đề 11.
2. Các đặc trưng của miền Dedekind
Định lý 1
Cho A là một miền nguyên và K là trường phân thức của nó. Các điều kiện sau là tương đương: (a) A là một miền Dedekind; (b) A là một miền Krull và mọi định giá không suy biến trên K mà dương trên A đều tương đương với một định giá cốt yếu của A; (c) A là một miền Krull và mọi iđêan phân thức của A đều là chia được; (d) mọi iđêan phân thức của A đều khả nghịch; (e) A là một miền đóng nguyên Noether và mọi iđêan nguyên tố khác không của A đều là cực đại; (f) A là Noether và, với mọi iđêan cực đại m của A, hoặc là một trường hoặc là một vành định giá rời rạc; (g) A là Noether và, với mọi iđêan cực đại m của A, là một miền iđêan chính.
Trích dẫn đến 4 · Được trích dẫn bởi 6
Trích dẫn đến Hệ quả, VI § 1, VII § 1. Các miền Krull, Hệ quả 2, VII § 1, Hệ quả 3
Được trích dẫn bởi Mệnh đề 1, Hệ quả 2, Định nghĩa 1, VII § 3, Bổ đề 2, VII § 4, Bổ đề 4, VII § 4, Bổ đề 5, VII § 4
Trước hết ta chứng minh tính tương đương của (a) và (b). Hệ quả 2 của Định lý 3, § 1, no. 6, cho thấy ngay lập tức rằng (a) kéo theo (b). Ngược lại, (b) kéo theo (a), vì, với mọi iđêan nguyên tố của , tồn tại một vành định giá của trội hơn (Chương VI, § 1, no. 2, Hệ quả của Định lý 2).
Phần còn lại của chứng minh được tiến hành bằng cách chứng minh các kéo theo sau:
Nếu là một miền Dedekind và là một iđêan phân thức khác không, thì với mọi iđêan cực đại (, no. 4, Mệnh đề 7) và do đó (Chương II, , no. 3, Hệ quả 3 của Định lý 1); vì thế (a) kéo theo (c).
Bây giờ ta chứng minh rằng (c) kéo theo (d). Nếu (c) đúng, ánh xạ là một song ánh từ lên (xem , no. 1); vì nó là một đồng cấu (, no. 2) và là một nhóm, mọi phần tử của đều khả nghịch.
Ta chứng minh rằng (d) kéo theo (e). Nếu (d) đúng, mọi iđêan nguyên của đều sinh hữu hạn (Chương 11, , no. 6, Định lý 4) và do đó là Noether; vì là một nhóm, là một nhóm và vì thế hoàn toàn đóng nguyên (, no. 2, Định lý 1). Sau cùng, nếu là một iđêan nguyên tố khác không của và là một iđêan cực đại của chứa , thì vành là một miền iđêan chính (Chương II, , no. 6, Định lý 4); vì là nguyên tố và khác không, tất yếu (một miền iđêan chính là một miền Dedekind) do đó (Chương 11, , no. 5, Mệnh đề 11) và là cực đại.
Bây giờ ta chỉ ra rằng (e) suy ra (f). Nếu là một iđêan cực đại của và (e) đúng, thì là một miền Noether nguyên đóng và iđêan cực đại của nó hoặc là (0), hoặc là iđêan nguyên tố khác không duy nhất của ; do đó là một trường hoặc một vành định giá rời rạc theo Mệnh đề 11 của , no. 7.
Việc (f) suy ra (g) là hiển nhiên.
Sau cùng ta chỉ ra rằng (g) suy ra (a). Vì là giao của các , với chạy qua tập hợp các iđêan cực đại (Chương II, , no. 3, Hệ quả 4 của Định lý 1), (g) suy ra rằng là nguyên đóng và Noether và do đó là một miền Krull (, no. 3, Hệ quả của Định lý 2). Mặt khác, có thể chỉ ra rằng mọi iđêan nguyên tố khác không của đều cực đại như trong chứng minh rằng (d) (e).
Mệnh đề 1
Một miền Dedekind nửa địa phương là một miền iđêan chính.
