Cho A là một đại số bậc hữu hạn n trên K. Với mỗi x∈A ta ký hiệu bởi Lx ánh xạ tuyến tính a↦xa từ A vào chính nó. Ta nhắc lại (III, p. 543) rằng vết của Lx được gọi là vết của x đối với A và được viết là TrA/K(x); tương tự, định thức của Lx được gọi là chuẩn của x đối với A và được ký hiệu bởi NA/K(x). Theo định nghĩa, biệt thức của một dãy (x1,...,xn) gồm n phần tử của A là định thức DA/K(x1,...,xn) của ma trận (TrA/K(xixj))1≤i,j≤n (III, p. 549).
Cho K' là một mở rộng của K và cho 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
với mọi x∈A (III, p. 544). Với mọi dãy (x1,...,xn) các phần tử của A ta có
(2)
DA′/K′(1⊗x1,...,1⊗xn)=DA/K(x1,...,xn).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) n trên K. Theo định nghĩa, khi đó tồn tại một mở rộng L của K và các đồng cấu phân biệt u1,...,un từ A vào L với các tính chất sau.
a) mọi đồng cấu của A vào L đều bằng một trong các ui (V, p. 29, Hệ quả); b) tồn tại một đẳng cấu đại số u:A(L)→Ln sao cho
u(1⊗x)=(u1(x),…,un(x))với mọi x∈A.
Hơn nữa, mọi mở rộng đóng đại số L của K đều có các tính chất trên (V, p. 30, Mệnh đề 2).
Trong phần sau ta cố định L,u1,…,un. Cho x∈A; ta sẽ chứng minh các công thức
TrA/K(x)⋅1=i=1∑nui(x),NA/K(x)⋅1=i=1∏nui(x).
Gọi v là phép nhân bởi l⊗x trong A(L); đối với cơ sở của A(L) là ảnh qua u−1 của cơ sở chính tắc của Ln, ma trận của ánh xạ tuyến tính v là ma trận đường chéo, với các phần tử đường chéo là u1(x),…,un(x). Ta kết luận rằng
TrA(L)/L(1∘x)⋅1=r=1∑nui(x),do đoˊTrA/K(x)⋅1=i=1∑nui(x) theo (1);
trường hợp các chuẩn được xử lý tương tự.
Hơn nữa, cho (x1,…,xn) là một dãy các phần tử của A, gọi U là ma trận
(ui(xj))1≤i,j≤n
và cho (tij)=′U.U. Theo công thức thứ nhất của (3) ta có
— Cho A là một đại số giao hoán bậc hữu hạn trên K. Khi đó các điều kiện sau là tương đương: a) Đại số A là étale. b) Tồn tại một cơ sở của A có biệt thức khác không. c) Với mỗi x=0 trong A tồn tại y trong A sao cho TrA/K(xy)=0. *Hơn nữa, khi các điều kiện này được thỏa mãn, biệt thức của mọi cơ sở của A đều khác không.
Ta sẽ chỉ ra rằng khi giả sử A là étale, biệt thức của A đối với mọi cơ sở (x1,…,xn) của A trên K đều khác không; điều này đặc biệt sẽ thiết lập kéo theo a)⇒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=1∑nλiui(xj)=0(với 1≤j≤n)
chỉ có nghiệm λ1=⋯=A,=0 trong L. Bây giờ quan hệ (5) kéo theo ∑i=1nλiui(x)=0 với mọi x∈A, do đó λi=0 với 1≤i≤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)là một cơ sở của V trên K vàΔ=detB(vi,vj). Khi đó Δ=0 khi và chỉ khi, với mỗi x=0 trong V tồn tại y trong V sao cho B(x,y)=0.
Ta có Δ=0 khi và chỉ khi hệ phương trình tuyến tính
i=1∑nλiB(vi,vj)=0(1≤j≤n)
chỉ có nghiệm A,=⋯=A,=0 trong K. Nếu đặt x=∑i=1nλivi, thì hệ trên tương đương với B(x,vj)=0 với 1≤j≤n, hay cũng tương đương, vì (v1,…,vn) là một cơ sở của V trên K, với B(x,y)=0 với mọi y∈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∈A phần tử xy là lũy linh, và do đó tự đồng cấu Lxy của không gian vectơ A là lũy linh. Bây giờ bổ đề sau đây kéo theo Tr(xy)=0 với mọi y∈A, do đó x=0 dưới giả thiết c).
