4. Các môđun trên các miền Noether đóng nguyên
Trong suốt đoạn này, sẽ là một miền nguyên giao hoán với trường phân thức . Bắt đầu từ no. 2, sẽ còn được giả thiết là Noether và đóng nguyên (và do đó là một miền Krull ( 1, no. 3, Hệ quả của Định lý 2)); khi đó , và lần lượt sẽ chỉ tập hợp các iđêan nguyên tố của có chiều cao 1 ( 1, no. 6), nhóm ước của ( 1, no. 3) và nhóm lớp ước của ( 1, no. 10), các nhóm sau này được viết cộng tính.
Phương pháp tổng quát để nghiên cứu các môđun sinh hữu hạn trên một miền Noether đóng nguyên bao gồm việc "địa phương hóa" các môđun đối với tất cả các iđêan nguyên tố có chiều cao 1 trong ; vì khi đó là một vành định giá rời rạc ( 1, no. 6, Định lý 4), cấu trúc của các -môđun sinh hữu hạn đã được biết rõ (Đại số, Chương VII, 4) và do đó cho thông tin về cấu trúc của các -môđun sinh hữu hạn. Trong trường hợp riêng khi là một miền Dedekind, ta có thể đạt được một lý thuyết đầy đủ như khi là một miền iđêan chính (no. 10).
1. Các dàn
Định nghĩa 1
Cho là một không gian vectơ hữu hạn chiều trên trường . Một dàn của đối với (hay đơn giản là một dàn của ) được định nghĩa là bất kỳ môđun con- nào của thỏa mãn điều kiện sau:
Tồn tại hai môđun con- tự do của sao cho và .
Ví dụ (1) Nếu lấy , các dàn của chính là các iđêan phân thức của ( 1, no. 1, Định nghĩa 1).
(2) Nếu , mọi môđun con-A tự do L của V có một cơ sở chứa nhiều nhất n phần tử, mọi tập con của V tự do trên A cũng tự do trên K; để L là một dàn của V, điều kiện cần và đủ là L có một cơ sở gồm n phần tử (nói cách khác, ).
(3) Nếu A là một miền iđêan chính, mọi dàn M của V là một A-môđun sinh hữu hạn (vì A là Noether) không xoắn và do đó là một A-môđun tự do (Đại số, Chương VII, § 4, no. 3, Hệ quả 2 của Định lý 2).
Mệnh đề 1
Đối với một môđun con-A M của V là một dàn của V, điều kiện cần và đủ là KM = V và M được chứa trong một môđun con-A sinh hữu hạn của V.
Các điều kiện rõ ràng là cần thiết, vì một môđun con-A tự do của V có cùng hạng với V sinh ra V. Ngược lại, nếu KM = V, M chứa một cơ sở của V trên K và do đó nó chứa môđun con-A tự do L, sinh bởi các ; mặt khác, nếu , trong đó M, là một môđun con-A của V được sinh bởi một số hữu hạn phần tử b, và là một cơ sở của V trên K, tồn tại một phần tử s của A sao cho mỗi b, là một tổ hợp tuyến tính của các với các hệ số trong A; nếu L, là các môđun con-A tự do của V được sinh bởi các , thì .
Hệ quả
Giả sử rằng A là Noether; đối với một môđun con-A M của V là một dàn của V, điều kiện cần và đủ là KM = V và M sinh hữu hạn.
Nhận xét (1). Nhắc lại rằng với mọi môđun con-A M của V, ánh xạ chính tắc là đơn ánh và có ảnh KM (Đại số, Chương II, § 7, no. 10, Mệnh đề 26); nói rằng KM = V có nghĩa là do đó ánh xạ này là song ánh.
Mệnh đề 2
Cho M là một dàn của V và M, một môđun con-A của V. Nếu tồn tại hai phần tử x, y của sao cho , là một dàn của V; ngược lại, nếu là một dàn của V, tồn tại hai phần tử khác không a, b của A sao cho .
Nếu là hai dàn tự do của V sao cho , các quan hệ kéo theo và và là các dàn tự do; ngược lại, nếu M, là một dàn và là một cơ sở của L, trên A, thì quan hệ KM, = V kéo theo sự tồn tại của (trong đó a và s là các phần tử khác không của A) sao cho với mọi , do đó và a fortiori ; khi đổi vai trò của M và M, cũng có thể chứng minh tương tự rằng tồn tại trong A sao cho .
Mệnh đề 3
(i) *Nếu và là các dàn của V, thì và cũng vậy.
(ii) Nếu W là một không gian con vectơ của V và M là một dàn của V, thì là một dàn của W.
(iii) Cho là các không gian vectơ hạng hữu hạn trên và cho
(iv) Cho và là hai không gian vectơ hạng hữu hạn trên , là một dàn của và là một dàn của . A-môđun con : của , gồm các ánh xạ K-tuyến tính sao cho , là một dàn của .
(i) Chiếu theo Mệnh đề 2, tồn tại các phần tử khác không và trong sao cho ; ta kết luận rằng và nằm giữa và và do đó là các dàn, chiếu theo Mệnh đề 2.
(ii) Cho là một phần bù của trong , một dàn tự do của và một dàn tự do của , sao cho là một dàn tự do của . Khi đó tồn tại trong sao cho . Suy ra , điều này cho thấy là một dàn của (Mệnh đề 2).
(iii) Vì nên rõ ràng do tính tuyến tính () sinh không gian vectơ trên K là ; mặt khác, với mọi , tồn tại một A-môđun con sinh hữu hạn của , sao cho A-môđun con của sinh bởi là sinh hữu hạn và chứa , do đó là một dàn của (Mệnh đề 1).
(iv) Cho (resp. ) là một dàn tự do của (resp. ) chứa (resp. được chứa trong ); hiển nhiên . Bây giờ ngay lập tức có được rằng đẳng cấu với , do đó là một A-môđun tự do có hạng (Đại số, Chương II, § 1, no. 6, Hệ quả 1 của Mệnh đề 6) và vì thế là một dàn của . Tương tự, nếu (resp. ) là một dàn tự do của (resp. ) được chứa trong (resp. chứa ), thì và là một dàn của ; do đó kết luận.
Nhận xét (2) Mệnh đề 3 (i) cho thấy tập các dàn của là có thứ tự dàn đối với quan hệ bao hàm; hơn nữa, nếu là một dàn cố định của , thì các , với chạy qua , tạo thành một tập con của vừa đồng đầu vừa đồng cuối (Lý thuyết tập hợp, Chương III, § 1, no. 7).
(3) Với các ký hiệu của Mệnh đề 3 (iv), ánh xạ chính tắc
và ta đã thấy rằng và được đồng nhất tương ứng với và .
Đặc biệt, nếu ta lấy , , thì chính là không gian vectơ K đối ngẫu của và : được đồng nhất với A-môđun đối ngẫu của ; từ nay về sau ta sẽ thực hiện sự đồng nhất này và ta sẽ nói rằng là dàn đối ngẫu của : do đó nó là tập hợp các sao cho với mọi .
Hệ quả
Cho U, V, W là ba không gian vectơ hạng hữu hạn trên K và f: U × V → W là một ánh xạ K-song tuyến tính không suy biến trái* (Đại số, Chương IX, § 1, no. 1, Định nghĩa 3). Nếu M là một dàn của V và N là một dàn của W, thì tập hợp N: ,M các x ∈ U sao chof (x, y) ∈ N với mọiy ∈ M là một dàn của U.
Gọi là ánh xạ K-tuyến tính liên kết trái với (Đại số, Chương IX, loc. cit.) sao cho là ánh xạ tuyến tính ; nhắc lại rằng nói là không suy biến trái có nghĩa là là đơn ánh. Theo Mệnh đề 3 (iv), là một dàn của ; vì và là đơn ánh, hệ quả suy ra từ Mệnh đề 3 (ii).
Ví dụ
(4) Cho là một đại số trên K (không nhất thiết kết hợp) hạng hữu hạn có một phần tử đơn vị; khi đó ánh xạ song tuyến tính từ đến là không suy biến (trái và phải). Nếu và là các dàn của đối với , thì (Mệnh đề 3 (iii)) và tập hợp các sao cho (Hệ quả của Mệnh đề 3) cũng vậy. Chú ý rằng tồn tại một đại số con trên A của chứa phần tử đơn vị của và là một dàn của ; thật vậy, xét một cơ sở của sao cho là phần tử đơn vị của và đặt là bảng phép nhân của (), sao cho (các ký hiệu Kronecker). Cho là khác không và sao cho với mọi bộ ba chỉ số ; nếu ta viết với , thì
với và ; dàn của có cơ sở là và các () là một đại số con trên A của có phần tử đơn vị .
(5) Cho là một không gian vectơ hữu hạn chiều trên và là một dạng song tuyến tính không suy biến trên . Nếu là một dàn của , thì từ Hệ quả của Mệnh đề 3 suy ra rằng tập các sao cho với mọi y cũng là một dàn của ; nếu là ánh xạ tuyến tính trái liên kết với (là song ánh), thì chính là dàn đối ngẫu của .
