Bourbaki

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§ 4。正式幂级数

1. 正式幂级数的定义。 阶

设I为集合。我们回想一下(III、p. 454 和 456),A 上幺半群 N(I)N^{(I)} 的总代数被称为形式幂级数的 代数相对于不定数 Xi (i∈I)X_i \ (i \in I)(或在不定数 XiX_i) 系数在 A中。用A[[Xi]]i∈IA[[X_i]]_{i \in I}或A[[((Xi)i∈I]]A[[((X_i)_{i \in I}]]或A[[X]]A[[X]]表示,其中用X家族(Xi)i∈I(X_i)_{i \in I}表示:在本段中我们将主要使用记号A[[I]]A[[I]]。 有时在I的元素i的A[[I]]A[[I]]中用XiX_i以外的符号来指定典范像比较方便,对于例Yi,Zi,Ti,…Y_i, Z_i, T_i, \ldots;本例中使用的约定类似于多项式的约定 (IV, p. 1)。 代数A[[I]]A[[I]]则由A[[Yi]]i∈IA[[Y_i]]_{i \in I}或A[[Y]]A[[Y]]等指定。

当I是p 元素的有限集合时,我们也说A[[I]]A[[I]]是p不定式中形式幂级数的代数。对于固定 p,这些代数都是同构的。 1, 2, ... 不确定中的正式幂级数的代数也将由未指定的指标的 A[[X]]A[[X]], A[[U,V]]A[[U, V]], ..., 集合 I 表示。

正式的幂级数 u 通常写作 u=∑ν∈N(I)aνXνu = \sum_{\nu \in N^{(I)}} a_\nu X^\nu (cf. IV, p. 1)。

αν\alpha_\nu是uu的*系数*;它们可能有无限多个≠0\neq 0。 aνXνa_\nu X^\nu称为uu的*项*;要使 u 成为多项式,uu 应仅具有项 ≠0\neq 0 的有限数是必要且充分的。 项 aνXνa_\nu X^\nu 使得 |ν| = p 称为总计次数 p 中的项。形式上的幂级数up=∑∣ν∣=pανXνu_p = \sum_{|\nu|=p} \alpha_\nu X^\nu称为u的次数*p的*齐次分量(当I有限时它是一个多项式); u0u_0 与 A 的元素相同,也称为 u 的*常数项*。如果 u=upu = u_p,我们说 u 是次数 p 的齐次。如果u,v∈A[[I]]u, v \in \mathbf{A}[[\mathrm{I}]]和w=uvw = uv,我们有

(1)

wp=∑q+r=puqvr w_p = \sum_{q+r=p} u_q v_r
对于每个整数 p≥0p \geq 0。

我们记得(III,p. 456),正式的幂级数u≠0u \neq 0的*阶*ω(u)\omega(u)是使得up≠0u_p \neq 0最小的整数p。 We shall agree to adjoin to Z an element written ∞\infty and extend the order relation and addition from Z to Z∪{∞}Z \cup \{\infty\} by the conventions

n<∞,∞+∞=∞,∞+n=n+∞=∞ n < \infty,\quad \infty + \infty = \infty,\quad \infty + n = n + \infty = \infty
for every n∈Zn \in Z; we also put ω(0)=∞\omega(0) = \infty. 根据这些约定,我们有关系
ω(u+v)≥inf⁡(ω(u),ω(v)),ω(u+v)=inf⁡(ω(u),ω(v)) if ω(u)≠ω(v),ω(uv)≥ω(u)+ω(v), \begin{align*} \omega(u+v) &\geq \inf(\omega(u), \omega(v)), \\ \omega(u+v) &= \inf(\omega(u), \omega(v)) \text{ if } \omega(u) \neq \omega(v), \\ \omega(uv) &\geq \omega(u) + \omega(v), \end{align*}
对于 A[[I]]\mathbf{A}[[\mathrm{I}]] 中的任何正式幂级数 uu 和 vv。

