Bourbaki

4. Các môđun trên các miền Noether đóng nguyên

Trong suốt đoạn này, A\mathbf{A} sẽ là một miền nguyên giao hoán với trường phân thức KK. Bắt đầu từ no. 2, A\mathbf{A} sẽ còn được giả thiết là Noether và đóng nguyên (và do đó là một miền Krull (§\S 1, no. 3, Hệ quả của Định lý 2)); khi đó P(A)P(\mathbf{A}), D(A)D(\mathbf{A}) và C(A)C(\mathbf{A}) lần lượt sẽ chỉ tập hợp các iđêan nguyên tố của A\mathbf{A} có chiều cao 1 (§\S 1, no. 6), nhóm ước của A\mathbf{A} (§\S 1, no. 3) và nhóm lớp ước của A\mathbf{A} (§\S 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 A\mathbf{A} bao gồm việc "địa phương hóa" các môđun đối với tất cả các iđêan nguyên tố p∈P(A)p \in P(\mathbf{A}) có chiều cao 1 trong A\mathbf{A}; vì khi đó A\mathbf{A} là một vành định giá rời rạc (§\S 1, no. 6, Định lý 4), cấu trúc của các Ap\mathbf{A}_p-môđun sinh hữu hạn đã được biết rõ (Đại số, Chương VII, §\S 4) và do đó cho thông tin về cấu trúc của các A\mathbf{A}-môđun sinh hữu hạn. Trong trường hợp riêng khi A\mathbf{A} là một miền Dedekind, ta có thể đạt được một lý thuyết đầy đủ như khi A\mathbf{A} là một miền iđêan chính (no. 10).

1. Các dàn

Định nghĩa 1

Cho VV là một không gian vectơ hữu hạn chiều trên trường KK. Một dàn của VV đối với A\mathbf{A} (hay đơn giản là một dàn của VV) được định nghĩa là bất kỳ môđun con-A\mathbf{A} MM nào của VV thỏa mãn điều kiện sau:

Tồn tại hai môđun con-A\mathbf{A} tự do L1, L2L_1,\ L_2 của VV sao cho L1⊂M⊂L2L_1 \subset M \subset L_2 và rgA(L1)=rgK(V)\mathrm{rg}_{\mathbf{A}}(L_1) = \mathrm{rg}_K(V).

Ví dụ (1) Nếu lấy V=KV = K, các dàn của KK chính là các iđêan phân thức ≠(0)\neq (0) của KK (§\S 1, no. 1, Định nghĩa 1).

(2) Nếu rgK(V)=n\mathrm{rg}_K(V) = n, 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, rgA(L)=n\mathrm{rg}_A(L) = n).

(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 (ai)1≤i≤n(a_i)_{1 \leq i \leq n} của V trên K và do đó nó chứa môđun con-A tự do L, sinh bởi các aia_i; mặt khác, nếu M⊂M1M \subset M_1, trong đó M, là một môđun con-A của V được sinh bởi một số hữu hạn phần tử b, và (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n} là một cơ sở của V trên K, tồn tại một phần tử s ≠0\neq 0 của A sao cho mỗi b, là một tổ hợp tuyến tính của các s−1eis^{-1}e_i với các hệ số trong A; nếu L, là các môđun con-A tự do của V được sinh bởi các s−1eis^{-1}e_i, thì M⊂L2M \subset L_2.

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 M⊗AK→VM \otimes_A K \to V 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 K∗K^* sao cho xM⊂M1⊂yMxM \subset M_1 \subset yM, M1M_1 là một dàn của V; ngược lại, nếu M1M_1 là một dàn của V, tồn tại hai phần tử khác không a, b của A sao cho aM⊂M,⊂b−1MaM \subset M, \subset b^{-1}M.

Nếu L1,L2L_1, L_2 là hai dàn tự do của V sao cho L,⊂M⊂L,L, \subset M \subset L,, các quan hệ xM⊂M1⊂yMxM \subset M_1 \subset yM kéo theo xL1⊂M,⊂yL2xL_1 \subset M, \subset yL_2 và xL1xL_1 và yL2yL_2 là các dàn tự do; ngược lại, nếu M, là một dàn và (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n} là một cơ sở của L, trên A, thì quan hệ KM, = V kéo theo sự tồn tại của x=a/s∈K∗x = a/s \in K^* (trong đó a và s là các phần tử khác không của A) sao cho xei∈M,xe_i \in M, với mọi ii, do đó xM⊂xL2⊂M1xM \subset xL_2 \subset M_1 và a fortiori aM⊂M,aM \subset M,; khi đổi vai trò của M và M, cũng có thể chứng minh tương tự rằng tồn tại b≠0b \neq 0 trong A sao cho bM1⊂MbM_1 \subset M.

Mệnh đề 3

(i) *Nếu M1M_1 và M2M_2 là các dàn của V, thì M1∩M,M_1 \cap M, và M1+M2M_1 + M_2 cũng vậy.

(ii) Nếu W là một không gian con vectơ của V và M là một dàn của V, thì M∩WM \cap W là một dàn của W.

(iii) Cho V,V1,…,VkV, V_1, \ldots, V_k là các không gian vectơ hạng hữu hạn trên KK và cho

f:V1×⋯×Vk→V f : V_1 \times \cdots \times V_k \to V
là một ánh xạ đa tuyến tính mà ảnh sinh ra VV. Nếu MiM_i là một dàn của ViV_i với 1≤i≤k1 \leq i \leq k, thì A-môđun con của VV sinh bởi ff ((M,x…xMk)(M, x \ldots x M_k)) là một dàn của VV.

(iv) Cho VV và WW là hai không gian vectơ hạng hữu hạn trên KK, MM là một dàn của VV và NN là một dàn của WW. A-môđun con NN: MM của HomK(V,W)\mathrm{Hom}_K(V, W), gồm các ánh xạ K-tuyến tính ff sao cho f(M)⊂Nf(M) \subset N, là một dàn của HomK(V,W)\mathrm{Hom}_K(V, W).

(i) Chiếu theo Mệnh đề 2, tồn tại các phần tử khác không aa và bb trong AA sao cho aM1⊂M2⊂b−1M1aM_1 \subset M_2 \subset b^{-1}M_1; ta kết luận rằng M,∩M,M, \cap M, và M,+M2M, + M_2 nằm giữa aM1aM_1 và b−1M1b^{-1}M_1 và do đó là các dàn, chiếu theo Mệnh đề 2.

(ii) Cho SS là một phần bù của WW trong VV, LwL_w một dàn tự do của WW và LsL_s một dàn tự do của SS, sao cho L=Lw⊕LsL = L_w \oplus L_s là một dàn tự do của VV. Khi đó tồn tại x,yx, y trong K∗K^* sao cho xL⊂M⊂yLxL \subset M \subset yL. Suy ra xLw⊂M∩W⊂yLwxL_w \subset M \cap W \subset yL_w, điều này cho thấy M∩WM \cap W là một dàn của WW (Mệnh đề 2).

(iii) Vì KM,=V,KM, = V, nên rõ ràng do tính tuyến tính ff (M,x…xM,M, x \ldots x M,) sinh không gian vectơ trên K là VV; mặt khác, với mọi ii, tồn tại một A-môđun con sinh hữu hạn NiN_i của VV, sao cho M,⊂Ni;M, \subset N_i; A-môđun con NN của VV sinh bởi f(N1x…xNn)f(N_1 x \ldots x N_n) là sinh hữu hạn và chứa MM, do đó MM là một dàn của VV (Mệnh đề 1).

(iv) Cho PP (resp. QQ) là một dàn tự do của VV (resp. WW) chứa MM (resp. được chứa trong NN); hiển nhiên N:M⊃Q:PN : M \supset Q : P. Bây giờ ngay lập tức có được rằng Q:PQ : P đẳng cấu với HomA(P,Q)\mathrm{Hom}_A(P, Q), do đó là một A-môđun tự do có hạng (rgAP)(rgAQ)(\mathrm{rg}_A P)(\mathrm{rg}_A Q) (Đại số, Chương II, § 1, no. 6, Hệ quả 1 của Mệnh đề 6) và vì thế là một dàn của HomK(V,W)\mathrm{Hom}_K(V, W). Tương tự, nếu P′P' (resp. Q′Q') là một dàn tự do của VV (resp. WW) được chứa trong MM (resp. chứa NN), thì Q′:P′⊃N:MQ' : P' \supset N : M và Q′:P′Q' : P' là một dàn của HomK(V,W)\mathrm{Hom}_K(V, W); do đó kết luận.

Nhận xét (2) Mệnh đề 3 (i) cho thấy tập R(V)R(V) các dàn của VV là có thứ tự dàn đối với quan hệ bao hàm; hơn nữa, nếu MM là một dàn cố định của VV, thì các xMxM, với xx chạy qua K∗K^*, tạo thành một tập con của R(V)R(V) 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

N:M→HomA(M,N), N : M \to \mathrm{Hom}_A(M, N),
ánh xạ mỗi ánh xạ K-tuyến tính f∈N:Mf \in N : M tới ánh xạ A-tuyến tính từ MM vào NN có cùng đồ thị như f∣Mf|_M, là song ánh, vì mọi ánh xạ A-tuyến tính g:M→Ng : M \to N đều có thể được nhúng vào một ánh xạ K-tuyến tính
g⊗1:M⊗AK→N⊗AK g \otimes 1 : M \otimes_A K \to N \otimes_A K

và ta đã thấy rằng M⊗AKM \otimes_A K và N⊗AKN \otimes_A K được đồng nhất tương ứng với VV và WW.

Đặc biệt, nếu ta lấy W=KW = K, N=AN = A, thì Hom⁡K(V,W)\operatorname{Hom}_K(V, W) chính là không gian vectơ K đối ngẫu V∗V^* của VV và AA: MM được đồng nhất với A-môđun đối ngẫu M∗M^* của MM; từ nay về sau ta sẽ thực hiện sự đồng nhất này và ta sẽ nói rằng M∗M^* là dàn đối ngẫu của MM: do đó nó là tập hợp các x∗∈V∗x^* \in V^* sao cho ⟨x,x∗⟩∈A\langle x, x^* \rangle \in A với mọi x∈Mx \in M.

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 sf:U→Hom⁡K(V,W)s_f: U \to \operatorname{Hom}_K(V, W) là ánh xạ K-tuyến tính liên kết trái với ff (Đại số, Chương IX, loc. cit.) sao cho sf(x)s_f(x) là ánh xạ tuyến tính y↦f(x,y)y \mapsto f(x, y); nhắc lại rằng nói ff là không suy biến trái có nghĩa là sfs_f là đơn ánh. Theo Mệnh đề 3 (iv), N:MN: M là một dàn của Hom⁡K(V,W)\operatorname{Hom}_K(V, W); vì N:fM=sf−1(N:M)N: fM = s_f^{-1}(N: M) và sfs_f là đơn ánh, hệ quả suy ra từ Mệnh đề 3 (ii).

Ví dụ

(4) Cho SS 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 (x,y)↦xy(x, y) \mapsto xy từ S×SS \times S đến SS là không suy biến (trái và phải). Nếu MM và NN là các dàn của SS đối với AA, thì M.NM.N (Mệnh đề 3 (iii)) và tập hợp các x∈Sx \in S sao cho xM⊂NxM \subset N (Hệ quả của Mệnh đề 3) cũng vậy. Chú ý rằng tồn tại một đại số con trên A của SS chứa phần tử đơn vị của SS và là một dàn của SS; thật vậy, xét một cơ sở (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n} của SS sao cho e1e_1 là phần tử đơn vị của SS và đặt eiej=∑kcijkeke_i e_j = \sum_k c_{ijk} e_k là bảng phép nhân của SS (1≤i≤n,1≤j≤n1 \leq i \leq n, 1 \leq j \leq n), sao cho c1jk=δjk,ci1k=δikc_{1jk} = \delta_{jk}, c_{i1k} = \delta_{ik} (các ký hiệu Kronecker). Cho s∈As \in A là khác không và sao cho cijk′=s⋅cijk∈Ac'_{ijk} = s \cdot c_{ijk} \in A với mọi bộ ba chỉ số (i,j,k)(i, j, k); nếu ta viết ei′=s−1eie'_i = s^{-1} e_i với i≥2i \geq 2, thì

ei′ej′=scij1′e1′+∑k≥2cijk′ek′ e'_i e'_j = s c'_{ij1} e'_1 + \sum_{k \geq 2} c'_{ijk} e'_k

với i≥2i \geq 2 và j≥2j \geq 2; dàn của SS có cơ sở là e1e_1 và các ei′e'_i (2≤i≤n2 \leq i \leq n) là một đại số con trên A của SS có phần tử đơn vị e1e_1.

(5) Cho VV là một không gian vectơ hữu hạn chiều trên KK và ff là một dạng song tuyến tính không suy biến trên VV. Nếu MM là một dàn của VV, thì từ Hệ quả của Mệnh đề 3 suy ra rằng tập Mf∗M^*_f các x∈Vx \in V sao cho f(x,y)∈Af(x, y) \in A với mọi y ∈M\in M cũng là một dàn của VV; nếu sf:V→V∗s_f: V \to V^* là ánh xạ tuyến tính trái liên kết với ff (là song ánh), thì sf(Mf∗)s_f(M^*_f) chính là dàn đối ngẫu M∗M^* của MM.

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 MM của VV đối với AA, ảnh BMBM của M(B)=M⊗ABM_{(B)} = M \otimes_A B trong V(L)=V⊗KLV_{(L)} = V \otimes_K L là một dàn của V(L)V_{(L)} đối với BB.

(ii) Giả sử thêm rằng BB là một AA-môđun phẳng. Khi đó ánh xạ chính tắc M(B)→BMM_{(B)} \to BM là song ánh. Nếu thêm nữa BB phẳng trung thành, ánh xạ gửi mỗi dàn MM của VV đối với AA tới dàn BMBM của V(L)V_{(L)} đối với BB là đơn ánh.

(i) Vì KM=VKM = V, rõ ràng L.(BM)=V(L)L . (BM) = V_{(L)}; mặt khác MM được chứa trong một môđun con-AA sinh hữu hạn M1M_1 của VV và do đó BMBM được chứa trong BM1BM_1 là một BB-môđun sinh hữu hạn; do đó mệnh đề (i) (Mệnh đề 1).

(ii) V(L)=V⊗KL=V⊗ALV_{(L)} = V \otimes_K L = V \otimes_A L (Chương II, § 2, no. 7, Mệnh đề 18) và, vì LL là một BB-môđun phẳng, nó cũng là một AA-môđun phẳng (Chương I, § 2, no. 7, Hệ quả 3 của Mệnh đề 8). Vì BB là một AA-môđun phẳng, ánh xạ chính tắc M⊗AB→V⊗ABM \otimes_A B \to V \otimes_A B là đơn ánh; mặt khác, vì VV là một KK-môđun tự do và KK là một AA-môđun phẳng, VV là một AA-môđun phẳng (Chương I, § 2, no. 7, Hệ quả 3 của Mệnh đề 8) và do đó ánh xạ chính tắc V⊗AB→V⊗ALV \otimes_A B \to V \otimes_A L là đơn ánh, điều này chứng minh mệnh đề thứ nhất. Để thấy thêm rằng quan hệ BM1=BM2BM_1 = BM_2 kéo theo M1=M2M_1 = M_2 đối với hai dàn M1,M2M_1, M_2 của VV đối với AA khi BB là một AA-môđun phẳng trung thành, trước hết chú ý rằng BM1∩BM2=B(M1∩M2)BM_1 \cap BM_2 = B(M_1 \cap M_2) (Chương I, § 2, no. 6, Mệnh đề 6); vì vậy ta có thể chỉ xét trường hợp M1⊂MM_1 \subset M, 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 M1→M2M_1 \to M_2.