Mệnh đề 4
Cho B là một miền nguyên, A là một vành con của B và K và L là các trường & trường phân thức tương ứng của A và B. Cho V là một không gian vectơ hữu hạn chiều trên K.
(i) Với mọi dàn của đối với , ảnh của trong là một dàn của đối với .
(ii) Giả sử thêm rằng là một -môđun phẳng. Khi đó ánh xạ chính tắc là song ánh. Nếu thêm nữa phẳng trung thành, ánh xạ gửi mỗi dàn của đối với tới dàn của đối với là đơn ánh.
(i) Vì , rõ ràng ; mặt khác được chứa trong một môđun con- sinh hữu hạn của và do đó được chứa trong là một -môđun sinh hữu hạn; do đó mệnh đề (i) (Mệnh đề 1).
(ii) (Chương II, § 2, no. 7, Mệnh đề 18) và, vì là một -môđun phẳng, nó cũng là một -môđun phẳng (Chương I, § 2, no. 7, Hệ quả 3 của Mệnh đề 8). Vì là một -môđun phẳng, ánh xạ chính tắc là đơn ánh; mặt khác, vì là một -môđun tự do và là một -môđun phẳng, là một -môđun phẳng (Chương I, § 2, no. 7, Hệ quả 3 của Mệnh đề 8) và do đó ánh xạ chính tắc là đơn ánh, điều này chứng minh mệnh đề thứ nhất. Để thấy thêm rằng quan hệ kéo theo đối với hai dàn của đối với khi là một -môđun phẳng trung thành, trước hết chú ý rằng (Chương I, § 2, no. 6, Mệnh đề 6); vì vậy ta có thể chỉ xét trường hợp , và khi đó mệnh đề của ta suy ra từ Chương I, § 3, no. 1, Mệnh đề 3 áp dụng cho đơn ánh chính tắc .
Hệ quả
Giả sử rằng là một vành định giá rời rạc. Gọi là phép hoàn thành của nó và gọi là trường phân thức của (Chương VI, § 5, no. 3). Ánh xạ , gửi mỗi dàn của tới dàn của đối với , là song ánh và nghịch đảo của nó gửi mỗi dàn của đối với tới giao của nó ( được đồng nhất một cách chính tắc với một không gian con vectơ- của ).
Nếu là một dàn tự do của , thì các dàn (với ) tạo thành một hệ cơ bản các lân cận của 0 đối với một tôpô trên (tương thích với cấu trúc -môđun của nó), tôpô này (khi chọn một cơ sở của trên ) được đồng nhất với tôpô tích trên ); nhờ Mệnh đề 2, một hệ cơ bản các lân cận của 0 đối với cũng gồm tất cả các dàn của đối với ; rõ ràng là bổ sung của đối với . Hơn nữa, nếu là iđêan cực đại của , thì tôpô cảm sinh trên mọi dàn của đối với tôpô -adic vì là một -môđun sinh hữu hạn (Chương III, § 3, no. 2, Định lý 2) và là bổ sung của đối với tôpô này (Chương III, § 2, no. 12, Mệnh đề 16); hơn nữa, vì là mở (và do đó đóng) trong , nên , điều này lại chứng minh rằng là đơn ánh (điều này suy ra trực tiếp từ Mệnh đề 4, (ii), vì là một -môđun phẳng trung thành). Cuối cùng, nếu là một dàn của đối với , thì là một dàn của đối với , vì mọi phần tử của là tích của một phần tử của và một phần tử khả nghịch của , và do đó từ Mệnh đề 2 suy ra rằng tồn tại trong sao cho , nên . Hơn nữa là mở trong và, vì là trù mật trong , là bổ sung của ; điều này chứng minh rằng là toàn ánh, do đó có hệ quả.
Ví dụ (6) Cho là một tập con nhân tính của không chứa 0; ta áp dụng Mệnh đề 4 cho ; khi đó , ; do đó là một dàn của đối với . Hơn nữa:
Mệnh đề 5
Cho là các không gian vectơ hạng hữu hạn trên , là một dàn của và là một dàn của . Nếu sinh hữu hạn, thì (theo ký hiệu của Mệnh đề 3):
(1)
Rõ ràng vế trái của (1) được chứa trong vế phải. Ngược lại, cho và cho là một hệ sinh của . Tồn tại sao cho với mọi và do đó , điều đó chứng minh mệnh đề.
2. Đối ngẫu; môđun phản xạ
Nhắc lại rằng từ bây giờ miền được giả thiết là Noether và đóng nguyên và (hoặc đơn giản là ) ký hiệu tập hợp các iđêan nguyên tố của có chiều cao 1. Mọi dàn đối với đều là một -môđun sinh hữu hạn (no. 1, Hệ quả của Mệnh đề 1).
Cho là một không gian vectơ hạng hữu hạn trên , là đối ngẫu của nó và là đối ngẫu kép của nó; ta sẽ đồng nhất và bằng ánh xạ chính tắc (Đại số, Chương II, § 7, no. 5, Định lý 6). Cho là một dàn của ; nhắc lại rằng -môđun đối ngẫu của được đồng nhất một cách chính tắc với dàn đối ngẫu của , tức là tập hợp các sao cho với mọi ; do đó -môđun đối ngẫu kép của là một dàn của chứa . Hơn nữa , vì quan hệ kéo theo và mặt khác theo điều trên (xem Lý thuyết tập hợp, Chương III, § 1, no. 5, Mệnh đề 2).
Nếu là một iđêan nguyên tố, thì Mệnh đề 5 áp dụng với cho quan hệ , điều này biện minh cho ký hiệu cho cả hai vế.
Định lý 1
Nếu là một dàn của , thì* .
Rõ ràng được chứa trong mỗi . Ngược lại, giả sử rằng ; nếu , thì và, vì (§ 1, no. 6, Định lý 4), .
Áp dụng Định lý 1 cho cho thấy rằng . Nhưng vì , là một miền iđêan chính (, no. 6, Định lý 4), , là một -môđun tự do sinh hữu hạn và do đó được đồng nhất một cách chính tắc với , (Đại số, Chương II, , no. 7, Mệnh đề 14), do đó có hệ quả.
Với mọi dàn đối với , ánh xạ chính tắc (Đại số, Chương 11, , no. 7) đồng nhất một phần tử với chính nó, vì là phần tử duy nhất của sao cho với mọi , vì sinh . Ta sẽ nói rằng là phản xạ nếu (loc. cit.). Vì ở trên ta có , suy ra rằng đối ngẫu của mọi dàn luôn luôn phản xạ.
Nhận xét (1) Cho là một -môđun sinh hữu hạn; ngay lập tức thấy rằng đối ngẫu của , được đồng nhất với một môđun con- của , là một dàn của không gian vectơ ; đặc biệt, mọi -môđun phản xạ sinh hữu hạn đều đẳng cấu với một dàn của một không gian vectơ thích hợp.
Định lý 2
Nếu là một dàn của* , thì các điều kiện sau là tương đương: (a) là phản xạ. (b) . (c) .
Tính tương đương của (a) và (b) suy ra từ Hệ quả của Định lý 1. Nếu (b) đúng, được đồng nhất một cách chính tắc với một A-môđun con của tích ; nhưng thực ra nó được chứa trong tổng trực tiếp : thật vậy, nếu là một dàn tự do và là một cơ sở của , thì mỗi tọa độ của một điểm đối với đều thuộc , trừ ra đối với một số hữu hạn giá trị của . Khi đó quan hệ kéo theo:
Vì là một -môđun, một phần tử của không thể triệt tiêu một phần tử của , vì các phần tử của là khả nghịch trong ; do đó các phần tử của đều được chứa trong và đều , vì là một A-môđun xoắn; vì có chiều cao 1, tất yếu nếu và nếu ; do đó .
Cuối cùng, nếu điều kiện (c) đúng, thì
Mặt khác, nếu , thì trong chứng minh của Hệ quả của Định lý 1 đã thấy rằng , do đó (Chương IV, , no. 3, Hệ quả 1 của Mệnh đề 7). Ta kết luận rằng Ass(M/M) = ∅, do đó M = M (Chương IV, § 1, no. 1, Hệ quả 1 của Mệnh đề 2).
Hệ quả
Cho M, N là hai dàn của V đối với A sao cho N là phản xạ. Để có M ⊂ N, điều kiện cần và đủ là, với mọi p ∈ P, M_p ⊂ N_p.
Điều kiện ấy hiển nhiên là cần, và nếu nó được thỏa mãn, thì
Vì M ⊂ M** = \bigcap_p M_p, hiển nhiên M ⊂ N.
Ví dụ (1) Mọi dàn tự do đều phản xạ. (2) Lấy V = K. Để một iđêan phân thức a của K là một dàn phản xạ, điều kiện cần và đủ là nó là một iđêan chia được, theo tiêu chuẩn (b) của Định lý 2 và § 1, no. 4, các Mệnh đề 5 và 7. (3) Cho M là một dàn đối với A; nếu S là một tập con nhân tính của A không chứa 0, Mệnh đề 5 của no. 1 chỉ ra rằng S^{-1}(M*) = (S^{-1}M)*; do đó nếu M phản xạ, thì S^{-1}M là một dàn phản xạ đối với S^{-1}A.
