Cho M là một A-môđun có một cơ sở hữu hạn gồm n phần tử và u là một tự đồng cấu của M. A-môđun ⋀n(M) là một môđun tự do đơn sinh, nghĩa là đẳng cấu với A (no. 8, Hệ quả 1 của Định lý 1); ⋀n(u) là một tự đồng cấu của môđun này và do đó là một phép vị tự z↦λz có tỉ số λ∈A được xác định duy nhất (II, § 2, no. 3, Mệnh đề 5).
Định nghĩa 1
Định thức của một tự đồng cấu u của một A-môđun tự do M có số chiều hữu hạn n* (II, § 7, no. 2, Hệ quả của Mệnh đề 3 và Nhận xét 1), được ký hiệu bởidetu, là vô hướng λ sao cho⋀n(u)là phép vị tự có tỉ sốλ.
Theo công thức (4) của § 7, no. 2, detu là vô hướng duy nhất sao cho
(1)
u(x1)∧u(x2)∧⋯∧u(xn)=(detu)⋅x1∧x2∧⋯∧xn
với mọi dãy (xi)1≤i≤n gồm n phần tử của M. Nếu det(u)=1, u được gọi là đơn môđula.
Mệnh đề 1
(i) *Nếu u và v là hai tự đồng cấu của một A-môđun tự do có số chiều hữu hạn M, thì
(2)
det(u∘v)=(detu)(detv).
(ii) det(1M)=1; với mọi tự đẳng cấuucủaM, detulà khả nghịch trongAvà
(3)
det(u−1)=(detu)−1.
Nếu n là chiều của M, điều này suy ra ngay lập tức từ quan hệ ⋀n(u∘v)=(⋀n(u))∘(⋀n(v)) § 7, no. 2, công thức (3)).
Cho M là một A-môđun tự do với một cơ sở hữu hạn (ei)1≤i≤n; cho một dãy (xi)1≤i≤n gồm n phần tử của M, định thức của dãy này đối với cơ sở đã cho (ei), được ký hiệu bởi det(x1,x2,…,xn) khi không thể có sự nhầm lẫn về cơ sở, là định thức của tự đồng cấu u của M sao cho u(ei)=xi với 1≤i≤n. Khi đó theo công thức (1)
x1∧x2∧⋯∧xn=det(x1,x2,…,xn)e1∧e2∧⋯∧en
và quan hệ này đặc trưng hóa ánh xạ (xi)↦det(x1,x2,…,xn) từ Mn vào A. Nó cho thấy rằng ánh xạ này là một dạng phản xứng n-tuyến tính. Vì, theo § 7, no. 4, Mệnh đề 7, A-môđun các dạng phản xứng n-tuyến tính đẳng cấu chính tắc với đối ngẫu của ⋀n(M) và ⋀n(M) đẳng cấu với A, nên ta thấy rằng mọi dạng phản xứng n-tuyến tính trên Mn đều có thể được viết
(x1,…,xn)↦αdet(x1,x2,…,xn)
với một α∈A nào đó.
Mệnh đề 2
Cho M là một A-môđun tự do với một cơ sở hữu hạn (ei)1≤i≤n và v là một tự đồng cấu của M. Với mọi dãy (xi)1≤i≤n gồm n phần tử của M,
det(v(x1),…,v(xn))=(detv)det(x1,…,xn).
Nếu u là tự đồng cấu của M sao cho u(ei)=xi với mọi i, thì
v(xi)=(v∘u)(ei)
và do đó (5) suy ra từ (2).
2. Đặc trưng hóa các tự đẳng cấu của một môđun tự do hữu hạn chiều
Định lý 1
Cho M là một A-môđun tự do hữu hạn chiều và u là một tự đồng cấu của M. Các điều kiện sau là tương đương:* (a) u là song ánh; (b) u khả nghịch phải (II, § 1, no. 9, Hệ quả 1 của Mệnh đề 15); (c) u khả nghịch trái (II, § 1, no. 9, Hệ quả 2 của Mệnh đề 15); (d) u là toàn ánh; (e) detu khả nghịch trong A.
Cho (ei)1≤i≤n là một cơ sở của M. Nếu xi=u(ei) với 1≤i≤n, thì
x1∧x2∧⋯∧xn=(detu)e1∧e2∧⋯∧en.
Theo § 7, no. 9, Định lý 2, một điều kiện cần và đủ để các xi lập thành một cơ sở của M là detu là một phần tử khả nghịch của A; điều này chứng minh sự tương đương của (a) và (e). Nhận xét rằng (a) hiển nhiên kéo theo từng điều kiện (b), (c) và (d); còn lại phải chứng minh rằng mỗi điều kiện (b), (c) và (d) kéo theo (e). Bây giờ, nếu tồn tại một tự đồng cấu v của M sao cho v∘u=1M hoặc u∘v=1M, thì (detv)(detu)=1 và do đó detu khả nghịch trong A. Nếu u là toàn ánh, thì ⋀n(u) cũng toàn ánh (§ 7, no. 2, Mệnh đề 3), nói cách khác phép vị tự với tỉ số det u trong A là toàn ánh, điều này ngay lập tức suy ra rằng det u là khả nghịch.
Mệnh đề 3
Cho M là một A-môđun tự do hữu hạn chiều. Với mọi tự đồng cấu u của M, các điều kiện sau là tương đương:* (f) u là đơn ánh; (g) det u không là một ước của không trong A.
Với cùng ký hiệu như trong chứng minh của Định lý 1, để u là đơn ánh, điều kiện cần và đủ là các xi độc lập tuyến tính. Theo § 7, no. 9, Mệnh đề 12, điều kiện cần và đủ cho điều này là quan hệ λx1∧x2∧⋯∧xn=0 (với λ∈A) kéo theo λ=0. Nhưng điều này tương đương với λ(detu)=0 vì e1∧⋯∧en là một cơ sở của Λn(M); do đó có mệnh đề.
