Phụ lục 1 đại số không có phần tử khả nghịch
Trong phụ lục này, là một vành giao hoán; các -đại số được giả thiết là kết hợp nhưng không nhất thiết có đơn vị.
1. Iđêan chính quy
Cho A là một -đại số. Nhắc lại (III, §1, No. 2, p. 430) rằng một iđêan trái của A là một -môđun con của A sao cho các quan hệ kéo theo . Ta định nghĩa tương tự các khái niệm iđêan phải và iđêan hai phía. Nếu A là một -đại số và là một iđêan hai phía của A, thì khi chuyển qua các thương, phép nhân trong A xác định một cấu trúc -đại số trên -môđun (loc. cit.).
Một iđêan trái của A được gọi là cực đại nếu nó là một phần tử cực đại của tập hợp các iđêan trái thực sự của A đối với quan hệ bao hàm.
Định nghĩa 1 00P4
Cho A là một -đại số và là một iđêan trái của A. Một phần tử của A sao cho thuộc với mọi được gọi là một đơn vị phải modulo . Ta nói rằng iđêan là chính quy nếu tồn tại một đơn vị phải modulo .
Tương tự, ta nói rằng một iđêan phải của A là chính quy nếu A có một đơn vị trái modulo , nghĩa là, một phần tử sao cho với mọi . Khi một iđêan là hai phía, cần chỉ rõ nó chính quy với tư cách iđêan trái hay với tư cách iđêan phải.
Khi đại số A có đơn vị, phần tử đơn vị của A là một đơn vị phải modulo đối với mọi iđêan trái của A; trong trường hợp này, mọi iđêan trái (hoặc phải) của A đều chính quy. Mặt khác, nếu A là một -đại số mà mọi phần tử của nó đều lũy linh, thì A là iđêan duy nhất (trái hoặc phải) của A chính quy.
Cho là một iđêan trái chính quy của A và là một đơn vị phải modulo . Nếu là một iđêan trái của A chứa , thì là một đơn vị phải modulo , do đó là chính quy. Vậy các iđêan trái của A cực đại và chính quy là các phần tử cực đại của tập hợp các iđêan trái thực sự chính quy của A. Hơn nữa, một iđêan trái của A chứa là thực sự khi và chỉ khi không thuộc . Do đó, tập hợp các iđêan trái thực sự của A chứa , có thứ tự bởi quan hệ bao hàm, là một tập quy nạp. Định lý 2 của Lý thuyết tập hợp, III, §2, No. 4, p. 154 áp dụng cho tập hợp này cho kết quả sau.
Mệnh đề 1 00P5
Mọi iđêan trái (tương ứng phải) thực sự chính quy của A đều được chứa trong một iđêan trái (tương ứng phải) cực đại chính quy.
Mệnh đề 2 00P6
Cho A là một -đại số giao hoán. Một iđêan của A là một iđêan cực đại chính quy nếu và chỉ nếu giả vành (I, §8, No. 1, p. 98) là một trường.
Một phần tử của A là một đơn vị modulo (phải hoặc trái) nếu và chỉ nếu ảnh chính tắc của trong là một phần tử đơn vị của đại số . Do đó, iđêan là chính quy nếu và chỉ nếu đại số có đơn vị. Giả sử các điều kiện này được thỏa mãn.
Ánh xạ là một song ánh từ tập hợp các iđêan của đại số A chứa tới tập hợp các iđêan của đại số . Đây là các iđêan của vành vì đại số này có đơn vị. Cuối cùng, theo Định lý 1 của I, §9, No. 1, p. 115, vành là một trường nếu và chỉ nếu nó khác không và các iđêan duy nhất của nó là 0 và chính nó. Mệnh đề được chứng minh.
Ví dụ 1 00P7
Cho V là một không gian vectơ vô hạn chiều trên một trường giao hoán K. Gọi End là đại số con trên K của End gồm các tự đồng cấu có hạng hữu hạn. Cho W là một không gian con tuyến tính của V, và gọi là tập hợp các phần tử của End mà hạt nhân chứa W; đó là một iđêan trái của End. Một phần tử của End là một đơn vị phải modulo khi và chỉ khi ta có với mọi . Một phần tử như vậy tồn tại, nghĩa là, là chính quy, khi và chỉ khi W là hữu hạn chiều. Iđêan là cực đại và chính quy khi và chỉ khi W có chiều 1.
