Bourbaki

§ 5. Giao hoàn toàn

1. Iđêan sinh bởi một dãy hoàn toàn cát tuyến

Định nghĩa 1

Cho AA là một vành, JJ một iđêan của AA. Ta nói rằng iđêan JJ là hoàn toàn cát tuyến tại điểm pp của V(J)V(J) nếu iđêan JpJ_p của ApA_p được sinh bởi một dãy hoàn toàn cát tuyến đối với ApA_p. Ta nói rằng JJ là hoàn toàn cát tuyến nếu nó có tính chất ấy tại mọi điểm của V(J)V(J).

Nếu iđêan JJ của AA là hoàn toàn cát tuyến, thì điều đó cũng đúng với iđêan S−1JS^{-1}J của S−1AS^{-1}A đối với mọi tập con nhân SS của AA.

Mọi iđêan sinh bởi một dãy hoàn toàn cát tuyến đều là hoàn toàn cát tuyến. Chính xác hơn:

Mệnh đề 1

Cho AA là một vành, JJ một iđêan của AA, được sinh bởi một dãy hữu hạn x=(x1,…,xr)x = (x_1, \ldots, x_r) gồm các phần tử của AA. Các điều kiện sau là tương đương:

(i) dãy xx là hoàn toàn cát tuyến đối với AA ; (ii) (resp. (ii')) với mọi iđêan nguyên tố (resp. iđêan cực đại) p∈V(J)p \in V(J), ảnh của xx trong ApA_p là hoàn toàn cát tuyến đối với ApA_p ; (iii) (resp. (iii')) với mọi iđêan nguyên tố (resp. iđêan cực đại) p∈V(J)p \in V(J), iđêan JJ là hoàn toàn cát tuyến tại pp và ảnh của xx trong không gian vectơ κ(p)\kappa(p) κ(p)⊗AJ\kappa(p) \otimes_A J lập thành một cơ sở của nó.

Khi AA là Noether, các điều kiện ấy còn tương đương với:

(iv) với mọi số nguyên n≥0n \geq 0, A/JA/J-môđun Jn/Jn+1J^n / J^{n+1} là tự do, và các ảnh của các đơn thức x1α1…xrαrx_1^{\alpha_1} \ldots x_r^{\alpha_r} có tổng bậc nn lập thành một cơ sở của nó.

Cho pp là một iđêan nguyên tố của AA; ký hiệu xpx_p là ảnh của dãy xx trong ApA_p. Với mọi số nguyên i≥0i \geq 0, ApA_p-môđun Hi(xp,Ap)H_i(x_p, A_p) đẳng cấu với (Hi(x,A))p(H_i(x, A))_p (A, X, p. 151, 2)) ; nó bằng không nếu pp không chứa JJ, vì khi đó ta có Jp=ApJ_p = A_p (A, X, p. 148, cor. 2). Sự tương đương của (i), (ii) và (ii') suy ra từ điều này và từ II, § 3, No. 3, cor. 2 của th. 1. Mặt khác, sự tương đương của (ii) và (iii), và của (ii') và (iii'), suy ra từ § 1, No. 3, cor. 2 của th. 1.

Hệ quả (i) ⇒\Rightarrow (iv) là một hệ quả của th. 1 của A, X, p. 160. Cuối cùng, điều kiện (iv) suy ra bằng địa phương hóa điều kiện tương tự đối với các (Ap/Jp)(A_p/J_p)-môđun Jpn/Jpn+1J_p^n / J_p^{n+1} với mọi p∈V(J)p \in V(J), và điều kiện sau suy ra (ii) theo cor. 1 của A, X, p. 160.

Nhận xét 1

Khi vành AA là Noether, có thể thay thế trong các điều kiện (ii) và (ii') "hoàn toàn cát tuyến" bằng "chính quy" (A, X, p. 160, cor. 1).

Cần lưu ý rằng điều này không còn đúng trong điều kiện (i): một dãy hoàn toàn cát tuyến đối với A không nhất thiết là chính quy đối với A (exerc. 1).

Nhận xét 2

Cho A là một vành, J một iđêan kiểu hữu hạn của A và p một iđêan nguyên tố của A chứa J. Theo cor. 2 của th. 1 của § 1, No. 3, ta có

prof⁡Ap(Jp;Ap)≤[κ(p)⊗AJ:κ(p)] \operatorname{prof}_{A_p}(J_p; A_p) \leq [\kappa(p) \otimes_A J : \kappa(p)]

và có đẳng thức nếu và chỉ nếu J là hoàn toàn cát tuyến tại p.

Giả sử rằng J phân biệt với A và được sinh bởi một dãy hoàn toàn cát tuyến (x1,…,xr)(x_1, \ldots, x_r). Khi đó ta có (mệnh đề 4 của § 1, No. 3, và mệnh đề 1 ở trên)

prof⁡A(J;A)=inf⁡p∈V(J)prof⁡Ap(Jp;Ap)=r. \operatorname{prof}_A(J; A) = \inf_{p \in V(J)} \operatorname{prof}_{A_p}(J_p; A_p) = r.