Nhận xét
Khi A là một trường, điều kiện (e) của Định lý 2 tương đương với điều kiện (g) của Mệnh đề 3, vì cả hai đều có nghĩa là detu=0. Do đó trong trường hợp này tất cả các điều kiện của Định lý 1 và Mệnh đề 3 là tương đương (xem II, § 7, no. 4, Hệ quả của Mệnh đề 9).
3. Định thức của một ma trận bình phương
Định nghĩa 2
Cho I là một tập hợp hữu hạn, A là một vành giao hoán và X là một ma trận bình phương kiểu (I,I) trên vành A (II, § 10, no. 7). Định thức của tự đồng cấu u của A-môđun AI, mà ma trận của nó đối với cơ sở chính tắc của AI là X, được gọi là định thức của X và được ký hiệu bởi detX.
Nếu X=(ξij)(i,j)∈I×I và (ei)i∈I là cơ sở chính tắc của AI, thì tự đồng cấu u được cho bởi
u(ei)=j∈J∑ξjiej.
Khi I={1,n}⊂N, nếu ta viết xi=u(ei) với i∈I, thì định thức của X được xác định trong quan hệ
x1∧x2∧⋯∧xn=(detX)e1∧e2∧⋯∧en
nói cách khác, detX bằng định thức det(x1,x2,…,xn) đối với cơ sở chính tắc của An. Do đó:
Mệnh đề 4
Với n vectơ x1,…,xn của An, ký hiệu X(x1,…,xn) là ma trận bình phương cấp n mà cột thứ i của nó là xi với 1≤i≤n. Khi đó ánh xạ*
(x1,…,xn)↦det(X(x1,…,xn))
*của (An)n vào A là phản xứng và n-tuyến tính.
Đặc biệt, định thức của một ma trận mà hai trong số các cột của nó bằng nhau là không. Nếu một phép hoán vị được thực hiện trên các cột của một ma trận, định thức của ma trận mới bằng định thức của ma trận cũ nhân với εσ. Nếu vào một cột của một ma trận ta cộng một bội vô hướng của một cột có chỉ số khác, định thức của ma trận mới bằng định thức của ma trận cũ.
Nói tổng quát hơn, cho M là một A-môđun tự do có số chiều hữu hạn n và cho (ei)i∈I là một cơ sở của M; với mọi tự đẳng cấu u của M, nếu X là ma trận của u đối với cơ sở (ei), thì
det(u)=det(X)
theo ngay lập tức từ các định nghĩa.
Khi I={1,n}, định thức của X còn được ký hiệu bởi
det(ξij)1≤i≤n,1≤j≤n
hoặc đơn giản là det(ξij) nếu điều này không gây nhầm lẫn, hoặc cũng bởi
ξ11ξ21…ξn1ξ12ξ22…ξn2…………ξ1nξ2n…ξnn
Khi X=1, ma trận X được gọi là đơn môđula.
Ví dụ
(1) Định thức của ma trận rỗng bằng 1; định thức của một ma trận vuông cấp 1 bằng phần tử duy nhất của ma trận này. Đối với một ma trận cấp 2
Ta chuyển sang ngôn ngữ ma trận một số kết quả của các no. 1 và 2:
Mệnh đề 5
Nếu X và Y là hai ma trận vuông trên một vành giao hoán A với cùng một tập chỉ số hữu hạn, thì
det(XY)=(detX)(detY).
Để X khả nghịch, điều kiện cần và đủ là det X là một phần tử khả nghịch của A, và khi đó
(9)
det(X−1)=(detX)−1.
Điều này suy ra ngay lập tức từ số 1, Mệnh đề 1 và no. 2, Định lý 1.
Hệ quả
Hai ma trận vuông đồng dạng có các định thức bằng nhau.
Nếu P là một ma trận vuông khả nghịch, thì det(PXP−1)=detX theo (8) và (9).
Mệnh đề 6
Để các cột của một ma trận vuông X có cấp hữu hạn độc lập tuyến tính, điều kiện cần và đủ là det X không là một ước của không trong A.
Điều này suy ra từ no. 2, Mệnh đề 3.
4. Tính định thức
Bổ đề 1
Cho A là một vành giao hoán và M là một A-môđun tự do với một cơ sở (ej)j∈J, trong đó tập chỉ số J được sắp thứ tự toàn phần. Với mọi số nguyên p≤Card(J), mọi hàm p-tuyến tính phản xứng f:Mp→N (trong đó N là một A-môđun) và mọi họ gồm p phần tử xi=∑j∈Jξjiej của M (1≤i≤p),
trong đó Fp(J) là tập hợp các tập con của J có p phần tử và, với mọi tập con H∈Fp(J), ta viết xH,i=∑j∈Hξjiej và eH=ej1∧ej2∧⋯∧ejp, (jk)1≤k≤p là dãy các phần tử của H được sắp theo thứ tự tăng, với quy ước rằng det(xH,1,…,xH,p) được lấy đối với cơ sở (ejk)1≤k≤p.
Mệnh đề 7
Cho I là một tập hữu hạn và X=(ξji)(j,i)∈I×I là một ma trận vuông kiểu (I, I) trên một vành giao hoán A. Khi đó
detX=σ∈SI∑εσ(i∈I∏ξσ(i),i)
trong đó σ chạy qua nhóm SI các phép hoán vị của I và εσ là dấu của σ (I, § 5, no. 7).