Mệnh đề 6
(i) Nếu M_1 và M là các dàn phản xạ của V, thì M, n M cũng vậy. (ii) Nếu W là một không gian con vectơ của V và M là một dàn phản xạ của V, thì M n W là một dàn phản xạ của W. (iii) Cho V, W là hai không gian vectơ hạng hữu hạn trên K và M (tương ứng N) là một dàn của V (tương ứng W). Nếu N phản xạ, thì dàn N: M của Hom_K(V, W) (no. 1, Mệnh đề 3) là phản xạ.
(i) (M, n M_2)_p = (M_1)_p n (M_2)_p với mọi p ∈ P (Chương II, § 2, no. 4, Định lý 1). Nếu M_1 = \bigcap_{p \in P} (M_1)_p và M_2 = \bigcap_{p \in P} (M_2)_p, thì
do đó có kết luận theo Định lý 2. (ii) Tương tự, (M n W)_p = M_p n W_p = M_p n W, do đó
điều này chứng minh (ii). (iii) Vì M sinh hữu hạn, từ no. 1, Mệnh đề 5 suy ra rằng (N: M)_p = N_p M_p; hơn nữa, quan hệ N = \bigcap_{p \in P} N_p kéo theo:
Thật vậy, nếu và , thì , do đó ; điều này chỉ ra rằng là phản xạ.
Nhận xét (2) Nếu và là các dàn phản xạ của , thì dàn không nhất thiết là phản xạ (xem § 1, Bài tập 2). (3) Nếu là một -môđun sinh hữu hạn và là môđun con xoắn của nó, thì đối ngẫu của cũng chính là đối ngẫu của , vì với mọi dạng tuyến tính trên , ảnh là một môđun con xoắn của và do đó bằng không. Vì đẳng cấu với một dàn của một không gian vectơ trên , ta thấy rằng đối ngẫu của mọi -môđun sinh hữu hạn đều là phản xạ.
Mệnh đề 7
Cho là một dãy khớp các -môđun. Giả sử rằng sinh hữu hạn và không xoắn. (i) Nếu phản xạ, thì (nói cách khác, mọi iđêan liên kết với hoặc là , hoặc có chiều cao bằng 1). (ii) Ngược lại, nếu phản xạ và , thì phản xạ.
Vì là Noether, cũng sinh hữu hạn; nếu ta viết , , thì (tương ứng ) được đồng nhất một cách chính tắc với một dàn của (tương ứng của ) (no. 1, Mệnh đề 1). Xét hai dãy khớp:
Mệnh đề 8
Cho và là hai vành giao hoán, là một đồng cấu vành và là một -môđun sinh hữu hạn. Giả sử rằng là Noether và là một -môđun phẳng. Khi đó, nếu phản xạ, thì -môđun cũng phản xạ. Ta biết (Chương I, § 2, no. 10, Mệnh đề 11) rằng tồn tại một đẳng cấu chính tắc , sao cho
với x \in M, x^* \in M^*. Vì M là một thương của một R-môđun tự do sinh hữu hạn L, M* đẳng cấu với một môđun con-R của đối ngẫu L* và L* là tự do và sinh hữu hạn; do là Noether, nên M* vì thế cũng là một R-môđun sinh hữu hạn, do đó có một đẳng cấu sao cho
với và . Mặt khác, có một đẳng cấu , do đó bởi hợp thành có một đẳng cấu chính tắc:
sao cho, theo ký hiệu trên:
(1)
Bây giờ ta xét đồng cấu chính tắc và chứng minh rằng đồng cấu hợp thành:
(2)
chính là đồng cấu chính tắc . Điều này suy ra ngay lập tức từ (1), cho các hệ thức:
và từ sự kiện rằng các phần tử sinh ra . Như vậy, giả thiết rằng M là phản xạ có nghĩa là là song ánh, nên cũng vậy và do đó là song ánh, điều đó chứng tỏ mệnh đề.
3. Phép dựng địa phương của các môđun phản xạ
Ta giữ ký hiệu và giả thiết của no. 2. Ta sẽ nói rằng một tính chất đúng với hầu hết nếu tập hợp các mà đối với chúng tính chất đó không đúng là hữu hạn.
Định lý 3
Cho V là một không gian vectơ hạng hữu hạn trên K và M là một dàn của V đối với A.
(i) Cho N là một dàn của V đối với A; khi đó, với mọi iđêan nguyên tố p của A, là một dàn của V đối với A, và, với hầu hết .
(ii) Ngược lại, giả sử đã cho với mọi một dàn của V đối với A, sao cho với hầu hết . Khi đó là một dàn phản xạ của A đối với A và đó là dàn phản xạ duy nhất của V đối với A sao cho với mọi .
(i) Mệnh đề thứ nhất suy ra từ no. 1, Mệnh đề 4. Hơn nữa, tồn tại trong sao cho (no. 1, Mệnh đề 2); ta biết rằng, với hầu hết (, no. 6, Định lý 4), điều đó cho thấy rằng và là khả nghịch trong , và do đó .
(ii) Ta có thể thay thế bởi với trong và giả sử rằng , với mọi . Gọi là các phần tử của sao cho , với phân biệt với các (); ta viết:
Vì mỗi chứa một mạng tự do đối với , nên nó chứa a fortiori một mạng của đối với , do đó chứa một mạng của đối với (no. 1, Mệnh đề 3) và, vì được chứa trong , là một mạng đối với . Để chứng minh rằng với mọi , ta sẽ dùng bổ đề sau:
Bổ đề 1
Cho và là hai iđêan nguyên tố của sao cho (0) là iđêan nguyên tố duy nhất của được chứa trong . Khi đó, với mọi môđun con-A của ,
Cho là tập con nhân của ; theo Chương II, , no. 3, Mệnh đề 7, . Hơn nữa, ; các iđêan nguyên tố của tương ứng với các iđêan nguyên tố của sao cho (Chương II, , no. 5, Mệnh đề 11) và theo giả thiết (0) là iđêan nguyên tố duy nhất của không giao với ; do đó và
Bây giờ ta quay lại chứng minh của (ii). Nếu phân biệt với các (), Bổ đề 1 áp dụng cho cho , vì và có chiều cao 1. Khi đó
(Chương II, , no. 4). Mặt khác, nếu bằng (), thì với theo lập luận như trên và , do đó
Vậy ta đã chứng minh rằng với mọi . Khi đó
là phản xạ và thỏa mãn các hệ thức với mọi ; tính duy nhất suy ra ngay lập tức từ Định lý 2 của no. 2.
Nhận xét
Cho là một dàn tự do của đối với . Vì , là một miền iđêan chính nên với , là một A-môđun tự do có cùng hạng với và tồn tại sao cho ; hơn nữa điều kiện này xác định sai khác bởi phép nhân bên phải với một phần tử của . Điều kiện , với hầu hết mọi có nghĩa là tất yếu với hầu hết mọi . Các họ thỏa mãn tính chất sau cùng này tạo thành một nhóm nhân chứa như nhóm con tích . Khi đó Định lý 3 cho thấy rằng tập hợp các dàn phản xạ của V tương ứng một-một chính tắc với không gian thuần nhất . Nếu chọn một cơ sở của L trên A, thì (resp. ) được đồng nhất với nhóm các ma trận khả nghịch (resp. ) và nhóm với nhóm các hệ ma trận cấp , , sao cho với mọi và với hầu hết mọi . Nếu A là một miền Dedekind, nhóm cũng được đồng nhất với nhóm , trong đó A là vành các adèle hạn chế (, no. 4).
4. Giả đẳng cấu
Ta giữ nguyên các ký hiệu và giả thiết của các số 2 và 3.
Mệnh đề 9
Cho M là một A-môđun hữu hạn sinh. Các điều kiện sau là tương đương*:
(a) với mọi iđêan nguyên tố có chiều cao . (b) Linh hóa tử là một iđêan và (A: ký hiệu, như trong , no. 1, tập hợp các sao cho ).
Ta biết (Chương II, , no. 2, Hệ quả 2 của Mệnh đề 4) rằng điều kiện tương đương với và do đó tương đương với , (Chương II, , no. 5, Nhận xét); mặt khác, với mọi iđêan nguyên của A, quan hệ "*, với mọi *" tương đương với trong (, no. 4, Mệnh đề 7), hoặc cũng tương đương với và, vì là divisorial (, no. 1, Mệnh đề 1), quan hệ này cũng tương đương với . Khi đó mệnh đề suy ra bằng cách nhận thấy rằng nói với có nghĩa là .
Nhận xét* (1) Các điều kiện tương đương của Mệnh đề 9 còn có nghĩa là không chứa iđêan nguyên tố nào có chiều cao . Chúng cũng có thể được diễn giải bằng cách nói rằng có đối chiều trong . \
Định nghĩa 2
Một A-môđun M được gọi là giả-không nếu nó sinh hữu hạn và nó thỏa mãn các điều kiện tương đương của Mệnh đề 9.
Định nghĩa này và Mệnh đề 9 cho thấy rằng một A-môđun giả-không là một A-môđun xoắn; đảo lại là sai.
Ví dụ (1) Nếu A là một miền Dedekind, mọi iđêan nguyên tố của A đều có chiều cao ; khi đó nói rằng M là giả-không có nghĩa là và do đó (Chương 11, , no. 4).