Bổ đề 2
Cho V là một không gian vectơ số chiều hữu hạn trên K và u một tự đồng cấu lũy linh của V, khi đó Tr(u)=0.
Với mỗi số nguyên n≥0 gọi Vn là ảnh của un. Vì u lũy linh, tồn tại một số nguyên r≥0 sao cho V0=V,Vr=0 và Vi=Vi+1 với 0≤i<r−1. Gọi d, là chiều của Vi−1 (với 1≤i≤r). Tồn tại một cơ sở (x1,…,xd) của V sao cho các vectơ xj với d−di<j≤d tạo thành một cơ sở của Vi−1 (với 1≤i≤r). Ta có u(Vi−1)⊂Vi và do đó các phần tử đường chéo của ma trận của u đối với cơ sở (x1,…,xn) đều bằng không. Vậy Tr(u)=0 và bổ đề được chứng minh.
Sau cùng ta hãy chứng minh rằng b) kéo theo a). Cho (x1,…,xn) là một cơ sở của A trên K sao cho DA/K(x1,…,xn)=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⊗xi với 1≤i≤n. Theo Công thức (2) (V, p. 47) ta có DA′/K′(x1′,…,xn′)=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 a trong E sao cho TrE/K(a)=0.
Điều kiện là cần theo Mệnh đề 1. Ngược lại, giả sử tồn tại a∈E sao cho TrE/K(a)=0. Với x=0 cho trước trong E, nếu đặt y=ax′, thì TrE/K(xy)=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∈F ta có
— Cho E là một mở rộng bậc hữu hạn n của K và x là một phần tử của E, bậc d trên K. Viết f(X)=Xd+∑i=1daiXd−i là đa thức tối tiểu của X trên K. Khi đó ta có
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−i là một đa thức đơn khởi của R[X], A là đại số trên R R[X]/(f) và x là lớp thặng dư của X trong A. Khi đó TrA/R(x)=−a1 và NA/R(x)=(−1)dad.
Theo Hệ quả (IV, p. 11), dãy (1,x,...,xd−1) là một cơ sở của A ; hơn nữa ta có
x⋅1=x,x⋅x=x2,…,x⋅xd−2=xd−1,
x⋅xd−1=−ad⋅1−ad−1⋅x−…−a1⋅xd−1
Do đó ma trận biểu diễn phép nhân bởi x đối với cơ sở (1,x,...,xd−1) của A có dạng sau đây (ta lấy d=5 để cố định ý tưởng):
01000001000001000001−a−a−a3−a2−a1
Vết của ma trận này rõ ràng là −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.
Trong phần còn lại của Số này, ta ký hiệu E là một mở rộng bậc hữu hạn của K và ký hiệu x là một phần tử của E. Ta sẽ chỉ ra cách tính chuẩn và vết của x trong các trường hợp khác nhau.
a) Trường hợp của một mở rộng tách được: giả sử E là tách được bậc n trên K, ký hiệu Ω là một bao đóng đại số của K và ký hiệu σ1,…,σn là n K-đồng cấu phân biệt của E vào R. Theo Công thức (3) (V, p. 48), ta có trong R
TrE/K(x)=i=1∑nσi(x),NE/K(x)=i=1∏nσi(x).
b) Trường hợp của một mở rộng căn p: giả sử K có đặc số p>0 và mở rộng E là căn p; tồn tại một số nguyên e≥0 sao cho [E:K]=pe (V, p. 26, Prop. 4). Nếu f là chiều cao của x trên K, thì đa thức tối tiểu của x trên K là Xpf−xpf (V, p. 24, Prop. 1). Theo Mệnh đề 3 ta có NE/K(x)=(xpf)pe/pf, do đó
NE/K(x)=xpe=x[E:K]
Đối với vết, ta được TrE/K(x)=−pe−fa, trong đó a là hệ số của Xpf−1 trong đa thức Xpf−xpf; nói cách khác, ta có
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 là các K-đồng cấu phân biệt của E vào một bao đóng đại số Ω của K, và đặt pe=[E:K]i. Với mỗi x∈E ta có trong Ω
Cho E, là bao đóng tách được tương đối của K trong E; khi đó Es là một mở rộng tách được bậc n của K và σ1,…,σn 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 (V, p. 44, Prop. 13 and p. 46). Vậy Mệnh đề 4 suy ra từ các Công thức (6), (7), (13), (14) và (12).