Hệ quả

Giả sử rằng AA là một vành định giá rời rạc. Gọi A^\hat{A} là phép hoàn thành của nó và gọi K^\hat{K} là trường phân thức của A^\hat{A} (Chương VI, § 5, no. 3). Ánh xạ ϕ\phi, gửi mỗi dàn MM của VV tới dàn A^M\hat{A}M của V^=V⊗KK^\hat{V} = V \otimes_K \hat{K} đối với A^\hat{A}, là song ánh và nghịch đảo của nó gửi mỗi dàn M′M' của V^\hat{V} đối với A^\hat{A} tới giao M′∩VM' \cap V của nó (VV được đồng nhất một cách chính tắc với một không gian con vectơ-KK của V^\hat{V}).

Nếu LL là một dàn tự do của VV, thì các dàn aLaL (với a∈A,a≠0a \in A, a \neq 0) tạo thành một hệ cơ bản các lân cận của 0 đối với một tôpô T\mathscr{T} trên VV (tương thích với cấu trúc AA-môđun của nó), tôpô này (khi chọn một cơ sở của LL trên AA) được đồng nhất với tôpô tích trên KnK^n); nhờ Mệnh đề 2, một hệ cơ bản các lân cận của 0 đối với T\mathscr{T} cũng gồm tất cả các dàn của VV đối với AA; rõ ràng V^\hat{V} là bổ sung của VV đối với T\mathscr{T}. Hơn nữa, nếu mm là iđêan cực đại của AA, thì tôpô T\mathscr{T} cảm sinh trên mọi dàn MM của VV đối với AA tôpô mm-adic vì MM là một AA-môđun sinh hữu hạn (Chương III, § 3, no. 2, Định lý 2) và A^M\hat{A}M là bổ sung của MM đối với tôpô này (Chương III, § 2, no. 12, Mệnh đề 16); hơn nữa, vì MM là mở (và do đó đóng) trong VV, nên A^M∩V=M\hat{A}M \cap V = M, điều này lại chứng minh rằng †\dagger là đơn ánh (điều này suy ra trực tiếp từ Mệnh đề 4, (ii), vì AA là một AA-môđun phẳng trung thành). Cuối cùng, nếu M′M' là một dàn của V^\hat{V} đối với A^\hat{A}, thì M=M′∩VM = M' \cap V là một dàn của VV đối với AA, vì mọi phần tử của A^\hat{A} là tích của một phần tử của AA và một phần tử khả nghịch của A^\hat{A}, và do đó từ Mệnh đề 2 suy ra rằng tồn tại a,ba, b trong A−{0}A - \{0\} sao cho aA^L⊂M′⊂bA^La \hat{A}L \subset M' \subset b \hat{A}L, nên aL⊂M′∩V⊂bLaL \subset M' \cap V \subset bL. Hơn nữa M′M' là mở trong VV và, vì VV là trù mật trong V^\hat{V}, M′M' là bổ sung của M′∩V=MM' \cap V = M; điều này chứng minh rằng ϕ\phi là toàn ánh, do đó có hệ quả.

Ví dụ (6) Cho SS là một tập con nhân tính của AA không chứa 0; ta áp dụng Mệnh đề 4 cho B=S−1AB = S^{-1}A; khi đó L=KL = K, BM=S−1MBM = S^{-1}M; do đó S−1MS^{-1}M là một dàn của VV đối với S−1AS^{-1}A. Hơn nữa:

Mệnh đề 5

Cho V,WV, W là các không gian vectơ hạng hữu hạn trên KK, MM là một dàn của VV và NN là một dàn của WW. Nếu MM sinh hữu hạn, thì (theo ký hiệu của Mệnh đề 3):

(1)

S−1(N:M)=S−1N:S−1M S^{-1}(N : M) = S^{-1}N : S^{-1}M
trong Hom⁡K(V,W)\operatorname{Hom}_K(V, W).

Rõ ràng vế trái của (1) được chứa trong vế phải. Ngược lại, cho f∈S−1N:S−1Mf \in S^{-1}N : S^{-1}M và cho (xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n} là một hệ sinh của MM. Tồn tại s∈Ss \in S sao cho f(xi)∈s−1Nf(x_i) \in s^{-1}N với mọi ii và do đó sf∈N:Msf \in N : M, điều đó chứng minh mệnh đề.

2. Đối ngẫu; môđun phản xạ

Nhắc lại rằng từ bây giờ miền AA được giả thiết là Noether và đóng nguyên và P(A)P(A) (hoặc đơn giản là PP) ký hiệu tập hợp các iđêan nguyên tố của AA có chiều cao 1. Mọi dàn đối với AA đều là một AA-môđun sinh hữu hạn (no. 1, Hệ quả của Mệnh đề 1).

Cho VV là một không gian vectơ hạng hữu hạn trên KK, V∗V^* là đối ngẫu của nó và V∗∗V^{**} là đối ngẫu kép của nó; ta sẽ đồng nhất VV và V∗∗V^{**} bằng ánh xạ chính tắc cVc_V (Đại số, Chương II, § 7, no. 5, Định lý 6). Cho MM là một dàn của VV; nhắc lại rằng AA-môđun đối ngẫu M∗M^* của MM được đồng nhất một cách chính tắc với dàn đối ngẫu của MM, tức là tập hợp các x∗∈V∗x^* \in V^* sao cho ⟨x,x∗⟩∈A\langle x, x^* \rangle \in A với mọi x∈Mx \in M; do đó AA-môđun đối ngẫu kép M∗∗M^{**} của MM là một dàn của VV chứa MM. Hơn nữa M∗∗∗=M∗M^{***} = M^*, vì quan hệ M⊂M∗∗M \subset M^{**} kéo theo (M∗∗)∗⊂M∗(M^{**})^* \subset M^* và mặt khác M∗⊂(M∗)∗∗M^* \subset (M^*)^{**} theo điều trên (xem Lý thuyết tập hợp, Chương III, § 1, no. 5, Mệnh đề 2).

Nếu pp là một iđêan nguyên tố, thì Mệnh đề 5 áp dụng với N=AN = A cho quan hệ (M∗)p=(Mp)∗(M^*)_p = (M_p)^*, điều này biện minh cho ký hiệu Mp∗M_p^* cho cả hai vế.

Định lý 1

Nếu MM là một dàn của VV, thì* M∗=⋂p∈PMp∗M^* = \bigcap_{p \in P} M_p^*.

Rõ ràng M∗M^* được chứa trong mỗi Mp∗M_p^*. Ngược lại, giả sử rằng x∗∈⋂Mp∗x^* \in \bigcap M_p^*; nếu x∈Mx \in M, thì ⟨x,x∗⟩∈⋂p∈PAp\langle x, x^* \rangle \in \bigcap_{p \in P} A_p và, vì A=⋂p∈PApA = \bigcap_{p \in P} A_p (§ 1, no. 6, Định lý 4), x∗∈M∗x^* \in M^*.

Áp dụng Định lý 1 cho M∗M^* cho thấy rằng M∗∗=⋂p∈PMp∗∗M^{**} = \bigcap_{p \in P} M_p^{**}. Nhưng vì AA, là một miền iđêan chính (§1§ 1, no. 6, Định lý 4), MM, là một AA-môđun tự do sinh hữu hạn và do đó Mp∗∗M_p^{**} được đồng nhất một cách chính tắc với MM, (Đại số, Chương II, §2§ 2, no. 7, Mệnh đề 14), do đó có hệ quả.

Với mọi dàn MM đối với AA, ánh xạ chính tắc cM:M→M∗∗c_M : M \to M^{**} (Đại số, Chương 11, §2§ 2, no. 7) đồng nhất một phần tử x∈Mx \in M với chính nó, vì xx là phần tử duy nhất yy của V=V∗∗V = V^{**} sao cho ⟨x,x∗⟩=⟨y,x∗⟩\langle x, x^* \rangle = \langle y, x^* \rangle với mọi x∗∈M∗x^* \in M^*, vì M∗M^* sinh V∗V^*. Ta sẽ nói rằng MM là phản xạ nếu M∗∗=MM^{**} = M (loc. cit.). Vì ở trên ta có M∗=(M∗)∗∗M^* = (M^*)^{**}, suy ra rằng đối ngẫu của mọi dàn MM luôn luôn phản xạ.

Nhận xét (1) Cho MM là một AA-môđun sinh hữu hạn; ngay lập tức thấy rằng đối ngẫu M∗M^* của MM, được đồng nhất với một môđun con-AA của Hom⁡A(M,K)\operatorname{Hom}_A(M, K), là một dàn của không gian vectơ KK Hom⁡A(M,K)\operatorname{Hom}_A(M, K); đặc biệt, mọi AA-môđun phản xạ sinh hữu hạn đều đẳng cấu với một dàn của một không gian vectơ KK thích hợp.

Định lý 2

Nếu MM là một dàn của* VV, thì các điều kiện sau là tương đương: (a) MM là phản xạ. (b) M=⋂p∈PMpM = \bigcap_{p \in P} M_p. (c) Ass⁡(V/M)⊂P\operatorname{Ass}(V/M) \subset P.

Tính tương đương của (a) và (b) suy ra từ Hệ quả của Định lý 1. Nếu (b) đúng, V/MV/M được đồng nhất một cách chính tắc với một A-môđun con của tích ∏p∈P(V/Mp)\prod_{p \in P} (V/M_p); nhưng thực ra nó được chứa trong tổng trực tiếp ⨁p∈P(V/Mp)\bigoplus_{p \in P} (V/M_p): thật vậy, nếu L⊂ML \subset M là một dàn tự do và (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n} là một cơ sở của LL, thì mỗi tọa độ xix_i của một điểm x∈Vx \in V đối với (ei)(e_i) đều thuộc AA, trừ ra đối với một số hữu hạn giá trị của p∈Pp \in P. Khi đó quan hệ V/M⊂⨁p∈P(V/Mp)V/M \subset \bigoplus_{p \in P} (V/M_p) kéo theo:

Ass⁡(V/M)⊂⋂p∈PAss⁡(V/Mp). \operatorname{Ass}(V/M) \subset \bigcap_{p \in P} \operatorname{Ass}(V/M_p).

Vì V/MpV/M_p là một ApA_p-môđun, một phần tử của A−pA - p không thể triệt tiêu một phần tử ≠0\neq 0 của V/MpV/M_p, vì các phần tử của A−pA - p là khả nghịch trong AA; do đó các phần tử của Ass⁡(V/Mp)\operatorname{Ass}(V/M_p) đều được chứa trong pp và đều ≠0\neq 0, vì V/MpV/M_p là một A-môđun xoắn; vì pp có chiều cao 1, tất yếu Ass⁡(V/Mp)={p}\operatorname{Ass}(V/M_p) = \{ p \} nếu V/Mp≠(0)V/M_p \neq (0) và Ass⁡(V/Mp)=∅\operatorname{Ass}(V/M_p) = \varnothing nếu V/Mp=(0)V/M_p = (0); do đó Ass⁡(V/M)⊂P\operatorname{Ass}(V/M) \subset P.

Cuối cùng, nếu điều kiện (c) đúng, thì

Ass⁡(M∗∗/M)⊂Ass⁡(V/M)⊂P. \operatorname{Ass}(M^{**}/M) \subset \operatorname{Ass}(V/M) \subset P.

Mặt khác, nếu p∈Pp \in P, thì trong chứng minh của Hệ quả của Định lý 1 đã thấy rằng Mp∗∗=MpM_p^{**} = M_p, do đó p∉Ass⁡(M∗∗/M)p \notin \operatorname{Ass}(M^{**}/M) (Chương IV, §1§ 1, 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

⋂p∈PMp⊂⋂p∈PNp=N. \bigcap_{p \in P} M_p \subset \bigcap_{p \in P} N_p = N.

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

M,nM2=⋂p∈P(M,nM2)p M, n M_2 = \bigcap_{p \in P} (M, n M_2)_p

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

M∩W=⋂p∈P(M∩W)p, M \cap W = \bigcap_{p \in P} (M \cap W)_p,

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:

N:M=⋂p∈P(Np:Mp). N: M = \bigcap_{p \in P} (N_p : M_p).

Thật vậy, nếu f∈⋂p∈P(Np:Mp)f \in \bigcap_{p \in P} (N_p : M_p) và x∈Mx \in M, thì f(x)∈⋂p∈PNp=Nf(x) \in \bigcap_{p \in P} N_p = N, do đó f∈N:Mf \in N : M; điều này chỉ ra rằng N:MN : M là phản xạ.

Nhận xét (2) Nếu M1M_1 và M2M_2 là các dàn phản xạ của VV, thì dàn M1+M2M_1 + M_2 không nhất thiết là phản xạ (xem § 1, Bài tập 2). (3) Nếu MM là một AA-môđun sinh hữu hạn và TT là môđun con xoắn của nó, thì đối ngẫu M∗M^* của MM cũng chính là đối ngẫu của M/TM/T, vì với mọi dạng tuyến tính ff trên MM, ảnh f(T)f(T) là một môđun con xoắn của AA và do đó bằng không. Vì M/TM/T đẳng cấu với một dàn của một không gian vectơ trên KK, ta thấy rằng đối ngẫu của mọi AA-môđun sinh hữu hạn đều là phản xạ.

Mệnh đề 7

Cho 0→M→N→Q→00 \to M \to N \to Q \to 0 là một dãy khớp các AA-môđun. Giả sử rằng NN sinh hữu hạn và không xoắn. (i) Nếu MM phản xạ, thì Ass⁡(Q)⊂P∪{{0}}\operatorname{Ass}(Q) \subset P \cup \{\{0\}\} (nói cách khác, mọi iđêan liên kết với QQ hoặc là (0)(0), hoặc có chiều cao bằng 1). (ii) Ngược lại, nếu NN phản xạ và Ass⁡(Q)⊂P∪{{0}}\operatorname{Ass}(Q) \subset P \cup \{\{0\}\}, thì MM phản xạ.

Vì AA là Noether, MM cũng sinh hữu hạn; nếu ta viết V=M(K)V = M_{(K)}, W=N(K)W = N_{(K)}, thì MM (tương ứng NN) được đồng nhất một cách chính tắc với một dàn của VV (tương ứng của WW) (no. 1, Mệnh đề 1). Xét hai dãy khớp:

0→V/M→W/M→W/V→00→Q→W/M→W/N→0. 0 \to V/M \to W/M \to W/V \to 0 \\ 0 \to Q \to W/M \to W/N \to 0.
(i) Ta suy ra (Chương IV, § 1, no. 1, Mệnh đề 3) rằng:
Ass⁡(Q)⊂ASS⁡(W/M)⊂ASS⁡(V/M)∪ASS⁡(W/V). \operatorname{Ass}(Q) \subset \operatorname{ASS}(W/M) \subset \operatorname{ASS}(V/M) \cup \operatorname{ASS}(W/V).
Nếu MM phản xạ, thì Ass⁡(V/M)⊂P\operatorname{Ass}(V/M) \subset P (Định lý 2); mặt khác, rõ ràng Ass⁡(W/V)\operatorname{Ass}(W/V) hoặc rỗng, hoặc thu về {0}\{0\}; do đó có (i). (ii) Tương tự:
Ass⁡(V/M)⊂Ass⁡(W/M)⊂Ass⁡(Q)∪Ass⁡(W/N). \operatorname{Ass}(V/M) \subset \operatorname{Ass}(W/M) \subset \operatorname{Ass}(Q) \cup \operatorname{Ass}(W/N).
Do đó các giả thiết kéo theo Ass⁡(V/M)⊂P∪{{0}}\operatorname{Ass}(V/M) \subset P \cup \{\{0\}\}. Nhưng V/MV/M là một AA-môđun xoắn và vì thế {0}∉Ass⁡(V/M)\{0\} \notin \operatorname{Ass}(V/M); khi đó Định lý 2 cho thấy rằng MM phản xạ.

