§ 3. Bất biến mũ
Trong tiết này, chữ A chỉ một vành giao hoán, có phần tử đơn vị, và khác 0.
1. Đại số nhóm của một nhóm Abel tự do
Cho P là một Z-môđun tự do hạng hữu hạn l. Ta ký hiệu bởi A[P] đại số nhóm của nhóm cộng của P trên A (Đại số, Chương III, § 2, no. 6). Với mọi p∈P, ký hiệu bởi ep phần tử tương ứng của A[P]. Khi đó (ep)p∈P là một cơ sở của A-môđun A[P], và, với mọi p,p′∈P, ta có
epep′=ep+p′,(ep)−1=e−p,e0=1.
Bổ đề 1
Giả sử rằng A là một vành factorial* (Đại số giao hoán, Chương VII, § 3, no. 1, Định nghĩa 1). (i) Vành A[P] là factorial. (ii) *Nếu u,v là các phần tử không tỷ lệ của P, thì các phần tử 1−eu,1−ev của A[P] nguyên tố cùng nhau.
Cho (p1,p2,…,pl) là một cơ sở của P, và X1,X2,…,Xl là các bất định. Ánh xạ A-tuyến tính từ A[X1,…,Xl,X1−1,…,Xl−1] vào A[P] biến X1n1X2n2…Xlnl (trong đó n1,n2,…,nl∈Z) thành en1p1+⋯+nlpl là một đẳng cấu vành. Bây giờ A[X1,…,Xl] là một vành giai thừa (Đại số giao hoán, Chap. VII, § 3, no. 5), và A[X1,…,Xl,X1−1,…,Xl−1] là vành các phân thức của A[X1,…,Xl], do đó nó cũng là giai thừa.
Cho P′ (ứng với P′′) là tập hợp các phần tử của P mà một bội nào đó của chúng thuộc Zu+Zv (ứng với Zu). Khi đó các nhóm P/P′ và P′/P′′ là không xoắn, nên tồn tại một phần bù của P′′ trong P′ và một phần bù của P′ trong P. Do đó, tồn tại một cơ sở (z1,z2,…,zl) của Z-môđun P và các số nguyên hữu tỉ j,m,n sao cho u=jz1,v=mz1+nz2,j>0,n>0. Đặt Xi=ezi với 1≤i≤l, khi đó ta có 1−eu=1−X1j,1−ev=1−X1mX2n. Cho K là một bao đóng đại số của trường phân thức của A, để A[P] có thể được đồng nhất với một vành con của vành B=K[X1,…,Xl,X1−1,…,Xl−1]. Với mọi nghiệm bậc j của đơn vị z, 1−zX1 là cực biên trong
K[X1,…,Xl]; hơn nữa, iđêan sinh bởi
1−zX1 không chứa đơn thức nào theo các
Xi. Ta kết luận rằng iđêan
(1−zX1)B của B là một iđêan nguyên tố chiều cao 1
(Đại số giao hoán, Chương VII, § 1, no. 6), do đó 1−zX1 là cực biên trong B. Vì thế các thừa số cực biên của 1−X1j trong B có dạng 1−zX1. Bây giờ không một thừa số nào trong các thừa số đó chia hết 1−X1mX2n trong B (vì đồng cấu f từ B vào B sao cho f(X1)=z−1,f(Xi)=Xi với i≥2, thỏa mãn
f(1−zX1)=0vaˋf(1−X1mX2n)=1−z−mX2n=0).
Do đó, 1−X1j và 1−X1mX2n là nguyên tố cùng nhau trong B. Do đó, mọi ước chung của 1−X1j và 1−X1mX2n trong A[P] đều khả nghịch trong B và vì thế, sai khác bởi phép nhân với một phần tử có dạng X1k1X2k2…Xlkl, đều bằng một phần tử a của A; nói cách khác, a chia hết 1 trong A, nên khả nghịch trong A. Vậy, sau cùng, 1−X1j và 1−X1mX2n là nguyên tố cùng nhau trong A[P].
2. Trường hợp của nhóm trọng số; các hạng tử cực đại
Ta giữ lại các ký hiệu của số trước và cho R là một hệ căn rút gọn trong một không gian vectơ thực V. Trong phần còn lại của tiết diện này, ta lấy P là nhóm trọng số của R (§ 1, no. 9). Nhóm W=W(R) tác động trên P, do đó cũng tác động trên đại số A[P]; ta có w(ep)=ew(p) với w∈W và p∈P.