Nếu hơn nữa A là Noether, ta có codim⁡(V(J),Spec⁡(A))≤r\operatorname{codim}(V(J), \operatorname{Spec}(A)) \leq r (VIII, § 3, No. 3, Mệnh đề 4) và prof⁡A(J;A)≤codim⁡(V(J),Spec⁡(A))\operatorname{prof}_A(J; A) \leq \operatorname{codim}(V(J), \operatorname{Spec}(A)) (§1§ 1, No. 7, Mệnh đề 12), do đó cuối cùng

prof⁡A(J;A)=r=codim⁡(V(J),Spec⁡(A))=ht⁡(J). \operatorname{prof}_A(J; A) = r = \operatorname{codim}(V(J), \operatorname{Spec}(A)) = \operatorname{ht}(J).

2. Đặc trưng hóa các iđêan cát tuyến hoàn toàn

Cho A là một vành và J một iđêan của A. A-môđun phân bậc ⨁n∈NJn\bigoplus_{n \in \mathbf{N}} J^n có một cấu trúc tự nhiên của đại số phân bậc trên A, suy ra từ phép nhân trong vành A; do đó ánh xạ đồng nhất của J vào J1J^1 kéo dài thành một đồng cấu toàn ánh của các đại số phân bậc trên A, gọi là chính tắc,

αJ:SA(J)⟶⨁n∈NJn. \alpha_J : S_A(J) \longrightarrow \bigoplus_{n \in \mathbf{N}} J^n.

Bằng mở rộng vô hướng lên vành A/JA/J, từ αJ\alpha_J ta suy ra một đồng cấu toàn ánh của các đại số phân bậc trên A/JA/J, cũng gọi là chính tắc,

βJ:SA/J(J/J2)⟶gr⁡J(A), \beta_J : S_{A/J}(J/J^2) \longrightarrow \operatorname{gr}_J(A),

với gr⁡J(A)=⨁n∈NJn/Jn+1\operatorname{gr}_J(A) = \bigoplus_{n \in \mathbf{N}} J^n / J^{n+1}.

Định lý 1

Cho A là một vành Noether và J một iđêan của A. Các điều kiện sau là tương đương:

(i) iđêan J là cát tuyến hoàn toàn; (ii) iđêan J là cát tuyến hoàn toàn tại mọi iđêan cực đại m∈V(J)m \in V(J); (iii) A/JA/J-môđun J/J2J/J^2 là xạ ảnh và đồng cấu chính tắc αJ:SA(J)⟶⨁n∈NJn\alpha_J : S_A(J) \longrightarrow \bigoplus_{n \in \mathbf{N}} J^n là song ánh; (iv) A/JA/J-môđun J/J2J/J^2 là xạ ảnh và đồng cấu chính tắc βJ:SA/J(J/J2)⟶gr⁡J(A)\beta_J : S_{A/J}(J/J^2) \longrightarrow \operatorname{gr}_J(A) là song ánh.

(i) ⇒ (ii): điều này là tầm thường.

(ii) ⇒ (iii): giả sử điều kiện (ii) được thỏa mãn. Chỉ cần chứng minh rằng với mọi iđêan cực đại m của A, Am/JmA_m/J_m-môđun Jm/Jm2J_m/J_m^2 là tự do và đồng cấu αJm:SAm(Jm)⟶⨁nJmn\alpha_{J_m} : S_{A_m}(J_m) \longrightarrow \bigoplus_n J_m^n là song ánh (II, § 5, No. 2, Định lý 1 và § 3, No. 3, Định lý 1). Nhưng các mệnh đề này là tầm thường khi m không thuộc V(J), vì khi đó ta có J_m = A_m, và chúng suy ra từ A, X, p. 160, Định lý 1 và p. 161, Nhận xét, khi m thuộc V(J).

(iii) ⇒ (iv): điều này là hiển nhiên.

(iv) ⇒ (i): giả sử điều kiện (iv) được thỏa mãn; lấy p là một iđêan nguyên tố của A chứa J. Khi đó Ap/JpA_p/J_p-môđun Jp/Jp2J_p/J_p^2 là tự do. Lấy x = (x_1, ..., x_r) là một dãy các phần tử của J_p nâng lên một cơ sở của Jp/Jp2J_p/J_p^2. Dãy x sinh ra J_p (Bổ đề Nakayama), và theo phép dựng nó thỏa mãn điều kiện (iv) của Mệnh đề 1. Suy ra iđêan J_p của A_p là cát tuyến hoàn toàn, và J là cát tuyến hoàn toàn tại p.

Nhận xét 1

Giả sử iđêan J là cát tuyến hoàn toàn; lấy (x_1, ..., x_r) là một dãy các phần tử của J sao cho với mọi iđêan cực đại m ∈ V(J), các ảnh chính tắc của các x_i trong J/mJ tạo thành một cơ sở của không gian vectơ trên A/m này. Khi đó A/JA/J-môđun J/J2J/J^2 là tự do và các ảnh chính tắc của các x_i trong J/J^2 tạo thành một cơ sở của nó: thực vậy chỉ cần kiểm tra rằng các ảnh của các x_i tạo thành một cơ sở của Am/JmA_m/J_m-môđun Jm/Jm2J_m/J_m^2 với mọi m ∈ V(J) (II, § 3, No. 3, Định lý 1), điều này suy ra từ loc. cit., No. 2, Mệnh đề 5 và Hệ quả 2, vì Am/JmA_m/J_m-môđun Jm/Jm2J_m/J_m^2 là xạ ảnh (Định lý 1).

