Bourbaki

§ 8. Chuẩn và vết

Trong suốt đoạn này K ký hiệu một trường.

1. Nhắc lại

Cho A là một đại số bậc hữu hạn nn trên K. Với mỗi x∈Ax \in A ta ký hiệu bởi LxL_x ánh xạ tuyến tính a↦xaa \mapsto xa từ A vào chính nó. Ta nhắc lại (III, p. 543) rằng vết của LxL_x được gọi là vết của x đối với A và được viết là TrA/K(x)\mathrm{Tr}_{A/K}(x); tương tự, định thức của LxL_x được gọi là chuẩn của x đối với A và được ký hiệu bởi NA/K(x)N_{A/K}(x). Theo định nghĩa, biệt thức của một dãy (x1,...,xn)(x_1, ..., x_n) gồm n phần tử của A là định thức DA/K(x1,...,xn)D_{A/K}(x_1, ..., x_n) của ma trận (TrA/K(xixj))1≤i,j≤n(\mathrm{Tr}_{A/K}(x_i x_j))_{1 \leq i,j \leq n} (III, p. 549).

Cho K' là một mở rộng của K và cho A′=A(K′)A' = A_{(K')} là K'-đại số dẫn xuất từ A bằng mở rộng vô hướng. Ta có các công thức

(1)

TrA′/K′(1⊗x)=TrA/K(x).1,NA′/K′(1⊗x)=NA/K(x).1 \mathrm{Tr}_{A'/K'}(1 \otimes x) = \mathrm{Tr}_{A/K}(x) . 1 , \quad N_{A'/K'}(1 \otimes x) = N_{A/K}(x) . 1
với mọi x∈Ax \in A (III, p. 544). Với mọi dãy (x1,...,xn)(x_1, ..., x_n) các phần tử của A ta có

(2)

DA′/K′(1⊗x1,...,1⊗xn)=DA/K(x1,...,xn).1, D_{A'/K'}(1 \otimes x_1, ..., 1 \otimes x_n) = D_{A/K}(x_1, ..., x_n) . 1 ,
điều này suy ra từ công thức thứ nhất của (1).

2. Các chuẩn và các vết trong các đại số étale

Cho A là một đại số étale bậc (hữu hạn) nn trên K. Theo định nghĩa, khi đó tồn tại một mở rộng L của K và các đồng cấu phân biệt u1,...,unu_1, ..., u_n từ A vào L với các tính chất sau.

a) mọi đồng cấu của AA vào LL đều bằng một trong các uiu_i (V, p. 29, Hệ quả); b) tồn tại một đẳng cấu đại số u:A(L)→Lnu : A_{(L)} \to L^n sao cho

u(1⊗x)=(u1(x),…,un(x))với mọi x∈A. u(1 \otimes x) = (u_1(x), \ldots, u_n(x)) \quad \text{với mọi } x \in A .

Hơn nữa, mọi mở rộng đóng đại số LL của KK đều có các tính chất trên (V, p. 30, Mệnh đề 2).

Trong phần sau ta cố định L,u1,…,unL, u_1, \ldots, u_n. Cho x∈Ax \in A; ta sẽ chứng minh các công thức

TrA/K(x)⋅1=∑i=1nui(x),NA/K(x)⋅1=∏i=1nui(x). \text{Tr}_{A/K}(x) \cdot 1 = \sum_{i=1}^n u_i(x) , \quad \text{N}_{A/K}(x) \cdot 1 = \prod_{i=1}^n u_i(x) .

Gọi vv là phép nhân bởi l⊗xl \otimes x trong A(L)A_{(L)}; đối với cơ sở của A(L)A_{(L)} là ảnh qua u−1u^{-1} của cơ sở chính tắc của LnL^n, ma trận của ánh xạ tuyến tính vv là ma trận đường chéo, với các phần tử đường chéo là u1(x),…,un(x)u_1(x), \ldots, u_n(x). Ta kết luận rằng

TrA(L)/L(1∘x)⋅1=∑r=1nui(x),do đoˊTrA/K(x)⋅1=∑i=1nui(x) theo (1); Tr_{A_{(L)}/L}(1 \circ x) \cdot 1 = \sum_{r=1}^n u_i(x) , \quad \text{do đó} \quad \text{Tr}_{A/K}(x) \cdot 1 = \sum_{i=1}^n u_i(x) \text{ theo (1)} ;

trường hợp các chuẩn được xử lý tương tự.

