Bourbaki

§ 1. Miền iđêan chính

1. Định nghĩa miền iđêan chính

Nhắc lại (I, p. 104) rằng một iđêan của một vành giao hoán AA được gọi là chính nếu nó có dạng (a)=Aa(a) = Aa với một a∈Aa \in A nào đó.

Định nghĩa 1

Một miền iđêan chính là một miền nguyên (I, p. 116) trong đó mọi iđêan đều là chính.

Ví dụ

Vành Z\mathbf{Z} của các số nguyên hữu tỉ là một miền iđêan chính (I, p. 111). Nếu KK là một trường giao hoán, thì vành đa thức K[X]K[X] theo một bất định trên KK là một miền iđêan chính (IV, p. 11, Mđề 11); điều tương tự đúng với vành các chuỗi lũy thừa hình thức K[[X]]K[[X]], vì mọi iđêan của vành này có dạng (Xn)(X^n) (IV, p. 38, Mđề 12). \* Vành các số nguyên trong một trường p-adic là một miền iđêan chính. \

Nếu Q(i)\mathbf{Q}(i) kí hiệu trường thu được từ trường Q\mathbf{Q} các số hữu tỉ bằng cách ghép thêm một nghiệm ii của đa thức bất khả quy X2+1X^2 + 1, thì các phần tử a+bia + bi của Q(i)\mathbf{Q}(i), trong đó aa và bb là các số nguyên hữu tỉ, tạo thành một vành con A\mathbf{A} của Q(i)\mathbf{Q}(i), được gọi là « các số nguyên Gaussian », là một miền iđêan chính (VII, p. 50, Bài tập 7). Trái lại, trong trường Q(ρ)\mathbf{Q}(\rho), trong đó ρ\rho là một nghiệm của X2+5X^2 + 5, vành con BB gồm các phần tử a+bpa + bp (a và b là các số nguyên hữu tỉ) không phải là một miền iđêan chính (VII, p. 51, Bài tập 12).

Vành đa thức K[X,Y]K[X, Y] theo hai bất định trên một trường KK không phải là một miền iđêan chính. Thật vậy, các hằng số khác không là những phần tử duy nhất chia hết cả XX lẫn YY, và không phần tử nào trong số chúng sinh ra iđêan sinh bởi XX và YY.

2. Tính chia hết trong các miền iđêan chính

Cho AA là một miền iđêan chính và cho KK là trường các phân thức của nó (I, p. 116); ta sẽ thấy rằng nhóm có thứ tự P∗\mathscr{P}^* của các iđêan phân thức chính (VI, p. 6) của KK là có thứ tự dàn; chính xác hơn:

Mệnh đề 1

Cho KK là trường các phân thức của một miền iđêan chính AA, và cho (xi)i∈I(x_i)_{i \in I} là một họ các phần tử của KK có một mẫu số chung b∈K∗b \in K^* (nói cách khác bxi∈Abx_i \in A với mọi ii). Khi đó:

a) Họ (xi)(x_i) có một ước chung lớn nhất trong KK. b) Mọi ước chung lớn nhất của (xi)(x_i) đều có thể được biểu diễn dưới dạng d=∑aixid = \sum a_i x_i, trong đó các aia_i là các phần tử của AA, tất cả trừ một số hữu hạn trong chúng là không.

Thật vậy, iđêan ∑Abx\sum Abx, của AA là chính, và do đó có dạng Ad′Ad'. Đặt d′=bd (d∈K)d' = bd \ (d \in K). Từ quan hệ d′=∑aibxid' = \sum a_i b x_i, ta suy ra d=∑aixid = \sum a_i x_i, trong đó ai∈Aa_i \in A. Do đó mọi ước chung của các xix_i đều chia hết dd. Mặt khác, vì bdbd là một ước chung của các bxbx, theo phép dựng, nên suy ra dd là một ước chung của các xix_i.

Nhận xét

Mệnh đề 1 áp dụng không có hạn chế nào cho một họ tùy ý (xi)(x_i) các phần tử của AA (lấy b=1b = 1), và cũng cho mọi họ hữu hạn (xi)(x_i) các phần tử của KK (nếu xi=cibix_i = c_i b_i với ci∈Ac_i \in A và bi∈Ab_i \in A, thì lấy bb là tích của các bib_i).