Có thể chỉ xét trường hợp I={1,n}⊂N và khi đó chỉ cần áp dụng công thức (12), trong đó (ei)1≤i≤n là cơ sở chính tắc của An và các xi là các cột của X (xem no. 3, công thức (6)).
Đối với mọi ma trận bình phương X trên một vành giao hoán, định thức của ma trận chuyển vị tX bằng định thức của X.
Giả sử rằng X có kiểu (I, I). Đối với mọi cặp có thứ tự các phép hoán vị σ,τ của SI, (vì phép nhân là giao hoán)
i∈I∏ξσ(i),i=j∈I∏ξσ(τ(j)),τ(j).
Đặc biệt lấy τ=σ−1; sử dụng sự kiện rằng εσ−1=εσ, ta thấy rằng
detX=σ∈SI∑εσi∈I,i∏ξi,σ(i),
điều này chứng minh mệnh đề.
Hệ quả 1
Cho n vectơ x1,…,xn của An, ký hiệu Y(x1,…,xn) là ma trận bình phương cấp n mà hàng thứ i là xi, với 1≤i≤n. Khi đó ánh xạ
(x1,…,xn)↦det(Y(x1,…,xn))
từ (An)n vào A là phản xứng và n-tuyến tính.
Hệ quả 2
Đối với một ma trận bình phương X cấp hữu hạn trên một vành giao hoán A, các điều kiện sau là tương đương: (i) các hàng của X độc lập tuyến tính; (ii) các cột của X độc lập tuyến tính; (iii) detX không là một ước của không trong A.
Điều này suy ra ngay lập tức từ no. 3, Mệnh đề 6 và Mệnh đề 8 ở trên.
Hệ quả 3
Cho u là một tự đồng cấu của một A-môđun tự do hữu hạn chiều M và tu là tự đồng cấu chuyển vị của môđun đối ngẫu M∗ (II, § 2, no. 5, Định nghĩa 5); khi đó
det(tu)=det(u).
Nếu X là ma trận của u đối với một cơ sở của M, tX là ma trận của tu đối với cơ sở đối ngẫu (II, § 10, no. 4, Mệnh đề 3); vì det(u)=det(X) và det(tu)=det(tX), kết luận suy ra từ Mệnh đề 8.
5. Định thức con của một ma trận
Cho X là một ma trận chữ nhật (ξij)(i,j)∈I×J kiểu (I, J) mà các tập hợp chỉ số I và J được sắp thứ tự toàn phần. Nếu H⊂I và K⊂J là các tập con hữu hạn có cùng số p phần tử, tồn tại duy nhất một song ánh tăng ϕ:H→K (Lý thuyết tập hợp, III, § 5, no. 3, Mệnh đề 6); ta sẽ ký hiệu XH,K là ma trận bình phương kiểu (H, H) bằng (ξi,ϕ(j))(i,j)∈H×H. Nếu các phần tử của X thuộc một vành giao hoán A, định thức det(XH,K) được gọi là minor của ma trận X có các chỉ số H, K; các định thức này (với mọi cặp có thứ tự (H, K) của các tập con tương ứng của I và J có p phần tử) cũng được gọi là các minor của X cấp p. Với ký hiệu này:
Mệnh đề 9
Cho M là một A-môđun với một cơ sở (ei)i∈J (hữu hạn hoặc không) mà tập hợp chỉ số J được sắp thứ tự toàn phần. Với mỗi số nguyên p>0, cho (eH)H∈Sp(J) là cơ sở tương ứng của ∧p(M) (§ 7, no. 8). Cho (xi)1≤i≤p là một dãy gồm p phần tử của M; cho
xi=j∈J∑ξjiejvới i∈I={1,p}
và cho X là ma trận (ξji) kiểu (J,I). Khi đó
x1∧x2∧⋯∧xp=H∈Fp(J)∑(detXH,I)eH.
trong đó H chạy qua tập hợp Fp(J) gồm các tập con của J có p phần tử.
Điều này suy ra ngay lập tức từ công thức (12) của no. 4 và công thức (6) của no. 3.
Mệnh đề 10
Cho M và N là hai A-môđun tự do có các số chiều tương ứng là m và n, u:M→N là một ánh xạ tuyến tính và X là ma trận của u đối với một cơ sở (ei)1≤i≤m của M và một cơ sở (fj)1≤j≤n của N. Khi đó, với mọi số nguyên p≤inf(m,n), ma trận của ∧p(u) đối với cơ sở (eK)K∈Fp(I) của ∧p(M) và cơ sở (fH)H∈Fp(J) của ∧p(N) (trong đó ta đã viết I={1,m} và J={1,n}) là ma trận (det(XH,K)) kiểu (Fp(J),Fp(I)) (và do đó có (pn) hàng và (pm) cột).
Với một tập con K⊂J có p phần tử, gọi (jk)1≤k≤p là dãy các phần tử của K được sắp theo thứ tự tăng; theo định nghĩa của ∧p(u), theo § 7, no. 2, công thức (4)
∧p(u)(eK)=u(ej1)∧u(ej2)∧⋯∧u(ejp).
Do đó, phần tử của ma trận của ∧p(u) nằm trên hàng có chỉ số H và cột có chỉ số K là thành phần có chỉ số H của phần tử u(ej1)∧⋯∧u(ejp); vì vậy nó bằng det(XH,K) theo Mệnh đề 9.
Ma trận (det(XH,K)) được gọi là lũy thừa ngoài thứ p của ma trận X và được ký hiệu là ∧p(X). Khi p=m=n, ∧n(X) là ma trận có phần tử duy nhất det(X).
Mệnh đề 11
Cho M là một A-môđun tự do có số chiều hữu hạn n; với mọi tự đồng cấu u của M và mọi cặp có thứ tự ξ,η của các phần tử của A,
det(ξ1M+ηu)=k≥0∑Tr(∧k(u))ξn−kηk.