Hơn nữa, cho (x1,…,xn)(x_1, \ldots, x_n) là một dãy các phần tử của AA, gọi U là ma trận

(ui(xj))1≤i,j≤n (u_i(x_j))_{1 \leq i,j \leq n}

và cho (tij)=′U.U(t_{ij}) = 'U . U. Theo công thức thứ nhất của (3) ta có

TrA/K(xixj)⋅1=∑k=1nuk(xixj)=∑k=1nuk(xi)uk(xj)=tij; \text{Tr}_{A/K}(x_i x_j) \cdot 1 = \sum_{k=1}^n u_k(x_i x_j) = \sum_{k=1}^n u_k(x_i) u_k(x_j) = t_{ij} ;

chuyển qua định thức, ta được

DA/K(x1,…,xr)⋅1=[det⁡ui(xj)]2. D_{A/K}(x_1, \ldots, x_r) \cdot 1 = [\det u_i(x_j)]^2 .

Mệnh đề 1

— Cho AA là một đại số giao hoán bậc hữu hạn trên KK. Khi đó các điều kiện sau là tương đương: a) Đại số AA là étale. b) Tồn tại một cơ sở của AA có biệt thức khác không. c) Với mỗi x≠0x \neq 0 trong AA tồn tại yy trong AA sao cho TrA/K(xy)≠0\text{Tr}_{A/K}(xy) \neq 0. *Hơn nữa, khi các điều kiện này được thỏa mãn, biệt thức của mọi cơ sở của AA đều khác không.

Trích dẫn đến 1 · Được trích dẫn bởi 2

Trích dẫn đến Định lý 1, V § 6

Được trích dẫn bởi Bổ đề 4, AC V § 2, Hệ quả

Ta sẽ chỉ ra rằng khi giả sử AA là étale, biệt thức của AA đối với mọi cơ sở (x1,…,xn)(x_1, \ldots, x_n) của AA trên KK đều khác không; điều này đặc biệt sẽ thiết lập kéo theo a)⇒b)a) \Rightarrow b). Theo (4), với ký hiệu ở trên, chỉ cần chỉ ra rằng ma trận U là khả nghịch, hay tương đương, rằng hệ phương trình tuyến tính

∑i=1nλiui(xj)=0(với 1≤j≤n) \sum_{i=1}^n \lambda_i u_i(x_j) = 0 \quad (\text{với } 1 \leq j \leq n)

chỉ có nghiệm λ1=⋯=A,=0\lambda_1 = \cdots = A, = 0 trong L. Bây giờ quan hệ (5) kéo theo ∑i=1nλiui(x)=0\sum_{i=1}^n \lambda_i u_i(x) = 0 với mọi x∈Ax \in A, do đó λi=0\lambda_i = 0 với 1≤i≤n1 \leq i \leq n, theo định lý về tính độc lập tuyến tính của các đồng cấu (V, p. 27, ĐL. 1).

Sự tương đương của b) và c) là hệ quả của bổ đề tổng quát sau đây:

Bổ đề 1

Cho V là một không gian vectơ số chiều hữu hạn trên K và B một dạng song tuyến tính trên V x V. Cho (v1,…,vn)(v_1, \ldots, v_n) là một cơ sở của V trên K và Δ=det⁡B(vi,vj)\Delta = \det B(v_i, v_j). Khi đó Δ≠0\Delta \neq 0 khi và chỉ khi, với mỗi x≠0x \neq 0 trong V tồn tại y trong V sao cho B(x,y)≠0B(x, y) \neq 0.