Mệnh đề 8

Cho RR và SS là hai vành giao hoán, p:R→Sp : R \to S là một đồng cấu vành và MM là một RR-môđun sinh hữu hạn. Giả sử rằng RR là Noether và SS là một RR-môđun phẳng. Khi đó, nếu MM phản xạ, thì SS-môđun M(S)=M⊗RSM_{(S)} = M \otimes_R S cũng phản xạ. Ta biết (Chương I, § 2, no. 10, Mệnh đề 11) rằng tồn tại một đẳng cấu chính tắc ωM:(M∗)(S)→(M(S))∗\omega_M : (M^*)_{(S)} \to (M_{(S)})^*, sao cho

⟨x⊗1,ωM(x∗⊗1)⟩=ρ(⟨x,x∗⟩) \langle x \otimes 1, \omega_M(x^* \otimes 1) \rangle = \rho(\langle x, x^* \rangle)

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 R\mathbf{R} là Noether, nên M* vì thế cũng là một R-môđun sinh hữu hạn, do đó có một đẳng cấu ωM∗:(M∗∗)(S)→((M∗)(S))∗\omega_{M^*}: (M^{**})_{(S)} \to ((M^*)_{(S)})^* sao cho

⟨x∗⊗1,ωM∗(x∗∗⊗1)⟩=ρ(⟨x∗,x∗∗⟩) \langle x^* \otimes 1, \omega_{M^*}(x^{**} \otimes 1) \rangle = \rho(\langle x^*, x^{**} \rangle)

với x∗∈Mx^* \in M và x∗∗∈M∗∗x^{**} \in M^{**}. Mặt khác, có một đẳng cấu tωM:(M(S))∗∗→((M∗)(S))∗^t\omega_M: (M_{(S)})^{**} \to ((M^*)_{(S)})^*, do đó bởi hợp thành có một đẳng cấu chính tắc:

ϕ=(tωM−1)∘(ωM∗):(M∗∗)(S)→(M(S))∗∗ \phi = (t\omega_M^{-1}) \circ (\omega_{M^*}): (M^{**})_{(S)} \to (M_{(S)})^{**}

sao cho, theo ký hiệu trên:

(1)

⟨ωM(x∗⊗1),ϕ(x∗∗⊗1)⟩=ρ(⟨x∗,x∗∗⟩). \langle \omega_M(x^* \otimes 1), \phi(x^{**} \otimes 1) \rangle = \rho(\langle x^*, x^{**} \rangle).

Bây giờ ta xét đồng cấu chính tắc cM:M→M∗∗c_M: M \to M^{**} và chứng minh rằng đồng cấu hợp thành:

(2)

ψ:M(S)→cM⊗1(M∗∗)(S)⟶(M(S))∗∗ \psi: M_{(S)} \xrightarrow{c_M \otimes 1} (M^{**})_{(S)} \longrightarrow (M_{(S)})^{**}

chính là đồng cấu chính tắc cM(S)c_{M_{(S)}}. Điều này suy ra ngay lập tức từ (1), cho các hệ thức:

⟨ωM(x∗⊗1),ψ(x⊗1)⟩=ρ(⟨x∗,cM(x)⟩) \langle \omega_M(x^* \otimes 1), \psi(x \otimes 1) \rangle = \rho(\langle x^*, c_M(x) \rangle)
=ρ(⟨x,x∗⟩)=⟨x⊗1,ωM(x∗⊗1)⟩ = \rho(\langle x, x^* \rangle) = \langle x \otimes 1, \omega_M(x^* \otimes 1) \rangle

và từ sự kiện rằng các phần tử ωM(x∗⊗1)\omega_M(x^* \otimes 1) sinh ra (M(S))∗(M_{(S)})^*. Như vậy, giả thiết rằng M là phản xạ có nghĩa là cMc_M là song ánh, nên cM⊗1c_M \otimes 1 cũng vậy và do đó ψ=cM(S)\psi = c_{M_{(S)}} 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 p∈Pp \in P nếu tập hợp các p∈Pp \in P 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, NpN_p là một dàn của V đối với A, và, với hầu hết p∈P,Np=Mpp \in P, N_p = M_p.

(ii) Ngược lại, giả sử đã cho với mọi p∈Pp \in P một dàn N(p)N(p) của V đối với A, sao cho N(p)=MpN(p) = M_p với hầu hết p∈Pp \in P. Khi đó N=⋂N(p)N = \bigcap N(p) là một dàn phản xạ của A đối với A và đó là dàn phản xạ duy nhất N′N' của V đối với A sao cho Np′=N(p)N'_p = N(p) với mọi p∈Pp \in P.

(i) Mệnh đề thứ nhất suy ra từ no. 1, Mệnh đề 4. Hơn nữa, tồn tại x,yx, y trong K∗\mathbf{K}^* sao cho xN⊂M⊂yNxN \subset M \subset yN (no. 1, Mệnh đề 2); ta biết rằng, với hầu hết p∈P,vp(x)=vp(y)=0p \in P, v_p(x) = v_p(y) = 0 (§1§ 1, no. 6, Định lý 4), điều đó cho thấy rằng xx và yy là khả nghịch trong AA, và do đó Mp=NpM_p = N_p.

(ii) Ta có thể thay thế MM bởi x−1Mx^{-1}M với x≠0x \neq 0 trong AA và giả sử rằng N(p)⊂MN(p) \subset M, với mọi p∈Pp \in P. Gọi p1,…,php_1, \ldots, p_h là các phần tử của PP sao cho N(p)=MN(p) = M, với pp phân biệt với các pip_i (1≤i≤h1 \leq i \leq h); ta viết:

Q=M∩N(p1)∩⋯∩N(ph). Q = M \cap N(p_1) \cap \cdots \cap N(p_h).

Vì mỗi N(pi)N(p_i) chứa một mạng tự do đối với ApiA_{p_i}, nên nó chứa a fortiori một mạng của VV đối với AA, do đó QQ chứa một mạng của VV đối với AA (no. 1, Mệnh đề 3) và, vì QQ được chứa trong MM, QQ là một mạng đối với AA. Để chứng minh rằng Qp=N(p)Q_p = N(p) với mọi p∈Pp \in P, ta sẽ dùng bổ đề sau:

Bổ đề 1

Cho pp và p′p' là hai iđêan nguyên tố của AA sao cho (0) là iđêan nguyên tố duy nhất của AA được chứa trong p∩p′p \cap p'. Khi đó, với mọi môđun con-A EE của VV, (Ep)p′=K.E.(E_p)_{p'} = K.E.

Cho SS là tập con nhân (A−p)(A−p′)(A - p)(A - p') của AA; theo Chương II, §2§ 2, no. 3, Mệnh đề 7, (Ep)p′=S−1E(E_p)_{p'} = S^{-1}E. Hơn nữa, A⊂S−1A⊂KA \subset S^{-1}A \subset K; các iđêan nguyên tố của S−1AS^{-1}A tương ứng với các iđêan nguyên tố qq của AA sao cho q∩S=∅q \cap S = \varnothing (Chương II, §2§ 2, no. 5, Mệnh đề 11) và theo giả thiết (0) là iđêan nguyên tố duy nhất của AA không giao với SS; do đó S−1A=KS^{-1}A = K và S−1E=K.E.S^{-1}E = K.E.

Bây giờ ta quay lại chứng minh của (ii). Nếu p∈Pp \in P phân biệt với các pip_i (1≤i≤h1 \leq i \leq h), Bổ đề 1 áp dụng cho N(pi)N(p_i) cho ((N(pi))pi)p=(K.N(pi))p=V((N(p_i))_{p_i})_p = (K.N(p_i))_p = V, vì pip_i và pp có chiều cao 1. Khi đó

Qp=Mp∩(N(p1))p∩⋯∩(N(ph))p=Mp=N(p) Q_p = M_p \cap (N(p_1))_p \cap \cdots \cap (N(p_h))_p = M_p = N(p)

(Chương II, §2§ 2, no. 4). Mặt khác, nếu pp bằng pip_i (1≤i≤h1 \leq i \leq h), thì (N(pi))pj=V(N(p_i))_{p_j} = V với i≠ji \neq j theo lập luận như trên và (N(pi))pi=N(pi)(N(p_i))_{p_i} = N(p_i), do đó

Qpi=Mpi∩N(pi)=N(pi). Q_{p_i} = M_{p_i} \cap N(p_i) = N(p_i).

Vậy ta đã chứng minh rằng Qp=N(p)Q_p = N(p) với mọi p∈Pp \in P. Khi đó

N=Q∗∗=⋂p∈PQp N = Q^{**} = \bigcap_{p \in P} Q_p

là phản xạ và thỏa mãn các hệ thức Np=Qp=N(p)N_p = Q_p = N(p) với mọi p∈Pp \in P; tính duy nhất suy ra ngay lập tức từ Định lý 2 của no. 2.

Nhận xét

Cho LL là một dàn tự do của VV đối với AA. Vì AA, là một miền iđêan chính nên với p∈Pp \in P, N(p)N(p) là một A-môđun tự do có cùng hạng với LL và tồn tại u(p)∈GL(V)u(p) \in \mathbf{GL}(V) sao cho u(p)(Lp)=N(p)u(p)(L_p) = N(p); hơn nữa điều kiện này xác định u(p)u(p) sai khác bởi phép nhân bên phải với một phần tử của GL(Lp)\mathbf{GL}(L_p). Điều kiện N(p)=LN(p) = L, với hầu hết mọi p∈Pp \in P có nghĩa là tất yếu u(p)∈GL(Lp)u(p) \in \mathbf{GL}(L_p) với hầu hết mọi p∈Pp \in P. Các họ (u(p))p∈P(u(p))_{p \in P} thỏa mãn tính chất sau cùng này tạo thành một nhóm nhân GLa(V)\mathbf{GL}_a(V) chứa như nhóm con tích ∏p∈PGL(Lp)\prod_{p \in P} \mathbf{GL}(L_p). 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 GLa(V)/∏p∈PGL(Lp)\mathbf{GL}_a(V)/\prod_{p \in P} \mathbf{GL}(L_p). Nếu chọn một cơ sở (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n} của L trên A, thì GL(V)\mathbf{GL}(V) (resp. GL(Lp)\mathbf{GL}(L_p)) được đồng nhất với nhóm các ma trận khả nghịch GL(n,K)\mathbf{GL}(n, K) (resp. GL(n,A,)\mathbf{GL}(n, A, )) và nhóm GLa(V)\mathbf{GL}_a(V) với nhóm các hệ ma trận cấp nn, (U(p))p∈P(U(p))_{p \in P}, sao cho U(p)∈GL(n,K)U(p) \in \mathbf{GL}(n, K) với mọi p∈Pp \in P và U(p)∈GL(n,Ap)U(p) \in \mathbf{GL}(n, A_p) với hầu hết mọi p∈Pp \in P. Nếu A là một miền Dedekind, nhóm GLa(V)\mathbf{GL}_a(V) cũng được đồng nhất với nhóm GL(n,A)\mathbf{GL}(n, A), trong đó A là vành các adèle hạn chế (§2§ 2, 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) Mp=0M_p = 0 với mọi iđêan nguyên tố pp có chiều cao ≤1\leq 1. (b) Linh hóa tử a◃Ma \triangleleft M là một iđêan ≠(0)\neq (0) và A:a=AA : a = A (A: aa ký hiệu, như trong §1§ 1, no. 1, tập hợp các x∈Kx \in K sao cho xa∈Axa \in A).

Ta biết (Chương II, §2§ 2, no. 2, Hệ quả 2 của Mệnh đề 4) rằng điều kiện Mp=0M_p = 0 tương đương với a+pa + p và do đó tương đương với aAp=AaA_p = A, (Chương II, §2§ 2, no. 5, Nhận xét); mặt khác, với mọi iđêan nguyên b≠0b \neq 0 của A, quan hệ "*bAp=AbA_p = A, với mọi p∈Pp \in P*" tương đương với div⁡b=div⁡A=0\operatorname{div} b = \operatorname{div} A = 0 trong D(A)D(A) (§1§ 1, no. 4, Mệnh đề 7), hoặc cũng tương đương với div⁡(A:b)=0\operatorname{div}(A : b) = 0 và, vì A:bA : b là divisorial (§1§ 1, no. 1, Mệnh đề 1), quan hệ này cũng tương đương với A:b=AA : b = A. Khi đó mệnh đề suy ra bằng cách nhận thấy rằng nói a∉pa \notin p với p=(0)p = (0) có nghĩa là a≠(0)a \neq (0).

Nhận xét* (1) Các điều kiện tương đương của Mệnh đề 9 còn có nghĩa là Ass⁡(M)\operatorname{Ass}(M) không chứa iđêan nguyên tố nào có chiều cao ≤1\leq 1. Chúng cũng có thể được diễn giải bằng cách nói rằng Supp⁡(M)\operatorname{Supp}(M) có đối chiều ≥2\geq 2 trong Spec⁡(A)\operatorname{Spec}(A). \

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 ≤1\leq 1; khi đó nói rằng M là giả-không có nghĩa là Supp⁡(M)=∅\operatorname{Supp}(M) = \varnothing và do đó M=0M = 0 (Chương 11, §4§ 4, no. 4).

(2) Cho kk là trường và A=k[X,Y]A = k[X, Y] là vành đa thức trên kk theo hai bất định; nếu mm là iđêan cực đại AX+AYAX + AY của AA, thì A-môđun A/mA/m là giả-không; vì linh hóa tử của nó là mm không có chiều cao ≤1\leq 1 bởi nó chứa các iđêan nguyên tố chính AXAX và AYAY và phân biệt với chúng; do đó A:m=AA : m = A (§ 1, no. 6, Hệ quả 1 của Định lý 3).

Định nghĩa 3

Cho MM và NN là hai AA-môđun và f:M→Nf : M \to N là một đồng cấu. Ta gọi ff là giả-đơn ánh (tương ứng, giả-toàn ánh giả-không) nếu Ker(f)\mathrm{Ker}(f) (tương ứng, Coker(f)\mathrm{Coker}(f), Im(f)\mathrm{Im}(f)) là giả-không; ta gọi ff 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 MM và NN sinh hữu hạn; khi đó, để f:M→Nf : M \to N là giả-đơn ánh (tương ứng, giả-toàn ánh, giả-không), điều kiện cần và đủ là, với mọi p∈P∪{{0}}p \in P \cup \{\{0\}\}, fp:Mp→Npf_p : M_p \to N_p, là đơn ánh (tương ứng, toàn ánh, không); điều này suy ra từ tính phẳng của A-môđun AA, (x. Chương I, § 2, no. 3, Nhận xét 2).

Ví dụ (3) Cho MM là một A-môđun không xoắn sinh hữu hạn; khi đó ánh xạ chính tắc cM:M→M∗∗c_M : M \to M^{**} từ MM vào song đối ngẫu của nó là một giả đẳng cấu. Thật vậy, MM được đồng nhất với một dàn của V=M⊗AKV = M \otimes_A K (no. 1, Mệnh đề 1); ta đã thấy rằng Mp=Mp∗∗M_p = M_p^{**} với mọi p∈Pp \in P (no. 2, Ví dụ 2) và, với p=0p = 0, cả MpM_p lẫn Mp∗∗M_p^{**} đều bằng VV.

Định lý 4

Cho EE là một A-môđun sinh hữu hạn, TT là môđun con xoắn của EE và M=E/TM = E/T. Tồn tại một giả đẳng cấu

f:E→T×M. f : E \to T \times M.

Trước hết ta sẽ chứng minh hai bổ đề.

Bổ đề 2

Cho (pi)1≤i≤k(p_i)_{1 \leq i \leq k} là một họ hữu hạn không rỗng các iđêan nguyên tố của AA có chiều cao 1 và đặt S=⋂i(A−pi)S = \bigcap_i (A - p_i); khi đó vành S−1AS^{-1}A là một miền iđêan chính.