Cho (ei)1≤i≤n là một cơ sở của M và đặt I={1,n}; để tính vế trái của (18), ta phải lập tích
(ξe1+ηu(e1))∧(ξe2+ηu(e2))∧⋯∧(ξen+ηu(en))
bằng tổng các số hạng ξn−pηpzK, trong đó
zK=x1∧x2∧⋯∧xn
với xi=u(ei) nếu i∈K, xi=ei nếu i∈H=I−K, trong đó số nguyên p chạy trong khoảng [0,n] và, với mỗi p, K chạy qua tập hợp các tập con của I có p phần tử. Nếu i1<i2<⋯<in−p (tương ứng j1<j2<⋯<jp) là các phần tử của H (tương ứng K) được sắp theo thứ tự tăng, ta có thể viết (§7, no. 8, Hệ quả 1 của Định lý 1 và công thức (19))
Nhưng nếu X là ma trận của u đối với cơ sở (ei), thì theo Mệnh đề 10
u(ej1)∧⋯∧u(ejp)=L∈Fp(I)∑(detXL,K)eL
và do đó
zK=ρH,KL∈Fp(I)∑(detXL,K)eH∧eL.
Bây giờ H∩L=∅ trừ khi L=K; do đó, theo §7, no. 8, công thức (20), ta có zK=(detXK,K)e1∧e2∧⋯∧en và công thức (18) suy ra từ Mệnh đề 10 và định nghĩa vết của một ma trận (II, §10, no. 11, các công thức (49) và (50)).
Hệ quả
Với cùng các giả thiết như trong Mệnh đề 11, đối với tự đồng cấu ⋀(u) của A-môđun ⋀(M)
(19)
Tr(⋀(u))=det(1M+u).
Chỉ cần thay ξ và η bằng 1 trong (18) và nhận thấy rằng ma trận của ⋀(u) đối với cơ sở gồm các eH (H∈F(I)) là ma trận đường chéo gồm các ma trận của các ⋀k(u) với ≥k 0 (II, §10, no. 7, Ví dụ IV).
6. Khai triển của một định thức
Cho I là một tập chỉ số hữu hạn được sắp thứ tự toàn phần. Với mỗi tập con H của I, ký hiệu H' là phần bù I - H. Cho X=(ξij) là một ma trận vuông kiểu (I, I), có thể xem là ma trận của một tự đồng cấu u của M=AI đối với cơ sở chính tắc (ei)i∈I của M. Đặt n=Card(I) và cho H là một tập con của I có q≤n phần tử và K là một tập con của I có n−q phần tử; khi đó ta có thể viết (no. 5, Mệnh đề 10)
(⋀q(u))(eH)=R∑det(XR,H)eR
(⋀n−q(u))(eK)=S∑det(XS,K)eS
trong đó R (tương ứng S) chạy qua tập hợp các tập con của I có q (tương ứng n−q) phần tử. Từ §7, no. 8, các công thức (19) và (20) suy ra rằng
trong đó R chạy qua tập hợp Fq(I) gồm các tập con của I có q phần tử.
Nếu lấy K=H′, từ định nghĩa của ∧n(u) (§ 7, no. 2, công thức (4)) và §7, no. 3, Hệ quả 1 của Mệnh đề 5 suy ra vế phải của (20) là ρH,H′∧n(u)(eI). Do đó (no. 1, công thức (1) và §7, no. 2, công thức (4))
Mặt khác, nếu K=H′, thì H∩K=∅; vì vế trái của (20) là ±∧n(u)(eH∧eK), nên nó bằng không, do đó
(22)R∑ρR,R′det(XR,H)det(XR′,K)=0với K=H′.
Vế phải của (21) được gọi là khai triển Laplace của định thức của ma trận X theo q cột có các chỉ số thuộc H và n - q cột có các chỉ số thuộc tập phần bù H' của H. Các minor det(XR,H) và det(XR′,H′) đôi khi được gọi là bù nhau.
Một trường hợp đơn giản quan trọng của khai triển Laplace là trường hợp I={1,n} và q=1, do đó H={i}; với mỗi tập con R={j} của I có một phần tử thì detXR,H=ξji. Minor của detXR′,H′ là định thức của ma trận vuông được dẫn xuất một cách chính tắc (no. 5) từ ma trận nhận được bằng cách loại bỏ khỏi X hàng có chỉ số j và cột có chỉ số i. Ta ký hiệu ma trận vuông này là Xji. Hiển nhiên ρH,H′=(−1)i−1 và ρR,R′=(−1)j−1; do đó (21) trong trường hợp này trở thành
(23)detX=j=1∑n(−1)i+jξjidet(Xji)
và tương tự từ (22) ta được
(24)j=1∑n(−1)jiξjidet(Xjk)=0với k=i.
Công thức (23) được gọi là khai triển định thức của X theo cột có chỉ số i. Vô hướng (−1)i+jdet(Xji) được gọi là phần bù đại số của các chỉ số j và i (hoặc, theo một cách lạm dụng ngôn ngữ, phần bù đại số của ξji) trong X.
Ma trận các phần bù đại số của X là ma trận
(25)Y=((−1)i+jdet(Xji))
mà phần tử của nó ở hàng thứ j và cột thứ i là phần bù đại số có các chỉ số j và i. Các công thức (23) và (24) tương đương với công thức
(26)
tY.X=(detX)In.
Do đó:
Mệnh đề 12
Với mọi ma trận vuông khả nghịch X kiểu (n,n), nghịch đảo của X được cho bởi công thức
(27)
X−1=(detX)−1tY
trong đó Y là ma trận phần bù đại số của X.