我们记得(III,p. 457),对于I的任何子集J,我们将认同A[[I]]\mathbf{A}[[\mathrm{I}]]与A[[I−J]][[J]]\mathbf{A}[[\mathrm{I}-J]] [[\mathrm{J}]],这允许我们对正式的幂进行定义阶ωJ(u)\omega_J(u) 级数相对于XjX_j(j∈Jj \in J),uu相对于XjX_j(j∈Jj \in J)的齐次分量等。

让φ\varphi是A的同态到环B。我们通过让每个正式的幂级数u=∑ανXνu = \sum \alpha_\nu X^\nu将A[[I]]\mathbf{A}[[\mathrm{I}]]的扩展φ\varphi到同态φ‾\overline{\varphi}进B[[I]]B[[\mathrm{I}]] 对应到正式幂级数 ∑φ(αν)Xν\sum \varphi(\alpha_\nu) X^\nu;我们说后者是通过 应用 φ\varphi 到形式幂级数 u 的系数获得的。我们将有时写为φu^\varphi u代替φ‾(u)\overline{\varphi}(u)。

特别是,如果 A 是 B 的子环且 A 的 φ\varphi 典范嵌入进入 B,则 A[[I]]\mathbf{A}[[\mathrm{I}]] 的同态 φ‾\overline{\varphi} 进入 B[[I]]B[[\mathrm{I}]] 是单射的;我们通常将认同A[[I]]\mathbf{A}[[\mathrm{I}]]与B[[I]]B[[\mathrm{I}]]的子环乘以φ‾\overline{\varphi}。

2. 拓扑于正式幂级数的集合。可求和族

定义A[[I]]\mathbf{A}[[\mathrm{I}]]无非是乘积集合AN(I)\mathbf{A}^{N^{(I)}}。除非明确指出相反,我们将为 A 配备离散的拓扑和 A[[I]]\mathbf{A}[[\mathrm{I}]] 乘积拓扑(Gen. Top.I,p. 31 f.),我们将其称为规范的拓扑。配备加法和离散的拓扑,AA是一个分离且完整的拓扑群;因此加法A[[I]]A[[I]]是一个分离且完整的拓扑群(Gen.Top.,III,p. 238和242以及Gen.Top.,II,p. 187)。此外,多项式的代数A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]在A[[I]]A[[I]](Gen.Top.,III p. 238,Prop,25)中是稠密的,因此我们可以将A[[I]]A[[I]]视为A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]的完成。

对于每个β∈N(I)\beta \in \mathbf{N}^{(I)},令SβS_\beta为多索引ν\nu的集合,使得ν≤β\nu \leq \beta,并令aβa_\beta为正式幂级数u=∑ανXνu = \sum \alpha_\nu X^\nu的集合,使得aν=0a_\nu = 0 换ν∈Sβ\nu \in S_\beta。显然,SβS_\beta是N(I)\mathbf{N}^{(I)}的有限子集,N(I)\mathbf{N}^{(I)}的每个有限子集都包含在形式SβS_\beta的集合中。由此可见,族(aβ)β∈N(I)(a_\beta)_{\beta \in \mathbf{N}^{(I)}}是A[[I]]A[[I]]中0的邻域的基本系统。 集合 aβa_\beta 是 A[[I]]A[[I]] 中的理想,因此 (Gen. Top., III, p. 275) A[[I]]A[[I]] 是拓扑环。

引理 1 06BY

令LL为无限集合,(uλ)λ∈L(u_\lambda)_{\lambda \in L}为A[[I]]A[[I]]的元素的族,并把uλ=∑αλ,νXνu_\lambda = \sum \alpha_{\lambda,\nu} X^\nu代为λ∈L\lambda \in L。那么下面的条件是等价的: (i) 族 (uλ)λ∈L(u_\lambda)_{\lambda \in L} 可在 A[[I]]A[[I]] 中求和(Gen. Top., III, p. 262)。 (ii) 我们有lim⁡uλ=0\lim u_\lambda = 0,通过有限子集的补集*过滤*LL。 (iii) 对于每个ν∈N(I)\nu \in \mathbf{N}^{(I)},我们都有αλ,ν=0\alpha_{\lambda,\nu} = 0,除了指标λ∈L\lambda \in L的*有限*数。