Ví dụ 2 00P8
Cho T là một không gian compact địa phương, và gọi là -đại số giao hoán của các ánh xạ liên tục từ T vào mà tiến tới 0 ở vô cực (Gen. Top., X, §4, No. 4, p. 316); nó có đơn vị khi và chỉ khi T compact. Cho F là một tập con đóng của T, và gọi là tập hợp các phần tử của mà hạn chế của chúng trên F là hàm không; đó là một iđêan của . Một phần tử của là một đơn vị modulo khi và chỉ khi ta có với mọi . Tồn tại một phần tử như vậy , nghĩa là là chính quy, khi và chỉ khi F compact. Ánh xạ là một song ánh từ T lên tập hợp các iđêan cực đại chính quy của (TS, I, §3, n, p. 32, hệ quả 1). Giả sử T không compact, và ký hiệu bởi tập con của gồm các hàm có giá compact; khi đó là một iđêan của không được chứa trong bất kỳ iđêan chính quy nào của .
Ví dụ 3 00P9
Cho là đại số chập của nhóm compact địa phương . Nhắc lại (xem Int., VIII, §4, No. 5, p. 38) rằng là không gian các lớp hàm trên khả tích đối với độ đo Lebesgue. Tích của các lớp của hai hàm và là lớp của hàm được xác định bởi công thức
với hầu khắp mọi . Đại số không có đơn vị. Với mọi trong , ký hiệu là tập hợp các phần tử của thỏa mãn
Theo TS, II, §3, n, p. 252, định lý 1, ánh xạ là một song ánh từ lên tập hợp các iđêan cực đại chính quy của đại số
2. Phép nối một phần tử đơn vị
Cho A là một -đại số. Trong III, §1, No. 2, p. 431, chúng ta đã định nghĩa đại số có đơn vị suy ra từ A bằng phép nối một phần tử đơn vị . Ta đồng nhất A với một iđêan hai phía của . -môđun là tổng trực tiếp của các môđun con và A.
Mệnh đề 3 00PA
a) Cho là một iđêan trái của sao cho . Ta đặt . Tồn tại một phần tử của A sao cho thuộc . Nếu là một phần tử như vậy, thì nó là một phần tử khả nghịch phải của A modulo , và ta có ; đặc biệt, iđêan là chính quy.
b) Ngược lại, cho là một iđêan trái chính quy của A và là một phần tử khả nghịch phải của A modulo . Đặt . Khi đó là một iđêan trái của sao cho , và ta có .
c) Nếu là một trường, thì điều kiện tương đương với việc nói rằng không được chứa trong A.
Dưới giả thiết của a), phần tử của có thể được viết thành với và . Đặt là một phần tử của , trong đó và ; nếu thuộc , thì phần tử của A thuộc , và ta có ; điều này chứng minh đẳng thức . Hơn nữa, với mọi trong A, phần tử của A thuộc , nên là một đơn vị phải modulo . Điều này chứng minh mệnh đề a).
Cho và như trong b). Vì là tổng trực tiếp của A và , ta có và . Mọi phần tử của đều có dạng với và . Với mọi , ta có
Vì là một phần tử khả nghịch phải của A modulo , tổng thuộc , do đó là một iđêan trái của A. Điều này chứng minh b).
Cuối cùng, nếu là một trường, thì A là một siêu phẳng trong , và là tổng của và A khi và chỉ khi không được chứa trong A.
Hệ quả 00PB
Các iđêan chính quy trái của A là các iđêan có dạng , trong đó là một iđêan trái của sao cho .
Mệnh đề 4 00PC
a) Cho là một iđêan trái cực đại chính quy của A. Tồn tại một iđêan trái duy nhất của sao cho và . Iđêan này là cực đại và không chứa A.
b) Ánh xạ là một song ánh từ tập hợp các iđêan trái cực đại của không chứa A lên tập hợp các iđêan trái cực đại chính quy của A.
Cho là một iđêan trái cực đại chính quy của A. Theo Mệnh đề 3, a), các iđêan trái của sao cho và là các iđêan , trong đó là một đơn vị phải modulo . Do đó, để chứng minh tính duy nhất của , chỉ cần chứng minh rằng hai đơn vị phải và của A modulo là đồng dư modulo . Lập luận phản chứng, giả sử rằng không thuộc . Công thức cho thấy rằng ta có ; suy ra là một iđêan trái của A chứa và phân biệt với . Vì là cực đại, do đó ta có , và do đó AA . Với mọi , ta có (mod ), và do đó theo điều trên, mâu thuẫn với giả thiết .