Hệ quả 1

Cho A^\hat{A} là hoàn thành tách của A đối với tôpô J-adic và J^=JA^\hat{J} = J\hat{A} là hoàn thành tách của J. Để iđêan J^\hat{J} của A^\hat{A} là cát tuyến hoàn toàn thì điều kiện cần và đủ là iđêan J của A là cát tuyến hoàn toàn.

Thật vậy, ánh xạ chính tắc gr_J(A) → gr_J(\hat{A}) là một đẳng cấu của các vành phân bậc; do đó chỉ cần áp dụng tiêu chuẩn (iv).

Nói chung hơn:

Hệ quả 2

Cho ρ : A → B là một đồng cấu của các vành Noether biến B thành một A-môđun phẳng, và J một iđêan của A.

a) Nếu J là cát tuyến hoàn toàn, iđêan JB của B là cát tuyến hoàn toàn.

b) Giả sử rằng iđêan JB của B là cát tuyến hoàn toàn và mọi iđêan cực đại m ∈ V(J) đều là ảnh ngược của một iđêan cực đại của B. Chẳng hạn điều này xảy ra nếu B là một A-môđun phẳng trung thành.

Trước hết nhận thấy rằng, vì A-môđun B là phẳng, Jn⊗ABJ^n \otimes_A B được đồng nhất với JnBJ^nB và (Jn/Jn+1)⊗A/J(B/JB)(J^n/J^{n+1}) \otimes_{A/J} (B/JB) với JnB/Jn+1BJ^nB/J^{n+1}B với mọi số nguyên n≥0n \geq 0. Mệnh đề a) khi đó suy ra từ tiêu chuẩn (iii). Dưới các giả thiết của b), A/JA/J-môđun B/JB là phẳng trung thành (I, § 2, No. 7, Hệ quả 2 của Mệnh đề 8 và § 3, No. 5, Mệnh đề 9) và J là cát tuyến hoàn toàn theo tiêu chuẩn (iv), có tính đến I, § 3, No. 1, Mệnh đề 2 và No. 6, Mệnh đề 12. Khẳng định cuối cùng suy ra từ Mệnh đề 8 của I, § 3, No. 5.

Hệ quả 3

Cho AA là một vành Noether và JJ một iđêan cát tuyến hoàn toàn của AA. Nếu AA là một vành Macaulay (resp. một vành Gorenstein), thì A/JA/J cũng vậy.

Thật vậy lấy mm là một iđêan cực đại của AA chứa JJ. Iđêan JmJ_m của AmA_m được sinh bởi một dãy chính quy trên AmA_m; do đó (A/J)m(A/J)_m là một vành Macaulay (resp. một vành Gorenstein) theo Ví dụ 6 của § 2, No. 5 (resp. Ví dụ 2 của § 3, No. 9).

Nhận xét 2

Người ta nói rằng một vành Noether AA là một vành giao hoàn toàn nếu, với mọi iđêan cực đại mm của AA, vành địa phương đầy đủ Am^\widehat{A_m} đẳng cấu với thương của một vành địa phương chính quy Noether đầy đủ bởi một iđêan cát tuyến hoàn toàn. Từ Hệ quả 3 trên đây và từ Hệ quả 2 của Mệnh đề 12 của § 3, No. 8 suy ra rằng một vành như vậy là một vành Gorenstein.

3. Các iđêan cát tuyến hoàn toàn và các vành chính quy

Mệnh đề 2

Cho AA là một vành Noether. Các điều kiện sau là tương đương:

(i) AA là chính quy; (ii) mọi iđêan cực đại của AA đều là cát tuyến hoàn toàn; (iii) mọi iđêan JJ của AA sao cho A/JA/J là chính quy đều là cát tuyến hoàn toàn.

(i) ⇒\Rightarrow (iii): giả sử vành AA là chính quy; cho JJ là một iđêan của AA sao cho A/JA/J là chính quy, và cho pp là một iđêan nguyên tố của AA chứa JJ. Khi đó các vành địa phương ApA_p và Ap/JpA_p/J_p là chính quy, nên JpJ_p được sinh bởi một dãy cát tuyến hoàn toàn đối với ApA_p (VIII, § 5, No. 3, Hệ quả 2 và Mệnh đề 2), điều đó có nghĩa là JJ là cát tuyến hoàn toàn tại pp.

(iii) ⇒\Rightarrow (ii): điều này hiển nhiên vì một trường là một vành chính quy.

(ii) ⇒\Rightarrow (i): cho mm là một iđêan cực đại của AA; theo giả thiết (ii), iđêan cực đại mAmmA_m của AmA_m được sinh bởi một dãy cát tuyến hoàn toàn đối với AmA_m, nên AmA_m là chính quy (VIII, § 5, No. 2, Định lý 1). Do đó AA là chính quy.