Được trích dẫn bởi 1

Được trích dẫn bởi Mệnh đề 3, VIII § 19

Ta có Δ≠0\Delta \neq 0 khi và chỉ khi hệ phương trình tuyến tính

∑i=1nλiB(vi,vj)=0(1≤j≤n) \sum_{i=1}^n \lambda_i B(v_i, v_j) = 0 \quad (1 \leq j \leq n)

chỉ có nghiệm A,=⋯=A,=0A, = \cdots = A, = 0 trong K. Nếu đặt x=∑i=1nλivix = \sum_{i=1}^n \lambda_i v_i, thì hệ trên tương đương với B(x,vj)=0B(x, v_j) = 0 với 1≤j≤n1 \leq j \leq n, hay cũng tương đương, vì (v1,…,vn)(v_1, \ldots, v_n) là một cơ sở của V trên K, với B(x,y)=0B(x, y) = 0 với mọi y∈Vy \in V, do đó suy ra bổ đề.

Ta hãy chứng minh rằng điều kiện c) kéo theo A là rút gọn. Cho x là một phần tử lũy linh của A: với mọi y∈Ay \in A phần tử xy là lũy linh, và do đó tự đồng cấu LxyL_{xy} của không gian vectơ A là lũy linh. Bây giờ bổ đề sau đây kéo theo Tr(xy)=0\mathrm{Tr}(xy) = 0 với mọi y∈Ay \in A, do đó x=0x = 0 dưới giả thiết c).

Bổ đề 2

Cho V là một không gian vectơ số chiều hữu hạn trên K và uu một tự đồng cấu lũy linh của V, khi đó Tr(u)=0\mathrm{Tr}(u) = 0.

Trích dẫn đến 1

Trích dẫn đến Định lý 4, V § 6

Với mỗi số nguyên n≥0n \geq 0 gọi VnV_n là ảnh của unu^n. Vì uu lũy linh, tồn tại một số nguyên r≥0r \geq 0 sao cho V0=V,Vr=0V_0 = V, V_r = 0 và Vi≠Vi+1V_i \neq V_{i+1} với 0≤i<r−10 \leq i < r - 1. Gọi d, là chiều của Vi−1V_{i-1} (với 1≤i≤r1 \leq i \leq r). Tồn tại một cơ sở (x1,…,xd)(x_1, \ldots, x_d) của V sao cho các vectơ xjx_j với d−di<j≤dd - d_i < j \leq d tạo thành một cơ sở của Vi−1V_{i-1} (với 1≤i≤r1 \leq i \leq r). Ta có u(Vi−1)⊂Viu(V_{i-1}) \subset V_i và do đó các phần tử đường chéo của ma trận của uu đối với cơ sở (x1,…,xn)(x_1, \ldots, x_n) đều bằng không. Vậy Tr(u)=0\mathrm{Tr}(u) = 0 và bổ đề được chứng minh.

Sau cùng ta hãy chứng minh rằng b) kéo theo a). Cho (x1,…,xn)(x_1, \ldots, x_n) là một cơ sở của A trên K sao cho DA/K(x1,…,xn)≠0D_{A/K}(x_1, \ldots, x_n) \neq 0. Cho K' là một mở rộng của K, A' là K'-đại số dẫn xuất từ A bằng mở rộng vô hướng và xi′=1⊗xix'_i = 1 \otimes x_i với 1≤i≤n1 \leq i \leq n. Theo Công thức (2) (V, p. 47) ta có DA′/K′(x1′,…,xn′)≠0D_{A'/K'}(x'_1, \ldots, x'_n) \neq 0. Áp dụng kết quả trên cho A' ta thấy rằng A' là rút gọn, do đó đại số A là étale (V, p. 34, ĐL. 4).

Hệ quả

— Cho E là một mở rộng bậc hữu hạn của K. Để E tách được thì điều kiện cần và đủ là tồn tại aa trong E sao cho TrE/K(a)≠0\mathrm{Tr}_{E/K}(a) \neq 0.

Trích dẫn đến 1 · Được trích dẫn bởi 2

Trích dẫn đến Mệnh đề 1

Được trích dẫn bởi Bài tập 9, § 11, Mệnh đề 5, VIII § 20

Điều kiện là cần theo Mệnh đề 1. Ngược lại, giả sử tồn tại a∈Ea \in E sao cho TrE/K(a)≠0\mathrm{Tr}_{E/K}(a) \neq 0. Với x≠0x \neq 0 cho trước trong E, nếu đặt y=ax′y = a x', thì TrE/K(xy)≠0\mathrm{Tr}_{E/K}(xy) \neq 0. Bây giờ Mệnh đề 1 cho thấy E là một đại số étale trên K, do đó là một mở rộng tách được của K.