Trích dẫn đến 3 · Được trích dẫn bởi 3
Trích dẫn đến Mệnh đề 5 (Krull-Akizuki), Hệ quả 1, Định lý 1
Được trích dẫn bởi Bài tập 1, § 2, Bổ đề 2, VII § 4, Bổ đề 4, VII § 4
Cho là một miền Dedekind nửa địa phương, trường phân thức của nó, các iđêan cực đại của nó và , các định giá cốt yếu tương ứng; đó là các định giá cốt yếu duy nhất của . Cho là một iđêan nguyên khác không của . Vì nó là một iđêan ước, tồn tại (, no. 4, Mệnh đề 5) các số nguyên sao cho là tập hợp các sao cho với . Cho là một phần tử của sao cho với (Chương VI, , no. 2, Hệ quả 1 của Định lý 1). Khi đó là tập hợp các sao cho với . Vậy .
Nếu là một miền Dedekind, trong chứng minh của Định lý 1 đã thấy rằng nhóm D(A) các ước của A được đồng nhất với nhóm I(A) các iđêan phân thức (vì A là Noether, mọi iđêan phân thức khác không đều sinh hữu hạn). Khi đó nhóm lớp các ước C(A) của A (, no. 2) được đồng nhất với nhóm các lớp iđêan của A (được định nghĩa trong Chương II, , no. 7).
3. Phân tích các iđêan thành tích các iđêan nguyên tố
Cho A là một miền Dedekind, I(A) nhóm nhân có thứ tự của các iđêan phân thức khác không của A và D(A) nhóm các ước của A. Đẳng cấu từ I(A) lên D(A) biến các ước cực biên thành các iđêan nguyên tố khác không của A (, no. 6, Định lý 3) và do đó nhóm nhân I(A) nhận tập hợp các iđêan nguyên tố khác không của A làm cơ sở (, no. 3, Định lý 2). Nói cách khác, mọi iđêan phân thức khác không a của A đều có một phân tích duy nhất dưới dạng:
trong đó tích lấy trên các iđêan nguyên tố khác không của A, các số mũ bằng không trừ ra đối với một số hữu hạn trong chúng. Hơn nữa a là nguyên khi và chỉ khi các đều dương. Quan hệ (1) được gọi là phân tích của a thành các nhân tử nguyên tố. Đặc biệt, nếu a là một iđêan chính , thì với mọi , , trong đó ký hiệu định giá cốt yếu tương ứng với ; điều này suy ra từ công thức (4) của , no. 3. Cho
là hai iđêan phân thức khác không của A. Khi đó
Quan hệ (2) là hiển nhiên; quan hệ (3) suy ra từ đó, đẳng thức suy ra từ đẳng thức
(, no. 2, Hệ quả của Định lý 1); các công thức (4) và (5) suy ra từ Mệnh đề 2, , no. 1.
Các kết quả này áp dụng đặc biệt cho bao đóng nguyên của trong một mở rộng hữu hạn của .
Nếu là một miền iđêan chính, các kết quả trên lại cho các kết quả của Đại số, Chương VII, § 1, no. 3.
4. Định lý xấp xỉ cho các miền Dedekind
Trong các miền Dedekind có một "định lý xấp xỉ" làm mạnh cả Định lý 1 của Chương VI, § 7, no. 2 lẫn Mệnh đề 9 của § 1, no. 5:
Mệnh đề 2
Cho là một miền Dedekind, là trường phân thức của nó và là tập hợp các iđêan nguyên tố khác không của ; với gọi là định giá cốt yếu tương ứng của . Cho là các phần tử phân biệt của và là các số nguyên hữu tỉ và là các phần tử của . Khi đó tồn tại sao cho với và với mọi phân biệt với các .
Trích dẫn đến 2 · Được trích dẫn bởi 2
Trích dẫn đến Mệnh đề 5, II § 1, Mệnh đề 4, TG III § 3
Được trích dẫn bởi § 2. Miền Dedekind, Mệnh đề 3
Nếu cần, thay thế các bằng những số nguyên lớn hơn, có thể giả sử tất cả chúng đều dương. Trước hết ta xét trường hợp các thuộc ; điều đó hiển nhiên quy về việc tìm một thỏa mãn các đồng dư thức
và sự tồn tại của khi đó suy ra từ Chương II, § 1, no. 2, Mệnh đề 5.