Do đó tồn tại một iđêan trái duy nhất của sao cho và . Cho là một iđêan trái thực sự của chứa . Khi đó là một iđêan trái thực sự của A chứa . Vậy nó bằng vì là cực đại, điều này kéo theo theo Bổ đề 2 của VIII, p. 4. Điều này chứng minh rằng là một iđêan cực đại của ; đối với một iđêan như thế, điều kiện có nghĩa là không chứa A.
Còn phải chứng minh rằng nếu là một iđêan trái cực đại của không chứa A, thì iđêan trái của A là cực đại. Cho là một iđêan trái thực sự của A chứa . Gọi là một đơn vị phải modulo sao cho (Mệnh đề 3). Nó cũng là một đơn vị phải modulo ; ký hiệu bởi iđêan của . Theo Mệnh đề 3, b), ta có . Iđêan , bằng , được chứa trong và do đó bằng vì phân biệt với và là cực đại. Do đó, ta có , và là cực đại.
Chúng tôi để độc giả chuyển Mệnh đề 3 và 4 sang các iđêan phải.
3. Căn của một đại số
Cho A là một -đại số. Một môđun giả trái trên A là một -môđun M được trang bị cấu trúc môđun giả trái trên giả vành A (II, Phụ lục, No. 2, p. 378) sao cho ta có với , , và . Ta cũng định nghĩa tương tự các môđun giả phải trên A.
Cho M là một môđun giả trái trên A; ta định nghĩa trên M một cấu trúc -môđun trái gọi là chính tắc bằng cách đặt
với .
Ngược lại, mọi -môđun trái đều được trang bị một cách chính tắc, bằng cách hạn chế vành các toán tử vào và A, cấu trúc môđun giả trái trên A. Do đó, các loài cấu trúc của các môđun giả trái trên A và của các môđun trên là tương đương (Lý thuyết Tập hợp, IV, §1, No. 7, p. 262).
Cho M là một môđun giả trái trên A, và cho N là một môđun con của M. Khi đó N là một môđun con của M nếu và chỉ nếu nó ổn định dưới tác động của A; khi đó ta nói rằng N là một môđun giả con của M.
Như trong trường hợp các vành, ta định nghĩa giả môđun trái trên A và giả môđun phải . Các iđêan trái (tương ứng, phải) của A là các môđun giả con của (tương ứng, ).
Cho là một iđêan trái chính quy của A và là một đơn vị phải modulo . Đặt , và ký hiệu ảnh của trong M là . Ta có , và là linh hóa tử của .
Ngược lại, cho M là một môđun giả trái trên A, và cho là một phần tử của M sao cho . Khi đó tồn tại một phần tử của A sao cho . Với mọi , ta có , nên thuộc linh hóa tử của . Do đó, là một iđêan trái chính quy của A, phần tử là một đơn vị phải modulo , và khi chuyển qua thương, ánh xạ xác định một đẳng cấu từ lên M.
Định nghĩa 2 00PD
Ta nói rằng một giả môđun M trên A là đơn nếu ta có AM và nếu 0 và M là hai môđun giả con duy nhất của M.
Điều này tương ứng với việc nói rằng -môđun M là đơn và linh hóa tử của nó không chứa A. Khi A là một vành và M là một A-môđun, ta có AM = M, do đó Định nghĩa 2 trùng với Định nghĩa 1 của VIII, p. 45.
Mệnh đề 5 00PE
a) Cho là một iđêan trái cực đại chính quy của A. Khi đó giả môđun là đơn, và tồn tại một phần tử khác không của có linh hóa tử là .
b) Cho M là một giả môđun đơn, và cho là một phần tử khác không của M. Ta có , linh hóa tử của là một iđêan trái cực đại chính quy của A, và khi chuyển qua thương, ánh xạ xác định một đẳng cấu từ lên M.
c) Cho M là một giả môđun không thu về 0. Khi đó M là đơn nếu và chỉ nếu ta có với mọi phần tử khác không của M.
Cho là một iđêan trái cực đại chính quy của A. Ta đã thấy rằng tồn tại một phần tử khác không của có linh hóa tử bằng và sao cho ; đặc biệt, ta có . Hơn nữa, mọi môđun giả con của đều có dạng , trong đó là một iđêan trái của A chứa . Vì là cực đại, các khả năng duy nhất là và , do đó giả môđun là đơn. Điều này chứng minh a).
Dưới các giả thiết của b), tập hợp các phần tử của M sao cho là một giả môđun con của M khác với M và do đó bằng 0. Do đó, là một giả môđun con khác không của M, điều này kéo theo . Khi đó mệnh đề b) suy ra từ các nhận xét trước Định nghĩa 2.