(2) Cho là trường và là vành đa thức trên theo hai bất định; nếu là iđêan cực đại của , thì A-môđun là giả-không; vì linh hóa tử của nó là không có chiều cao bởi nó chứa các iđêan nguyên tố chính và và phân biệt với chúng; do đó (§ 1, no. 6, Hệ quả 1 của Định lý 3).
Định nghĩa 3
Cho và là hai -môđun và là một đồng cấu. Ta gọi là giả-đơn ánh (tương ứng, giả-toàn ánh giả-không) nếu (tương ứng, , ) là giả-không; ta gọi là giả-song ánh nếu nó vừa giả-đơn ánh vừa giả-toàn ánh.
Một đồng cấu giả-song ánh cũng được gọi là một giả-đẳng cấu.
Giả sử rằng và sinh hữu hạn; khi đó, để là giả-đơn ánh (tương ứng, giả-toàn ánh, giả-không), điều kiện cần và đủ là, với mọi , , là đơn ánh (tương ứng, toàn ánh, không); điều này suy ra từ tính phẳng của A-môđun , (x. Chương I, § 2, no. 3, Nhận xét 2).
Ví dụ (3) Cho là một A-môđun không xoắn sinh hữu hạn; khi đó ánh xạ chính tắc từ vào song đối ngẫu của nó là một giả đẳng cấu. Thật vậy, được đồng nhất với một dàn của (no. 1, Mệnh đề 1); ta đã thấy rằng với mọi (no. 2, Ví dụ 2) và, với , cả lẫn đều bằng .
Định lý 4
Cho là một A-môđun sinh hữu hạn, là môđun con xoắn của và . Tồn tại một giả đẳng cấu
Trước hết ta sẽ chứng minh hai bổ đề.
Bổ đề 2
Cho là một họ hữu hạn không rỗng các iđêan nguyên tố của có chiều cao 1 và đặt ; khi đó vành là một miền iđêan chính.
là một vành nửa địa phương mà các iđêan cực đại là các với , và vành địa phương đẳng cấu với , (Chương 11, § 3, no. 5, Mệnh đề 17) và do đó là một vành định giá rời rạc. Vậy nên vành là một miền Dedekind (§ 2, no. 2, Định lý 1 (f)) và, vì nó là nửa địa phương, nó là một miền iđêan chính (§ 2, no. 2, Mệnh đề 1).
Bổ đề 3
Tồn tại một đồng cấu mà hạn chế của nó lên vừa là một phép vị tự vừa là một giả đẳng cấu.
Cho là linh hóa tử của ; vì là một A-môđun xoắn sinh hữu hạn, nên . Gọi () là các iđêan nguyên tố chiều cao 1 chứa (chúng hữu hạn về số lượng (, no. 6, Định lý 4)); nếu số này bằng 0 thì T là giả-không (Mệnh đề 9(a)) và ta có thể lấy . Nếu không, đặt ; theo Bổ đề 2, là một miền iđêan chính và do đó , là một -môđun không xoắn sinh hữu hạn, là tự do (Đại số, Chương VII, §4, no. 3, Hệ quả 2 của Định lý 2) và, vì , là một nhân tử trực tiếp của (Đại số, Chương II, §1, no. 11, Mệnh đề 21). Bây giờ,
(Chương II, §2, no. 7, Mệnh đề 19); do đó tồn tại và sao cho là một phép chiếu từ lên . Nếu ký hiệu hạn chế của trên , thì do đó tồn tại sao cho với mọi ; đặt , , , khi đó là phép vị tự tỉ số trên và là hạn chế của trên . Còn phải kiểm tra rằng là một giả đẳng cấu. Bây giờ, nếu hoặc nếu phân biệt với các (), thì (Chương II, §4, no. 4, Mệnh đề 17) và là một đẳng cấu; trái lại, nếu bằng một trong các (), thì khả nghịch trong , và , là phép vị tự tỉ số trên , cũng là một đẳng cấu, điều này hoàn tất chứng minh của Bổ đề 3.
Bây giờ chúng ta chứng minh Định lý 4. Cho là một đồng cấu thỏa mãn các tính chất của Bổ đề 3; gọi là hạn chế của trên và gọi là phép chiếu chính tắc của lên . Ta chứng tỏ rằng đồng cấu giải bài toán. Ta có biểu đồ giao hoán:
trong đó các hàng là khớp. Biểu đồ con rắn (Chương I, §1, no. 4, Mệnh đề 2) cho dãy khớp:
và do đó đẳng cấu với và đẳng cấu với . Vì là một giả đẳng cấu, nên cũng vậy.
Có thể nói rằng "xét đến giả đẳng cấu" thì Định lý 4 quy việc nghiên cứu các -môđun sinh hữu hạn về một phía là việc nghiên cứu các môđun không xoắn và về phía kia là việc nghiên cứu các môđun xoắn. Hơn nữa, ta đã thấy ở trên (Ví dụ 3) rằng một môđun không xoắn là giả đẳng cấu với song đối ngẫu của nó và do đó với một môđun phản xạ. Còn đối với các môđun xoắn, có kết quả sau đây, xác định chúng xét đến giả đẳng cấu:
Định lý 5
Cho là một A-môđun xoắn sinh hữu hạn. Tồn tại hai họ hữu hạn và , trong đó các là những số nguyên và các là những iđêan nguyên tố của có chiều cao sao cho, nếu viết , thì tồn tại một giả đẳng cấu từ tới . Hơn nữa, các họ và có tính chất này là duy nhất, sai khác đến một song ánh của tập hợp chỉ số, và các chứa linh hóa tử của .
Tính duy nhất: Thật vậy, nếu là một giả đẳng cấu và là một đẳng cấu. Khi đó, là tổng trực tiếp của các , tổng lấy theo các chỉ số sao cho ; do đó các là các ước số sơ cấp của -môđun xoắn (Đại số, Chương VII, § 4, no. 7); tính duy nhất của chúng đã được chứng minh trong Đại số, Chương VII, § 4, no. 7, Mệnh đề 7.
Sự tồn tại: Ta có thể chỉ xét trường hợp . Gọi là linh hóa tử (khác không và phân biệt với ) của , gọi () là các iđêan nguyên tố của có chiều cao 1 chứa (chúng chỉ có hữu hạn về số lượng (, no. 6, Định lý 4)) và đặt . Vành nửa địa phương là một miền iđêan chính (Bổ đề 2) và có các iđêan cực đại là ; vì là một -môđun xoắn sinh hữu hạn, nó đẳng cấu với một tổng trực tiếp hữu hạn , trong đó là một ánh xạ từ một tập hợp hữu hạn vào (Algebra, Chương VII, § 4, no. 7, Mệnh đề 7); vì đẳng cấu với (Chương II, § 2, no. 4), ta đã thu được một -môđun xoắn thuộc kiểu mong muốn và một đẳng cấu từ lên . Vì bằng (Chương 11, § 2, no. 7, Mệnh đề 19), tồn tại và một đồng cấu sao cho . Còn phải chứng minh rằng là một giả đẳng cấu: thật vậy, nếu hoặc nếu phân biệt với các , thì (Chương II, § 4, no. 4, Mệnh đề 17); ngược lại, nếu là một trong các (), thì khả nghịch trong , và, vì và là một đẳng cấu từ lên , nên cũng vậy.
Nhận xét (2) Trong mệnh đề của Định lý 5, các môđun có thể được thay bởi (, no. 4, Mệnh đề 8). Với mọi , ánh xạ chính tắc là một giả đẳng cấu, vì, với mọi phân biệt với , và .
\* Cho một dãy khớp các -môđun, , nếu và là giả-không thì cũng vậy, như suy ra từ Định nghĩa 2 và Chương II, §2, no. 4, Định lý 1. Theo ngôn ngữ phạm trù, khi đó ta có thể nói rằng, trong phạm trù các -môđun, phạm trù con của các môđun giả-không là đầy đủ và khi đó ta có thể định nghĩa phạm trù thương : các đối tượng trong phạm trù này cũng là các -môđun nhưng tập hợp các cấu xạ từ đến (với trong ) là giới hạn trực tiếp của tập hợp các nhóm giao hoán , trong đó (tương ứng ) chạy qua tập hợp các môđun con của (tương ứng tập hợp các môđun thương của ) sao cho (tương ứng ) là giả-không. Dĩ nhiên, với mọi cặp có thứ tự các -môđun , có một đồng cấu chính tắc . Nói rằng một đồng cấu là giả-không (tương ứng giả-đơn ánh, giả-toàn ánh, giả-song ánh) có nghĩa là ảnh chính tắc của nó trong là không (tương ứng là một đơn cấu, một toàn cấu, một đẳng cấu). \*
5. Các ước gắn với các môđun xoắn
Ta giữ nguyên các ký hiệu và giả thiết như trong các số 2, 3 và 4. Nhắc lại rằng (hay đơn giản là ) ký hiệu nhóm ước của , viết theo lối cộng: ta biết (§ 1, no. 3, Định lý 2) rằng là -môđun tự do sinh bởi các phần tử của .