Mệnh đề 3

Cho AA là một vành Noether và JJ một iđêan của AA sao cho A/JA/J là chính quy. Các điều kiện sau là tương đương:

(i) iđêan JJ là cát tuyến hoàn toàn; (ii) với mọi iđêan nguyên tố (ứng với iđêan cực đại) pp của AA chứa JJ, vành ApA_p là chính quy; (iii) hoàn thành tách biệt của AA đối với tôpô JJ-adic là chính quy.

Theo Định lý 1, điều kiện (i) có nghĩa là với mọi iđêan nguyên tố (ứng với iđêan cực đại) pp của AA chứa JJ, iđêan JpJ_p của vành địa phương ApA_p được sinh bởi một dãy cát tuyến hoàn toàn đối với ApA_p. Vì Ap/JpA_p/J_p là chính quy theo giả thiết, điều kiện sau này tương đương với tính chính quy của ApA_p (VIII, § 5, No. 3, Mệnh đề 2 và Hệ quả 2 của nó); điều này chứng minh tính tương đương của (i) và (ii). Tính tương đương của (ii) và (iii) suy ra từ § 4, No. 2, Hệ quả 3 của Mệnh đề 4.

Mệnh đề 4

Cho AA là một vành chính quy, JJ một iđêan của AA, và A0A_0 một vành con của AA sao cho đồng cấu chính tắc A0→A/JA_0 \to A/J là song ánh.

a) Iđêan JJ là cát tuyến hoàn toàn, A0A_0-môđun J/J2J/J^2 là xạ ảnh sinh hữu hạn, và vành A0A_0 là chính quy.

b) Cho φ:J/J2→J\varphi : J/J^2 \to J là một tiết diện A0A_0-tuyến tính của toàn cấu chính tắc J→J/J2J \to J/J^2. Đồng cấu các A0A_0-đại số SA0(J/J2)⟶AS_{A_0}(J/J^2) \longrightarrow A kéo dài φ\varphi kéo dài thành một đẳng cấu từ hoàn thành của vành phân bậc SA0(J/J2)S_{A_0}(J/J^2) lên hoàn thành tách của AA đối với tôpô JJ-adic.

a) Cho p\mathfrak{p} là một iđêan nguyên tố của AA chứa JJ. Ta có p=(p∩A0)⊕J\mathfrak{p} = (\mathfrak{p} \cap A_0) \oplus J và do đó p2=(p∩A0)2⊕pJ\mathfrak{p}^2 = (\mathfrak{p} \cap A_0)^2 \oplus \mathfrak{p}J, vì thế p2∩J=pJ\mathfrak{p}^2 \cap J = \mathfrak{p}J. Kí hiệu ii là đơn ánh chính tắc của JJ vào p\mathfrak{p}. Từ điều vừa nêu trên, ánh xạ i⊗1A/p:J⊗AA/p⟶p⊗AA/pi \otimes 1_{A/\mathfrak{p}} : J \otimes_A A/\mathfrak{p} \longrightarrow \mathfrak{p} \otimes_A A/\mathfrak{p} là đơn ánh, và điều tương tự cũng đúng với ip⊗1κ(p):Jp⊗Apκ(p)⟶pAp⊗Apκ(p)i_p \otimes 1_{\kappa(\mathfrak{p})} : J_p \otimes_{A_p} \kappa(\mathfrak{p}) \longrightarrow \mathfrak{p}A_p \otimes_{A_p} \kappa(\mathfrak{p}). Bổ đề Nakayama suy ra rằng iđêan JpJ_p của ApA_p được sinh bởi một tập con của một hệ tọa độ của vành địa phương chính quy ApA_p. Theo Mệnh đề 2 của VIII, § 5, No. 3, vành Ap/JpA_p/J_p là chính quy và iđêan JpJ_p là hoàn toàn cát tuyến. Do đó JJ là hoàn toàn cát tuyến, vành A0A_0, đẳng cấu với A/JA/J, là chính quy, và A0A_0-môđun J/J2J/J^2 là xạ ảnh sinh hữu hạn theo Định lý 1 (No. 2).

b) Suy ra từ Định lý 1 rằng đồng cấu chính tắc βJ:SA0(J/J2)⟶grJ(A)\beta_J : S_{A_0}(J/J^2) \longrightarrow \mathrm{gr}_J(A) là song ánh. Cho f:SA0(J/J2)⟶Af : S_{A_0}(J/J^2) \longrightarrow A là đồng cấu các A0A_0-đại số kéo dài ánh xạ A0A_0-tuyến tính φ:J/J2⟶J\varphi : J/J^2 \longrightarrow J. Nếu AA được trang bị lọc JJ-adic và SA0(J/J2)S_{A_0}(J/J^2) được trang bị lọc liên kết với phân bậc của nó, thì βJ\beta_J được đồng nhất với đồng cấu suy ra từ ff bằng cách chuyển qua các vành phân bậc liên kết. Mệnh đề b) khi đó suy ra từ III, § 2, No. 8, Hệ quả 3 của Định lý 1.