Hệ quả

— Cho (xi)(x_i) là một họ tùy ý các phần tử của một miền iđêan chính AA được chứa như một vành con trong một miền nguyên BB, và cho dd là một ước chung lớn nhất của họ (xi)(x_i) trong AA. Khi đó họ (xi)(x_i) có các ước chung lớn nhất trong BB, và dd là một trong số chúng.

Thật vậy dd là một ước chung của các xix_i trong BB. Mặt khác quan hệ d=∑aixid = \sum a_i x_i cho thấy rằng mọi ước chung của các xix_i trong BB đều chia hết dd.

Một áp dụng quan trọng của hệ quả này là khi A=K[X]A = K[X] và B=E[X]B = E[X], trong đó KK là một trường và EE là một mở rộng của KK (IV, p. 12, Hệ quả 1).

Mệnh đề đầu tiên của Mệnh đề 1 cho thấy rằng nhóm có thứ tự P∗\mathscr{P}^* là có thứ tự dàn (VI,VI, p. 10). Đặc biệt mọi họ hữu hạn các phần tử của KK đều có bội chung nhỏ nhất. Do đó ta có thể áp dụng các kết quả được ký hiệu (DIV) trong VIVI, pp. 10 đến 17 cho các miền iđêan chính.

Kết quả sau đây là một hệ quả của mệnh đề thứ hai của Mệnh đề I :

Định lý 1 (« đồng nhất thức Bezout »)

— Các phần tử xi (i∈I)x_i \ (i \in I) của một miền iđêan chính AA là nguyên tố cùng nhau theo tập khi và chỉ khi tồn tại các phần tử ai (i∈I)a_i \ (i \in I) của AA, tất cả trừ một số hữu hạn trong chúng là không, sao cho ∑aixi=1\sum a_i x_i = 1.

Tính cần thiết của điều kiện chỉ là Mệnh đề 1. Ngược lại, nếu ∑aixi=1\sum a_i x_i = 1 thì mọi ước chung của các xix_i đều chia hết 1, và do đó 1 là một ước chung lớn nhất của các xix_i.

Mệnh đề 2

— Cho a,b,d,ma, b, d, m và pp là các phần tử của trường phân thức KK của một miền iđêan chính AA. a) « dd là một ước chung lớn nhất của aa và bb » tương đương với « (d)=(a)+(b)(d) = (a) + (b) ». b) « mm là một bội chung nhỏ nhất của aa và bb » tương đương với « m=(a)∩(b)m = (a) \cap (b) ». c) « pp là một phần tử bất khả quy của AA » tương đương với « (p)(p) là một iđêan cực đại khác không của AA » và với « (p)(p) là một iđêan nguyên tố khác không của AA ».

Ta đã chứng minh a) (Mệnh đề 1). Vì các bội chung của aa và bb là các phần tử của (a)∩(b)(a) \cap (b), và vì, theo giả thiết, iđêan (a)∩(b)(a) \cap (b) là chính, giả sử (a)∩(b)=(m)(a) \cap (b) = (m), nên suy ra rằng mm là một bội chung nhỏ nhất của aa và bb, điều này chứng minh b). Cuối cùng, nói rằng p≠0p \neq 0 là một phần tử bất khả quy của AA có nghĩa theo định nghĩa (VI, p. 17) rằng (p)(p) là một phần tử cực đại của họ các iđêan chính ≠A\neq A của AA, có thứ tự bởi quan hệ bao hàm; vì AA không có iđêan nào khác ngoài các iđêan chính, điều này có nghĩa rằng (p)(p) là một iđêan cực đại của AA, do đó có c), theo nhận xét trong VI, p. 17.

Trong một miền iđêan chính AA, tổng (tương ứng, giao) của một số hữu hạn các iđêan cũng được gọi là gcd (tương ứng, lcm) của các iđêan này.

Mệnh đề 3

Cho a,b,ca, b, c là các phần tử của trường phân thức của một miền iđêan chính AA, và cho dd là một ước chung lớn nhất của aa và cc; khi đó đồng dư thức ax≡b(modc)ax \equiv b \pmod{c} có một nghiệm x0∈Ax_0 \in A khi và chỉ khi dd chia hết bb; trong trường hợp này các phần tử xx của AA thỏa mãn ax≡b(modc)ax \equiv b \pmod{c} chính xác là các phần tử thỏa mãn x≡x0(modcd)x \equiv x_0 \pmod{cd}*.