Cho là một -môđun xoắn sinh hữu hạn. Với mọi , là một -môđun xoắn sinh hữu hạn và do đó là một môđun có độ dài hữu hạn (Chương IV, § 2, no. 5, Hệ quả 2 của Mệnh đề 7); ta sẽ ký hiệu độ dài này bởi . Mặt khác với mọi không chứa linh hóa tử của và do đó với hầu hết mọi (§ 1, no. 6, Định lý 4), điều này biện minh cho định nghĩa sau:
Định nghĩa 4
Nếu là một -môđun xoắn sinh hữu hạn, thì ước:
được gọi là nội dung của .
Mệnh đề 10
(i) *Cho là một dãy khớp các -môđun xoắn sinh hữu hạn. Khi đó
(ii) Nếu tồn tại một giả-đẳng cấu , thì .
(iii) Để có , điều kiện cần và đủ là giả-không.
Theo Định nghĩa 4, với mỗi chỉ cần xét các giá trị của đối với các môđun xoắn đang được xét. Khi đó tính chất (i) suy ra từ Chương II, § 2, no. 4, Định lý 1 và tính cộng được của các độ dài trong một dãy khớp (Algebra Chương 11, § 1, no. 10, Mệnh đề 16), còn các tính chất (ii) và (iii) suy ra ngay lập tức từ các định nghĩa ở no. 4.
Hệ quả
Cho là một dãy khớp các -môđun xoắn sinh hữu hạn. Khi đó* .
Theo Chương II, § 2, no. 4, Định lý 1, điều này lại suy ra từ tính chất tương tự của các (Algebra, Chương II, § 1, no. 10, Hệ quả 3 của Mệnh đề 16).
Nhắc lại rằng (Chương II, § 5, no. 4) ta có thể nói đến tập hợp các lớp của các A-môđun hữu hạn sinh đối với quan hệ đẳng cấu; với mọi A-môđun hữu hạn sinh M, ký hiệu là phần tử tương ứng của ; ta sẽ ký hiệu bởi tập con của gồm các lớp của các A-môđun xoắn hữu hạn sinh. Rõ ràng xác định một ánh xạ từ vào , cũng được ký hiệu bởi , sao cho .
Mệnh đề 11
Cho G là một nhóm giao hoán viết theo phép cộng và là một ánh xạ; với mọi A-môđun xoắn hữu hạn sinh T, do lạm dụng ngôn ngữ, ta cũng viết . Giả sử rằng các điều kiện sau được thỏa mãn: (1) Nếu là một dãy khớp của các A-môđun xoắn hữu hạn sinh, thì . (2) Nếu T là giả-không, thì . Khi đó tồn tại một đồng cấu duy nhất sao cho .
Vì với mọi p, tất yếu với mọi , điều này chứng minh tính duy nhất của , vì các phần tử của P tạo thành một cơ sở của . Ngược lại, cho là đồng cấu từ vào G sao cho với mọi và ta hãy chỉ ra rằng nó giải quyết bài toán. Để làm điều đó, ta đặt
với mọi A-môđun xoắn hữu hạn sinh T; rõ ràng các điều kiện (1) và (2) cũng được thỏa mãn nếu thay bởi . Mặt khác, nếu ; nếu p là một iđêan nguyên tố và không thuộc P, thì linh hóa tử của không được chứa trong bất kỳ iđêan nào của P, do đó (no. 4, Định lý 5) là giả-không và vì thế . Như vậy, mọi A-môđun xoắn hữu hạn sinh T đều có một chuỗi phân tích mà các thương số của nó đẳng cấu với các A-môđun dạng , trong đó (Chương IV, § 1, no. 4, Định lý 1 và 2), và do đó vì T là một môđun xoắn. Bằng quy nạp theo độ dài của chuỗi phân tích này, ta suy ra (xét đến tính chất (1) đối với ) rằng .
\* Ta có thể, như trong no. 4, xét phạm trù thương của phạm trù các A-môđun xoắn hữu hạn sinh theo phạm trù con đầy đủ của các A-môđun xoắn hữu hạn sinh giả-không. Theo ngôn ngữ của các phạm trù Abel, Mệnh đề 11 khi đó biểu thị sự kiện rằng nhóm Grothendieck của phạm trù Abel đẳng cấu một cách chính tắc với . \*
Mệnh đề 12
Nếu a là một iđêan của A,
Cho . Khi đó với , vì là một vành định giá rời rạc. Vì , do đó (§ 1, no. 4, Mệnh đề 7).
Mặt khác, , nên và ta kết luận theo cùng một cách.
6. Bất biến tương đối của hai mạng con
Ta giữ các ký hiệu và giả thiết của các no. 2 đến 5. Cho V là một không gian vectơ hạng hữu hạn trên và M là một dàn của V đối với A. Cho W là lũy thừa ngoài , là một không gian vectơ hạng 1 trên , và ký hiệu là dàn của W sinh bởi ảnh của dưới ánh xạ chính tắc (no. 1, Mệnh đề 3 (iii); chú ý rằng không nhất thiết đẳng cấu với (Đại số, Chương III, § 5, Bài tập 9)). Nếu là một cơ sở của W trên K, ta có thể viết , trong đó a là một iđêan phân thức của A.
Cho là một dàn khác của V và viết , trong đó là một iđêan phân thức của A; ước không phụ thuộc vào lựa chọn cơ sở của W, vì a và bị nhân với cùng một phần tử của khi thay đổi cơ sở; ta sẽ viết và nói rằng ước này là bất biến tương đối của đối với M. Rõ ràng, nếu M, là ba dàn của V, thì:
(3)
Với mọi , theo ngay lập tức từ các định nghĩa rằng ; hơn nữa, vì khi đó M, là một A,-môđun tự do do A, là một miền iđêan chính, một cơ sở của M, trên A, là một cơ sở của V trên K, nên (Chương II, § 2, no. 8) và iđêan phân thức là một iđêan chính. Nếu ta đặt , , thì:
Mệnh đề 13
Cho M là một dàn của V và u là một K-tự đẳng cấu của V. Khi đó* : (6)
và , do đó suy ra mệnh đề theo công thức (5).
Mệnh đề 14
Nếu M, M' là hai dàn của V sao cho M' \subset M, M/M' là một A-môđun xoắn sinh hữu hạn và:
Rõ ràng M/M' \subset V/M' là một môđun xoắn sinh hữu hạn; mặt khác, với mọi , ta biết (Đại số, Chương VII, § 4, số 2, Định lý 1) rằng tồn tại các cơ sở của M, và của sao cho với và các số nguyên , trong đó là một phần tử đều hoá của . Do đó (theo ký hiệu đã đưa vào ở trên) ; và mặt khác,
Hệ quả
Cho L,, L_2 là hai A-môđun tự do cùng hạng n và cho f: L_1 \to L_2 là một đồng cấu. Cho U là ma trận của f đối với các cơ sở của L, và L_2. Để Coker(f) là một A-môđun xoắn, điều kiện cần và đủ là \det(U) \neq 0 và khi đó:
L_1 và L_2 có thể được coi như các mạng trong và tương ứng, còn f kéo dài thành một K-đồng cấu . Khi đó
và nói rằng là một A-môđun xoắn có nghĩa là ; mà điều này tương đương với việc nói rằng là toàn ánh hoặc , do đó có mệnh đề thứ nhất. Mặt khác, ta có thể viết , trong đó là một tự đồng cấu của L, có định thức ; vì
công thức (8) suy ra từ (7) và (6).
Ví dụ
Nếu , thì nhóm ước của được đồng nhất với nhóm nhân của các số hữu tỉ > 0. Với mọi nhóm giao hoán hữu hạn T, là cấp của T; hệ quả trên cho thấy cấp của nhóm bằng giá trị tuyệt đối của (x. Đại số, Chương VII, § 4, no. 7, Hệ quả 3 của Định lý 3).
7. Các lớp ước gắn với các môđun hữu hạn sinh
Ta giữ các ký hiệu và giả thiết của các số 2 đến 6. Nhớ rằng C(A) (hoặc đơn giản là C) ký hiệu nhóm lớp ước của , là thương của bởi nhóm con các ước chính. Với mọi ước , ta sẽ ký hiệu bởi lớp của nó trong C.
Mệnh đề 15
Cho M là một A-môđun hữu hạn sinh. Tồn tại một môđun con tự do L của M sao cho M/L là một môđun xoắn và phần tử của C không phụ thuộc vào môđun con tự do L được chọn.
Ta viết và đặt ; nếu là hạng của V trên K, thì tồn tại phần tử () của M mà các ảnh chính tắc của chúng trong V tạo thành một cơ sở của V; các phần tử này hiển nhiên độc lập tuyến tính trong M và do đó sinh ra một môđun con tự do L của M sao cho , vì thế M/L là một môđun xoắn.
Bây giờ giả sử L, là một môđun con tự do khác của M có hạng . Vì , nên tồn tại sao cho ; do đó ta có thể chỉ cần chứng minh rằng, nếu là hai môđun con tự do của M có hạng , thì
Mà, và từ no. 6, Hệ quả của Mệnh đề 14 suy ra rằng là một ước chính và do đó
Phần tử trong phần sau sẽ được ký hiệu bởi ; ta sẽ nói rằng là lớp ước gắn với M.