S−1AS^{-1}A là một vành nửa địa phương mà các iđêan cực đại là các mi=piS−1Am_i = p_i S^{-1}A với 1≤i≤k1 \leq i \leq k, và vành địa phương (S−1A)mi(S^{-1}A)_{m_i} đẳng cấu với AA, (Chương 11, § 3, no. 5, Mệnh đề 17) và do đó là một vành định giá rời rạc. Vậy nên vành S−1AS^{-1}A 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 g:E→Tg : E \to T mà hạn chế của nó lên TT vừa là một phép vị tự vừa là một giả đẳng cấu.

Cho aa là linh hóa tử của TT; vì TT là một A-môđun xoắn sinh hữu hạn, nên a≠0a \neq 0. Gọi pip_i (1≤i≤k1 \leq i \leq k) là các iđêan nguyên tố chiều cao 1 chứa aa (chúng hữu hạn về số lượng (§ 1§\ 1, no. 6, Định lý 4)); nếu số này bằng 0 thì T là giả-không (Mệnh đề 9(a)) và ta có thể lấy g=0g = 0. Nếu không, đặt S=⋂i(A−pi)S = \bigcap_i (A - p_i); theo Bổ đề 2, S−1AS^{-1}A là một miền iđêan chính và do đó S−1MS^{-1}M, là một S−1AS^{-1}A-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 S−1M=(S−1E)/(S−1T)S^{-1}M = (S^{-1}E)/(S^{-1}T), S−1TS^{-1}T là một nhân tử trực tiếp của S−1ES^{-1}E (Đại số, Chương II, §1, no. 11, Mệnh đề 21). Bây giờ,

Hom⁡S−1A(S−1E,S−1T)=S−1Hom⁡A(E,T) \operatorname{Hom}_{S^{-1}A}(S^{-1}E, S^{-1}T) = S^{-1} \operatorname{Hom}_A(E, T)

(Chương II, §2, no. 7, Mệnh đề 19); do đó tồn tại s0∈Ss_0 \in S và g0∈Hom⁡A(E,T)g_0 \in \operatorname{Hom}_A(E, T) sao cho s0−1g0s_0^{-1}g_0 là một phép chiếu từ S−1ES^{-1}E lên S−1TS^{-1}T. Nếu h0∈Hom⁡A(T,T)h_0 \in \operatorname{Hom}_A(T, T) ký hiệu hạn chế của g0g_0 trên TT, thì do đó tồn tại s1∈Ss_1 \in S sao cho s1h0(x)=s1s0xs_1 h_0(x) = s_1 s_0 x với mọi x∈Tx \in T; đặt s=s1s0s = s_1 s_0, g=s1g0g = s_1 g_0, h=s1h0h = s_1 h_0, khi đó hh là phép vị tự tỉ số ss trên TT và là hạn chế của gg trên TT. Còn phải kiểm tra rằng hh là một giả đẳng cấu. Bây giờ, nếu p=0p = 0 hoặc nếu p∈Pp \in P phân biệt với các pip_i (1≤i≤k1 \leq i \leq k), thì Tp=0T_p = 0 (Chương II, §4, no. 4, Mệnh đề 17) và h, :Tp→Tph,\ : T_p \to T_p là một đẳng cấu; trái lại, nếu pp bằng một trong các pip_i (1≤i≤k1 \leq i \leq k), thì ss khả nghịch trong AA, và h,,h_{,,}, là phép vị tự tỉ số ss trên TpiT_{p_i}, 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 g:E→Tg : E \to T là một đồng cấu thỏa mãn các tính chất của Bổ đề 3; gọi hh là hạn chế của gg trên TT và gọi xx là phép chiếu chính tắc của EE lên MM. Ta chứng tỏ rằng đồng cấu f=(g,x):E→T×Mf = (g, x) : E \to T \times M giải bài toán. Ta có biểu đồ giao hoán:

0⟶T⟶E⟶M⟶0↓h↓f↓IM0⟶T⟶T×M⟶M⟶0 \begin{array}{ccccccccc} 0 & \longrightarrow & T & \longrightarrow & E & \longrightarrow & M & \longrightarrow & 0 \\ & & \downarrow h & & \downarrow f & & \downarrow I_M & & \\ 0 & \longrightarrow & T & \longrightarrow & T \times M & \longrightarrow & M & \longrightarrow & 0 \end{array}

trong đó các hàng là khớp. Biểu đồ con rắn (Chương I, §1, no. 4, Mệnh đề 2) cho dãy khớp:

0→Ker⁡(h)→Ker⁡(f)→0→Coker⁡(h)→Coker⁡(f)→0 0 \to \operatorname{Ker}(h) \to \operatorname{Ker}(f) \to 0 \to \operatorname{Coker}(h) \to \operatorname{Coker}(f) \to 0

và do đó Ker⁡(f)\operatorname{Ker}(f) đẳng cấu với Ker⁡(h)\operatorname{Ker}(h) và Coker⁡(f)\operatorname{Coker}(f) đẳng cấu với Coker⁡(h)\operatorname{Coker}(h). Vì hh là một giả đẳng cấu, nên ff cũng vậy.

Có thể nói rằng "xét đến giả đẳng cấu" thì Định lý 4 quy việc nghiên cứu các AA-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 TT là một A-môđun xoắn sinh hữu hạn. Tồn tại hai họ hữu hạn (ni)i∈I(n_i)_{i \in I} và (pi)j∈I(p_i)_{j \in I}, trong đó các nin_i là những số nguyên ≥1\geq 1 và các pip_i là những iđêan nguyên tố của AA có chiều cao 11 sao cho, nếu viết T′=⨁i∈IA/piniT' = \bigoplus_{i \in I} A/p_i^{n_i}, thì tồn tại một giả đẳng cấu từ TT tới T′T'. Hơn nữa, các họ (ni)i∈I(n_i)_{i \in I} và (pi)i∈I(p_i)_{i \in I} có tính chất này là duy nhất, sai khác đến một song ánh của tập hợp chỉ số, và các pip_i chứa linh hóa tử của TT.

Tính duy nhất: Thật vậy, nếu T→T′T \to T' là một giả đẳng cấu và p∈P,fp:T,→Tp′p \in P, f_p : T, \to T'_p là một đẳng cấu. Khi đó, Tp′T'_p là tổng trực tiếp của các Ap/pniApA_p/p^{n_i}A_p, tổng lấy theo các chỉ số ii sao cho pi=pp_i = p; do đó các pniApp^{n_i}A_p là các ước số sơ cấp của AA-môđun xoắn TT (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 T≠0T \neq 0. Gọi aa là linh hóa tử (khác không và phân biệt với AA) của TT, gọi pip_i (1≤i≤k1 \leq i \leq k) là các iđêan nguyên tố của AA có chiều cao 1 chứa aa (chúng chỉ có hữu hạn về số lượng (§1§ 1, no. 6, Định lý 4)) và đặt S=⋂i(A−pi)S = \bigcap_i (A - p_i). Vành nửa địa phương A′=S−1AA' = S^{-1}A là một miền iđêan chính (Bổ đề 2) và có các iđêan cực đại là mi=piA′m_i = p_iA'; vì S−1TS^{-1}T là một AA-môđun xoắn sinh hữu hạn, nó đẳng cấu với một tổng trực tiếp hữu hạn ⨁j∈IA′/mϕ(j)nj\bigoplus_{j \in I} A'/m_{\phi(j)}^{n_j}, trong đó ϕ\phi là một ánh xạ từ một tập hợp hữu hạn II vào [1,k][1, k] (Algebra, Chương VII, § 4, no. 7, Mệnh đề 7); vì A′/mϕ(j)njA'/m_{\phi(j)}^{n_j} đẳng cấu với S−1(A/pϕ(j)nj)S^{-1}(A/p_{\phi(j)}^{n_j}) (Chương II, § 2, no. 4), ta đã thu được một AA-môđun xoắn T′T' thuộc kiểu mong muốn và một đẳng cấu f0f_0 từ S−1TS^{-1}T lên S−1T′S^{-1}T'. Vì Hom⁡S−1A(S−1T,S−1T′)\operatorname{Hom}_{S^{-1}A}(S^{-1}T, S^{-1}T') bằng S−1Hom⁡A(T,T′)S^{-1} \operatorname{Hom}_A(T, T') (Chương 11, § 2, no. 7, Mệnh đề 19), tồn tại s∈Ss \in S và một đồng cấu f:T→T′f : T \to T' sao cho f0=s−1ff_0 = s^{-1}f. Còn phải chứng minh rằng ff là một giả đẳng cấu: thật vậy, nếu p=0p = 0 hoặc nếu p∈Pp \in P phân biệt với các pip_i, thì Tp=Tp′=0T_p = T'_p = 0 (Chương II, § 4, no. 4, Mệnh đề 17); ngược lại, nếu pp là một trong các pip_i (1≤i≤k1 \leq i \leq k), thì ss khả nghịch trong ApA_p, và, vì fpi=s(f0)pif_{p_i} = s(f_0)_{p_i} và (f0)pi(f_0)_{p_i} là một đẳng cấu từ Tpi=(S−1T)miT_{p_i} = (S^{-1}T)_{m_i} lên Tpi′=(S−1T′)miT'_{p_i} = (S^{-1}T')_{m_i}, nên fpif_{p_i} cũng vậy.

Nhận xét (2) Trong mệnh đề của Định lý 5, các môđun A/piniA/p_i^{n_i} có thể được thay bởi A/pi(ni)A/p_i^{(n_i)} (§1§ 1, no. 4, Mệnh đề 8). Với mọi p∈Pp \in P, ánh xạ chính tắc g:A/pn→A/p(n)=A/(A∩pnAp)g : A/p^n \to A/p^{(n)} = A/(A \cap p^nA_p) là một giả đẳng cấu, vì, với mọi q∈Pq \in P phân biệt với pp, Aq/pnAq=Aq/p(n)Aq=0A_q/p^nA_q = A_q/p^{(n)}A_q = 0 và Ap/pnAp=Ap/p(n)ApA_p/p^nA_p = A_p/p^{(n)}A_p.

\* Cho một dãy khớp các AA-môđun, E→F→GE \to F \to G, nếu EE và GG là giả-không thì FF 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 C\mathscr{C} các AA-môđun, phạm trù con C′\mathscr{C}' của các môđun giả-không là đầy đủ và khi đó ta có thể định nghĩa phạm trù thương C/C′\mathscr{C}/\mathscr{C}': các đối tượng trong phạm trù này cũng là các AA-môđun nhưng tập hợp các cấu xạ từ EE đến FF (với E,FE, F trong C/C′\mathscr{C}/\mathscr{C}') là giới hạn trực tiếp của tập hợp các nhóm giao hoán HomA(E′,F′)\mathrm{Hom}_A(E', F'), trong đó E′E' (tương ứng F′F') chạy qua tập hợp các môđun con của EE (tương ứng tập hợp các môđun thương F/F′′F/F'' của FF) sao cho E/E′E/E' (tương ứng F′′F'') là giả-không. Dĩ nhiên, với mọi cặp có thứ tự các AA-môđun E,FE, F, có một đồng cấu chính tắc HomE(E,F)→HomE/E′(E,F)\mathrm{Hom}_{\mathscr{E}}(E, F) \to \mathrm{Hom}_{\mathscr{E}/\mathscr{E}'}(E, F). Nói rằng một đồng cấu u∈HomA(E,F)u \in \mathrm{Hom}_A(E, F) là giả-không (tương ứng giả-đơn ánh, giả-toàn ánh, giả-song ánh) có nghĩa là ảnh chính tắc của nó trong HomE/E′(E,F)\mathrm{Hom}_{\mathscr{E}/\mathscr{E}'}(E, F) 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 D(A)D(A) (hay đơn giản là DD) ký hiệu nhóm ước của AA, viết theo lối cộng: ta biết (§ 1, no. 3, Định lý 2) rằng DD là Z\mathbf{Z}-môđun tự do sinh bởi các phần tử của PP.

Cho TT là một AA-môđun xoắn sinh hữu hạn. Với mọi p∈Pp \in P, TpT_p là một ApA_p-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 lp(T)l_p(T). Mặt khác Tp=0T_p = 0 với mọi pp không chứa linh hóa tử của TT và do đó với hầu hết mọi pp (§ 1, no. 6, Định lý 4), điều này biện minh cho định nghĩa sau:

Định nghĩa 4

Nếu TT là một AA-môđun xoắn sinh hữu hạn, thì ước:

χ(T)=∑p∈Plp(T)⋅p. \chi(T) = \sum_{p \in P} l_p(T) \cdot p.

được gọi là nội dung của TT.

Mệnh đề 10

(i) *Cho 0→T1→T2→T3→00 \to T_1 \to T_2 \to T_3 \to 0 là một dãy khớp các AA-môđun xoắn sinh hữu hạn. Khi đó

χ(T2)=χ(T1)+χ(T3). \chi(T_2) = \chi(T_1) + \chi(T_3).

(ii) Nếu tồn tại một giả-đẳng cấu f:T1→T2f : T_1 \to T_2, thì χ(T1)=χ(T2)\chi(T_1) = \chi(T_2).

(iii) Để có χ(T)=0\chi(T) = 0, điều kiện cần và đủ là TT giả-không.

Theo Định nghĩa 4, với mỗi p∈Pp \in P chỉ cần xét các giá trị của lpl_p 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 0→Tn→Tn−1→…→T0→00 \to T_n \to T_{n-1} \to \ldots \to T_0 \to 0 là một dãy khớp các AA-môđun xoắn sinh hữu hạn. Khi đó* ∑i=0n(−1)iχ(Ti)=0\sum_{i=0}^n (-1)^i \chi(T_i) = 0.

Theo Chương II, § 2, no. 4, Định lý 1, điều này lại suy ra từ tính chất tương tự của các lpl_p (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 F(A)F(A) 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 cl(M)\mathrm{cl}(M) là phần tử tương ứng của F(A)F(A); ta sẽ ký hiệu bởi T(A)T(A) tập con của F(A)F(A) gồm các lớp của các A-môđun xoắn hữu hạn sinh. Rõ ràng χ\chi xác định một ánh xạ từ T(A)T(A) vào D(A)D(A), cũng được ký hiệu bởi χ\chi, sao cho χ(cl(T))=χ(T)\chi(\mathrm{cl}(T)) = \chi(T).

Mệnh đề 11

Cho G là một nhóm giao hoán viết theo phép cộng và ϕ:T(A)→G\phi : T(A) \to G là một ánh xạ; với mọi A-môđun xoắn hữu hạn sinh T, do lạm dụng ngôn ngữ, ta cũng viết ϕ(T)=ϕ(cl(T))\phi(T) = \phi(\mathrm{cl}(T)). Giả sử rằng các điều kiện sau được thỏa mãn: (1) Nếu 0→T1→T2→T3→00 \to T_1 \to T_2 \to T_3 \to 0 là một dãy khớp của các A-môđun xoắn hữu hạn sinh, thì ϕ(T2)=ϕ(T1)+ϕ(T3)\phi(T_2) = \phi(T_1) + \phi(T_3). (2) Nếu T là giả-không, thì ϕ(T)=0\phi(T) = 0. Khi đó tồn tại một đồng cấu duy nhất θ:D(A)→G\theta : D(A) \to G sao cho ϕ=θ∘χ\phi = \theta \circ \chi.