3. Chuẩn và vết trong các mở rộng bậc hữu hạn

Các công thức bắc cầu trong các đại số (III, p. 548) kéo theo mệnh đề sau đây trong trường hợp các mở rộng bậc hữu hạn.

Mệnh đề 2

— Cho F là một mở rộng bậc hữu hạn của K và E một mở rộng con của F. Khi đó với mọi x∈Fx \in F ta có

TrF/K(x)=TrE/K(TrF/E(x))NF/K(x)=NE/K(NF/E(x)). \text{Tr}_{F/K}(x) = \text{Tr}_{E/K}(\text{Tr}_{F/E}(x)) \\ \text{N}_{F/K}(x) = \text{N}_{E/K}(\text{N}_{F/E}(x)) .

Hệ quả

— Đặt m=[F:E]m = [F : E]; khi đó với mọi x∈Ex \in E ta có

TrF/K(x)=m⋅TrE/K(x)NF/K(x)=NE/K(x)m. \text{Tr}_{F/K}(x) = m \cdot \text{Tr}_{E/K}(x) \\ \text{N}_{F/K}(x) = \text{N}_{E/K}(x)^m .

Được trích dẫn bởi 1

Được trích dẫn bởi Mệnh đề 3

Mệnh đề 3

— Cho E là một mở rộng bậc hữu hạn nn của K và x là một phần tử của E, bậc dd trên K. Viết f(X)=Xd+∑i=1daiXd−if(X) = X^d + \sum_{i=1}^d a_i X^{d-i} là đa thức tối tiểu của X trên K. Khi đó ta có

TrE/K(x)=−nda1NE/K(x)=(((−1)dad)n/d=(−1)nadn/d. \text{Tr}_{E/K}(x) = - \frac{n}{d} a_1 \\ \text{N}_{E/K}(x) = (((-1)^d a_d)^{n/d} = (-1)^n a_d^{n/d} .

Trích dẫn đến 1 · Được trích dẫn bởi 1

Trích dẫn đến Hệ quả

Được trích dẫn bởi Bổ đề 3

Mệnh đề 3 suy ra trực tiếp từ Hệ quả của Mệnh đề 2 và bổ đề sau:

Bổ đề 3

Cho R là một vành giao hoán, f(X)=Xd+∑i=1daiXd−if(X) = X^d + \sum_{i=1}^d a_i X^{d-i} là một đa thức đơn khởi của R[X]\mathbf{R}[X], A là đại số trên R R[X]/(f)\mathbf{R}[X]/(f) và x là lớp thặng dư của X trong A. Khi đó TrA/R(x)=−a1\text{Tr}_{A/R}(x) = -a_1 và NA/R(x)=(−1)dad\text{N}_{A/R}(x) = (-1)^d a_d.

Trích dẫn đến 1

Trích dẫn đến Mệnh đề 3

Theo Hệ quả (IV, p. 11), dãy (1,x,...,xd−1)(1, x, ..., x^{d-1}) là một cơ sở của A ; hơn nữa ta có

x⋅1=x,x⋅x=x2,…,x⋅xd−2=xd−1, x \cdot 1 = x , \quad x \cdot x = x^2 , \ldots , x \cdot x^{d-2} = x^{d-1} ,
x⋅xd−1=−ad⋅1−ad−1⋅x−…−a1⋅xd−1 x \cdot x^{d-1} = -a_d \cdot 1 - a_{d-1} \cdot x - \ldots - a_1 \cdot x^{d-1}

Do đó ma trận biểu diễn phép nhân bởi x đối với cơ sở (1,x,...,xd−1)(1, x, ..., x^{d-1}) của AA có dạng sau đây (ta lấy d=5d = 5 để cố định ý tưởng):

(0000−a1000−a0100−a30010−a20001−a1) \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & -a \\ 1 & 0 & 0 & 0 & -a \\ 0 & 1 & 0 & 0 & -a_3 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & -a_2 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & -a_1 \end{pmatrix}

Vết của ma trận này rõ ràng là −a-a; định thức có thể được tính bằng cách khai triển theo hàng đầu tiên, và khi đó ta được

(−1)d−1(−ad)=(−1)dad. (-1)^{d-1} (-a_d) = (-1)^d a_d .