Nếu ax≡b(modc)ax \equiv b \pmod{c}, với x∈Ax \in A, thì tồn tại y∈Ay \in A sao cho b=ax+cyb = ax + cy, do đó dd chia hết bb. Ngược lại, nếu dd chia hết bb thì b=ax0+cy0b = ax_0 + cy_0 với x0,y0∈Ax_0, y_0 \in A (Mệnh đề 1), do đó ax0≡b(modc)ax_0 \equiv b \pmod{c}; hơn nữa, quan hệ ax≡b(modc)ax \equiv b \pmod{c} khi đó tương đương với a(x−x0)≡0(modc)a(x - x_0) \equiv 0 \pmod{c}; đặt a=da′a = da' và c=dc′c = dc', cái sau trở thành a′(x−x0)≡0(modc′)a'(x - x_0) \equiv 0 \pmod{c'}. Nhưng điều này tương đương (đối với x∈Ax \in A) với x−x0≡0(modc′)x - x_0 \equiv 0 \pmod{c'}, vì a′a' và c′c' nguyên tố cùng nhau (VI, p. 14, Mệnh đề 10 (DIV) và VI, p. 15, Hệ quả 2 của Mệnh đề 11 (DIV)).

Mệnh đề 4

Cho (ai)(a_i), i≤ni \leq n là một họ hữu hạn các phần tử từng đôi một nguyên tố cùng nhau của miền iđêan chính AA. Khi đó đồng cấu chính tắc (I, p. 110) từ A/(∏r=1nar)A / \left( \prod_{r=1}^n a_r \right) vào tích ∏r=1nA/(ar)\prod_{r=1}^n A/(a_r) là một đẳng cấu của các AA-đại số.

Điều này suy ra từ I, p. 110, Mệnh đề 9 và từ Mệnh đề 2 a).

Kết luận của Mệnh đề 4 không còn đúng nếu không giả thiết rằng các aia_i từng đôi một nguyên tố cùng nhau (xem VII, p. 24, Mệnh đề 9).

3. Phân tích thành các nhân tử bất khả quy trong các miền iđêan chính

Bây giờ ta sẽ áp dụng các kết quả của VI, p. 18, liên quan đến phân tích thành các phần tử bất khả quy, cho các miền iđêan chính. Theo Mệnh đề 2, một phần tử p≠0p \neq 0 của AA là bất khả quy khi và chỉ khi vành A/(p)A/(p) là một trường (I, p. 115, Hệ quả 1), nghĩa là khi và chỉ khi đồng dư thức ax≡b(modp)ax \equiv b \pmod{p} có nghiệm trong AA với mỗi b∈Ab \in A và với mỗi a∈Aa \in A không phải là bội của pp.

Định nghĩa 2

Cho AA là một miền nguyên. Một hệ đại diện của các phần tử bất khả quy của AA là một họ (pα)(p_\alpha) gồm các phần tử bất khả quy của AA sao cho mỗi phần tử bất khả quy của AA là phần tử liên kết với đúng một pαp_\alpha.

Định lý 2

— Cho A\mathbf{A} là một miền iđêan chính và cho (pα)(p_\alpha) là một hệ đại diện của các phần tử bất khả quy của A\mathbf{A}. Khi đó mọi phần tử khác không xx của trường phân thức của AA có thể được biểu diễn duy nhất dưới dạng

x=u∏αpαnα, x = u \prod_{\alpha} p_{\alpha}^{n_{\alpha}},

trong đó uu là một phần tử khả nghịch của A\mathbf{A}, và trong đó các nαn_{\alpha} là các số nguyên, tất cả trừ một số hữu hạn trong chúng đều bằng không. Để xx thuộc A\mathbf{A} thì điều kiện cần và đủ là tất cả các nαn_{\alpha} đều dương.

Ta sẽ sử dụng định lý về phân tích thành một tổng các phần tử bất khả quy (VI, p. 18, Định lý 2), mà mệnh đề trên chỉ là một cách phát biểu lại. Vì P∗\mathscr{P}^* là một nhóm có thứ tự dàn nên đối với chúng ta chỉ cần chứng minh rằng mọi tập hợp khác rỗng các iđêan chính của A\mathbf{A} đều chứa một phần tử cực đại, để kiểm tra rằng các giả thiết của định lý này thực sự được thỏa mãn; giờ đây điều này suy ra từ Bổ đề sau:

Bổ đề 1

Cho AA là một vành sao cho mọi iđêan trái của AA đều sinh hữu hạn. Khi đó mọi tập hợp khác rỗng Φ\Phi các iđêan trái của A\mathbf{A}, có thứ tự bởi quan hệ bao hàm, đều có một phần tử cực đại.