Vì χ(A/p)=p\chi(A/p) = p với mọi p, tất yếu θ(p)=ϕ(A/p)\theta(p) = \phi(A/p) với mọi p∈Pp \in P, điều này chứng minh tính duy nhất của θ\theta, vì các phần tử của P tạo thành một cơ sở của D(A)D(A). Ngược lại, cho θ\theta là đồng cấu từ D(A)D(A) vào G sao cho θ(p)=ϕ(A/p)\theta(p) = \phi(A/p) với mọi p∈Pp \in P và ta hãy chỉ ra rằng nó giải quyết bài toán. Để làm điều đó, ta đặt

ψ(T)=ϕ(T)−θ(χ(T)) \psi(T) = \phi(T) - \theta(\chi(T))

với mọi A-môđun xoắn hữu hạn sinh T; rõ ràng các điều kiện (1) và (2) cũng được thỏa mãn nếu thay ϕ\phi bởi ψ\psi. Mặt khác, ψ(A/p)=0\psi(A/p) = 0 nếu p∈Pp \in P; nếu p là một iđêan nguyên tố ≠0\neq 0 và không thuộc P, thì linh hóa tử của A/pA/p không được chứa trong bất kỳ iđêan nào của P, do đó (no. 4, Định lý 5) A/pA/p là giả-không và vì thế ψ(A/p)=0\psi(A/p) = 0. 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 A/pA/p, trong đó p∈Supp(T)p \in \mathrm{Supp}(T) (Chương IV, § 1, no. 4, Định lý 1 và 2), và do đó p≠0p \neq 0 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 ψ\psi) rằng ψ(T)=0\psi(T) = 0.

\* Ta có thể, như trong no. 4, xét phạm trù thương T/T′\mathscr{T}/\mathscr{T}' của phạm trù T\mathscr{T} các A-môđun xoắn hữu hạn sinh theo phạm trù con đầy đủ T′\mathscr{T}' 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 T/T′\mathscr{T}/\mathscr{T}' đẳng cấu một cách chính tắc với D(A)D(A). \*

Mệnh đề 12

Nếu a là một iđêan ≠0\neq 0 của A,

χ(A/a)=χ((A:a)/A)=div a. \chi(A/a) = \chi((A : a)/A) = \mathrm{div}\, a.

Cho p∈Pp \in P. Khi đó aAp=pnpApaA_p = p^{n_p}A_p với np≥0n_p \geq 0, vì ApA_p là một vành định giá rời rạc. Vì (A/a)p=Ap/aAp, lp(A/a)=np(A/a)_p = A_p/aA_p,\ l_p(A/a) = n_p, do đó χ(A/a)=∑p∈Pnpp=div a\chi(A/a) = \sum_{p \in P} n_p p = \mathrm{div}\, a (§ 1, no. 4, Mệnh đề 7).

Mặt khác, (A:a)=A;aAp=p−npAp(A : a) = A ; aA_p = p^{-n_p}A_p, nên lp((A:a)/A)=npl_p((A : a)/A) = n_p 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 nn trên KK và M là một dàn của V đối với A. Cho W là lũy thừa ngoài ⋀nV\bigwedge^n V, là một không gian vectơ hạng 1 trên KK, và ký hiệu MwM_w là dàn của W sinh bởi ảnh của MnM^n dưới ánh xạ chính tắc Vn→⋀nVV^n \to \bigwedge^n V (no. 1, Mệnh đề 3 (iii); chú ý rằng MwM_w không nhất thiết đẳng cấu với ⋀nM\bigwedge^n M (Đại số, Chương III, § 5, Bài tập 9)). Nếu ee là một cơ sở của W trên K, ta có thể viết M=a.eM = a.e, trong đó a là một iđêan phân thức ≠0\neq 0 của A.

Cho M′M' là một dàn khác của V và viết Mw′=a′.eM'_w = a'.e, trong đó a′a' là một iđêan phân thức ≠0\neq 0 của A; ước div⁡(a)−div⁡(a′)\operatorname{div}(a) - \operatorname{div}(a') không phụ thuộc vào lựa chọn cơ sở ee của W, vì a và a′a' bị nhân với cùng một phần tử của K∗K^* khi thay đổi cơ sở; ta sẽ viết χ(M,M′)=div⁡(a)−div⁡(a′)\chi(M, M') = \operatorname{div}(a) - \operatorname{div}(a') và nói rằng ước này là bất biến tương đối của M′M' đối với M. Rõ ràng, nếu M, M′,M′′M', M'' là ba dàn của V, thì:

(3)

χ(M,M′)+χ(M′,M′′)+χ(M′′,M)=0 \chi(M, M') + \chi(M', M'') + \chi(M'', M) = 0
(4)
χ(M,M′)+χ(M′,M)=0. \chi(M, M') + \chi(M', M) = 0.

Với mọi p∈Pp \in P, theo ngay lập tức từ các định nghĩa rằng (Mw)p=(Mp)w(M_w)_p = (M_p)_w; 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 (Mp)w=⋀n(Mp)(M_p)_w = \bigwedge^n (M_p) (Chương II, § 2, no. 8) và iđêan phân thức ap=aApa_p = aA_p là một iđêan chính. Nếu ta đặt ap=pnpApa_p = p^{n_p}A_p, a′=pnp′Apa' = p^{n'_p}A_p, thì:

χ(M,M′)=∑p∈P(np−np′).p, \chi(M, M') = \sum_{p \in P} (n_p - n'_p).p,
điều này cũng có thể được viết là: (5)
χ(M,M′)=∑p∈Pχ(Mp,Mp′) \chi(M, M') = \sum_{p \in P} \chi(M_p, M'_p)
khi đồng nhất D(Ap)D(A_p) với môđun con-Z của D(A)D(A) sinh bởi pp.

Mệnh đề 13

Cho M là một dàn của V và u là một K-tự đẳng cấu của V. Khi đó* : (6)

−χ(M,u(M))=div⁡(det⁡(u)). -\chi(M, u(M)) = \operatorname{div}(\det(u)).
Với mọi p∈Pp \in P, khi đó ⋀n(u(M)p)=⋀n(u(Mp))\bigwedge^n (u(M)_p) = \bigwedge^n (u(M_p)); nếu (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n} là một cơ sở của MpM_p, thì
⋀n(Mp)=Ap⋅e1 A e2 A…A en, \bigwedge^n (M_p) = A_p \cdot e_1 \text{ } A \text{ } e_2 \text{ } A \ldots A \text{ } e_n,

và ⋀n(u(Mp))=Ap⋅det⁡(u)e1∧e2A…Aen\bigwedge^n (u(M_p)) = A_p \cdot \det(u) e_1 \wedge e_2 \mathbf{A} \ldots \mathbf{A} e_n, 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:

χ(M,M′)=−χ(M/M′). \chi(M, M') = -\chi(M/M').

Rõ ràng M/M' \subset V/M' là một môđun xoắn sinh hữu hạn; mặt khác, với mọi p∈Pp \in P, ta biết (Đại số, Chương VII, § 4, số 2, Định lý 1) rằng tồn tại các cơ sở (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n} của M, và (ei′)1≤i≤n(e'_i)_{1 \leq i \leq n} của Mp′M'_p sao cho ei′=πvieie'_i = \pi^{v_i} e_i với 1≤i≤n1 \leq i \leq n và các số nguyên vi≥0v_i \geq 0, trong đó π\pi là một phần tử đều hoá của ApA_p. Do đó (theo ký hiệu đã đưa vào ở trên) np′−np=∑i=1nvin'_p - n_p = \sum_{i=1}^n v_i; và mặt khác,

(M/M′)p=Mp/Mp′(M/M')_p = M_p/M'_p
đẳng cấu với A,-môđun xoắn ⨁i=1nAp/pviAp\bigoplus_{i=1}^n A_p/p^{v_i} A_p và do đó độ dài của nó là ∑i=1nvi\sum_{i=1}^n v_i, điều này chứng minh mệnh đề, theo (5) và Định nghĩa 4 của no. 5.

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:

χ(Coker⁡(f))=div⁡(det⁡(U)). \chi(\operatorname{Coker}(f)) = \operatorname{div}(\det(U)).

L_1 và L_2 có thể được coi như các mạng trong V1=L1⊗AKV_1 = L_1 \otimes_A K và V2=L2⊗AKV_2 = L_2 \otimes_A K tương ứng, còn f kéo dài thành một K-đồng cấu f(K):V1→V2f_{(K)}: V_1 \to V_2. Khi đó

(Coker⁡(f))(K)=Coker⁡(f(K))(\operatorname{Coker}(f))_{(K)} = \operatorname{Coker}(f_{(K)})

và nói rằng Coker⁡(f)\operatorname{Coker}(f) là một A-môđun xoắn có nghĩa là Coker⁡(f(K))=0\operatorname{Coker}(f_{(K)}) = 0; mà điều này tương đương với việc nói rằng f(K)f_{(K)} là toàn ánh hoặc det⁡(U)≠0\det(U) \neq 0, do đó có mệnh đề thứ nhất. Mặt khác, ta có thể viết f(L1)=u(L2)f(L_1) = u(L_2), trong đó uu là một tự đồng cấu của L, có định thức det⁡(U)\det(U); vì

Coker⁡(f)=L2/u(L2),\operatorname{Coker}(f) = L_2/u(L_2),

công thức (8) suy ra từ (7) và (6).

Ví dụ

Nếu A=ZA = \mathbf{Z}, thì nhóm ước của AA được đồng nhất với nhóm nhân Q+∗\mathbf{Q}_+^* của các số hữu tỉ > 0. Với mọi nhóm giao hoán hữu hạn T, χ(T)\chi(T) là cấp của T; hệ quả trên cho thấy cấp của nhóm Coker⁡(f)\operatorname{Coker}(f) bằng giá trị tuyệt đối của det⁡(U)\det(U) (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 AA, là thương của D(A)D(A) bởi nhóm con các ước chính. Với mọi ước d∈Dd \in D, ta sẽ ký hiệu bởi c(d)c(d) 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 c(χ(M/L))c(\chi(M/L)) của C không phụ thuộc vào môđun con tự do L được chọn.

Ta viết S=A−{0}S = A - \{0\} và đặt V=S−1M=M⊗AKV = S^{-1}M = M \otimes_A K; nếu nn là hạng của V trên K, thì tồn tại nn phần tử eie_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) 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 S−1(M/L)=S−1M/S−1L=0S^{-1}(M/L) = S^{-1}M/S^{-1}L = 0, vì thế M/L là một môđun xoắn.

Bây giờ giả sử L, là một môđun con tự do khác của M có hạng nn. Vì S−1L=S−1L1S^{-1}L = S^{-1}L_1, nên tồn tại s∈Ss \in S sao cho sL1⊂LsL_1 \subset L; do đó ta có thể chỉ cần chứng minh rằng, nếu L1⊂L2L_1 \subset L_2 là hai môđun con tự do của M có hạng nn, thì

c(χ(M/L1))=c(χ(M/L2)). c(\chi(M/L_1)) = c(\chi(M/L_2)).

Mà, χ(M/L1)=χ(M/L2)+χ(L2/L1)\chi(M/L_1) = \chi(M/L_2) + \chi(L_2/L_1) và từ no. 6, Hệ quả của Mệnh đề 14 suy ra rằng χ(L2/L1)\chi(L_2/L_1) là một ước chính và do đó

c(χ(L2/L1))=0. c(\chi(L_2/L_1)) = 0.

Phần tử c(χ(M/L))c(\chi(M/L)) trong phần sau sẽ được ký hiệu bởi −c(M)-c(M); ta sẽ nói rằng c(M)c(M) là lớp ước gắn với M.

Mệnh đề 16

(i) *Cho 0→M1→αM2→gM3→00 \to M_1 \xrightarrow{\alpha} M_2 \xrightarrow{g} M_3 \to 0 là một dãy khớp của các A-môđun hữu hạn sinh. Khi đó

c(M2)=c(M1)+c(M3). c(M_2) = c(M_1) + c(M_3).

(ii) *Nếu tồn tại một giả đẳng cấu từ M, tới M,, thì c(M1)=c(M2)c(M_1) = c(M_2).

(iii) *Nếu T là một môđun xoắn, thì c(T)=−c(χ(T))c(T) = -c(\chi(T)).

(iv) Nếu a≠0a \neq 0 là một iđêan phân thức Of K, thì

c(a)=c(div⁡(a)). c(a) = c(\operatorname{div}(a)).

(v) *Nếu L là một A-môđun tự do, thì c(L)=0c(L) = 0.

Để chứng minh (i), xét một môđun con tự do L1L_1 (tương ứng L3L_3) của M, (tương ứng M3M_3) sao cho M1/L1M_1/L_1 (tương ứng M3/L3M_3/L_3) là một môđun xoắn. Vì L3L_3 là tự do và gg là toàn ánh, tồn tại trong g−1(L3)g^{-1}(L_3) một phần bù tự do L23L_{23} của Ker⁡(g)\operatorname{Ker}(g) đẳng cấu với L3L_3 (Đại số, Chương II, § 1, no. 11, Mệnh đề 21); nhưng Ker⁡(g)=f(M1)\operatorname{Ker}(g) = f(M_1) chứa f(L1)=L12f(L_1) = L_{12}, là tự do vì ff là đơn ánh. Tổng L2=L12+L23L_2 = L_{12} + L_{23} là trực tiếp và do đó L2L_2 là một môđun con tự do của MM. Hơn nữa có biểu đồ giao hoán:

0⟶L1⟶L2⟶L3⟶00⟶M1→fM2→gM3⟶0 \begin{array}{ccccccccc} 0 & \longrightarrow & L_1 & \longrightarrow & L_2 & \longrightarrow & L_3 & \longrightarrow & 0 \\ 0 & \longrightarrow & M_1 & \xrightarrow{f} & M_2 & \xrightarrow{g} & M_3 & \longrightarrow & 0 \end{array}

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:

0→M1/L1→M2/L2→M3/L3→0. 0 \to M_1/L_1 \to M_2/L_2 \to M_3/L_3 \to 0.

Vì M1/L1M_1/L_1 và M3/L3M_3/L_3 là các môđun xoắn, dãy khớp này trước hết cho thấy M2/L2M_2/L_2 cũng vậy, rồi sau đó, theo Mệnh đề 10 của no. 5, cho thấy:

χ(M2/L2)=χ(M1/L1)+χ(M3/L3) \chi(M_2/L_2) = \chi(M_1/L_1) + \chi(M_3/L_3)

điều này chứng minh (i).

Các khẳng định (iii) và (v) là hiển nhiên từ định nghĩa. Ta chứng minh (ii). Vậy cho f:M1→M2f : M_1 \to M_2 là một giả-đẳng cấu và L1L_1 là một môđun con tự do của M1M_1 sao cho M1/L1M_1/L_1 là một môđun xoắn. Đặt L2=f(L1)L_2 = f(L_1); vì Ker(f)\mathrm{Ker}(f) là giả-không, nó là một môđun xoắn, do đó Ker(f)∩L1=0\mathrm{Ker}(f) \cap L_1 = 0 và vì thế L2L_2 là tự do. Gọi f~:M1/L1→M2/L2\tilde{f} : M_1/L_1 \to M_2/L_2 là đồng cấu dẫn xuất từ ff bằng cách lấy thương; Ker(f~)\mathrm{Ker}(\tilde{f}) đẳng cấu với Ker(f)\mathrm{Ker}(f) và Coker(f~)\mathrm{Coker}(\tilde{f}) đẳng cấu với Coker(f)\mathrm{Coker}(f) và vì thế f~\tilde{f} là một giả-đẳng cấu; hơn nữa

Coker(f~)=M2/f(M1) \mathrm{Coker}(\tilde{f}) = M_2/f(M_1)

là một môđun xoắn và f(M1)/L2=f~(M1/L1)f(M_1)/L_2 = \tilde{f}(M_1/L_1) cũng vậy, do đó M2/L2M_2/L_2 là một môđun xoắn và từ no. 5, Mệnh đề 10 (ii) suy ra rằng

χ(M1/L1)=χ(M2/L2). \chi(M_1/L_1) = \chi(M_2/L_2).