4. Các vành phân bậc chính quy

Cho A0A_0 là một vành và PP là một A0A_0-môđun phân bậc kiểu N\mathbf{N} ở các bậc >0> 0. Kí hiệu AA là vành SA0(P)S_{A_0}(P); trên AA tồn tại một phân bậc duy nhất kiểu N\mathbf{N} mà đối với nó A0A_0 có bậc 0 và PP là một A0A_0-môđun con phân bậc của AA. Kí hiệu A+A_+ là iđêan ⨁n>0An\bigoplus_{n>0} A_n của AA. Khi đó ánh xạ chính tắc P⟶A+/A+2P \longrightarrow A_+/A_+^2 là một đẳng cấu các A0A_0-môđun phân bậc (xem A, III, p. 76, Mệnh đề 10).

Nếu A0A_0-môđun PP là tự do phân bậc (A, II, p. 167, Nhận xét 3) và nếu (xi)i∈I(x_i)_{i \in I} là một cơ sở của PP gồm các phần tử thuần nhất, thì A0A_0-đại số phân bậc SA0(P)S_{A_0}(P) đẳng cấu với đại số đa thức A0[(Xi)i∈I]A_0[(X_i)_{i \in I}], được trang bị phân bậc mà đối với nó mỗi XiX_i là thuần nhất bậc deg⁡(xi)\deg(x_i). Mọi A0A_0-đại số phân bậc kiểu N\mathbf{N}, đẳng cấu với một A0A_0-đại số phân bậc có dạng ở trên, được gọi là một A0A_0-đại số đa thức phân bậc.

Khi vành A0A_0 là chính quy và A0A_0-môđun PP là xạ ảnh sinh hữu hạn, vành SA0(P)S_{A_0}(P) là chính quy (§ 4, No. 2, hệ quả 4 của Mệnh đề 4). Ngược lại:

Định lý 2

Cho AA là một vành chính quy, phân bậc kiểu N\mathbf{N}. Vành A0A_0 gồm các phần tử bậc 0 trong AA là chính quy; tồn tại một A0A_0-môđun xạ ảnh sinh hữu hạn PP được phân bậc theo các bậc >0> 0 sao cho AA đẳng cấu, như một A0A_0-đại số phân bậc, với SA0(P)S_{A_0}(P).

Ký hiệu PP là A0A_0-môđun phân bậc A+/A+2A_+/A_+^2. Theo Mệnh đề 4 của No. 3, vành A0A_0 là chính quy và A0A_0-môđun PP là xạ ảnh và sinh hữu hạn. Do đó các thành phần thuần nhất của PP là xạ ảnh, và tồn tại một tiết diện A0A_0-tuyến tính φ:P→A+\varphi : P \to A_+, phân bậc bậc 0, của toàn cấu chính tắc A+→PA_+ \to P. Gọi f:SA0(P)⟶Af : S_{A_0}(P) \longrightarrow A là đồng cấu các A0A_0-đại số phân bậc mở rộng φ\varphi. Theo Mệnh đề 4, ff mở rộng thành một đẳng cấu từ bổ toàn tách rời của SA0(P)S_{A_0}(P) đối với tôpô SA0(P)+S_{A_0}(P)_+-adic lên bổ toàn tách rời của AA đối với tôpô A+A_+-adic. Do đó, ff là đơn ánh và ảnh của nó trù mật trong AA đối với tôpô A+A_+-adic. Nhưng vì các tôpô cảm sinh trên các thành phần thuần nhất của AA là rời rạc và ảnh của ff là một môđun con phân bậc, điều này kéo theo rằng ff là song ánh.

Hệ quả 1

Cho B là một vành chính quy, phân bậc theo các bậc dương. Giả sử rằng mọi B0B_0-môđun xạ ảnh sinh hữu hạn đều tự do.* a) Vành B0B_0 là một miền nguyên và chính quy, và B0B_0-đại số BB là một B0B_0-đại số đa thức phân bậc sinh hữu hạn. b) *Cho A là một vành con phân bậc của B sao cho A0=B0A_0 = B_0 và B là một A-môđun sinh hữu hạn. Các điều kiện sau là tương đương: (i) A-môđun B là tự do phân bậc; (ii) A-môđun B là phẳng; (iii) A là một A0A_0-đại số đa thức phân bậc sinh hữu hạn.

Theo định lý 2, vành B0B_0 là chính quy, do đó là một tích của các vành nguyên chính quy (§4§ 4, No. 2, ví dụ 2). Với mọi phần tử lũy đẳng ee của B0B_0, B0B_0-môđun B0eB_0e là xạ ảnh, do đó tự do, điều này kéo theo e=0e = 0 hoặc 11; vì thế B0B_0 là nguyên. Khi đó mệnh đề a) suy ra từ định lý 2 và từ sự kiện rằng một B0B_0-môđun xạ ảnh sinh hữu hạn phân bậc là tự do phân bậc.

Ta chứng minh b).