Bây giờ ta chuyển sang trường hợp tổng quát. Ta có thể viết trong đó thuộc ; viết , điều đó quy về việc tìm một sao cho, một mặt, và, mặt khác, với mọi phân biệt với các ; vì trừ ra với một số hữu hạn chỉ số , như vậy bài toán được quy về trường hợp trên; do đó mệnh đề.
Mệnh đề 2 có thể được diễn giải như một định lý mật độ. Chính xác hơn, với mọi , ký hiệu (resp. ) là phép hoàn bị của (resp. ) đối với định giá rời rạc và xét tích ; một phần tử của tích này được gọi là một adèle hạn chế của nếu với mọi trừ ra một số hữu hạn phần tử. Rõ ràng tập hợp các adèle hạn chế là một vành con của , chứa vành tích . Xét trên , tôpô tích, đối với tôpô này là đầy đủ; tồn tại trên một tôpô duy nhất tương thích với cấu trúc nhóm cộng của nó và đối với đó các lân cận của 0 trong , lập thành một hệ cơ bản các lân cận của 0. Tôpô tương thích với cấu trúc vành trên ; vì rõ ràng tiên đề (AVII) của General Topology, Chapter 111, § 6, no. 3, được thỏa mãn, tôpô cảm sinh bởi trên tương thích với cấu trúc vành trên . Mặt khác, với mọi tồn tại một tập con hữu hạn của sao cho, nếu viết thì x \in K_J \times A_{J'} và, vì là mở trong với mọi p, là một hệ cơ bản các lân cận của 0 đối với tôpô tích trên ; vì tôpô sau tương thích với cấu trúc vành trên tích này, tiên đề (AV_1) của General Topology, Chapter III, loc. cit. cũng được thấy là thỏa mãn, điều đó chứng minh mệnh đề của chúng ta. Rõ ràng A, là một vành con mở của A và do đó A cũng là một vành đầy đủ (General Topology, Chapter III, § 3, no. 3, Proposition 4).
Với mọi , ký hiệu là phần tử sao cho với mọi ; vì trừ ra với một số hữu hạn giá trị của p, ta có ; như vậy ta đã xác định được một đồng cấu là đơn ánh nếu (nghĩa là nếu A không phải là một trường); các phần tử của được gọi là các adèle hạn chế chính và rõ ràng .
Mệnh đề 3
Vành A, (resp. A ) được đồng nhất với phép hoàn bị của A (resp. K) đối với tôpô vành mà một hệ cơ bản các lân cận của 0 gồm tất cả các iđêan nguyên của A.
Trích dẫn đến 3 · Được trích dẫn bởi 1
Trích dẫn đến Mệnh đề 9, VII § 1, Mệnh đề 2, A III § 6. Đại số đối xứng
Được trích dẫn bởi Mệnh đề 4
Ngay lập tức thấy rằng tôpô đang xét trên A (hoặc K) là Hausdorff. Có tính đến no. 3, mệnh đề liên quan đến A, suy ra từ Chương 111, § 2, no. 13, mệnh đề 17. Do đó điều này cho thấy trù mật trong A,; để thấy tương tự rằng trù mật trong A, hãy chú ý rằng với mọi chỉ có hữu hạn sao cho ; bởi § 1, no. 5, mệnh đề 9, vì thế tồn tại một sao cho với mọi , nói cách khác , và vì phép nhân bởi là một đồng cấu từ A vào chính nó, chỉ cần áp dụng sự kiện rằng trù mật trong A , để suy ra rằng trù mật trong A.
Dĩ nhiên ta cũng có thể chứng minh rằng trù mật trong A bằng cách dùng Mệnh đề 2.
Xét bây giờ nhóm nhân gồm các ma trận sao cho ; nếu được trang bị tôpô tích, thì nó cảm sinh trên một tôpô tương thích với cấu trúc nhóm trên . Chỉ cần kiểm tra rằng ánh xạ là liên tục trên ; nhưng vì U là đơn môđula, ta biết rằng (Đại số, Chương III, § 6, no. 5, công thức (17)) các phần tử của là các phần bù đại số của U và do đó là các đa thức theo các phần tử của U, điều này chứng minh mệnh đề của chúng ta. Nếu K được đồng nhất với một vành con của A thông qua A, thì nhóm là một nhóm con của .