Cuối cùng còn phải chứng minh (iv). Cho x∈K∗x \in K^* sao cho a⊂xAa \subset xA. Xét dãy khớp 0→a→xA→xA/a→00 \to a \to xA \to xA/a \to 0, ta được

c(a)=c(xA)−c(xA/a)=−c(xA/a) c(a) = c(xA) - c(xA/a) = -c(xA/a)

theo (i) và (v). Nhưng xA/axA/a đẳng cấu với A/x−1aA/x^{-1}a, do đó, theo (iii),

c(xA/a)=−c(χ(A/x−1a))=−c(div(x−1a))=−c(div(a)) c(xA/a) = -c(\chi(A/x^{-1}a)) = -c(\mathrm{div}(x^{-1}a)) = -c(\mathrm{div}(a))

(no. 5, Mệnh đề 12). Điều này hoàn tất chứng minh.

Khi MM là một dàn của VV đối với AA, χ(M/L)=−χ(M,L)\chi(M/L) = -\chi(M, L) (no. 6, Mệnh đề 14); cho (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n} là một cơ sở của LL, e=e1∧e2∧…∧ene = e_1 \wedge e_2 \wedge \ldots \wedge e_n, và

Mw=a⋅eM_w = a \cdot e (ký hiệu của no. 6); khi đó χ(M,L)=div⁡(a)\chi(M, L) = \operatorname{div}(a), do đó c(M)=c(div⁡(a))c(M) = c(\operatorname{div}(a)), điều này tổng quát hóa Mệnh đề 16 (v).

Hệ quả 1

Cho* 0→M,→uMn−1→⋯→M0→00 \to M, \xrightarrow{u} M_{n-1} \to \cdots \to M_0 \to 0 là một dãy khớp các A-môđun sinh hữu hạn. Khi đó

∑i=0n(−1)ic(Mi)=0. \sum_{i=0}^n (-1)^i c(M_i) = 0.

Ta lập luận bằng quy nạp theo nn, trường hợp n=2n = 2 là Mệnh đề 16 (i). Nếu Mn−1′=Coker⁡(u)M'_{n-1} = \operatorname{Coker}(u), ta có hai dãy khớp:

0→M,→Mn−1→Mn−1′→00→Mn−1′→Mn−2→⋯→M0→0. \begin{align*} 0 &\to M, \to M_{n-1} \to M'_{n-1} \to 0 \\ 0 &\to M'_{n-1} \to M_{n-2} \to \cdots \to M_0 \to 0. \end{align*}

Dãy thứ nhất cho thấy Mn−1′M'_{n-1} là sinh hữu hạn và giả thiết quy nạp cho

(−1)n−1c(Mn−1′)+∑t=0n−a(−1)tc(Mt)=0 (-1)^{n-1} c(M'_{n-1}) + \sum_{t=0}^{n-a} (-1)^t c(M_t) = 0

và

c(Mn−1′)=c(Mn−1)−c(Mn), c(M'_{n-1}) = c(M_{n-1}) - c(M_n),

do đó có hệ quả.

Một dãy khớp

0→Ln→Ln−1→⋯→L0→E→0 0 \to L_n \to L_{n-1} \to \cdots \to L_0 \to E \to 0

trong đó các LiL_i (0≤i≤n0 \leq i \leq n) 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* a≠0a \neq 0 của A\mathbf{A} *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 aa:

0→Ln→Ln−1→⋯→L0→a→0. 0 \to L_n \to L_{n-1} \to \cdots \to L_0 \to a \to 0.

Do Mệnh đề 16 (v), c(a)=0c(a) = 0 và vì thế, do Mệnh đề 16 (iv), div⁡(a)\operatorname{div}(a) là chính; vì aa được giả thiết là ước tính được, nên nó là chính (§ 1, no. 1).

Hệ quả 3

Nếu mọi iđêan ước tính được* ≠0\neq 0 của A\mathbf{A} thừa nhận một phân giải tự do hữu hạn, A\mathbf{A} *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 r(M)r(M) (nhắc lại rằng đó là hạng trên K của M(K)=M⊗AKM_{(K)} = M \otimes_A K); nếu 0→M1→M2→M3→00 \to M_1 \to M_2 \to M_3 \to 0 là một dãy khớp của các A-môđun sinh hữu hạn, thì dãy

0→(M1)(K)→(M2)(K)→(M3)(K)→0 0 \to (M_1)_{(K)} \to (M_2)_{(K)} \to (M_3)_{(K)} \to 0

cũng khớp và do đó r(M2)=r(M1)+r(M3)r(M_2) = r(M_1) + r(M_3). Ta viết

γ(M)=(r(M),c(M))∈Z×C(A); \gamma(M) = (r(M), c(M)) \in \mathbf{Z} \times C(A);

vì vậy γ\gamma thỏa mãn tính chất (i) của Mệnh đề 16 và, nếu M là giả-không, thì γ(M)=0\gamma(M) = 0 (vì M là một môđun xoắn). Tồn tại một ánh xạ duy nhất từ F(A)F(A) vào Z×C(A)\mathbf{Z} \times C(A), cũng được ký hiệu là y, sao cho γ(M)=γ(cl(M))\gamma(M) = \gamma(\mathrm{cl}(M)) 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 ϕ\phi một ánh xạ từ tập hợp F(A)F(A) 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 ϕ(M)=ϕ(cl(M))\phi(M) = \phi(\mathrm{cl}(M)). Giả sử các điều kiện sau được thỏa mãn: (1) Nếu 0→M1→M2→M3→00 \to M_1 \to M_2 \to M_3 \to 0 là một dãy khớp của các A-môđun sinh hữu hạn, thì ϕ(M2)=ϕ(M1)+ϕ(M3)\phi(M_2) = \phi(M_1) + \phi(M_3). (2) Nếu T là giả-không, thì ϕ(T)=0\phi(T) = 0. Thì tồn tại một đồng cấu duy nhất θ:Z×C→G\theta : Z \times C \to G sao cho ϕ=8∘y\phi = 8 \circ y.

Do Mệnh đề 16 (iv), mọi phần tử của Z×CZ \times C đều có dạng (r(M),c(M))(r(M), c(M)) với một A-môđun sinh hữu hạn M thích hợp nào đó; do đó có tính duy nhất của θ\theta. Ta áp dụng Mệnh đề 11 của no. 5 cho hạn chế của −ϕ-\phi lên T(A)T(A): khi đó tồn tại một đồng cấu θ0:D→G\theta_0 : D \to G sao cho

−ϕ(T)=θ0(χ(T)) -\phi(T) = \theta_0(\chi(T))

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:

0⟶A→hxA⟶A/xA⟶0 0 \longrightarrow A \xrightarrow{h_x} A \longrightarrow A/xA \longrightarrow 0

trong đó hxh_x là phép nhân bởi x, ta được ϕ(A/xA)=0\phi(A/xA) = 0, do đó θ0(div(x))=0\theta_0(\mathrm{div}(x)) = 0. Lấy thương, vì thế θ0\theta_0 xác định một đồng cấu θ1:C→G\theta_1 : C \to G và ϕ(T)=θ1(c(T))\phi(T) = \theta_1(c(T)) với mọi A-môđun xoắn T. Bây giờ ta chỉ ra rằng đồng cấu θ\theta được định nghĩa bởi θ(n,z)=n.ϕ(A)+θ1(z)\theta(n, z) = n.\phi(A) + \theta_1(z) giải quyết bài toán. Vì mục đích đó, ta đặt ϕ′(M)=ϕ(M)−θ(γ(M))\phi'(M) = \phi(M) - \theta(\gamma(M)) với mọi A-môđun hữu hạn sinh M; rõ ràng điều kiện (1) vẫn được thỏa mãn nếu thay ϕ\phi bằng ϕ′\phi'. Hơn nữa, ϕ′(M)=0\phi'(M) = 0 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 ϕ′(M)=0\phi'(M) = 0 với mọi A-môđun hữu hạn sinh M.

\* Theo ngôn ngữ của các phạm trù Abel, Mệnh đề 17 cho thấy rằng Z×C(A)\mathbf{Z} \times C(A) đẳng cấu một cách chính tắc với nhóm Grothendieck của phạm trù thương F/F′\mathscr{F}/\mathscr{F}', trong đó F\mathscr{F} là phạm trù các A-môđun hữu hạn sinh và F′\mathscr{F}' là phạm trù con đầy đủ của F\mathscr{F} 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 A⊂BA \subset B 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 divA_A, χA\chi_A, cAc_A, γA\gamma_A, rAr_A thay cho div, χ\chi, 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 p\mathfrak{p} của B có chiều cao 1 thì điều kiện cần và đủ là p=P∩A\mathfrak{p} = \mathfrak{P} \cap A có chiều cao 1; hơn nữa (loc. cit., Mệnh đề 14) với p∈P(A)\mathfrak{p} \in P(A), chỉ có hữu hạn iđêan nguyên tố P∈P(B)\mathfrak{P} \in P(B) nằm trên p\mathfrak{p}. Để viết gọn, ta sẽ dùng ký hiệu P∣p\mathfrak{P}|_{\mathfrak{p}} cho quan hệ "“P\mathfrak{P} nằm trên p\mathfrak{p}" (nghĩa là p=P∩A\mathfrak{p} = \mathfrak{P} \cap A); khi đó ta sẽ ký hiệu bởi eP/pe_{\mathfrak{P}/\mathfrak{p}} hoặc e(P/p)e(\mathfrak{P}/\mathfrak{p}) chỉ số phân nhánh e(vP/vp)e(v_{\mathfrak{P}}/v_{\mathfrak{p}}) của định giá vPv_{\mathfrak{P}} trên định giá vpv_{\mathfrak{p}} (Chương VI, § 8, no. 1), và bởi fP/pf_{\mathfrak{P}/\mathfrak{p}} hoặc f(P/p)f(\mathfrak{P}/\mathfrak{p}) bậc của lớp thặng dư f(vP/vp)f(v_{\mathfrak{P}}/v_{\mathfrak{p}}) (loc. cit.); nhắc lại rằng các định giá rời rạc vpv_{\mathfrak{p}} và vPv_{\mathfrak{P}} đều được chuẩn hóa và rằng fP/pf_{\mathfrak{P}/\mathfrak{p}} là bậc của trường phân thức của B/PB/\mathfrak{P} trên trường phân thức của A/pA/\mathfrak{p}. Đặt n=rA(B)n = r_A(B), trong đó B được xét như một A-môđun; do đó theo định nghĩa n=[L:K]n = [L:K] và, với mọi p∈P(A)\mathfrak{p} \in P(A), nn cũng là hạng của A,-môđun tự do B với mọi P∣p\mathfrak{P}|_{\mathfrak{p}}. Khi đó từ Chương VI, § 8, no. 5, Định lý 2 suy ra rằng với mọi p∈P(A)\mathfrak{p} \in P(A):

∑P∣peP/pfP/p=n. \sum_{\mathfrak{P}|_{\mathfrak{p}}} e_{\mathfrak{P}/\mathfrak{p}} f_{\mathfrak{P}/\mathfrak{p}} = n.

Do đó, vì D(A)D(A) và D(B)D(B) là các Z\mathbf{Z}-môđun tự do, ta định nghĩa một đồng cấu tăng của các nhóm có thứ tự N:D(B)→D(A)N : D(B) \to D(A) (cũng được ký hiệu bởi NB/AN_{B/A}), bởi điều kiện:

N(P)=fP/p⋅pvớiP∈P(B),trong đoˊp=P∩A. N(\mathfrak{P}) = f_{\mathfrak{P}/\mathfrak{p}} \cdot \mathfrak{p} \quad \text{với} \quad \mathfrak{P} \in P(B), \quad \text{trong đó} \quad \mathfrak{p} = \mathfrak{P} \cap A.

Mặt khác (§ 1, no. 10, Mệnh đề 14) ta đã định nghĩa một đồng cấu tăng của các nhóm có thứ tự i:D(A)→D(B)i : D(A) \to D(B) (cũng được ký hiệu là iB/Ai_{B/A}), bởi điều kiện:

i(p)=∑P∣peP/p⋅Pvớip∈P(A). i(p) = \sum_{\mathfrak{P}|_p} e_{\mathfrak{P}/\mathfrak{p}} \cdot \mathfrak{P} \quad \text{với} \quad p \in P(A).

Rõ ràng đối với mọi họ (di)(d_i) (resp. (di′)(d'_i)) các ước của A (resp. B):

N(sup⁡(di′))=sup⁡(N(di′)),N(inf⁡(di′))=inf⁡(N(di′)) N(\sup(d'_i)) = \sup(N(d'_i)), \qquad N(\inf(d'_i)) = \inf(N(d'_i))
i(sup⁡(di))=sup⁡(i(di)),i(inf⁡(di))=inf⁡(i(di)). i(\sup(d_i)) = \sup(i(d_i)), \qquad i(\inf(d_i)) = \inf(i(d_i)).

Công thức (9) cho thấy rằng:

(14)

N∘i=n.1D(A) N \circ i = n . 1_{D(A)}

Với mọi a∈Aa \in A (§ 1, no. 10, Mệnh đề 14):

(15)

i(div⁡A(a))=div⁡B(a). i(\operatorname{div}_A(a)) = \operatorname{div}_B(a).

Ta suy ra (nhờ (13)) rằng, đối với mọi iđêan phân thức aa của AA, còn có:

(16)

i(div⁡A(a))=div⁡B(aB). i(\operatorname{div}_A(a)) = \operatorname{div}_B(aB).

Với mọi phần tử b∈Bb \in B, ta biết (Chương V, § 1, no. 3, Hệ quả của Mệnh đề 11) rằng NL/K(b)∈AN_{L/K}(b) \in A; hơn nữa (Chương VI, § 8, no. 5, công thức (9)):

(17)

vp(NL/K(b))=∑p/pfp/pvp(b) v_p(N_{L/K}(b)) = \sum_{\mathfrak{p}/p} f_{\mathfrak{p}/p} v_{\mathfrak{p}}(b)

do đó:

(18)

N(div⁡B(b))=div⁡A(NL/K(b)). N(\operatorname{div}_B(b)) = \operatorname{div}_A(N_{L/K}(b)).

Các công thức (15) và (18) cho thấy rằng, bằng cách lấy thương, các đồng cấu NN và ii xác định các đồng cấu mà, do lạm dụng ngôn ngữ, cũng sẽ được ký hiệu bởi:

N:C(B)→C(A),i:C(A)→C(B). N : C(B) \to C(A), \quad i : C(A) \to C(B).

Chú ý rằng đồng cấu i:C(A)→C(B)i : C(A) \to C(B) nói chung không đơn ánh (§ 3, Bài tập 7).

Nhớ rằng đối với mọi BB-môđun RR, R[A]R_{[A]} ký hiệu AA-môđun thu được từ RR bằng cách hạn chế các vô hướng xuống AA (Đại số, Chương 11, § 1, no. 13).

Mệnh đề 18

(i) *Để RR là một BB-môđun giả-không, điều kiện cần và đủ là AA-môđun R[A]R_{[A]} là giả-không.

(ii) Để RR là một BB-môđun xoắn sinh hữu hạn, điều kiện cần và đủ là R[A]R_{[A]} là một AA-môđun xoắn sinh hữu hạn và khi đó:

(19)

χA(R[A])=N(χB(R)). \chi_A(R_{[A]}) = N(\chi_B(R)).

(iii) Để RR là một BB-môđun sinh hữu hạn, điều kiện cần và đủ là R[A]R_{[A]} là một AA-môđun sinh hữu hạn và khi đó:

(20)

cA(R[A])=N(cB(R))+rB(R)cA(B) c_A(R_{[A]}) = N(c_B(R)) + r_B(R)c_A(B)
(21)
rA(R[A])=n.rB(R)(nhớ ra˘ˋng n=rA(B)). r_A(R_{[A]}) = n . r_B(R) \quad \text{(nhớ rằng } n = r_A(B)).