(i) ⇔\Leftrightarrow (ii): các A0A_0-môđun phân bậc sinh hữu hạn phẳng đều là tự do phân bậc (II, §5§ 5, No. 2, hệ quả 2 của định lý 1). Do đó tính tương đương của (i) và (ii) suy ra từ A, X, p. 144, mệnh đề 8.

(ii) ⇔\Leftrightarrow (iii): vì BB là nguyên trên AA và là một đại số trên A0A_0 sinh hữu hạn, nên AA là một đại số trên A0A_0 sinh hữu hạn (V, §1§ 1, No. 9, bổ đề 5), do đó là một vành Noether. Khi đó tính tương đương của (ii) và (iii) suy ra từ hệ quả của mệnh đề 8 của §4§ 4, No. 5 và từ a) áp dụng cho AA.

Hệ quả 2

Cho k là một trường, B là một đại số đa thức phân bậc trên k sinh hữu hạn, và A là một đại số con phân bậc của B. Các điều kiện sau là tương đương: (i) B là một AA-môđun phân bậc tự do; (ii) B là một A-môđun phẳng; (iii) có Tor⁡1A(k,B)=0\operatorname{Tor}_1^A(k, B) = 0; (iv) đại số A là một đại số đa thức phân bậc trên k sinh hữu hạn, và mọi dãy sinh tự do đại số của A gồm các phần tử thuần nhất đều là B-chính quy.

Các hệ quả (i) ⇒\Rightarrow (ii) và (ii) ⇒\Rightarrow (iii) là hiển nhiên, và hệ quả (iii) ⇒\Rightarrow (i) suy ra từ A, X, p. 144, mệnh đề 8, a).

(iv) ⇒ (iii): giả sử điều kiện (iv) được thỏa mãn, và gọi x là một dãy sinh tự do đại số của A gồm các phần tử thuần nhất. Dãy x, vì là A-chính quy, nên hoàn toàn cát tuyến đối với A (A, X, p. 157, mệnh đề 5), do đó A-môđun Tor_1^A(k, B) đẳng cấu với H_1(x, B) (A, X, p. 159, nhận xét 3); nhưng môđun sau bằng không, vì dãy x là B-chính quy.

Các hệ quả 1 và 2 kéo theo bổ đề 5 của LIE, V, § 5, No. 5.

5. Dãy chính quy và mở rộng vô hướng

Mệnh đề 5

Cho ρ : A → B là một đồng cấu địa phương của các vành địa phương Noether, N là một B-môđun sinh hữu hạn, x = (x_1, ..., x_r) là một dãy phần tử của m_B, và u : A[T_1, ..., T_r] → B là đồng cấu duy nhất của các đại số trên A sao cho u(T_i) = x_i với i = 1, ..., r. Các điều kiện sau là tương đương:

(i) đồng cấu u làm cho N thành một A[T_1, ..., T_r]-môđun phẳng; (ii) A-môđun N là phẳng và, với mọi A-môđun M, dãy x là M ⊗_A N-chính quy; (iii) A-môđun N là phẳng và dãy x là κ_A ⊗_A N-chính quy; (iv) A-môđun N/(x_1N + ... + x_rN) là phẳng và dãy x là N-chính quy.

(i) ⇒ (ii): đặt T = (T_1, ..., T_r). Giả sử rằng A[T]-môđun N là phẳng. Vì A[T] phẳng trên A, A-môđun N là phẳng (I, § 2, No. 7, hệ quả 3 của mệnh đề 8). Gọi M là một A-môđun. Dãy T hiển nhiên là M[T]-chính quy, do đó là M[T] ⊗_{A[T]} N-chính quy, vì N phẳng trên A[T]. Bây giờ A[T]-môđun M[T] ⊗_{A[T]} N được đồng nhất với M ⊗_A N, phép vị tự với tỉ số T_i tương ứng với tự đồng cấu 1_M ⊗ (x_i)_N. Do đó điều kiện (ii) được thỏa mãn.

(ii) ⇒ (iii): điều này là tầm thường.

(iii) ⇒ (iv): điều này suy ra từ mệnh đề 10 của § 1, No. 6.

(iv) ⇒ (i): gọi t là iđêan của A[T] sinh bởi T. (A[T]/t)-môđun N/tN là phẳng theo giả thiết và N là phân ly theo iđêan đối với t (III, § 5, No. 4, mệnh đề 2). Để chứng minh rằng N phẳng trên A[T], chỉ cần chứng minh, theo định lý 1 của loc. cit., No. 2, rằng A-môđun Tor_1^{A[T]}(A[T]/t, N) bằng không. Nhưng vì dãy T là A[T]-chính quy, môđun này đẳng cấu với H_1(T, N) (A, X, p. 159, nhận xét 3), và môđun này bằng không vì dãy T là N-chính quy (loc. cit., p. 157, mệnh đề 5).