Mệnh đề 16
(i) *Cho là một dãy khớp của các A-môđun hữu hạn sinh. Khi đó
(ii) *Nếu tồn tại một giả đẳng cấu từ M, tới M,, thì .
(iii) *Nếu T là một môđun xoắn, thì .
(iv) Nếu là một iđêan phân thức Of K, thì
(v) *Nếu L là một A-môđun tự do, thì .
Để chứng minh (i), xét một môđun con tự do (tương ứng ) của M, (tương ứng ) sao cho (tương ứng ) là một môđun xoắn. Vì là tự do và là toàn ánh, tồn tại trong một phần bù tự do của đẳng cấu với (Đại số, Chương II, § 1, no. 11, Mệnh đề 21); nhưng chứa , là tự do vì là đơn ánh. Tổng là trực tiếp và do đó là một môđun con tự do của . Hơn nữa có biểu đồ giao hoán:
trong đó các hàng là khớp và các mũi tên thẳng đứng là các đơn ánh. Do đó từ biểu đồ rắn (Chương I, § 1, no. 4, Mệnh đề 2) ta thu được dãy khớp:
Vì và là các môđun xoắn, dãy khớp này trước hết cho thấy cũng vậy, rồi sau đó, theo Mệnh đề 10 của no. 5, cho thấy:
điều này chứng minh (i).
Các khẳng định (iii) và (v) là hiển nhiên từ định nghĩa. Ta chứng minh (ii). Vậy cho là một giả-đẳng cấu và là một môđun con tự do của sao cho là một môđun xoắn. Đặt ; vì là giả-không, nó là một môđun xoắn, do đó và vì thế là tự do. Gọi là đồng cấu dẫn xuất từ bằng cách lấy thương; đẳng cấu với và đẳng cấu với và vì thế là một giả-đẳng cấu; hơn nữa
là một môđun xoắn và cũng vậy, do đó là một môđun xoắn và từ no. 5, Mệnh đề 10 (ii) suy ra rằng
Cuối cùng còn phải chứng minh (iv). Cho sao cho . Xét dãy khớp , ta được
theo (i) và (v). Nhưng đẳng cấu với , do đó, theo (iii),
(no. 5, Mệnh đề 12). Điều này hoàn tất chứng minh.
Khi là một dàn của đối với , (no. 6, Mệnh đề 14); cho là một cơ sở của , , và
(ký hiệu của no. 6); khi đó , do đó , điều này tổng quát hóa Mệnh đề 16 (v).
Hệ quả 1
Cho* là một dãy khớp các A-môđun sinh hữu hạn. Khi đó
Ta lập luận bằng quy nạp theo , trường hợp là Mệnh đề 16 (i). Nếu , ta có hai dãy khớp:
Dãy thứ nhất cho thấy là sinh hữu hạn và giả thiết quy nạp cho
và
do đó có hệ quả.
Một dãy khớp
trong đó các () là các A-môđun tự do sinh hữu hạn, được gọi là một phân giải tự do hữu hạn của A-môđun E.
Hệ quả 2
Nếu một iđêan phân thức ước tính được* của *thừa nhận một phân giải tự do hữu hạn, thì nó là chính.
Thật vậy ta áp dụng Hệ quả 1 cho một phân giải tự do hữu hạn của :
Do Mệnh đề 16 (v), và vì thế, do Mệnh đề 16 (iv), là chính; vì được giả thiết là ước tính được, nên nó là chính (§ 1, no. 1).
Hệ quả 3
Nếu mọi iđêan ước tính được* của thừa nhận một phân giải tự do hữu hạn, *là giai thừa.
Đây là một hệ quả ngay lập tức của Hệ quả 2 và § 3, no. 1, Định nghĩa 1.
\* Ta sẽ thấy về sau rằng một vành địa phương chính quy thỏa mãn giả thiết của Hệ quả 3 và bởi đó là giai thừa. \*
Nếu M là một A-môđun sinh hữu hạn, ta sẽ ký hiệu hạng của nó bởi (nhắc lại rằng đó là hạng trên K của ); nếu là một dãy khớp của các A-môđun sinh hữu hạn, thì dãy
cũng khớp và do đó . Ta viết
vì vậy thỏa mãn tính chất (i) của Mệnh đề 16 và, nếu M là giả-không, thì (vì M là một môđun xoắn). Tồn tại một ánh xạ duy nhất từ vào , cũng được ký hiệu là y, sao cho với mọi A-môđun sinh hữu hạn M. Ta sẽ thấy rằng các tính chất trên về cơ bản đặc trưng cho y:
Mệnh đề 17
Cho G là một nhóm giao hoán viết theo lối cộng và một ánh xạ từ tập hợp các lớp của các A-môđun sinh hữu hạn vào G; với mọi A-môđun sinh hữu hạn M, do lạm dụng ngôn ngữ, ta cũng viết . Giả sử các điều kiện sau được thỏa mãn: (1) Nếu là một dãy khớp của các A-môđun sinh hữu hạn, thì . (2) Nếu T là giả-không, thì . Thì tồn tại một đồng cấu duy nhất sao cho .
Do Mệnh đề 16 (iv), mọi phần tử của đều có dạng với một A-môđun sinh hữu hạn M thích hợp nào đó; do đó có tính duy nhất của . Ta áp dụng Mệnh đề 11 của no. 5 cho hạn chế của lên : khi đó tồn tại một đồng cấu sao cho
với mọi A-môđun xoắn sinh hữu hạn T. Cho x là một phần tử khác không của A; áp dụng tính chất (1) cho dãy khớp:
trong đó là phép nhân bởi x, ta được , do đó . Lấy thương, vì thế xác định một đồng cấu và với mọi A-môđun xoắn T. Bây giờ ta chỉ ra rằng đồng cấu được định nghĩa bởi giải quyết bài toán. Vì mục đích đó, ta đặt với mọi A-môđun hữu hạn sinh M; rõ ràng điều kiện (1) vẫn được thỏa mãn nếu thay bằng . Hơn nữa, khi M là một môđun xoắn hoặc một môđun tự do; nhưng vì với mọi A-môđun hữu hạn sinh M, tồn tại một môđun con tự do L của M sao cho M/L là một môđun xoắn (Mệnh đề 15), tính chất (1) cho thấy với mọi A-môđun hữu hạn sinh M.
\* Theo ngôn ngữ của các phạm trù Abel, Mệnh đề 17 cho thấy rằng đẳng cấu một cách chính tắc với nhóm Grothendieck của phạm trù thương , trong đó là phạm trù các A-môđun hữu hạn sinh và là phạm trù con đầy đủ của gồm các môđun giả-không. \*
8. Tính chất đối với các mở rộng hữu hạn của vành vô hướng
Trong số này, A và B ký hiệu hai miền nguyên đóng Noether sao cho và B là một A-môđun hữu hạn sinh, còn K và L là các trường phân thức của A và B tương ứng. Ta sẽ viết div, , , , thay cho div, , c, y, r tương ứng trong trường hợp các A-môđun, và dùng các ký hiệu tương tự cho các B-môđun.
Ta biết (§ 1, no. 10) rằng để một iđêan nguyên tố của B có chiều cao 1 thì điều kiện cần và đủ là có chiều cao 1; hơn nữa (loc. cit., Mệnh đề 14) với , chỉ có hữu hạn iđêan nguyên tố nằm trên . Để viết gọn, ta sẽ dùng ký hiệu cho quan hệ "“ nằm trên " (nghĩa là ); khi đó ta sẽ ký hiệu bởi hoặc chỉ số phân nhánh của định giá trên định giá (Chương VI, § 8, no. 1), và bởi hoặc bậc của lớp thặng dư (loc. cit.); nhắc lại rằng các định giá rời rạc và đều được chuẩn hóa và rằng là bậc của trường phân thức của trên trường phân thức của . Đặt , trong đó B được xét như một A-môđun; do đó theo định nghĩa và, với mọi , cũng là hạng của A,-môđun tự do B với mọi . Khi đó từ Chương VI, § 8, no. 5, Định lý 2 suy ra rằng với mọi :
Do đó, vì và là các -môđun tự do, ta định nghĩa một đồng cấu tăng của các nhóm có thứ tự (cũng được ký hiệu bởi ), bởi điều kiện:
Mặt khác (§ 1, no. 10, Mệnh đề 14) ta đã định nghĩa một đồng cấu tăng của các nhóm có thứ tự (cũng được ký hiệu là ), bởi điều kiện:
Rõ ràng đối với mọi họ (resp. ) các ước của A (resp. B):
Công thức (9) cho thấy rằng:
(14)
Với mọi (§ 1, no. 10, Mệnh đề 14):
(15)
Ta suy ra (nhờ (13)) rằng, đối với mọi iđêan phân thức của , còn có:
(16)
Với mọi phần tử , ta biết (Chương V, § 1, no. 3, Hệ quả của Mệnh đề 11) rằng ; hơn nữa (Chương VI, § 8, no. 5, công thức (9)):
(17)
do đó:
(18)
Các công thức (15) và (18) cho thấy rằng, bằng cách lấy thương, các đồng cấu và xác định các đồng cấu mà, do lạm dụng ngôn ngữ, cũng sẽ được ký hiệu bởi:
Chú ý rằng đồng cấu nói chung không đơn ánh (§ 3, Bài tập 7).