Bằng cách xét chuyển vị của X và sử dụng Mệnh đề 8 của no. 5, có thể thu được các khai triển Laplace đối với hai tập hợp hàng bù nhau và, đặc biệt, khai triển của detX theo một hàng, do đó có các công thức tương đương với
(28)
X.tY=(detX)In,
trong ký hiệu trên.
Dễ dàng kiểm tra rằng nếu X là ma trận của một tự đồng cấu u của một A-môđun tự do M chiều n đối với một cơ sở (ei)1≤i≤n, thì tY là ma trận của tự đồng cấu u~ của M được xác định bởi điều kiện sau: với mọi tập hợp gồm n phần tử x,y2,…,yn của M,
u~(x)∧y2∧⋯∧yn=x∧u(y2)∧⋯∧u(yn).
u~ được gọi là chuyển vị đối ngẫu của u (cf. § 11, no. 11, Hệ quả của Mệnh đề 13).
Ví dụ
(1) Định thức Vandermonde. Cho một dãy (ζi)1≤i≤n gồm n phần tử của A, định thức Vandermonde của dãy này là định thức
(2) Xét một ma trận vuông cấp n được trình bày dưới dạng một "ma trận tam giác trên của các ma trận" (II, § 10, no. 7, Ví dụ IV)
X=(Y0TZ)
Ta chứng minh rằng
detX=(detY)(detZ).
Cho n là cấp của ma trận X, h là cấp của Y, (ei)1≤i≤n là cơ sở chính tắc của An và xi (1≤i≤n) là các cột của X; giả thiết suy ra rằng các cột x1,…,xh thuộc môđun con của An có cơ sở e1,…,eh và khi đó theo định nghĩa (no. 3, công thức (6))
x1∧x2∧⋯∧xn=(detY)e1∧e2∧⋯∧eh.
Mặt khác, với mọi chỉ số i>h, ta có thể viết xi=yi+zi, trong đó yi là một tổ hợp tuyến tính của e1,e2,…,eh và zi là một tổ hợp tuyến tính của eh+1,…,en. Theo (30), x1∧x2∧⋯∧xn∧yi=0 với mọi i>h, do đó
x1∧x2∧⋯∧xn=(detY)e1∧e2∧⋯∧eh∧zh+1∧⋯∧zn.
Nhưng theo định nghĩa
zh+1∧zh+2∧⋯∧zn=(detZ)eh+1∧eh+2∧⋯∧en
do đó có công thức (30).
Theo quy nạp trên p, suy ra rằng nếu X có dạng của một ma trận tam giác trên của các ma trận:
X=X110⋯0X12X22⋯0⋯⋯⋯⋯X1pX2p⋯Xpp
(31)
detX=(detX11)(detX22)…(detXpp).
Điều này có thể được áp dụng đặc biệt cho một ma trận tam giác (trong đó tất cả các Xii đều có cấp 1) và đặc biệt hơn nữa cho một ma trận đường chéo:
(32)
det(diag(α1,α2,…,αn))=α1α2…αn.
(3) Cho M,M′ là hai A-môđun tự do có các số chiều tương ứng n,n′, u là một tự đồng cấu của M và u′ là một tự đồng cấu của M′. Khi đó
(33)
det(u⊗u′)=(detu)n′(detu′)n.
Vì ta có thể viết u⊗u′=(u⊗1M′)∘(1M⊗u′) và khi đó được đưa về trường hợp một trong hai tự đồng cấu u,u′ là đồng nhất. Ví dụ nếu u′=1M′ và X là ma trận của u đối với một cơ sở (ei) của M, thì ma trận của u⊗1M′ đối với tích tenxơ của (ei) và một cơ sở của M′ có thể được viết thành một ma trận (với n′ hàng và n′ cột) của các ma trận có n hàng và n cột
X0…00X…0…………00…X
do đó, theo Ví dụ 2,
det(u⊗1M′)=(detX)n′=(detu)n′
điều này ngay lập tức cho công thức (33).
7. Áp dụng vào các phương trình tuyến tính
Xét một hệ gồm n phương trình tuyến tính vô hướng với n ẩn trên một vành (giao hoán) A (II, § 2, no. 8):
(34)
j=1∑nλijxj=ηi(1≤i≤n).
Cho L là ma trận vuông (λij) cấp n; bằng cách đồng nhất như thường lệ ma trận có một cột gồm các ξi (tương ứng, các ηi) với một phần tử x=(ξi) của An (tương ứng, phần tử y=(ηi) của An), hệ (34) cũng có thể được viết (II, § 10, No. 3, Mệnh đề 2)
(35)
L.x=y.
Cho u là tự đồng cấu x↦L.x của An, với L là ma trận đối với cơ sở chính tắc; nói rằng phương trình (35) có (ít nhất) một nghiệm với mọi y∈An có nghĩa là u toàn ánh; Định lý 1 của No. 2 khi đó suy ra mệnh đề sau:
Mệnh đề 13
Đối với một hệ gồm n phương trình tuyến tính với n ẩn trên một vành giao hoán, để hệ có ít nhất một nghiệm bất kể các vế phải, điều kiện cần và đủ là định thức của ma trận của hệ khả nghịch; trong trường hợp này hệ có một nghiệm duy nhất.
Nếu detL không là một ước của không trong A, phương trình (34) tương đương với phương trình
(detL)L.x=(detL)y.