Theo Bổ đề Zorn (Lý thuyết tập hợp, III, p. 154, Đl. 2) chỉ cần chứng minh rằng Φ\Phi là quy nạp. Bây giờ nếu (aλ)(a_\lambda) là một họ có thứ tự toàn phần các phần tử của Φ\Phi thì hợp aa của các iđêan aia_i là một iđêan trái của A\mathbf{A}, và do đó thừa nhận một hệ hữu hạn các phần tử sinh (ai)1≤i≤n(a_i)_{1 \leq i \leq n}. Vì mỗi aia_i thuộc một iđêan a,,a_{,,}, và vì họ (aλ)(a_\lambda) có thứ tự toàn phần, nên các aia_i đều thuộc iđêan lớn nhất trong các iđêan aλia_{\lambda_i}, chẳng hạn a1a_1. Khi đó a=a1a = a_1 thuộc Φ\Phi, do đó đây thực sự là một tập quy nạp.

Sau này chúng ta sẽ nghiên cứu những vành BB, được gọi là các vành Noether, sao cho mọi tập hợp khác rỗng các iđêan của BB đều chứa một phần tử cực đại.

Nhận xét

Họ (u,(nα))(u, (n_\alpha)) được gọi là phân tích của xx thành các thừa số bất khả quy; do lạm dụng ngôn ngữ, ta cũng nói rằng công thức (1) là phân tích của xx thành các thừa số bất khả quy. Nếu x=u∏αpαnαx = u \prod_{\alpha} p_{\alpha}^{n_{\alpha}} và y=v∏αpαmαy = v \prod_{\alpha} p_{\alpha}^{m_{\alpha}} là các phân tích của xx và yy thành các thừa số bất khả quy, thì một điều kiện cần và đủ để xx chia hết cho yy là nα≤mαn_{\alpha} \leq m_{\alpha}, với mọi α\alpha; từ đó ta suy ra các công thức

gcd⁡(x,y)=∏αpαinf⁡(nα,mα) \gcd(x, y) = \prod_{\alpha} p_{\alpha}^{\inf(n_{\alpha}, m_{\alpha})}
lcm⁡(x,y)=∏αpαsup⁡(nα,mα) \operatorname{lcm}(x, y) = \prod_{\alpha} p_{\alpha}^{\sup(n_{\alpha}, m_{\alpha})}

Tính chất được biểu thị bởi Đl. 2 là đúng cho một lớp các vành tổng quát hơn các miền iđêan chính; sau này chúng ta sẽ nghiên cứu chúng dưới tên các miền phân tích duy nhất; và chúng ta sẽ thấy rằng các vành đa thức và các vành chuỗi lũy thừa hình thức với tùy ý nhiều bất định là các miền phân tích duy nhất (Đại số giao hoán, VII, § 3).

4. Tính chia hết của các số nguyên hữu tỉ

Như đã được chỉ ra trong tiết 1, vành Z\mathbf{Z} các số nguyên hữu tỉ là một miền iđêan chính; trường các phân thức của nó là Q\mathbf{Q}. Nhóm nhân UU các phần tử khả nghịch của Z\mathbf{Z} có hai phần tử 1 và −1-1. Nhóm Q+∗Q_+^* các số hữu tỉ >0> 0 chứa chính xác một phần tử từ mỗi lớp các phần tử liên kết của Q\mathbf{Q}; do đó nó đẳng cấu với nhóm nhân P∗=Q∗/U\mathscr{P}^* = Q^*/U các iđêan phân thức chính của Q\mathbf{Q}, mà với nhóm này nó thường được đồng nhất. Đặc biệt, bất cứ khi nào sử dụng ước chung lớn nhất hoặc bội chung nhỏ nhất trong trường Q\mathbf{Q} (đối với vành Z\mathbf{Z}), ta hiểu rằng đây là các phần tử ⩾0\geqslant 0; quy ước này cho phép ta nói về ước chung lớn nhất và bội chung nhỏ nhất của một họ các số hữu tỉ.