引用了 2

引用了 TG III § 5. 可交换的无限和群, 命题 4, TG III § 5

当这些条件成立时,级数u=∑λ∈Luλu = \sum_{\lambda \in L} u_\lambda等于∑ανXν\sum \alpha_\nu X^\nu,每个ν∈N(I)\nu \in \mathbf{N}^{(I)}等于aν=∑λ∈Lαλ,νa_\nu = \sum_{\lambda \in L} \alpha_{\lambda,\nu}。

(i) 和 (ii) 的等价由 Cor 得出。 Gen. Top. 2,III,p. 263。 (ii) 和 (iii) 的等价由乘积空间中极限的性质得出(Gen. Top., I, p. 55, Cor. 1)。 最后一个断言源自 Gen. Top. 的第 4 条命题,III、p. 266。

让我们给出一些例个可求和族。 a) 令u∈A[[I]]u \in A[[I]]和aνa_\nu为XνX^\nu在uu中的系数。然后,族 (ανXν)ν∈N(I)(\alpha_\nu X^\nu)_{\nu \in \mathbf{N}^{(I)}} 可以与和 uu 相加(这证明了写作 u=∑ανXνu = \sum \alpha_\nu X^\nu 的合理性)。

b) 设 u∈A[[I]]u \in A[[I]];对于每个整数p≥0p \geq 0,令upu_p为uu的次数pp的齐次分量。那么家庭(up)p≥0(u_p)_{p \geq 0}是可求和的,我们有u=∑p≥0upu = \sum_{p \geq 0} u_p。

c) 令(uλ)λ∈L(u_\lambda)_{\lambda \in L}为A[[I]]A[[I]]的元素族,并假设对于λ∈L\lambda \in L的每个整数n≥0n \geq 0集合,使得ω(uλ)<n\omega(u_\lambda) < n是有限的。那么家庭(uλ)λ∈L(u_\lambda)_{\lambda \in L}是可求和的。

注 06BZ

— 假设 II 是*有限*。对于每个整数n≥0n \geq 0,令bnb_n为正式幂级数u∈A[[I]]u \in A[[I]]的集合,使得ω(u)≥n\omega(u) \geq n。 序列(bn)n≥0(b_n)_{n \geq 0}是A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]]中0的邻域的基本系统。因此,当且仅当对于A∈L\mathbf{A} \in L的每个n∈Nn \in \mathbf{N}集合使得ω(uλ)<n\omega(u_\lambda) < n是有限的时,A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]](λ∈L\lambda \in L)的元素uλu_\lambda族是可求和的。

命题 1 06C0

设*(uλ)λ∈L(u_\lambda)_{\lambda \in L}*和*(vμ)μ∈M(v_\mu)_{\mu \in M}*是*A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]]的元素的两个可求和族。 然后家庭 (uλvμ)(λ,μ)∈L×M(u_\lambda v_\mu)_{(\lambda, \mu) \in L \times M} *是可求和的,我们有

引用了 1

引用了 TG III § 5. 可交换的无限和群

∑(λ,μ)∈L×Muλvμ=(∑λ∈Luλ)(∑μ∈Mvμ) \sum_{(\lambda, \mu) \in L \times M} u_\lambda v_\mu = \left( \sum_{\lambda \in L} u_\lambda \right) \left( \sum_{\mu \in M} v_\mu \right)