Trong phần còn lại của Số này, ta ký hiệu E là một mở rộng bậc hữu hạn của K và ký hiệu xx là một phần tử của E. Ta sẽ chỉ ra cách tính chuẩn và vết của xx trong các trường hợp khác nhau.

a) Trường hợp của một mở rộng tách được: giả sử E là tách được bậc nn trên K, ký hiệu Ω\Omega là một bao đóng đại số của K và ký hiệu σ1,…,σn\sigma_1, \ldots, \sigma_n là nn K-đồng cấu phân biệt của E vào R. Theo Công thức (3) (VV, p. 48), ta có trong R

TrE/K(x)=∑i=1nσi(x),NE/K(x)=∏i=1nσi(x). \text{Tr}_{E/K}(x) = \sum_{i=1}^n \sigma_i(x) , \quad N_{E/K}(x) = \prod_{i=1}^n \sigma_i(x) .

b) Trường hợp của một mở rộng căn p: giả sử K có đặc số p>0p > 0 và mở rộng E là căn p; tồn tại một số nguyên e≥0e \geq 0 sao cho [E:K]=pe[E:K] = p^e (VV, p. 26, Prop. 4). Nếu ff là chiều cao của xx trên K, thì đa thức tối tiểu của xx trên K là Xpf−xpfX^{p^f} - x^{p^f} (VV, p. 24, Prop. 1). Theo Mệnh đề 3 ta có NE/K(x)=(xpf)pe/pfN_{E/K}(x) = (x^{p^f})^{p^e/p^f}, do đó

NE/K(x)=xpe=x[E:K] N_{E/K}(x) = x^{p^e} = x^{[E:K]}

Đối với vết, ta được TrE/K(x)=−pe−fa\text{Tr}_{E/K}(x) = -p^{e-f} a, trong đó aa là hệ số của Xpf−1X^{p^f-1} trong đa thức Xpf−xpfX^{p^f} - x^{p^f}; nói cách khác, ta có

TrE/K(x)=pe⋅x=[E:K]x={xneˆˊu [E:K]=10neˆˊu [E:K]>1. \text{Tr}_{E/K}(x) = p^e \cdot x = [E:K] x = \begin{cases} x & \text{nếu } [E:K] = 1 \\ 0 & \text{nếu } [E:K] > 1 . \end{cases}

c) Trường hợp tổng quát: ta có thể tóm tắt việc tính chuẩn và vết trong mệnh đề sau:

Mệnh đề 4

Cho p là số mũ đặc số của K và E là một mở rộng bậc hữu hạn của K. Cho σ1,…,σn\sigma_1, \ldots, \sigma_n là các K-đồng cấu phân biệt của E vào một bao đóng đại số Ω\Omega của K, và đặt pe=[E:K]ip^e = [E:K]_i. Với mỗi x∈Ex \in E ta có trong Ω\Omega

Được trích dẫn bởi 1

Được trích dẫn bởi Mệnh đề 5, AC V § 2

TrE/K(x)=pe⋅∑i=1nσi(x),NE/K(x)=(∏i=1nσi(x))pe. \text{Tr}_{E/K}(x) = p^e \cdot \sum_{i=1}^n \sigma_i(x) , \quad N_{E/K}(x) = \left( \prod_{i=1}^n \sigma_i(x) \right)^{p^e} .

Cho E, là bao đóng tách được tương đối của K trong E; khi đó EsE_s là một mở rộng tách được bậc nn của K và σ1,…,σn\sigma_1, \ldots, \sigma_n cảm sinh các K-đồng cấu phân biệt của E, vào R; hơn nữa, E là một mở rộng căn p của E, bậc pe^e (VV, p. 44, Prop. 13 and p. 46). Vậy Mệnh đề 4 suy ra từ các Công thức (6), (7), (13), (14) và (12).

Bài tập

Xem các bài tập cho § 8.

Bản dịch máy từ tiếng Anh, bởi gpt-5.4, theo bảng thuật ngữ phiên bản 34. Chưa được người kiểm tra.