Nếu M là ma trận phần bù đại số của L, từ (34) và công thức (26) của No. 6 ta suy ra quan hệ (36)
(detL)x=tM.y
cũng có thể được viết (37)
(detL)ξi=j=1∑n(−1)i+j(detLij)ηj=detLi(1≤i≤n)
trong đó Li ký hiệu ma trận nhận được bằng cách thay thế cột của L có chỉ số i bởi y. Các công thức (37) được gọi là các công thức Cramer của hệ (34); mọi nghiệm của (34) cũng là nghiệm của (37). Ngược lại, từ (36), có tính đến công thức (28) của No. 6, ta suy ra (38)
(detL)(L.x−y)=0
và do đó, nếu detL không là một ước của không trong A, các hệ (34) và (37) là tương đương; nếu detL khả nghịch, nghiệm duy nhất của (34) được cho bởi (39)
ξi=(detL)−1(detLi)(1≤i≤n).
Một hệ (34) sao cho detL khả nghịch cũng được gọi là một hệ Cramer.
Đặc biệt, lấy y=0; khi đó, từ Mệnh đề 3 của No. 2 suy ra:
Mệnh đề 14
Đối với một hệ tuyến tính thuần nhất gồm n phương trình với n ẩn trên một vành giao hoán để có một nghiệm khác không, điều kiện cần và đủ là định thức của ma trận của nó là một ước của không.
8. Trường hợp một trường giao hoán
Tất cả những điều trên đều áp dụng khi vành A là một trường giao hoán; nhưng có những đơn giản hóa và những kết quả bổ sung.
Do đó Mệnh đề 12 của § 7, No. 9 trong trường hợp này có thể được phát biểu như sau:
Mệnh đề 15
Cho E là một không gian vectơ trên một trường giao hoán; đối với p vectơ xi∈E (1≤i≤p) độc lập tuyến tính khi và chỉ khi x1∧x2∧⋯∧xp=0.
Hệ quả
Cho X là một ma trận kiểu (m,n) trên một trường giao hoán. Hạng của X bằng số nguyên lớn nhất p sao cho tồn tại ít nhất một minor của X cấp p khác 0.
Hạng của X là số cột độc lập tuyến tính lớn nhất của X (II, § 10, No. 12, Định nghĩa 7). Hệ quả khi đó suy ra từ Mệnh đề 15 và công thức (17) của No. 5.
Xét bây giờ trường hợp một hệ gồm m phương trình tuyến tính với n ẩn trên một trường giao hoán K:
j=1∑nλijξj=ηi(1≤i≤m).
(41)
Mệnh đề 16
Cho L=(λij) là ma trận (kiểu (m,n)) của hệ (41). Cho M là ma trận kiểu (m,n+1) thu được bằng cách thêm vào L cột thứ (n+1)(ηi) (II, § 10, no. 1). Cho p là hạng của L (tính bằng cách áp dụng Hệ quả cho Mệnh đề 15). Giả sử rằng định thức con Δ của L, định thức của ma trận thu được bằng cách bỏ các hàng và cột có chỉ số ≥p+1 trong L, là =0 (điều này luôn có thể thực hiện được bằng một phép hoán vị thích hợp trên các hàng của L và một phép hoán vị thích hợp trên các cột của L). Khi đó, để hệ (41) có ít nhất một nghiệm, điều kiện cần và đủ là tất cả các định thức con cấp p+1 của M, các định thức của các ma trận con cấp p+1 của M mà các cột của chúng có các chỉ số 1,2,…,p và n+1, đều bằng không. Nếu điều này đúng, các nghiệm của hệ (41) là các nghiệm của hệ gồm p phương trình đầu tiên; nếu chúng được viết
j=1∑pλijξj=ηi−k=p+1∑nλikξk(1≤i≤p)
thì tất cả các nghiệm của hệ này thu được bằng cách lấy các giá trị tùy ý cho các ξk có chỉ số k>p và áp dụng các công thức Cramer (no. 7, các công thức (37)) để tính các ξj có chỉ số j≤p.
Ta biết (II, § 10, no. 12, Mệnh đề 12) rằng để hệ (41) có ít nhất một nghiệm, điều kiện cần và đủ là các ma trận L và M có cùng hạng. Với các hàng và cột của L được hoán vị để thỏa mãn điều kiện của mệnh đề, gọi ai (1≤i≤p) là các cột đầu tiên p của L và y=(ηi) là cột thứ (n+1) của M; vì theo giả thiết tất cả các cột của L là các tổ hợp tuyến tính của các ai, nói rằng M có cùng hạng p với L có nghĩa là y là một tổ hợp tuyến tính của các ai, hay cũng vậy (Mệnh đề 15) là a1∧⋯∧ap∧y=0. Điều kiện khả năng trong mệnh đề là sự biểu diễn của quan hệ sau cùng này, có tính đến công thức (17) của no. 5. Hơn nữa, vì p hàng đầu tiên của M độc lập tuyến tính, các hàng có chỉ số >p là các tổ hợp tuyến tính của chúng và do đó mọi nghiệm của (42) cũng là một nghiệm của (41). Khẳng định cuối cùng khi đó là hệ quả ngay lập tức của Mệnh đề 13 của no. 7.
9. Nhóm đơn môđula SL(n,A)
Gọi Mn(A) là vành các ma trận vuông cấp n trên A. Xét ánh xạ det:Mn(A)→A. Nhóm GL(n,A) gồm các phần tử khả nghịch của Mn(A) (đẳng cấu với nhóm các tự đẳng cấu của A-môđun An (II, § 10, no. 7)) chính là ảnh ngược qua ánh xạ này của nhóm nhân A∗ gồm các phần tử khả nghịch của A (no. 3, Mệnh đề 5). Mặt khác, chú ý rằng ánh xạ det:GL(n,A)→A∗ là một đồng cấu nhóm (no. 3, Mệnh đề 5).