Vì BB là một AA-môđun sinh hữu hạn, để RR là một BB-môđun sinh hữu hạn, điều kiện cần và đủ là R[A]R_{[A]} là một AA-môđun sinh hữu hạn. Hơn nữa, nếu bb là linh hóa tử của RR, thì b∩A=ab \cap A = a là linh hóa tử của R[A]R_{[A]}; vì BB là nguyên trên AA, không có iđêan nào khác 0 nằm trên iđêan 0 của AA (Chương V, § 2, no. 1, Hệ quả 1 của Mệnh đề 1), và do đó việc nói a≠0a \neq 0 hay b≠0b \neq 0 là như nhau.

(i) Theo nhận xét cuối cùng này, ta có thể chỉ giới hạn sự chú ý vào trường hợp RR là một BB-môđun xoắn. Nếu bb được chứa trong một iđêan nguyên tố p∈P(B)\mathfrak{p} \in P(B), thì aa được chứa trong p∩A=p\mathfrak{p} \cap A = p, iđêan này có chiều cao bằng 1. Ngược lại, nếu aa được chứa trong một iđêan nguyên tố p∈P(A)p \in P(A), thì tồn tại một iđêan nguyên tố p\mathfrak{p} của BB chứa bb và nằm trên pp (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 BB-môđun xoắn sinh hữu hạn RR, ta viết

ϕ(R)=χA(R[A]); \phi(R) = \chi_A(R_{[A]});

rõ ràng (đối với các BB-môđun xoắn sinh hữu hạn) ϕ\phi 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 θ:D(B)→D(A)\theta : D(B) \to D(A) sao cho ϕ(R)=θ(χB(R))\phi(R) = \theta(\chi_B(R)) với mọi BB-môđun xoắn sinh hữu hạn RR. Đồng cấu θ\theta được xác định bởi giá trị của nó trên mọi BB-môđun có dạng B/pB/\mathfrak{p} với p∈P(B)\mathfrak{p} \in P(B), vì χB(B/p)=p\chi_B(B/\mathfrak{p}) = \mathfrak{p}. Bây giờ, với mọi iđêan nguyên tố q≠p=p∩Aq \neq p = \mathfrak{p} \cap A trong P(A)P(A), ta có p∉qp \notin q và do đó (B/p)q=0(B/\mathfrak{p})_q = 0. Mặt khác, nếu đặt S=A−pS = A - p, thì p.S−1B\mathfrak{p}.S^{-1}B là một iđêan cực đại của S−1BS^{-1}B và (B/p)p=S−1B/p(B/\mathfrak{p})_p = S^{-1}B/\mathfrak{p}. S−1BS^{-1}B đẳng cấu với trường phân thức của B/pB/\mathfrak{p} (Chương II, § 2, no. 5, Mệnh đề 11), tức là với trường thặng dư của vpv_{\mathfrak{p}}; do đó độ dài của nó như một AA-môđun là fp/pf_{\mathfrak{p}/p}; điều này chứng minh rằng θ=N\theta = N (no. 5, Định nghĩa 4).

(iii) Nếu TT là môđun con xoắn của RR, thì T[A]T_{[A]} là môđun con xoắn của R[A]R_{[A]} và (R/T)[A]=R[A]/T[A](R/T)_{[A]} = R_{[A]}/T_{[A]}; do đó để chứng minh (21) ta có thể chỉ cần xét trường hợp RR không xoắn. Khi đó RR được đồng nhất với một môđun con-BB của R(L)R_{(L)} và chứa một cơ sở (ei)1<<m(e_i)_1 < < m của R(L)R_{(L)} trên LL. Nếu (bj)1s<n(b_j)_1 s < n là một cơ sở của LL trên KK gồm các phần tử của BB, thì các bjeib_j e_i lập thành một cơ sở của R(L)R_{(L)} trên KK gồm các phần tử của RR, do đó suy ra (21). Mặt khác, cho MM là một môđun con-BB tự do của RR sao cho R/MR/M là một BB-môđun xoắn; vì M[A]M_{[A]} là tổng trực tiếp của rB(R)r_B(R) AA-môđun đẳng cấu với BB, theo Mệnh đề 16 (i)

cA(M[A])=rB(R).cA(B). c_A(M_{[A]}) = r_B(R).c_A(B).

Hơn nữa, cA((R/M)[A])=−cA(N(χB(R/M)))c_A((R/M)_{[A]}) = -c_A(N(\chi_B(R/M))) theo (19); nhưng theo định nghĩa của đồng cấu N:C(B)→C(A)N : C(B) \to C(A), ta có cA(N(d))=N(cB(d))c_A(N(d)) = N(c_B(d)) với mọi d∈D(B)d \in D(B) và, vì cB(χ(R/M))=−cB(R)c_B(\chi(R/M)) = -c_B(R) theo định nghĩa, cuối cùng

cA((R/M)[A])=N(cB(R)); c_A((R/M)_{[A]}) = N(c_B(R));

khi đó chỉ cần áp dụng Mệnh đề 16 (i) để thu được (20).

Mệnh đề 19

Cho RR là một môđun BB sinh hữu hạn. Điều kiện cần và đủ để RR phản xạ là R[A]R_{[A]} là một môđun AA 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 R[A]R_{[A]} là một A-môđun không xoắn. Do đó ta có thể giả thiết rằng R là một dàn của W=R⊗BLW = R \otimes_B L 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 p∈P(A)p \in P(A), (R[A])p=⋂p/pRp(R_{[A]})_p = \bigcap_{\mathfrak{p}/p} R_{\mathfrak{p}}.

Nếu S=A−pS = A - p, các iđêan nguyên tố của vành S−1BS^{-1}B được sinh bởi các iđêan nguyên tố của B không gặp S, nói cách khác là các iđêan Pi\mathfrak{P}_i (1≤i≤m1 \leq i \leq m) nằm trên p và iđêan (0); điều này cho thấy rằng S−1BS^{-1}B là một vành nửa địa phương mà các iđêan cực đại của nó là các m, =Pi(S−1B)= \mathfrak{P}_i(S^{-1}B) với 1≤i≤m1 \leq i \leq m; hơn nữa, vành địa phương (S−1B)Pi(S^{-1}B)_{\mathfrak{P}_i} đẳng cấu với BpiB_{\mathfrak{p}_i} (Chương 11, § 2, no. 5, Mệnh đề 11) và do đó là một vành định giá rời rạc. Vậy vành S−1BS^{-1}B 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, (R[A])p(R_{[A]})_p bằng S−1RS^{-1}R được xét như một A,-môđun; theo trên, S−1RS^{-1}R là một dàn tự do của W đối với S−1BS^{-1}B và do đó có thể áp dụng cho nó Định lý 2 của no. 2, suy ra S−1R=⋂i(S−1R)miS^{-1}R = \bigcap_i (S^{-1}R)_{m_i}: nhưng (S−1R)mi=Rpi(S^{-1}R)_{m_i} = R_{\mathfrak{p}_i}, điều này chứng minh bổ đề.

Quay trở lại chứng minh của Mệnh đề 19, theo Bổ đề 4,

⋂p∈P(B)Rp=⋂p∈P(A)(R[A])p \bigcap_{\mathfrak{p} \in P(B)} R_{\mathfrak{p}} = \bigcap_{p \in P(A)} (R_{[A]})_p

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 M⊗ABM \otimes_A B là một B-môđun giả-không. (ii) Nếu M là một A-môđun xoắn hữu hạn sinh, thì M⊗ABM \otimes_A B là một B-môđun hữu hạn sinh và: (22)

χB(M⊗AB)=i(χA(M)). \chi_B(M \otimes_A B) = i(\chi_A(M)).
(iii) Nếu M là một A-môđun hữu hạn sinh, thì M⊗ABM \otimes_A B là một B-môđun hữu hạn sinh và: (23)
cB(M⊗AB)=i(cA(M)) c_B(M \otimes_A B) = i(c_A(M))
(24)
rB(M⊗AB)=rA(M). r_B(M \otimes_A B) = r_A(M).

(i) Cho p\mathfrak{p} là một iđêan nguyên tố của BB, p=P∩A\mathfrak{p} = \mathfrak{P} \cap A; khi đó (M⊗AB)p=M⊗ABp(M \otimes_A B)_{\mathfrak{p}} = M \otimes_A B_{\mathfrak{p}} (Chương 11, § 2, no. 7, Mệnh đề 18) và mặt khác

M⊗ABp=(M⊗AAp)⊗ApBp=Mp⊗ApBp; M \otimes_A B_{\mathfrak{p}} = (M \otimes_A A_p) \otimes_{A_p} B_{\mathfrak{p}} = M_p \otimes_{A_p} B_{\mathfrak{p}};
vì thế quan hệ Mp=0M_p = 0 là tương đương với (M⊗AB)p=0(M \otimes_A B)_{\mathfrak{p}} = 0 (Chương II, § 4, no. 4, Bổ đề 4). Chỉ cần áp dụng nhận xét này cho iđêan P=(0)\mathfrak{P} = (0) và các iđêan p∈P(B)\mathfrak{p} \in P(B) để chứng minh (i), có tính đến no. 4, Định nghĩa 2.

Để chứng minh (ii), chúng ta sẽ dùng bổ đề sau:

Bổ đề 5

Cho M1,MM_1, M, là hai AA-môđun hữu hạn sinh, và f:M1→M2f : M_1 \to M_2 là một đồng cấu đơn cấu. Khi đó hạt nhân của f⊗1;M1⊗AB→M2⊗ABf \otimes 1 ; M_1 \otimes_A B \to M_2 \otimes_A B là giả-không.

Cho p\mathfrak{p} là một iđêan nguyên tố của AA có chiều cao ≤1\leq 1. Khi đó (Mi⊗AB)p=(Mi)p⊗ApBp(M_i \otimes_A B)_\mathfrak{p} = (M_i)_\mathfrak{p} \otimes_{A_\mathfrak{p}} B_\mathfrak{p} (i=1,2i = 1, 2) (Chương 11, § 2, no. 7, Mệnh đề 18) và (f⊗1B)p=fp⊗1Bp(f \otimes 1_B)_\mathfrak{p} = f_\mathfrak{p} \otimes 1_{B_\mathfrak{p}}; giả thiết rằng ff là đơn cấu kéo theo rằng ff, cũng vậy (Chương II, § 2, no. 4, Định lý 1); mặt khác, do lựa chọn của p\mathfrak{p}, ApA_\mathfrak{p} là một miền iđêan chính và BpB_\mathfrak{p} là một ApA_\mathfrak{p}-môđun xoắn-không hữu hạn sinh và do đó là tự do; chúng ta kết luận rằng fp⊗1Bpf_\mathfrak{p} \otimes 1_{B_\mathfrak{p}} bản thân nó cũng là đơn cấu. Nếu I=Ker(f⊗1)I = \mathrm{Ker}(f \otimes 1), thì Ip=Ker((f⊗1)p)I_\mathfrak{p} = \mathrm{Ker}((f \otimes 1)_\mathfrak{p}) (Chương 11, § 2, no. 4, Định lý 1); do đó Ip=0I_\mathfrak{p} = 0, do đó a fortiori Ip=(Ip)p=0I_\mathfrak{p} = (I_\mathfrak{p})_\mathfrak{p} = 0 với p∣p\mathfrak{p}|p, điều này chứng minh bổ đề (no. 4, Định nghĩa 2).

Bây giờ ta trở lại chứng minh của (ii). Với mọi AA-môđun xoắn sinh hữu hạn MM, đặt ϕ(M)=χB(M⊗AB)\phi(M) = \chi_B(M \otimes_A B); từ (i) suy ra rằng, nếu MM là giả-không, thì ϕ(M)=0\phi(M) = 0. Mặt khác, xét một dãy khớp các AA-môđun xoắn sinh hữu hạn:

0→M1→M2→M3→0. 0 \to M_1 \to M_2 \to M_3 \to 0.
Từ Bổ đề 4 suy ra có một dãy khớp các BB-môđun:
0→I→M1⊗AB→M2⊗AB→M3⊗AB→0 0 \to I \to M_1 \otimes_A B \to M_2 \otimes_A B \to M_3 \otimes_A B \to 0
trong đó II là giả-không. Do đó, dùng no. 5, Hệ quả của Mệnh đề 10, ta được ϕ(M2)=ϕ(M1)+ϕ(M3)\phi(M_2) = \phi(M_1) + \phi(M_3). Vậy từ Mệnh đề 11 của no. 5 ta kết luận rằng tồn tại một đồng cấu θ:D(A)→D(B)\theta : D(A) \to D(B) sao cho ϕ(M)=θ(χA(M))\phi(M) = \theta(\chi_A(M)) với mọi AA-môđun xoắn sinh hữu hạn MM. Để chứng minh θ=i\theta = i, chỉ cần chỉ ra rằng ϕ(A/p)=i(p)\phi(A/p) = i(p) với mọi p∈P(A)p \in P(A); mà (A/p)⊗AB=B/pB(A/p) \otimes_A B = B/pB và, với mọi p∈P(B)\mathfrak{p} \in P(B), (B/pB)p=Bp/pBp(B/pB)_{\mathfrak{p}} = B_{\mathfrak{p}}/pB_{\mathfrak{p}}; môđun sau cùng bằng 0 nếu p\mathfrak{p} không nằm trên pp; trái lại, nếu p∣p\mathfrak{p}|p, thì Bp/pBpB_{\mathfrak{p}}/pB_{\mathfrak{p}} là một BpB_{\mathfrak{p}}-môđun có độ dài e(p/p)e(\mathfrak{p}/p) theo định nghĩa của chỉ số phân nhánh (Chương VI, § 8, no. 1); do đó χB(B/pB)=∑p∣pep/p.13=i(p)\chi_B(B/pB) = \sum_{\mathfrak{p}|p} e_{\mathfrak{p}/p} . 13 = i(p), điều này hoàn tất chứng minh của (ii).

Công thức (24) là ngay lập tức, vì

(M⊗AB)⊗BL=M⊗AL=(M⊗AK)⊗KL (M \otimes_A B) \otimes_B L = M \otimes_A L = (M \otimes_A K) \otimes_K L

và hạng của (M⊗AK)⊗KL(M \otimes_A K) \otimes_K L trên LL bằng hạng của M⊗AKM \otimes_A K trên KK. Để chỉ ra (23), xét một môđun con tự do HH của MM sao cho Q=M/HQ = M/H là một AA-môđun xoắn. Áp dụng Bổ đề 4 như trên, ta thu được một dãy khớp các BB-môđun:

0→I→H⊗AB→M⊗AB→Q⊗AB→0 0 \to I \to H \otimes_A B \to M \otimes_A B \to Q \otimes_A B \to 0

trong đó II 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

cB(M⊗AB)=cB(Q⊗AB)=−cB(χB(Q⊗AB))=−cB(i(χA(Q))) c_B(M \otimes_A B) = c_B(Q \otimes_A B) = -c_B(\chi_B(Q \otimes_A B)) = -c_B(i(\chi_A(Q)))

theo (ii); nhưng theo định nghĩa của đồng cấu i:C(A)→C(B)i : C(A) \to C(B), cB(i(χA(Q)))=i(cA(χA(Q)))=−i(cA(M))c_B(i(\chi_A(Q))) = i(c_A(\chi_A(Q))) = -i(c_A(M)), điều này hoàn tất chứng minh của (23).

Nhận xét (1) Nếu MM là một AA-môđun phản xạ, thì M⊗ABM \otimes_A B không nhất thiết phản xạ (bài tập 6). Tuy nhiên điều đó đúng khi BB là một AA-môđun phẳng (no. 2, Mệnh đề 8). (2) Cho CC là một miền Noether đóng nguyên thứ ba sao cho B⊂CB \subset C và CC là một BB-môđun sinh hữu hạn (và do đó cũng là một AA-môđun sinh hữu hạn). Khi đó ta có các công thức bắc cầu:

(25)

NC/A=NB/A∘NC/B, N_{C/A} = N_{B/A} \circ N_{C/B},
(26)
iC/A=iC/B∘iB/A i_{C/A} = i_{C/B} \circ i_{B/A}

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 RR là một vành giao hoán và pip_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) là các iđêan nguyên tố phân biệt của RR.