令(αλ,ν)ν∈N(I)(\alpha_{\lambda, \nu})_{\nu \in \mathbf{N}^{(I)}}(或(βμ,ν)ν∈N(I)(\beta_{\mu, \nu})_{\nu \in \mathbf{N}^{(I)}})为uλu_\lambda(或vνv_\nu)的系数族。对于每个ν∈N(I)\nu \in \mathbf{N}^{(I)},仅存在对(ν1,ν2)∈N(I)×N(I)(\nu_1, \nu_2) \in \mathbf{N}^{(I)} \times \mathbf{N}^{(I)}的有限数,使得ν1+ν2=ν\nu_1 + \nu_2 = \nu,因此仅存在对(λ,μ)∈L×M(\lambda, \mu) \in L \times M的有限数,使得uλvμu_\lambda v_\mu中的XνX^\nu的系数为≠0\neq 0。因此家庭(uλvμ)(λ,μ)∈L×J(u_\lambda v_\mu)_{(\lambda, \mu) \in L \times \mathscr{J}}是可求和的。现在公式 (2) 是从和的结合性衍生出来的(Gen. Top.、III、p. 265、公式 (2))。

在 A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]] 乘积中是结合律和交换律合成律。因此,我们可以谈论A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]]的元素的*可乘族*和可乘族的*乘积*(Gen.Top.,III,p. 262,注3)。

命题 2 06C1

设*(uλ)λ(u_\lambda)_\lambda*是*A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]]的元素的可和族。 (i) 家庭 (1+uλ)λ(1 + u_\lambda)_\lambda 可乘。 (ii) 设T\mathfrak{T}*为*LL的所有有限子集中的集合。 对于任何 M∈SM \in \mathscr{S} 放置 uM=∏λ∈Muλu_M = \prod_{\lambda \in M} u_\lambda。 然后家庭 (uM)M∈T(u_M)_{M \in \mathfrak{T}} *可求和,我们有

被以下引用 2

被以下引用 命题 9, IV § 6. 。对称函数

∑M∈TuM=∏λ∈L(1+uλ). \sum_{M \in \mathfrak{T}} u_M = \prod_{\lambda \in L} (1 + u_\lambda).

让我们定义理想aβ\mathfrak{a}_\beta如本号开头,并让β∈N(I)\beta \in \mathbf{N}^{(I)}。存在 LL 的有限子集 L0L_0,使得 uλ∈aβu_\lambda \in \mathfrak{a}_\beta 对应 λ∉L0\lambda \notin L_0。那么对于每个 M∈SM \in \mathscr{S} 这样 M⊄L0M \not\subset L_0 我们就有 uM∈aβu_M \in \mathfrak{a}_\beta。由此可见,族 (uM)M∈T(u_M)_{M \in \mathfrak{T}} 是可求和的。另一方面,对于 LL 中的任意有限子集 M0M_0,我们有

∑M⊂M0uM=∏λ∈M0(1+uλ). \sum_{M \subset M_0} u_M = \prod_{\lambda \in M_0} (1 + u_\lambda).

沿着过滤后的有序集合T\mathfrak{T},左侧有极限∑M∈TuM\sum_{M \in \mathfrak{T}} u_M。因此右边有极限∑M∈TuM\sum_{M \in \mathfrak{T}} u_M,同时证明了(i)和(ii)。

命题 3 06C2

让*u=∑aνXν∈A[[I]]u = \sum a_\nu X^\nu \in \mathbf{A}[[\mathbf{I}]]*和*mm*整数*>0> 0。 对于每个 n∈Nn \in \mathbf{N} 让 (αν,n)ν∈N(I)(\alpha_{\nu, n})_{\nu \in \mathbf{N}^{(I)}} 成为 unu^n的系数族。 如果α0m=0\alpha_0^m = 0,*则*αν,n=0\alpha_{\nu, n} = 0*对于*n≥∣ν∣+mn \geq |\nu| + m。

被以下引用 1

被以下引用 推论

设ν∈N(I)\nu \in \mathbf{N}^{(I)}和n∈Nn \in \mathbf{N}。我们有

αν,n=∑ν(1)+⋯+ν(n)=ναν(1)⋯αν(n). \alpha_{\nu,n} = \sum_{\nu(1) + \cdots + \nu(n) = \nu} \alpha_{\nu(1)} \cdots \alpha_{\nu(n)} .