Nhớ rằng đối với mọi -môđun , ký hiệu -môđun thu được từ bằng cách hạn chế các vô hướng xuống (Đại số, Chương 11, § 1, no. 13).
Mệnh đề 18
(i) *Để là một -môđun giả-không, điều kiện cần và đủ là -môđun là giả-không.
(ii) Để là một -môđun xoắn sinh hữu hạn, điều kiện cần và đủ là là một -môđun xoắn sinh hữu hạn và khi đó:
(19)
(iii) Để là một -môđun sinh hữu hạn, điều kiện cần và đủ là là một -môđun sinh hữu hạn và khi đó:
(20)
Vì là một -môđun sinh hữu hạn, để là một -môđun sinh hữu hạn, điều kiện cần và đủ là là một -môđun sinh hữu hạn. Hơn nữa, nếu là linh hóa tử của , thì là linh hóa tử của ; vì là nguyên trên , không có iđêan nào khác 0 nằm trên iđêan 0 của (Chương V, § 2, no. 1, Hệ quả 1 của Mệnh đề 1), và do đó việc nói hay là như nhau.
(i) Theo nhận xét cuối cùng này, ta có thể chỉ giới hạn sự chú ý vào trường hợp là một -môđun xoắn. Nếu được chứa trong một iđêan nguyên tố , thì được chứa trong , iđêan này có chiều cao bằng 1. Ngược lại, nếu được chứa trong một iđêan nguyên tố , thì tồn tại một iđêan nguyên tố của chứa và nằm trên (Chương V, § 2, no. 1, Hệ quả 2 của Định lý 1). Mệnh đề (i) suy ra từ các nhận xét này và no. 4, Định nghĩa 2.
(ii) Với mọi -môđun xoắn sinh hữu hạn , ta viết
rõ ràng (đối với các -môđun xoắn sinh hữu hạn) thỏa mãn các điều kiện (1) và (2) của Mệnh đề II ở no. 5 (có tính đến (i)). Do đó tồn tại một đồng cấu sao cho với mọi -môđun xoắn sinh hữu hạn . Đồng cấu được xác định bởi giá trị của nó trên mọi -môđun có dạng với , vì . Bây giờ, với mọi iđêan nguyên tố trong , ta có và do đó . Mặt khác, nếu đặt , thì là một iđêan cực đại của và . đẳng cấu với trường phân thức của (Chương II, § 2, no. 5, Mệnh đề 11), tức là với trường thặng dư của ; do đó độ dài của nó như một -môđun là ; điều này chứng minh rằng (no. 5, Định nghĩa 4).
(iii) Nếu là môđun con xoắn của , thì là môđun con xoắn của và ; do đó để chứng minh (21) ta có thể chỉ cần xét trường hợp không xoắn. Khi đó được đồng nhất với một môđun con- của và chứa một cơ sở của trên . Nếu là một cơ sở của trên gồm các phần tử của , thì các lập thành một cơ sở của trên gồm các phần tử của , do đó suy ra (21). Mặt khác, cho là một môđun con- tự do của sao cho là một -môđun xoắn; vì là tổng trực tiếp của -môđun đẳng cấu với , theo Mệnh đề 16 (i)
Hơn nữa, theo (19); nhưng theo định nghĩa của đồng cấu , ta có với mọi và, vì theo định nghĩa, cuối cùng
khi đó chỉ cần áp dụng Mệnh đề 16 (i) để thu được (20).
Mệnh đề 19
Cho là một môđun sinh hữu hạn. Điều kiện cần và đủ để phản xạ là là một môđun phản xạ.
Ta đã nhận xét trong chứng minh của Mệnh đề 18 rằng điều kiện cần và đủ để R là một B-môđun không xoắn là là một A-môđun không xoắn. Do đó ta có thể giả thiết rằng R là một dàn của đối với B. Ta sẽ dùng bổ đề sau:
Bổ đề 4
Cho W là một không gian vectơ hạng hữu hạn trên L và cho R là một dàn của W đối với B. Khi đó, với mọi , .
Nếu , các iđêan nguyên tố của vành được sinh bởi các iđêan nguyên tố của B không gặp S, nói cách khác là các iđêan () nằm trên p và iđêan (0); điều này cho thấy rằng là một vành nửa địa phương mà các iđêan cực đại của nó là các m, với ; hơn nữa, vành địa phương đẳng cấu với (Chương 11, § 2, no. 5, Mệnh đề 11) và do đó là một vành định giá rời rạc. Vậy vành là một miền Dedekind (§ 2, no. 2, Định lý 1 (f)) và, vì nó là nửa địa phương, nó là một miền iđêan chính (§ 2, no. 2, Mệnh đề 1). Như vậy, bằng được xét như một A,-môđun; theo trên, là một dàn tự do của W đối với và do đó có thể áp dụng cho nó Định lý 2 của no. 2, suy ra : nhưng , điều này chứng minh bổ đề.
Quay trở lại chứng minh của Mệnh đề 19, theo Bổ đề 4,
và kết luận suy ra từ no. 2, Định lý 2.
Hệ quả
Vành B là một A-môđun phản xạ.
Mệnh đề 20
(i) Điều kiện cần và đủ để một A-môđun hữu hạn sinh M là giả-không là là một B-môđun giả-không. (ii) Nếu M là một A-môđun xoắn hữu hạn sinh, thì là một B-môđun hữu hạn sinh và: (22)
(i) Cho là một iđêan nguyên tố của , ; khi đó (Chương 11, § 2, no. 7, Mệnh đề 18) và mặt khác
Để chứng minh (ii), chúng ta sẽ dùng bổ đề sau:
Bổ đề 5
Cho , là hai -môđun hữu hạn sinh, và là một đồng cấu đơn cấu. Khi đó hạt nhân của là giả-không.
Cho là một iđêan nguyên tố của có chiều cao . Khi đó () (Chương 11, § 2, no. 7, Mệnh đề 18) và ; giả thiết rằng là đơn cấu kéo theo rằng , cũng vậy (Chương II, § 2, no. 4, Định lý 1); mặt khác, do lựa chọn của , là một miền iđêan chính và là một -môđun xoắn-không hữu hạn sinh và do đó là tự do; chúng ta kết luận rằng bản thân nó cũng là đơn cấu. Nếu , thì (Chương 11, § 2, no. 4, Định lý 1); do đó , do đó a fortiori với , điều này chứng minh bổ đề (no. 4, Định nghĩa 2).
Bây giờ ta trở lại chứng minh của (ii). Với mọi -môđun xoắn sinh hữu hạn , đặt ; từ (i) suy ra rằng, nếu là giả-không, thì . Mặt khác, xét một dãy khớp các -môđun xoắn sinh hữu hạn:
Công thức (24) là ngay lập tức, vì
và hạng của trên bằng hạng của trên . Để chỉ ra (23), xét một môđun con tự do của sao cho là một -môđun xoắn. Áp dụng Bổ đề 4 như trên, ta thu được một dãy khớp các -môđun:
trong đó là giả-không. Do đó từ no. 7, Mệnh đề 16(ii) và (v) và Hệ quả 1 của Mệnh đề 16 suy ra rằng
theo (ii); nhưng theo định nghĩa của đồng cấu , , điều này hoàn tất chứng minh của (23).
Nhận xét (1) Nếu là một -môđun phản xạ, thì không nhất thiết phản xạ (bài tập 6). Tuy nhiên điều đó đúng khi là một -môđun phẳng (no. 2, Mệnh đề 8). (2) Cho là một miền Noether đóng nguyên thứ ba sao cho và là một -môđun sinh hữu hạn (và do đó cũng là một -môđun sinh hữu hạn). Khi đó ta có các công thức bắc cầu:
(25)
chúng suy ra ngay lập tức từ các công thức bắc cầu đối với các chỉ số phân nhánh và các bậc thặng dư (Chương VI, § 8, no. 1, Bổ đề 1).
9. Một định lý rút gọn
Ta giữ nguyên ký hiệu và các giả thiết của các số 2 đến 7.
Bổ đề 6
Cho là một vành giao hoán và () là các iđêan nguyên tố phân biệt của .
(i) Với , gọi là một tập con của thỏa mãn điều kiện sau: không tồn tại phần tử nào sao cho chứa một iđêan của . Khi đó tồn tại sao cho, với , ảnh chính tắc của trong không thuộc .
(ii) Nếu , thì các thỏa mãn điều kiện ở (i).
(i) Ta lập luận bằng quy nạp theo , trường hợp là tầm thường. Vậy giả sử . Ta có thể thực hiện một phép hoán vị trên các chỉ số và có thể giả sử rằng là cực tiểu trong các và do đó, với , tồn tại sao cho . Theo giả thiết quy nạp, tồn tại sao cho ảnh chính tắc của trong không thuộc với . Với mọi ta đặt ; vì , hiển nhiên với . Do đó chỉ cần chứng minh rằng tồn tại sao cho ảnh chính tắc của trong không thuộc . Bây giờ, tập hợp các ảnh chính tắc của các trong , khi chạy qua , chính là , trong đó là ảnh chính tắc của và là iđêan của sinh bởi ảnh chính tắc của ; nhờ cách lựa chọn các , ta có vì là một miền nguyên và giả thiết về suy ra sự tồn tại của một giải được bài toán.