(i) Với 1≤i≤n1 \leq i \leq n, gọi HiH_i là một tập con của R/piR/p_i thỏa mãn điều kiện sau: không tồn tại phần tử nào αi∈R/pi\alpha_i \in R/p_i sao cho αi+Hi\alpha_i + H_i chứa một iđêan ≠0\neq 0 của R/piR/p_i. Khi đó tồn tại a∈Ra \in R sao cho, với 1≤i≤n1 \leq i \leq n, ảnh chính tắc của aa trong R/piR/p_i không thuộc HiH_i.

(ii) Nếu Card⁡(Hi)<Card⁡(R/pi)\operatorname{Card}(H_i) < \operatorname{Card}(R/p_i), thì các HiH_i thỏa mãn điều kiện ở (i).

(i) Ta lập luận bằng quy nạp theo nn, trường hợp n=0n = 0 là tầm thường. Vậy giả sử n≥1n \geq 1. Ta có thể thực hiện một phép hoán vị trên các chỉ số ii và có thể giả sử rằng p1p_1 là cực tiểu trong các pip_i và do đó, với 2≤i≤n2 \leq i \leq n, tồn tại ci∈pic_i \in p_i sao cho ci∉p1c_i \notin p_1. Theo giả thiết quy nạp, tồn tại b∈Rb \in R sao cho ảnh chính tắc của bb trong R/piR/p_i không thuộc HiH_i với 2≤i≤n2 \leq i \leq n. Với mọi x∈Rx \in R ta đặt ai=b+xc2c3…cna_i = b + x c_2 c_3 \ldots c_n; vì ci∈pic_i \in p_i, hiển nhiên ai≡b(modpi)a_i \equiv b \pmod{p_i} với 2≤i≤n2 \leq i \leq n. Do đó chỉ cần chứng minh rằng tồn tại x∈Rx \in \mathbf{R} sao cho ảnh chính tắc của aia_i trong R/p1\mathbf{R}/p_1 không thuộc H1H_1. Bây giờ, tập hợp các ảnh chính tắc của các aia_i trong R/p1\mathbf{R}/p_1, khi xx chạy qua R\mathbf{R}, chính là β+c\beta + c, trong đó β\beta là ảnh chính tắc của bb và cc là iđêan của R/p1\mathbf{R}/p_1 sinh bởi ảnh chính tắc của c2c3…cnc_2 c_3 \ldots c_n; nhờ cách lựa chọn các cic_i, ta có c≠0c \neq 0 vì R/p1\mathbf{R}/p_1 là một miền nguyên và giả thiết về H1H_1 suy ra sự tồn tại của một xx giải được bài toán.

(ii) Vì R/pi\mathbf{R}/p_i là một miền nguyên, mọi iđêan ≠0\neq 0 của R/pi\mathbf{R}/p_i đều có lực lượng bằng lực lượng của R/pi\mathbf{R}/p_i và điều tương tự cũng đúng với mọi phép tịnh tiến của một iđêan bởi một phần tử của R/pi\mathbf{R}/p_i, 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 nn hạng của MM (hạng của V=M⊗AKV = M \otimes_A K trên KK) và xem MM như một dàn của VV đối với AA. Khi đó, với mọi p∈P(A)p \in P(A), MpM_p là một dàn của VV đối với ApA_p (no. 1, Ví dụ 6) và, vì AA là một miền iđêan chính, MM là một AA-môđun tự do hạng nn. Ta sẽ viết:

M(p)=Mp/pMp. M(p) = M_p/pM_p.

Ta sẽ ký hiệu bởi k(p)k(p) trường phân thức của A/pA/p (đẳng cấu với trường thặng dư của ApA_p); do đó M(p)=M⊗Ak(p)M(p) = M \otimes_A k(p) là một không gian vectơ hạng nn trên k(p)k(p). Với mọi x∈Mx \in M, ta sẽ ký hiệu bởi x(p)x(p) ảnh chính tắc của xx trong M(p)M(p).

Bổ đề 7

Cho xix_i (1≤i≤m1 \leq i \leq m) là các phần tử độc lập tuyến tính của MM (trên AA hoặc KK, điều này là như nhau) và cho LL là môđun con-A của MM sinh bởi các xix_i. Khi đó, với hầu hết mọi p∈Pp \in P, các xi(p)∈M(p)x_i(p) \in M(p) là độc lập tuyến tính trên k(p)k(p); để chúng độc lập tuyến tính trên k(p)k(p) với mọi p∈Pp \in P, điều kiện cần và đủ là M/LM/L không xoắn.

Cho x1,…,xnx_1, \ldots, x_n là các phần tử của MM mà cùng với x1,…,xnx_1, \ldots, x_n lập thành một cơ sở của VV và cho NN là môđun con-A tự do của MM sinh bởi các xix_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n). Theo no. 3, Định lý 3 suy ra rằng Np=MpN_p = M_p, với hầu hết mọi p∈Pp \in P; vì x1(p),…,xn(p)x_1(p), \ldots, x_n(p) lập thành một cơ sở của N(p)N(p) trên k(p)k(p), điều này chứng minh khẳng định thứ nhất.

Nếu M/LM/L không xoắn, thì (M/L)p=Mp/Lp(M/L)_p = M_p/L_p cũng không xoắn với mọi p∈Pp \in P (no. 1, Ví dụ 6) và, vì ApA_p là một miền iđêan chính, Mp/LpM_p/L_p là tự do. Do đó MM, là tổng trực tiếp của LL, và của một AA-môđun tự do EE hạng n−mn - m; suy ra M(p)M(p) là tổng trực tiếp của L(p)L(p) và của không gian vectơ k(p)k(p) E/pEE/pE hạng n−mn - m; bởi vậy L(p)L(p) có hạng mm và, vì nó được sinh bởi các xi(p)x_i(p) (1≤i≤m1 \leq i \leq m), các phần tử sau là độc lập tuyến tính.

Ngược lại, giả sử rằng các xi(p)x_i(p) (1≤i≤m1 \leq i \leq m) là độc lập tuyến tính trên k(p)k(p) với mọi p∈Pp \in P. Khi đó LL, là một nhân tử trực tiếp của MM, với mọi pp (Chương II, § 3, no. 2, Hệ quả 1 của Mệnh đề 5) và do đó Mp/Lp=(M/L)pM_p/L_p = (M/L)_p không xoắn với mọi p∈Pp \in P. Ta kết luận rằng P∩Ass⁡(M/L)=∅P \cap \operatorname{Ass}(M/L) = \varnothing 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 Ass⁡(M/L)\operatorname{Ass}(M/L) là iđêan (0); do đó M/LM/L không xoắn.

Bổ đề 8

Giả sử rằng hạng nn của MM là ⩾2\geqslant 2; khi đó tồn tại một phần tử x≠0x \neq 0 của MM sao cho M/AxM/Ax không xoắn.

Cho y≠0y \neq 0 là một phần tử của MM. Theo Bổ đề 7, tập hợp YY các p∈Pp \in P sao cho y(p)=0y(p) = 0 là hữu hạn. Nếu Y=∅Y = \varnothing, thì theo Bổ đề 7, áp dụng cho dãy (xi)(x_i) gồm phần tử duy nhất yy, suy ra M/AyM/Ay là không xoắn. Vậy giả sử rằng Y#@Y \# @ và đặt S=⋂p∈Y(A−p)S = \bigcap_{p \in Y} (A - p); ta biết (no. 4, Bổ đề 2) rằng S−1AS^{-1}A là một miền iđêan chính nửa địa phương mà các iđêan cực đại là các pS−1ApS^{-1}A, với p∈Yp \in Y, các vành địa phương tương ứng là các ApA_p. Do đó

S−1A/pS−1A=k(p), S^{-1}A/pS^{-1}A = k(p),
suy ra
S−1M/pS−1M=(M/pM)⊗AS−1A=M⊗A((A/p)⊗AS−1A)=M⊗Ak(p)=M(p) S^{-1}M/pS^{-1}M = (M/pM) \otimes_A S^{-1}A = M \otimes_A ((A/p) \otimes_A S^{-1}A) = M \otimes_A k(p) = M(p)
với mọi p∈Yp \in Y. Theo Chương II, § 1, no. 2, Mệnh đề 6, tồn tại một phần tử z/s∈S−1Mz/s \in S^{-1}M (z∈M,s∈Sz \in M, s \in S) mà các ảnh chính tắc của nó trong các M(p)M(p) với p∈Yp \in Y đều ≠0\neq 0. Vậy theo định nghĩa của SS ta có z(p)≠0z(p) \neq 0 với mọi p∈Yp \in Y. Hơn nữa, ta có thể giả sử rằng yy và zz độc lập tuyến tính trên KK. Thật vậy, trong trường hợp đối, hãy xét một phần tử t∈Mt \in M độc lập tuyến tính với yy (phần tử như vậy tồn tại vì n⩾2n \geqslant 2); mặt khác lấy một phần tử a≠0a \neq 0 thuộc ⋂p∈Yp\bigcap_{p \in Y} p (giao này không thu về 0 vì AA là một miền nguyên) và đặt z′=z+atz' = z + at: rõ ràng yy và z′z' độc lập tuyến tính trên KK và z′(p)=z(p)≠0z'(p) = z(p) \neq 0 với mọi p∈Yp \in Y.

Vậy giả sử rằng yy và zz độc lập tuyến tính trên KK, đặt ZZ là tập hợp các p∈P−Yp \in P - Y sao cho y(p)y(p) và z(p)z(p) độc lập tuyến tính trên k(p)k(p); theo Bổ đề 7, tập hợp này là hữu hạn. Do đó, với mọi p∈Zp \in Z, ta có thể viết z(p)=λ(p)y(p)z(p) = \lambda(p)y(p) với λ(p)∈k(p)\lambda(p) \in k(p). Mặt khác, Card⁡(A/p)>2\operatorname{Card}(A/p) > 2 với mọi p∈Pp \in P; bởi vậy theo Bổ đề 6, tồn tại b∈Ab \in A sao cho, với mọi p∈Zp \in Z, ảnh chính tắc của bb trong A/pA/p khác với λ(p)\lambda(p). Bây giờ ta sẽ chỉ ra rằng phần tử x=z−byx = z - by giải được bài toán; chỉ cần (chiếu theo Bổ đề 7 áp dụng với m=1m = 1) kiểm tra rằng x(p)≠0x(p) \neq 0 với mọi p∈Pp \in P. Thật vậy:

— nếu p∈Yp \in Y, thì x(p)≠0x(p) \neq 0 theo phép dựng; — nếu p∈Zp \in Z, thì x(p)=μpy(p)x(p) = \mu_p y(p) với μp≠0\mu_p \neq 0 do cách chọn bb và do đó x(p)≠0x(p) \neq 0 vì y(p)#0y(p) \# 0; — nếu p∈P−(Y∪Z)p \in P - (Y \cup Z), thì y(p)y(p) và z(p)z(p) độc lập tuyến tính và do đó x(p)≠0x(p) \neq 0.

Sau khi đã thiết lập các bổ đề này, ta chuyển sang chứng minh Định lý 6. Ta lập luận bằng quy nạp theo nn, trường hợp n≤1n \leq 1 là tầm thường vì khi đó chính MM đẳng cấu với một iđêan của AA. Vậy giả sử rằng n≥2n \geq 2; theo Bổ đề 8, tồn tại một môđun con tự do L0L_0 của MM có hạng 1 sao cho M/L0M/L_0 không xoắn; do đó M/L0M/L_0 có hạng n−1n - 1. Theo giả thiết quy nạp, tồn tại một môđun con tự do LL, của M/L0M/L_0 sao cho (M/L0)/L1(M/L_0)/L_1 đẳng cấu với một iđêan của AA. Gọi LL là ảnh ngược của L1L_1 trong MM; L/L0L/L_0 đẳng cấu với L1L_1 và, vì L1L_1 là tự do, LL đẳng cấu với L0⊕L1L_0 \oplus L_1 (Đại số, Chương II, § 1, số 11, Mệnh đề 21) và do đó là tự do; vì M/LM/L đẳng cấu với (M/L0)/L1(M/L_0)/L_1, định lý được chứng minh.

Nhận xét

Nếu MM là phản xạ, thì điều tương tự không nhất thiết còn đúng đối với M/LM/L (Bài tập 9).

10. Môđun trên các miền Dedekind

Bây giờ ta giả thiết rằng AA là một miền Dedekind; khi đó ta biết rằng các iđêan p∈Pp \in P là cực đại và chúng là các iđêan nguyên tố duy nhất ≠0\neq 0 của AA (§2§ 2, no. 1 ); nhóm D(A)D(A) được đồng nhất với nhóm I(A)I(A) các iđêan phân thức ≠0\neq 0 của AA.

Mệnh đề 21

Cho AA 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 AA là một miền Dedekind và MM là một A-môđun sinh hữu hạn. Các tính chất sau là tương đương: (a) MM không xoắn. (b) MM phản xạ. (c) MM xạ ảnh.

Ta đã biết rồi (không cần giả thiết nào trên miền nguyên AA) 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 MM không xoắn, nó được đồng nhất với một dàn của V=M⊗AKV = M \otimes_A K đối với AA; do đó MM, là một ApA_p-môđun tự do với mọi iđêan cực đại p∈Pp \in P, vì AA, là một miền iđêan chính. Kết luận khi đó suy ra từ Chương II, § 5, no. 2, Định lý 1 (b).

Hệ quả

Cho MM là một A-môđun sinh hữu hạn và TT là môđun con xoắn của nó. Khi đó TT là một hạng tử trực tiếp của MM.

Vì M/TM/T 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 AA là một miền Dedekind và TT là một A-môđun xoắn sinh hữu hạn. Tồn tại hai họ hữu hạn (ni)i∈I(n_i)_{i \in I} và (pi)i∈I(\mathfrak{p}_i)_{i \in I}, trong đó các nin_i là các số nguyên ≥1\geq 1 và các pi\mathfrak{p}_i là các phần tử của PP, sao cho TT đẳng cấu với tổng trực tiếp ⨁i∈I(A/pini)\bigoplus_{i \in I} (A/\mathfrak{p}_i^{n_i}). Hơn nữa, các họ (ni)i∈I(n_i)_{i \in I} và (pi)i∈I(\mathfrak{p}_i)_{i \in I} 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 AA là một miền Dedekind và MM là một A-môđun sinh hữu hạn không xoắn có hạng n≥1n \geq 1. Khi đó tồn tại một iđêan b≠0b \neq 0 của AA sao cho MM đẳng cấu với tổng trực tiếp của các môđun An−1A^{n-1} và bb. Hơn nữa, lớp của iđêan bb 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 LL của MM sao cho M/LM/L đẳng cấu với một iđêan aa của AA. Nếu a=0a = 0, ta lấy b=Ab = A. Nếu không, aa có hạng 1, do đó L=An−1L = A^{n-1} và aa là một môđun xạ ảnh (Mệnh đề 22); vì thế MM đẳng cấu với tổng trực tiếp của LL và aa (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 c(M)=c(b)c(M) = c(b) do đó có tính duy nhất của lớp của bb.

Nhận xét (1) Các Mệnh đề 23 và 24 và Hệ quả của Mệnh đề 22 xác định hoàn toàn cấu trúc của các AA-môđun sinh hữu hạn. Mệnh đề 24 cho thấy rằng một AA-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.

Machine translation of the English, by gpt-5-6-mini, gpt-5.4, against glossary version 34. Not checked by a person. That model is a cut down version of the one the rest of this language was written by.