Cho C là một buồng của R (§ 1, no. 5) và cho B=(αi)1≤i≤l là cơ sở tương ứng của R. Ta trang bị cho V (và do đó cũng cho P) cấu trúc thứ tự được xác định bởi C. Nếu p,p′∈P,p≥p′ khi và chỉ khi p−p′ là một tổ hợp tuyến tính của các αi với các hệ số dương.
Định nghĩa 1
Cho x=∑p∈Pxpep là một phần tử của A[P]. Tập hợp S các p∈P sao cho xp=0 được gọi là giá của x và tập hợp X các phần tử cực đại của S được gọi là giá cực đại của x. Khi đó một số hạng xpep với p∈X được gọi là một số hạng cực đại của x.
Bổ đề 2
Cho x∈A[P] và gọi (xpep)p∈X là họ các số hạng cực đại của x. Cho q∈P và cho y∈A[P] sao cho eq là số hạng cực đại duy nhất của y. Khi đó, họ các số hạng cực đại của xy là (xpep+q)p∈X.
Đặt x=∑pxpep,y=∑ryrer và xy=∑tztet. Khi đó r≤q với mọi r∈P sao cho yr=0 và zt=∑p+r=txpyr.
Nếu t=p+q=p′+r với p∈X và xp′yr=0, thì r≤q, nên p′≥p và do đó p′=p. Vì thế zp+q=xpyq=xp=0. Điều này cho thấy rằng X+q được chứa trong giá đỡ của tích xy.
Mặt khác, nếu t=p′+r với xp′yr=0, thì tồn tại p∈X sao cho p′≤p và ta có t≤p+q. Vậy giá của xy là cực đại được chứa trong X+q. Vì không có hai phần tử nào của X+q là so sánh được với nhau, suy ra X+q chính xác là giá cực đại của xy và ở trên ta đã thấy rằng zp+q=xp với p∈X, điều này hoàn thành chứng minh của bổ đề.
3. Các phần tử phản-bất biến
Ta giữ lại các ký hiệu của số trước. Ký hiệu bởi ε(w) định thức của phần tử w∈W. Khi đó
ε(w)=(−1)l(w), trong đó độ dài l(w) được lấy đối với họ các phép đối xứng sαi.
Định nghĩa 2
Một phần tử* x∈A[P] được gọi là phản-bất biến dưới W nếu
w(x)=(−1)l(w).x với mọi w∈W.
Các phần tử phản bất biến của A[P] tạo thành một môđun con trên A của A[P]. Với mọi x∈A[P], đặt
J(x)=w∈W∑ε(w).w(x). (1)
Với x∈A[P] và w∈W, ta có
w(J(x))=v∈W∑ε(v).wv(x)=ε(w)v∈W∑ε(v).v(x)=ε(w).J(x) và J(x) là phản bất biến. Mặt khác, đặt q=Card(W). Với mọi phần tử phản bất biến x của A[P], ta có J(x)=q.x. Suy ra rằng, nếu q khả nghịch trong A, thì ánh xạ q−1J là một phép chiếu từ A[P] lên môđun con các phần tử phản bất biến.
Gọi ω1,…,ωl là các trọng cơ bản tương ứng với buồng C. Các phần tử của P∩C (resp. P∩C) là các trọng có dạng n1ω1+⋯+nlωl với ni≥0 (resp. ni>0) với 1≤i≤l (§ 1, no. 10). Mặt khác,
ρ=ω1+⋯+ωl là nửa tổng của các căn dương (loc. cit.) nên các phần tử của P∩C là các trọng có dạng ρ+p với p∈P∩C. Cuối cùng, nếu p∈P∩C, thì w(p)<p với mọi w=1 (§ 1, no. 6, Hệ quả của Mệnh đề 18) và do đó ep là số hạng cực đại duy nhất của J(ep).
Mệnh đề 1
Nếu* 2 không phải là một ước của không trong A, thì các phần tử J(ep) với p∈P∩C lập thành một cơ sở của môđun các phần tử phản bất biến của A[P].