Gọi G là bao đóng của trong ; vì K là trù mật trong A (Mệnh đề 3), nên G chứa mọi ma trận có dạng với và . Với mọi và mọi , gọi là adèle hạn chế sao cho và với ; điều trên cho thấy G chứa các ma trận với . Nhưng ta biết rằng các ma trận có dạng với sinh ra nhóm (Algebra, Chương 111). Với mỗi ma trận , ký hiệu là ảnh chính tắc của trong ; do đó ta thấy rằng, với mọi , G chứa các ma trận sao cho với mọi . Vì là một nhóm, nó cũng chứa mọi ma trận sao cho trừ ra một số hữu hạn các ; bây giờ, định nghĩa của tôpô trên cho thấy ngay lập tức rằng tập hợp các ma trận ấy là trù mật trong .
5. Định lý krull-akizuki
Bổ đề 1
Cho là một miền Noether trong đó mọi iđêan nguyên tố khác không đều là cực đại và là một -môđun xoắn hữu hạn sinh. Khi đó độ dài của là vô hạn.
Vì là một môđun xoắn, mọi iđêan nguyên tố liên kết với đều và do đó đều cực đại. Khi ấy bổ đề suy ra từ Chương IV, § 2, no. 5, Mệnh đề 7.
Bổ đề 2
Cho là một vành, một -môđun và một họ có hướng phải các môđun con của với hợp là . Khi đó .
Được trích dẫn bởi 1
Được trích dẫn bởi Bổ đề 3
với mọi . Bổ đề là hiển nhiên nếu không có số nguyên nào vượt quá các , khi đó cả hai vế đều là vô hạn. Nếu không, gọi là một chỉ số sao cho nhận giá trị lớn nhất của nó; khi đó vì họ là có hướng; do đó mệnh đề của chúng ta trong trường hợp này.
Nhận xét
Chứng minh này không giả thiết rằng là giao hoán.
Bổ đề 3
Cho là một miền nguyên Noether sao cho mọi iđêan nguyên tố khác không đều cực đại, một -môđun không xoắn hạng hữu hạn và một phần tử khác không của . Khi đó là một -môđun có độ dài hữu hạn và:*
Trích dẫn đến 2 · Được trích dẫn bởi 1
Trích dẫn đến Bổ đề 1, Bổ đề 2
Được trích dẫn bởi Mệnh đề 5 (Krull-Akizuki)
M/aM lên aA/a^2M; tương tự đối với L; do đó, bằng quy nạp theo n, các công thức:
Tính đến (7) ta suy ra:
với mọi ; vì L đẳng cấu với A', ; do đó được (6) bằng cách cho tiến tới vô hạn trong (9).
Bây giờ ta chuyển sang trường hợp tổng quát. Gọi là họ các môđun con sinh hữu hạn của M. Môđun là hợp của các môđun con . Khi đó, T, đẳng cấu với một môđun thương của và do đó
theo điều ta vừa chứng minh. Do đó
theo Bổ đề 2.
Mệnh đề 5 (Krull-Akizuki)
Cho A là một miền nguyên Noether mà mọi iđêan nguyên tố khác không của nó đều cực đại, K là trường phân thức của nó, L là một mở rộng hữu hạn của K và B là một vành con của L chứa A. Khi đó B là Noether và mọi iđêan nguyên tố khác không của B đều cực đại. Hơn nữa, với mọi iđêan của B, B/b là một A-môđun hữu hạn sinh.
Trích dẫn đến 2 · Được trích dẫn bởi 3
Trích dẫn đến Bổ đề 3, Mệnh đề 9, A VIII § 6
Được trích dẫn bởi Bài tập 10, § 2, Mệnh đề 1, Hệ quả 1
Gọi b là một iđêan khác không của B. Ta sẽ chứng minh rằng B/b là một A-môđun có độ dài hữu hạn (do đó, a fortiori, là một B-môđun có độ dài hữu hạn) và rằng b là một B-môđun hữu hạn sinh.