Hệ quả

Cho k là một trường, Λ là một đại số địa phương Noether trên k, x = (x_1, ..., x_r) là một dãy phần tử của m_A, và M là một Λ-môđun sinh hữu hạn. Gọi Ā và Ĝ là các đầy đủ hóa của A và M đối với tôpô (x1Aˉ+...+xrAˉ)(x_1\bar{A} + ... + x_r\bar{A})-adic của chúng; gọi u : k[T_1, ..., T_r] → Ā là đồng cấu duy nhất của các đại số trên k sao cho u(T_i) = x_i với i = 1, ..., r, và gọi ū : k[[T_1, ..., T_r]] → Ā là đồng cấu liên tục duy nhất mở rộng nó. Các điều kiện sau là tương đương:

(i) dãy xx là MM-chính quy; (ii) đồng cấu uu làm cho MM thành một k[T1,…,Tr]k[T_1, \ldots, T_r]-môđun phẳng; (iii) đồng cấu u^\hat{u} làm cho M^\hat{M} thành một k[[T1,…,Tr]]k[[T_1, \ldots, T_r]]-môđun phẳng. Tính tương đương của (i) và (ii) suy ra từ tính tương đương của các điều kiện (i) và (iv) của mệnh đề 5; tính tương đương của (ii) và (iii) suy ra từ III, § 5, No. 4, mệnh đề 4.

Các kết quả này cho phép mô tả các môđun macaulay trong hai trường hợp quan trọng. Gọi AA là một vành địa phương Noether, MM là một AA-môđun sinh hữu hạn. Việc nói rằng AA-môđun MM là macaulay tương đương với việc nói rằng A^\widehat{A}-môđun M^\hat{M} là macaulay (§ 2, No. 7, hệ quả 4 của mệnh đề 8). Từ đây về sau ta sẽ giả sử rằng vành địa phương Noether AA là đầy đủ.

1) Trước hết giả sử rằng AA chứa một trường con; khi đó nó thừa nhận một trường đại diện kk (IX, § 3, No. 3, Định lý 1). Gọi (x1,…,xr)(x_1, \ldots, x_r) là một dãy cát tuyến cực đại của MM; gọi u:k[[T1,…,Tr]]⟶Au : k[[T_1, \ldots, T_r]] \longrightarrow A là đồng cấu liên tục duy nhất sao cho u(Ti)=xiu(T_i) = x_i với i=1,…,ri = 1, \ldots, r. Theo Bổ đề 4 b) của IX, § 2, No. 5 và Nhận xét 1 của VIII, § 3, No. 2, A/Ann(M)A/\mathrm{Ann}(M) là một k[[T1,…,Tr]]k[[T_1, \ldots, T_r]]-môđun sinh hữu hạn và do đó MM là một k[[T1,…,Tr]]k[[T_1, \ldots, T_r]]-môđun sinh hữu hạn. Khi đó, các điều kiện sau là tương đương: (i) k[[T1,…,Tr]]k[[T_1, \ldots, T_r]]-môđun MM là tự do; (ii) AA-môđun MM là Macaulay.

Thực vậy, nói rằng MM là một AA-môđun Macaulay tương đương với nói rằng dãy (x1,…,xr)(x_1, \ldots, x_r) là MM-chính quy (§ 2, No. 3, Định lý 1). Theo Hệ quả trên, điều kiện sau có nghĩa là MM là một k[[T1,…,Tr]]k[[T_1, \ldots, T_r]]-môđun phẳng, hay cũng vậy, là tự do vì nó sinh hữu hạn.

2) Giả sử trường thặng dư κA\kappa_A của AA có đặc số p>0p > 0 và rằng ta có dim⁡(M/pM)<dim⁡(M)\dim(M/pM) < \dim(M). Cho (x1,…,xr)(x_1, \ldots, x_r) là một dãy cát tuyến cực đại của M/pMM/pM, sao cho (p1A,x1,…,xr)(p1_A, x_1, \ldots, x_r) là một dãy cát tuyến cực đại của MM. Cho CC là một pp-vành có độ dài +∞+\infty, với trường thặng dư κA\kappa_A (IX, § 2, No. 3, Mệnh đề 5). Tồn tại một đồng cấu u0u_0 từ CC vào AA cảm sinh đồng nhất trên các trường thặng dư; cho u:C[[T1,…,Tr]]⟶Au : C[[T_1, \ldots, T_r]] \longrightarrow A là đồng cấu duy nhất mở rộng u0u_0 và gửi TiT_i tới xix_i với mọi ii. Suy ra như trên từ loc. cit., No. 5, Bổ đề 4 rằng uu làm cho MM thành một C[[T1,…,Tr]]C[[T_1, \ldots, T_r]]-môđun sinh hữu hạn. Các điều kiện sau là tương đương: (i) MM là một C[[T1,…,Tr]]C[[T_1, \ldots, T_r]]-môđun tự do; (ii) MM là một AA-môđun Macaulay.