Các số nguyên bất khả quy >0> 0 trong Z\mathbf{Z} chính là những số mà ta đã gọi là các số nguyên tố (I, p. 50) (đôi khi được gọi là các số nguyên tố hữu tỉ); mọi phần tử bất khả quy của Z\mathbf{Z} do đó có dạng pp hoặc −p-p, trong đó pp là một số nguyên tố, và tập hợp PP các số nguyên tố là một hệ các đại diện của các phần tử bất khả quy của Z\mathbf{Z}.

Mệnh đề 5

— Tập hợp các số nguyên tố là vô hạn.

Thật vậy, cho một họ hữu hạn tùy ý (pi)(p_i) (1≤i≤n1 \leq i \leq n) các số nguyên tố phân biệt, mọi ước nguyên tố qq của số (∏i=1npi)+1\left( \prod_{i=1}^n p_i \right) + 1 (lớn hơn 11) đều phân biệt với tất cả các pip_i, vì nếu không thì nó sẽ chia hết cho 1.

5. Tính chia hết của các đa thức theo một bất định trên một trường

Vành đa thức K[X]K[X] theo một bất định trên một trường giao hoán KK là một miền iđêan chính (IV, p. 11, Mệnh đề 11). Trường phân thức của nó là trường K(X)K(X) các hàm hữu tỉ theo XX với các hệ số trong KK. Vành K[X]K[X] chứa vành con các đa thức có bậc 0, nghĩa là trường các hằng, được đồng nhất với KK; các phần tử của K∗K^* là khả nghịch trong KK, và do đó trong K[X]K[X]; đảo lại công thức deg⁡(uv)=deg⁡(u)+deg⁡(v)\deg(uv) = \deg(u) + \deg(v) chỉ ra rằng mọi đa thức khả nghịch đều có bậc 0; nhóm UU các phần tử khả nghịch của K[X]K[X] do đó chính xác là K∗K^*. Do đó hai đa thức liên kết chỉ khác nhau bởi một nhân tử hằng khác không; đặc biệt mọi lớp các đa thức liên kết chứa một đa thức đơn khởi duy nhất. Nhóm con của nhóm nhân K(X)∗K(X)^* được sinh bởi các đa thức đơn khởi do đó chứa một phần tử duy nhất từ mỗi lớp các hàm hữu tỉ liên kết, và do đó đẳng cấu với nhóm

P∗=K(X)∗/U \mathscr{P}^* = K(X)^*/U

của các iđêan phân thức chính của K(X)K(X). Đặc biệt, bất cứ khi nào ước chung lớn nhất hoặc bội chung nhỏ nhất trong trường K(X)K(X) (đối với vành K[X]K[X]) được đề cập, thông thường ta hiểu rằng đó là các thương của các đa thức đơn khởi (hoặc 0); quy ước này cho phép ta nói về ước chung lớn nhất hoặc bội chung nhỏ nhất của một họ các hàm hữu tỉ.

Các phần tử bất khả quy của K[X]K[X] chính xác là các đa thức bất khả quy theo nghĩa thông thường (IV, p. 13, Định nghĩa 2), và tập hợp các đa thức bất khả quy đơn khởi là một hệ các đại diện của các phần tử bất khả quy của K[X]K[X].

Một đa thức bậc một luôn là bất khả quy. Nếu KK là một trường đóng đại số thì đảo lại đúng (V, p. 19, Mệnh đề 1); do đó trong trường hợp này mọi đa thức p(X)p(X) bậc nn trong K[X]K[X] có thể được viết duy nhất (sai khác bởi thứ tự của các nhân tử) dưới dạng

p(X)=c(X−a1)(X−a2)…(X−an) p(X) = c(X - a_1)(X - a_2) \ldots (X - a_n)

trong đó cc và các aia_i là các phần tử của KK.

Mệnh đề 6

Với mọi trường KK, tập hợp các đa thức bất khả quy đơn khởi trong K[X]K[X] là vô hạn.

Thật vậy, cho một họ hữu hạn khác rỗng tùy ý (pi)(p_i) (1≤i≤n1 \leq i \leq n) gồm các đa thức bất khả quy đơn khởi phân biệt, đa thức (∏i=1npi)+1\left( \prod_{i=1}^n p_i \right) + 1 không khả nghịch, và mọi nhân tử bất khả quy đơn khởi qq của đa thức này nhất thiết phân biệt với mọi pip_i, nếu không nó sẽ chia hết cho 1.

Bài tập

Xem các bài tập của § 1.

Machine translation of the English, by gpt-5-6-mini, 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.