Hơn nữa, ánh xạ det:Mn(A)→A là toàn ánh (và do đó đồng cấu det:GL(n,A)→A∗ cũng toàn ánh); vì với mọi λ∈A,
det(diag(λ,1,…,1))=λ
theo công thức (32) của no. 6.
Hạt nhân của đồng cấu toàn ánh det:GL(n,A)→A∗ là một nhóm con chuẩn tắc của GL(n,A), gồm các ma trận đơn môđula; nó được ký hiệu bởi SLn(A) hoặc SL(n,A) và thường được gọi là nhóm đơn môđula hay nhóm tuyến tính đặc biệt của các ma trận vuông cấp n trên A.
Trong no. này, ta sẽ xét trường hợp A là một trường. Nhắc lại rằng với 1≤i≤n,1≤j≤n, Eij là ma trận vuông cấp n mà tất cả các phần tử đều bằng không ngoại trừ phần tử ở hàng có chỉ số i và cột có chỉ số j, phần tử này bằng 1; với In là ma trận đơn vị cấp n, ta viết Bij(λ)=In+λEij với mọi cặp chỉ số phân biệti,j có thứ tự và mọi λ∈A (II, § 10, no. 13).
Mệnh đề 17
Một trường giao hoán K có nhóm đơn môđula SL(n,K) được sinh bởi các ma trận Bij(λ) với i=j và λ∈K.
Theo II, § 10, no. 13, Mệnh đề 14, ta biết rằng mọi ma trận trong GL(n,K) đều là tích của các ma trận dạng Bij(λ) và một ma trận dạng diag(1,1,…,1,α) với α∈K∗. Bây giờ, ngay lập tức có det(Bij(λ))=1 và det(diag(1,…,1,α))=α (no. 6, Ví dụ 2); do đó có mệnh đề.
Hệ quả
Nhóm* SL(n,K)là nhóm các giao hoán tử củaGL(n,K), ngoại trừ trường hợpn=2vàKlà một trường có 2 phần tử.
Vì SL(n,K) là hạt nhân của đồng cấu det từ GL(n,K) vào nhóm giao hoán K∗, SL(n,K) chứa nhóm giao hoán tử Γ của GL(n,K) (I, § 6, no. 2). Để chứng minh rằng SL(n,K)=Γ, theo Mệnh đề 17, chỉ cần chỉ ra rằng, với mọi λ∈K∗, Bij(λ) thuộc về Γ. Bây giờ, Bij(λ) là một phần tử liên hợp của Bij(1) trong GL(n,K) vì Bij(λ)=Q.Bij(1).Q−1, trong đó Q là ma trận đối với cơ sở chính tắc (ei) của tự đẳng cấu v của Kn sao cho v(ei)=λei,v(ek)=ek với k=i. Mặt khác, cho uij (với i=j) là tự đẳng cấu của Kn sao cho uij(ei)=−ej,uij(ej)=ei,uij(ek)=ek với k∈/{i,j}, thuộc về SL(n,K); khi đó Bji(λ)=UijBij(−λ)Uij−1, trong đó Uij là ma trận của uij đối với cơ sở chính tắc. Tương tự, nếu 1<i<j, thì B1j(λ)=U1iBij(λ)U1i−1 và cuối cùng, với 2<j, B12(λ)=U2jB1j(λ)U2j−1. Điều này chứng minh rằng mọi Bij(λ) có cùng ảnh s trong GL(n,K)/Γ và còn lại là chứng minh rằng s là phần tử đơn vị.
Trước hết giả sử rằng K chứa một phần tử λ phân biệt với 0 và 1; khi đó 1=λ+(1−λ), hai số hạng ở vế phải đều =0; quan hệ B12(1)=B12(λ)B12(1−λ) cho thấy rằng s2=s và do đó s là phần tử đơn vị.
Bây giờ giả sử rằng n≥3. Tích B21(1)B31(1) là ma trận của một tự đẳng cấu u của Kn sao cho u(e1)=e1+e2+e3,u(ei)=ei với i=1. Nếu S là ma trận của tự đẳng cấu u′ của Kn sao cho u′(e2)=e2+e3,u′(ei)=ei với i=2, thì S.B21(1)B31(1).S−1=B21(1); ta cũng suy ra rằng s2=s, điều này hoàn tất chứng minh.
Nhận xét
(1) GL(2,F2)=SL(2,F2); đây là một nhóm giải được có cấp 6, nhóm giao hoán tử của nó có chỉ số 2 (II, § 10, Bài tập 14).
(2) Với cùng ký hiệu như trên, có thể chứng minh như trong I, § 5, no. 7, Mệnh đề 9 rằng, với i<j,j−i>1, uij=uj−1,jui,j−1uj−1,j−1; do đó nhómSL(n,K)được sinh bởi các ma trậnB12(λ)vàUi,i+1với1≤i≤n−1.
10. Môđun A[X] liên kết với một tự đồng cấu của môđun A
Cho M là một A-môđun và u là một tự đồng cấu của M. Xét vành đa thức A[X] với một bất định X trên A. Với mọi đa thức p∈A[X] và mọi x∈M, ta viết
p.x=p(u)(x).
Vì (pq)(u)=p(y)∘q(u) đối với hai đa thức p,q của A[X], và do đó cấu trúc môđun A[X] được xác định trên M; tập hợp M, với cấu trúc này, sẽ được ký hiệu là Mu; cấu trúc A-môđun cho trên M thu được bằng cách hạn chế vành các toán tử của Mu vào A. Chú ý rằng các môđun con của Mu chính là các môđun con của M ổn định bởi u.
Vì ánh xạ (p,x)↦p.x từ A[X]×M vào M là song tuyến tính theo A, nó xác định một cách chính tắc một ánh xạ tuyến tính theo Aϕ:A[X]⊗AM→M sao cho
ϕ(p⊗x)=p.x=p(u)(x).