Các trọng số w(p) với w∈W và p∈P∩C là từng đôi một phân biệt. Suy ra các J(ep) với p∈P∩C là độc lập tuyến tính.
Mặt khác, cho x=∑pxpep là một phần tử phản bất biến của A[P]. Nếu p0 thuộc một tường, thì nó bất biến dưới một phép đối xứng s∈W và
x=p∑xpep=−s(x)=−p∑xpes(p). Suy ra
2xp0=0, nên
xp0=0. Vì mọi phần tử không thuộc bất kỳ tường nào đều có thể được viết duy nhất dưới dạng
w(p) với
w∈W và
p∈P∩C, do đó ta có
x=p∈P∩C∑w∈W∑xw(p)ew(p).(2) Vì
w(x)=∑pxpew(p)=ε(w)∑pxpep, nên
xw(p)=ε(w)xp và ta suy ra từ (2) rằng
x=p∈P∩C∑xpJ(ep), điều này hoàn tất chứng minh.
Bây giờ xét phần tử d của đại số A[21P] được định nghĩa bởi
d=α∈R,α>0∏(eα/2−e−α/2)=eρ⋅α∈R,α>0∏(1−e−α)=e−ρ⋅α∈R,α>0∏(eα−1). Vì
ρ∈P, nên
d∈A[P].
Mệnh đề 2
(i) Phần tử d được xác định bởi (3) là một phần tử phản bất biến của A[P]; số hạng cực đại duy nhất của nó (no. 2, Định nghĩa 1) là eρ và d=J(eρ). (ii) Với mọi p∈P, phần tử J(ep) chia được duy nhất cho d và thương J(ep)/d là một phần tử của A[P] bất biến dưới W. (iii) Nếu 2 không phải là một ước của không trong A, phép nhân bởi d là một song ánh từ tập hợp các phần tử của A[P] bất biến dưới W lên tập hợp các phần tử phản bất biến của A[P].
Ta biết rằng, với 1≤i≤l, phép phản xạ si=sαi giữ ổn định tập các căn dương khác αi và rằng si(αi)=−αi (§ 1, no. 6, Hệ quả 1 của Mệnh đề 17). Do đó,
si(d)=(e−αi/2−eαi/2)α∈R,α>0,α=αi∏(eα/2−e−α/2)=−d=ε(si).d. Vì các
si sinh ra
W, điều này chứng minh mệnh đề thứ nhất trong (i). Mệnh đề thứ hai trong (i) suy ra ngay lập tức từ (3) và Bổ đề 2, khi lưu ý rằng 1 là số hạng cực đại duy nhất của
1−e−α đối với
α∈R,α>0.
Bây giờ giả sử rằng A=Z. Theo Mệnh đề 1,
d=p∈P∩C∏cpJ(ep)vớicp∈Z.
Mặt khác, hiển nhiên là
d=eρ+q<ρ∑cq′eq.
Nếu p∈P∩C với p=ρ, thì p>ρ và hệ số của ep trong d bằng không theo (5). Do đó, cp=0. Hơn nữa, việc so sánh các hệ số của eρ trong (4) và (5) cho thấy cρ=1 và vì thế d=J(eρ).
Ta tiếp tục giả sử rằng A=Z. Cho p∈P,α∈R và M là một hệ các đại diện của các lớp kề phải của W đối với nhóm con {1,sα}. Khi đó,
J(ep)=w∈M∑ε(w)ew(p)+w∈M∑ε(sαw)esαw(p).
Bây giờ sαw(p)=w(p)−⟨α∗,w(p)⟩α=w(p)+nwα, với nw∈Z. Do đó,
J(ep)=w∈M∑ε(w)ew(p)(1−enwα).
Nếu nw≥0, hiển nhiên là 1−enwα chia được cho 1−eα và điều này cũng đúng khi nw<0 vì 1−enwα=−enwα(1−e−nwα). Vậy J(ep) chia được cho 1−eα trong Z[P].
Theo Bổ đề 1, Z[P] là một vành phân tích duy nhất và các phần tử 1−eα với α∈R và α>0 là đôi một nguyên tố cùng nhau. Suy ra J(ep) chia được trong Z[P] cho tích ∏α>0(1−eα), và do đó cũng chia được cho d=e−ρ∏α>0(1−eα).