Cho M là một giả môđun khác không. Giả sử rằng ta có đối với mọi phần tử khác không của M. Đặc biệt, ta có AM . Cho N là một giả môđun con khác không của M, và là một phần tử khác không của N. Ta có , và do đó N = M. Vậy M là đơn. Ngược lại, nếu M là đơn, thì ta có đối với mọi theo b).
Định nghĩa 3 00RT
Căn của -đại số A, ký hiệu là , là giao của các iđêan trái cực đại chính quy của A.
Khi A là một vành, mọi iđêan trái của A đều chính quy, nên định nghĩa của căn trùng với Định nghĩa 2 của VIII, p. 154.
Ví dụ 1 00PF
Căn của -đại số End thu về 0 (VIII, p. 436, Ví dụ 1) Điều tương tự cũng đúng với các đại số và
Ví dụ 2 00PG
Cho A là một giả vành trong đó mọi phần tử đều lũy linh. Căn của A bằng A vì A là iđêan trái chính quy duy nhất.
Mệnh đề 5 ngay lập tức kéo theo kết quả sau đây.
Mệnh đề 6 00PH
Căn của đại số A là giao của các linh hóa tử của các giả môđun đơn. Đặc biệt, nó là một iđêan hai phía của A.
Mệnh đề 7 00PI
Căn của A là vết trên A của căn của ; nó cũng bằng căn của đại số đối nghĩa là, bằng giao của các iđêan phải cực đại chính quy của A). Nếu vành không có căn, thì căn của A bằng căn của .
Đẳng thức suy ra từ Mệnh đề 4 của VIII, p. 438, b). Vì và có cùng căn (VIII, p. 156, Hệ quả 1), nên suy ra đẳng thức . Nếu không có căn, thì giao của các iđêan trái cực đại của chứa A thì bằng A. Do đó được chứa trong A và vì thế bằng .
Nhận xét 00PJ
Cho và là các phần tử của A; ta nói rằng là một đối nghịch trái của , hoặc rằng là một đối nghịch phải của , nếu, trong là một nghịch đảo trái của , nghĩa là nếu ta có . Theo Mệnh đề 7 và định lý của Jacobson (VIII, p. 156, Định lý 1), căn của A gồm các phần tử của A sao cho là khả nghịch trái trong với mọi trong . Vì ta có (với ), căn của A là tập hợp các phần tử của A sao cho có một đối nghịch trái trong A với mọi và .
4. Định lý mật độ
Cho A là một -đại số. Một môđun giả trái M được gọi là nửa đơn nếu nó là tổng trực tiếp của một họ các môđun giả trái đơn.
Bổ đề 1 00PK
Cho M là một môđun giả trái A nửa đơn. Cho B là đối giao hoán tử kép của -môđun M. Khi đó mọi môđun giả con A của M đều là một B-môđun con của M.
-môđun M là nửa đơn. Cho N là một môđun giả con A của M. Khi đó N là một -môđun con của M. Theo Hệ quả 2 của VIII, p. 56, tồn tại một phép chiếu của A-môđun M có ảnh là N. Vì ta có quan hệ với mọi , suy ra N là một B-môđun con của M.
Bổ đề 2 00PL
Cho M là một môđun giả trái A nửa đơn, và cho là một phần tử của M. Tồn tại một phần tử sao cho .
Cho N là giả môđun A trái . N thỏa mãn AN . Theo Hệ quả 3 của VIII, p. 56 áp dụng cho các -môđun M và , giả môđun A N là nửa đơn. Theo định nghĩa, mọi giả môđun con đơn S của N đều thỏa mãn AS . Do đó giả môđun N là không, và suy ra .
Định lý 1 (định lý mật độ của Jacobson) 00SD
Cho M là một giả môđun A trái nửa đơn. Cho là một phần tử của đối giao hoán tử kép của -môđun M. Cho là một tập con hữu hạn của M. Khi đó tồn tại một phần tử sao cho với mọi .
Cho B là đối giao hoán tử kép của -môđun M. Giả môđun A là nửa đơn. Cho . Từ Bổ đề 2 suy ra rằng . Đối giao hoán tử kép của -môđun trùng với các vị tự của B-môđun (VIII, p. 79, Mệnh đề 2). Theo Bổ đề 1, môđun giả con A của do đó là một B-môđun con của . Vì vậy ta có bao hàm . Do đó tồn tại một sao cho . Kết quả suy ra.