Mặt khác, A[X]⊗AM có một cấu trúc môđun A[X] một cách chính tắc (II, § 5, no. 1); ta sẽ ký hiệu môđun A[X] này bởi M[X]; ánh xạ ϕ:M[X]→Mu là tuyến tính theo A[X] vì, với p,q trong A[X] và x∈M,
Cuối cùng, một tự đồng cấu A[X]uˉ của M[X] được xác định bằng cách viết (II, § 5, no. 1)
uˉ(p⊗x)=p⊗u(x).
Hơn nữa, từ các công thức (44) và (45) suy ra rằng các ánh xạ tuyến tính theo A[X]u,uˉ và ϕ liên quan với nhau bởi quan hệ
ϕ∘uˉ=u∘ϕ.
Gọi ψ là tự đồng cấu A[X]X−uˉ của M[X], sao cho ψ(p⊗x)=(Xp)⊗x−p⊗u(x). Ta có mệnh đề sau:
Mệnh đề 18
Dãy các đồng cấu A[X]*
M[X]ψM[X]ϕMu⟶0
là khớp.
Vì ϕ(1⊗x)=x với mọi x∈M, rõ ràng ϕ là toàn ánh; mặt khác,
ϕ(X(p⊗x))=X.ϕ(p⊗x)=u(ϕ(p⊗x)),
nói cách khác, ϕ∘X=u∘ϕ=ϕ∘uˉ theo (46); điều này chứng minh rằng ϕ∘ψ=0. Còn phải kiểm tra rằng Kerϕ⊂Imψ. Để ý rằng, vì các đơn thức Xk (k≥0) tạo thành một cơ sở của A-môđun A[X], mọi phần tử z∈M[X] đều có thể được viết duy nhất dưới dạng z=∑kXk⊗xk, trong đó (xk) là một họ các phần tử của M, có giá hữu hạn. Nếu z∈Kerϕ, thì ϕ(z)=∑kuk(xk)=0 và ta có thể viết
z=k∑(Xk⊗xk−1⊗uk(xk))=k∑(Xk−uˉk)(1⊗xk).
Nhưng vì các tự đồng cấu A[X]X và uˉ của M[X] có thể hoán vị cho nhau, nên
Xk−uˉk=(X−uˉ)∘(j=0∑k−1Xjuˉk−j−1)
chứng minh rằng tồn tại một y∈M[X] sao cho z=ψ(y).
Bây giờ cho M′ là một A-môđun khác và u′ là một tự đồng cấu của M′; cho Mu′′, ϕ′, uˉ′, ψ′ là môđun và ánh xạ thu được từ M′ và u′ như Mu, ϕ, uˉ, ψ thu được từ M và u. Khi đó:
Mệnh đề 19
Một ánh xạ g từ M vào M' là một đồng cấu A[X] của M_u vào M'_u khi và chỉ khi g là một đồng cấu A của M vào M' sao cho g∘u=u′∘g. Khi điều này xảy ra, nếu gˉ là đồng cấu A[X] của M[X] vào M'[X] bằng với 1A[x]⊗g (II, § 5, no. 1), biểu đồ
Điều kiện g∘u=u′∘g hiển nhiên là cần thiết theo (43) để g là một đồng cấu A[X]; nó là đủ, vì nó suy ra bằng quy nạp rằng g∘un=u′n∘g với mọi số nguyên n>0. Mặt khác, với mọi x∈M và mọi p∈A[X],
điều này chứng minh tính giao hoán của biểu đồ (48).
11. Đa thức đặc trưng của một tự đồng cấu
Cho M là một A-môđun tự do có chiều n và u là một tự đồng cấu của M. Xét vành đa thức theo hai bất định A[X,Y] và A-môđun A[X,Y]-môđun M[X,Y]=A[X,Y]⊗AM; cho uˉ là tự đồng cấu của A[X,Y]-môđun M[X,Y] một cách chính tắc dẫn xuất từ u (II, § 5, no. 1). Suy ra từ no. 5, Mệnh đề 11 rằng
det(X−Yuˉ)=j=0∑n(−1)jTr(∧j(u))Xn−jYj
vì nếu U là ma trận của u đối với một cơ sở (ei)1≤i≤n của M, U là ma trận của uˉ đối với cơ sở (1⊗ei)1≤i≤n của M[X,Y], do đó
Tr(∧j(uˉ))=Tr(∧j(u)).
Định nghĩa 3
Cho M là một A-môđun tự do hữu hạn chiều và u là một tự đồng cấu của M. Định thức của tự đồng cấu X−uˉ của A[X]-môđun tự do M[X] được gọi là đa thức đặc trưng của u và được ký hiệu là χu(X).
Nếu M có hạng n, từ (49) suy ra
χu(X)=j=0∑n(−1)jTr(∧j(u))Xn−j
vì det(X−Yuˉ)=det(X.In+YU) và det(X−uˉ)=det(X.In−U). Do đó thấy rằng χu(X) là một đa thức đơn khởi có bậc n, trong đó hệ số của Xn−1 là −Tr(u) và số hạng hằng là (−1)ndet(u).
Mệnh đề 20 ("định lý Cayley–Hamilton")
Với mọi tự đồng cấu u của một A-môđun tự do hữu hạn chiều, χu(u)=0.
Theo ký hiệu của Mệnh đề 18 (§3, no. 10), với mọi x∈M, χu(u)(x) là ảnh qua ϕ của χu(X)⊗x. Nhưng nếu v là tự đồng cấu của M[X], đối chuyển vị của X−uˉ (no. 6), thì