Trở lại trường hợp tổng quát, bằng phép mở rộng các vô hướng từ Z sang A, ta suy ra từ trên rằng d=J(eρ) và mọi phần tử J(ep) đều chia được cho d. Vì eρ là số hạng cực đại duy nhất của d, Nhận xét của no. 2 cho thấy rằng tồn tại một phần tử duy nhất y∈A[P] sao cho J(ep)=dy và ngay lập tức suy ra rằng y là bất biến dưới W, và do đó d và J(ep) là phản bất biến. Điều này chứng minh (i) và (ii).
Cuối cùng, nếu 2 không là một ước của không trong A, thì Nhận xét của no. 2 và Mệnh đề 1 suy ra (iii).
4. Các phần tử bất biến
Cho A[P]W là đại số con của A[P] gồm các phần tử bất biến dưới W. Với p∈P, ký hiệu bởi W.p quỹ đạo của p dưới W, và đặt S(ep)=∑q∈W.peq là tổng các biến đổi bởi W của ep; đây là một phần tử bất biến dưới W.
Nếu p∈P∩C, thì w(p)≤p với mọi w∈W (§ 1, no. 6, Mệnh đề 18) và ep là số hạng cực đại duy nhất của S(ep).
Cho x=∑pxpep∈A[P]W; khi đó xw(p)=xp với mọi p∈P và mọi w∈W.
Mặt khác, mọi quỹ đạo của W trong P cắt P∩C tại đúng một điểm (§ 1, no. 5, Định lý 2). Do đó,
x=P∩C∑xpS(ep).
Ta suy ra:
Bổ đề 3
Các S(ep) với p∈P∩C tạo thành một cơ sở của A-môđun A[P]W.
ei0=xi0−j<i0∑ai0jej, từ đó suy ra (b). Do đó
J′∈S, mâu thuẫn. Vậy
J=I và bổ đề được chứng minh.
Bây giờ chúng ta chứng minh Mệnh đề 3. Ta áp dụng Bổ đề 4 với I=P∩C. Cho q∈I, và gọi Iq là tập hợp các p∈I sao cho p≤q. Nếu p∈Iq, các hệ thức
q−p≥0,p∈C,q∈C suy ra rằng
(q−p∣p)≥0vaˋ(q−p∣q)≥0, và do đó
(p∣p)≤(p∣q)≤(q∣q). Vậy tập hợp
Iq là
bị chặn. Vì
I là rời rạc, suy ra
Iq là
hữu hạn, và hiển nhiên là
I thỏa mãn điều kiện (MIN). Mặt khác, với mọi
p∈I,
xp=ep+q<p∑cpqeq nên theo (6).
xp=S(ep)+q<p,q∈I∑cpqS(eq). Mệnh đề bây giờ suy ra từ các Bổ đề 3 và 4.
Định lý 1
Cho ω1,…,ωl là các trọng số cơ bản tương ứng với buồng C, và, với 1≤i≤l, cho xi là một phần tử của A[P]W có eωi là số hạng cực đại duy nhất. Cho*
φ:Λ[X1,…,Xl]→A[P]W *là đồng cấu từ đại số đa thức
Λ[X1,…,Xl] vào
A[P]W biến
Xi thành
xi. Khi đó, ánh xạ
φ là một đẳng cấu.
Bổ đề 2 kéo theo rằng ảnh qua φ của đơn thức X1n1…Xlnl là một phần tử có số hạng cực đại duy nhất en1ω1+⋯+nlωl. Vì mọi phần tử của P∩C đều có thể viết một cách duy nhất dưới dạng n1ω1+⋯+nlωl, Mệnh đề 3 cho thấy rằng các ảnh qua φ của các đơn thức X1n1…Xlnl tạo thành một cơ sở của A[P]W, do đó suy ra định lý.
Ví dụ 1
Ta có thể lấy xi=S(eωi).
Ví dụ 2
Theo Nhận xét 2 của no. 3, ta có thể lấy xi=J(eρ+ωi)/d (với ký hiệu ở no. 3).
Bài tập
Các ký hiệu và giả thiết là các ký hiệu và giả thiết của các số 2, 3, 4.
Xem bài tập cho § 3.