Thực vậy điều kiện (ii) tương đương với nói rằng dãy (x1,…,xr)(x_1, \ldots, x_r) là MM-chính quy và rằng phép vị tự tỉ số pp trong M/(x1M+…+xrM)M/(x_1M + \ldots + x_rM) là đơn ánh (§ 2, No. 3, Định lý 1). Bây giờ điều kiện sau có nghĩa là M/(x1M+…+xrM)M/(x_1M + \ldots + x_rM) là một CC-môđun không xoắn, do đó phẳng (AA, X, p. 9, Ví dụ 7). Vậy, xét đến Mệnh đề 5, (iv)(iv) \Leftrightarrow(i) (i), điều kiện (ii) tương đương với việc MM là một C[T1,…,Tr]C[T_1, \ldots, T_r]-môđun phẳng, hay cũng vậy (III, § 5, No. 4, Mệnh đề 4), MM là một C[[T1,…,Tr]]C[[T_1, \ldots, T_r]]-môđun phẳng, tức là tự do vì nó sinh hữu hạn.

6. Iđêan hoàn toàn cát tuyến và mở rộng các vô hướng

Mệnh đề 6

Cho ρ:A→B\rho : A \to B là một đồng cấu các vành Noether, và JJ là một iđêan của BB. Các điều kiện sau là tương đương:

(i) B/JB/J là một AA-môđun phẳng và iđêan JJ là hoàn toàn cát tuyến;

(ii) với mọi q∈V(J)q \in V(J), BqB_q là một AA-môđun phẳng và, với mọi AA-đại số A′A' sao cho vành A′⊗ABA' \otimes_A B là Noether, iđêan J(A′⊗AB)J(A' \otimes_A B) của A′⊗ABA' \otimes_A B là hoàn toàn cát tuyến;

(iii) với mọi iđêan cực đại nn của BB chứa JJ, A-môđun BnB_n là phẳng và iđêan J(κ(ρ−1(n))⊗ABn)J(\kappa(\rho^{-1}(n)) \otimes_A B_n) của κ(ρ−1(n))⊗ABn\kappa(\rho^{-1}(n)) \otimes_A B_n là hoàn toàn cát tuyến.

Theo Định lý 1 của No. 2, điều kiện (i) tương đương với điều kiện sau đây (i') (tương ứng là (i'')):

(i') (tương ứng là (i'')) với mọi iđêan nguyên tố (tương ứng là iđêan cực đại) qq của BB chứa JJ, Aρ−1(q)A_{\rho^{-1}(q)}-môđun Bq/JqB_q/J_q là phẳng và iđêan JqJ_q của BqB_q được sinh bởi một dãy BqB_q-chính quy.

(i') ⇒\Rightarrow (ii): giả sử rằng (i') được thỏa mãn. Cho A′A' là một AA-đại số sao cho vành B′=A′⊗ABB' = A' \otimes_A B là Noether. Cho qq là một iđêan nguyên tố của BB chứa JJ; đặt p=ρ−1(q)p = \rho^{-1}(q). Vì Bq′B'_q được đồng nhất với Ap′⊗ApBqA'_p \otimes_{A_p} B_q, suy ra từ kéo theo (iv) ⇒\Rightarrow (ii) của Mệnh đề 5 (No. 5) rằng iđêan JBq′JB'_q của Bq′B'_q được sinh bởi một dãy Bq′B'_q-chính quy và rằng BqB_q là phẳng trên ApA_p, do đó trên AA. Hơn nữa, với mọi iđêan nguyên tố rr của B′B' chứa JB′JB', ảnh ngược qq của rr trong BB chứa JJ, và Br′B'_r được đồng nhất với một vành phân thức của Bq′B'_q. Do đó JBr′JB'_r là một iđêan hoàn toàn cát tuyến của Br′B'_r, và JB′JB' là một iđêan hoàn toàn cát tuyến của B′B'.

(ii) ⇒\Rightarrow (iii): điều này là tầm thường.

(iii) ⇒\Rightarrow (i''): giả sử rằng (iii) được thỏa mãn. Cho nn là một iđêan cực đại của BB chứa JJ; đặt m=ρ−1(n)m = \rho^{-1}(n). Cho xx là một dãy các phần tử của JnJ_n mà các ảnh của chúng trong Jn/nJnJ_n/nJ_n tạo thành một cơ sở của không gian vectơ κ(n)\kappa(n) này. Dãy xx sinh ra JnJ_n; theo Mệnh đề 1 của No. 1, nó là (κ(m)⊗ABn)(\kappa(m) \otimes_A B_n)-chính quy. Vì A-môđun BnB_n là phẳng theo giả thiết, suy ra từ phép kéo theo (iii) ⇒\Rightarrow (iv) của Mệnh đề 5 rằng điều kiện (i'') được thỏa mãn.

Nhận xét 1

Giả sử rằng các điều kiện tương đương của Mệnh đề 6 được thỏa mãn. Vì B/JB/J là phẳng trên AA, với mọi AA-đại số A′A', dãy chính tắc các A′A'-môđun

0→A′⊗AJ→A′⊗AB→A′⊗A(B/J)→0 0 \to A' \otimes_A J \to A' \otimes_A B \to A' \otimes_A (B/J) \to 0
do đó là khớp, và đồng cấu chính tắc A′⊗AJ→J(A′⊗AB)A' \otimes_A J \to J(A' \otimes_A B) là song ánh.

Bài tập

Xem các bài tập cho § 5.

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