Một phần tử khác không y của b thỏa mãn một phương trình dạng:
Phương trình này cho thấy rằng . Áp dụng Bổ đề 3 cho , ta thấy rằng là một A-môđun có độ dài hữu hạn; do đó B/b cũng vậy vì nó là một môđun thương của môđun ấy. Hơn nữa B-môđun b chứa, như một môđun con, là môđun hữu hạn sinh; vì có độ dài hữu hạn (với tư cách là một môđun con của ) và do đó sinh hữu hạn, b chắc chắn là một B-môđun hữu hạn sinh.
Điều trên trước hết cho thấy rằng B là Noether. Mặt khác, nếu là một iđêan nguyên tố khác không của B, vành là một miền nguyên và có độ dài hữu hạn, do đó là một trường (Đại số, Chương VIII, § 6, no. 4, Mệnh đề 9), suy ra là cực đại.
Hệ quả 1
Với mọi iđêan nguyên tố p của A, tập hợp các iđêan nguyên tố của B nằm trên p là hữu hạn.
Trích dẫn đến 3 · Được trích dẫn bởi 2
Trích dẫn đến Mệnh đề 9, IV § 2, Mệnh đề 3, V § 3, Mệnh đề 5 (Krull-Akizuki)
Được trích dẫn bởi § 2. Miền Dedekind, Mệnh đề 1
Giả sử trước hết ; khi đó iđêan nguyên tố duy nhất của sao cho là ; nếu không, đặt , thì sẽ là một iđêan nguyên tố khác không của (Chương 11, § 2, no. 5, Mệnh đề 11) và chính là trường phân thức của , vì nó là một vành con của chứa (\emph{Algebra}, Chương V, § 3, no. 2, Mệnh đề 3); do đó đi đến một kết luận phi lý. Nếu bây giờ , thì từ Mệnh đề 5 suy ra rằng là một không gian vectơ hữu hạn chiều trên trường , nên là một vành \emph{Artin} và vì vậy chỉ có một số hữu hạn iđêan nguyên tố (Chương IV, § 2, no. 5, Mệnh đề 9), điều này chứng minh rằng chỉ có một số hữu hạn iđêan nguyên tố của chứa .
Bao đóng nguyên này là một miền Noether đóng nguyên mà mọi iđêan nguyên tố khác không của nó đều cực đại; do đó chỉ cần áp dụng Định lý 1 của no. 2.
Đặc biệt:
Hệ quả 3
Bao đóng nguyên của một miền Dedekind trong một mở rộng hữu hạn của trường phân thức của nó là một miền Dedekind.
Được trích dẫn bởi 2
Được trích dẫn bởi Định lý 1, Bài tập 12, § 3
Mệnh đề 6
Cho là một miền Dedekind, trường phân thức của nó, một mở rộng hữu hạn của và bao đóng nguyên của trong . Cho là một iđêan nguyên tố khác không của , định giá cốt yếu tương ứng của và
Trích dẫn đến 4
Trích dẫn đến VI § 8. Mở rộng của một định giá đến một mở rộng đại số, Mệnh đề 1, VII § 1, Hệ quả, VII § 1, Hệ quả 1, VII § 1
phân tích của iđêan thành tích các iđêan nguyên tố. Khi đó: (a) các iđêan nguyên tố của nằm trên là các sao cho ; (b) các định giá trên tương ứng với các iđêan này, xét đến tương đương, là các định giá trên mở rộng ; (c) (d) (xem Chương VI, § 8, no. 1, Định nghĩa 1 và 2).
(a) Nói rằng một iđêan nguyên tố của nằm trên có nghĩa là , nên và chứa một trong các sao cho (Chương 11, § 1, no. 1, Mệnh đề 1). (b) Điều này suy ra, có tính đến (a), từ § 1, no. 8, Hệ quả của Mệnh đề 12. (c) Trường thặng dư của được đồng nhất với và trường thặng dư của với (§ 1, no. 4, Hệ quả 1 của Mệnh đề 6).
(d) Cho (tương ứng ) là một phần tử chuẩn hoá của (tương ứng ). Khi đó
Bài tập
Xem các bài tập của § 2.