(ii) Vì là một miền nguyên, mọi iđêan của đều có lực lượng bằng lực lượng của và điều tương tự cũng đúng với mọi phép tịnh tiến của một iđêan bởi một phần tử của , do đó suy ra kết luận.
Định lý 6
Cho M là một A-môđun không xoắn hữu hạn sinh. Tồn tại một môđun con tự do L của M sao cho M/L đẳng cấu với một iđêan của A.
Ta sẽ ký hiệu bởi hạng của (hạng của trên ) và xem như một dàn của đối với . Khi đó, với mọi , là một dàn của đối với (no. 1, Ví dụ 6) và, vì là một miền iđêan chính, là một -môđun tự do hạng . Ta sẽ viết:
Ta sẽ ký hiệu bởi trường phân thức của (đẳng cấu với trường thặng dư của ); do đó là một không gian vectơ hạng trên . Với mọi , ta sẽ ký hiệu bởi ảnh chính tắc của trong .
Bổ đề 7
Cho () là các phần tử độc lập tuyến tính của (trên hoặc , điều này là như nhau) và cho là môđun con-A của sinh bởi các . Khi đó, với hầu hết mọi , các là độc lập tuyến tính trên ; để chúng độc lập tuyến tính trên với mọi , điều kiện cần và đủ là không xoắn.
Cho là các phần tử của mà cùng với lập thành một cơ sở của và cho là môđun con-A tự do của sinh bởi các (). Theo no. 3, Định lý 3 suy ra rằng , với hầu hết mọi ; vì lập thành một cơ sở của trên , điều này chứng minh khẳng định thứ nhất.
Nếu không xoắn, thì cũng không xoắn với mọi (no. 1, Ví dụ 6) và, vì là một miền iđêan chính, là tự do. Do đó , là tổng trực tiếp của , và của một -môđun tự do hạng ; suy ra là tổng trực tiếp của và của không gian vectơ hạng ; bởi vậy có hạng và, vì nó được sinh bởi các (), các phần tử sau là độc lập tuyến tính.
Ngược lại, giả sử rằng các () là độc lập tuyến tính trên với mọi . Khi đó , là một nhân tử trực tiếp của , với mọi (Chương II, § 3, no. 2, Hệ quả 1 của Mệnh đề 5) và do đó không xoắn với mọi . Ta kết luận rằng theo Chương IV, § 1, no. 2, Hệ quả của Mệnh đề 5. Nhưng vì L là phản xạ, suy ra từ no. 2, Mệnh đề 7 (i) rằng iđêan nguyên tố duy nhất có thể thuộc là iđêan (0); do đó không xoắn.
Bổ đề 8
Giả sử rằng hạng của là ; khi đó tồn tại một phần tử của sao cho không xoắn.
Cho là một phần tử của . Theo Bổ đề 7, tập hợp các sao cho là hữu hạn. Nếu , thì theo Bổ đề 7, áp dụng cho dãy gồm phần tử duy nhất , suy ra là không xoắn. Vậy giả sử rằng và đặt ; ta biết (no. 4, Bổ đề 2) rằng là một miền iđêan chính nửa địa phương mà các iđêan cực đại là các , với , các vành địa phương tương ứng là các . Do đó
Vậy giả sử rằng và độc lập tuyến tính trên , đặt là tập hợp các sao cho và độc lập tuyến tính trên ; theo Bổ đề 7, tập hợp này là hữu hạn. Do đó, với mọi , ta có thể viết với . Mặt khác, với mọi ; bởi vậy theo Bổ đề 6, tồn tại sao cho, với mọi , ảnh chính tắc của trong khác với . Bây giờ ta sẽ chỉ ra rằng phần tử giải được bài toán; chỉ cần (chiếu theo Bổ đề 7 áp dụng với ) kiểm tra rằng với mọi . Thật vậy:
— nếu , thì theo phép dựng; — nếu , thì với do cách chọn và do đó vì ; — nếu , thì và độc lập tuyến tính và do đó .
Sau khi đã thiết lập các bổ đề này, ta chuyển sang chứng minh Định lý 6. Ta lập luận bằng quy nạp theo , trường hợp là tầm thường vì khi đó chính đẳng cấu với một iđêan của . Vậy giả sử rằng ; theo Bổ đề 8, tồn tại một môđun con tự do của có hạng 1 sao cho không xoắn; do đó có hạng . Theo giả thiết quy nạp, tồn tại một môđun con tự do , của sao cho đẳng cấu với một iđêan của . Gọi là ảnh ngược của trong ; đẳng cấu với và, vì là tự do, đẳng cấu với (Đại số, Chương II, § 1, số 11, Mệnh đề 21) và do đó là tự do; vì đẳng cấu với , định lý được chứng minh.
Nhận xét
Nếu là phản xạ, thì điều tương tự không nhất thiết còn đúng đối với (Bài tập 9).
10. Môđun trên các miền Dedekind
Bây giờ ta giả thiết rằng là một miền Dedekind; khi đó ta biết rằng các iđêan là cực đại và chúng là các iđêan nguyên tố duy nhất của (, no. 1 ); nhóm được đồng nhất với nhóm các iđêan phân thức của .
Mệnh đề 21
Cho là một miền Dedekind. Mọi A-môđun giả-không đều bằng không. Mọi đồng cấu A-môđun giả-đơn ánh (resp. giả-toàn ánh, giả-song ánh, giả-không) đều là đơn ánh (resp. toàn ánh, song ánh, không).
Mệnh đề thứ nhất đã được chứng minh rồi (no. 4, Ví dụ 1); các mệnh đề khác suy ra từ đó ngay lập tức.
Mệnh đề 22
Cho là một miền Dedekind và là một A-môđun sinh hữu hạn. Các tính chất sau là tương đương: (a) không xoắn. (b) phản xạ. (c) xạ ảnh.
Ta đã biết rồi (không cần giả thiết nào trên miền nguyên ) rằng (b) suy ra (a) (no. 2, Nhận xét 1) và rằng (c) suy ra (b) (Đại số, Chương II, § 2, no. 7, Hệ quả 4 của Mệnh đề 14). Nếu không xoắn, nó được đồng nhất với một dàn của đối với ; do đó , là một -môđun tự do với mọi iđêan cực đại , vì , là một miền iđêan chính. Kết luận khi đó suy ra từ Chương II, § 5, no. 2, Định lý 1 (b).
Hệ quả
Cho là một A-môđun sinh hữu hạn và là môđun con xoắn của nó. Khi đó là một hạng tử trực tiếp của .
Vì không xoắn và sinh hữu hạn, nên nó xạ ảnh theo Mệnh đề 22 và do đó hệ quả suy ra từ Đại số, Chương II, § 2, no. 2, Mệnh đề 4.
Mệnh đề 23
Cho là một miền Dedekind và là một A-môđun xoắn sinh hữu hạn. Tồn tại hai họ hữu hạn và , trong đó các là các số nguyên và các là các phần tử của , sao cho đẳng cấu với tổng trực tiếp . Hơn nữa, các họ và là duy nhất sai khác bởi một song ánh của tập hợp chỉ số.
Điều này suy ra từ no. 4, Định lý 5, có lưu ý đến thực tế là ở đây một giả-đẳng cấu là một đẳng cấu.
Mệnh đề 24
Cho là một miền Dedekind và là một A-môđun sinh hữu hạn không xoắn có hạng . Khi đó tồn tại một iđêan của sao cho đẳng cấu với tổng trực tiếp của các môđun và . Hơn nữa, lớp của iđêan được xác định duy nhất bởi điều kiện này.
Định lý 6 của no. 9 cho thấy rằng tồn tại một môđun con tự do của sao cho đẳng cấu với một iđêan của . Nếu , ta lấy . Nếu không, có hạng 1, do đó và là một môđun xạ ảnh (Mệnh đề 22); vì thế đẳng cấu với tổng trực tiếp của và (Đại số, Chương II, § 2, no. 2, Mệnh đề 4), điều này chứng minh phần thứ nhất của mệnh đề. Hơn nữa, từ no. 7, Mệnh đề 16 (i), (iv) và (v) suy ra rằng do đó có tính duy nhất của lớp của .
Nhận xét (1) Các Mệnh đề 23 và 24 và Hệ quả của Mệnh đề 22 xác định hoàn toàn cấu trúc của các -môđun sinh hữu hạn. Mệnh đề 24 cho thấy rằng một -môđun sinh hữu hạn không xoắn được xác định đến đẳng cấu bởi hạng của nó và lớp ước gắn với nó. (2) Có thể chỉ ra rằng trên một miền Dedekind, một môđun xạ ảnh không sinh hữu hạn thì tất yếu là tự do (Bài tập 21), và mọi môđun con của một môđun xạ ảnh đều là xạ ảnh (Bài tập 20).
Bài tập
Xem các bài tập của § 4.