如果n≥∣ν∣+mn \geq |\nu| + m和ν(1)+⋯+ν(n)=v\nu(1) + \cdots + \nu(n) = v,我们有∣ν(1)∣+⋯+∣ν(n)∣≤n−m|\nu(1)| + \cdots + |\nu(n)| \leq n - m。因此,我们有v(r)=0v(r) = 0和αv(r)=ar\alpha_{v(r)} = a_r,对于rr至少有mm不同的值;由此得出结果αν(1)⋯αν(n)=0\alpha_{\nu(1)} \cdots \alpha_{\nu(n)} = 0、从而。

推论 06C3

— 设 u∈A[[I]]u \in A[[I]];那么对于 lim⁡n→∞un=0\lim_{n \to \infty} u^n = 0 来说,uu 的常数项是幂零的,这是充分必要的。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 3

被以下引用 命题 4

令a0a_0为uu的常数项。 unu^n的常数项是α0n\alpha_0^n,因此规定的条件是必要的;根据命题 3 就足够了。

3. 代换

设 EE 为 AA 代数。如果EE上的拓扑在平移下不变并且存在EE理想的0由……组成的邻域的基本系统(Gen.Top.,III,p. 223),则称拓扑是线性的。 EE上的拓扑则与其AA代数结构兼容(当AA携带离散拓扑时)。具有线性拓扑的 AA 代数称为线性拓扑 AA 代数。

命题 4 06C4

— 令 II 为集合且 EE 是一个结合的、可交换的、单位的、线性拓扑分离的完全 AA 代数。

引用了 2 · 被以下引用 3

引用了 § 4. 。正式幂级数, 推论

被以下引用 § 4. 。正式幂级数, 引理 2, IV § 6. 。对称函数

(i) 设φ\varphi为A[[I]]A[[I]]到EE和xi=φ(Xi)x_i = \varphi(X_i)的连续同态。然后: (a) 对于所有 i∈Ii \in I,xinx_i^n 趋于 0,因为 nn 趋于 +∞+ \infty; (b) 如果 II 无穷大,则xix_i 沿着有限子集的补集过滤器II 趋于 0。

(ii) 设x=(xi)ix = (x_i)_i、I_I为(i)的EE满足a)和b)的元素族。那么在 A[[I]]A[[I]] 到 EE 中存在一个且唯一的一个单位连续同态 φ\varphi,使得对于所有 i∈Ii \in I 都有 φ(Xi)=xi\varphi(X_i) = x_i。

对于所有i∈Ii \in I,A[[I]]A[[I]]中的XinX_i^n明显趋于0,因为nn趋于+∞+ \infty;另一方面,当II无穷大时,XiX_i沿着有限子集的补集过滤器II趋于0。这就证明了(i)。

设(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}为(i)的EE满足条件a)和b)的元素族,设ψ\psi为A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]的同态u↦u((xi)i∈I)u \mapsto u((x_i)_{i \in I})入EE,并令VV是EE的0的邻域,这是EE的理想。 b) 存在II的有限子集JJ,使得xi∈Vx_i \in V对于所有i∈I−Ji \in I - J。接下来存在 a) 整数 n≥0n \geq 0,使得 xin∈Vx_i^n \in V 对于所有 i∈Ji \in J。令β\beta为N(I)\mathbf{N}^{(I)}的元素,使得βi=n−1\beta_i = n - 1代表i∈Ji \in J,βi=0\beta_i = 0代表i∈I−Ji \in I - J。如果我们在No. 2开始时定义是A[[I]]A[[I]]的理想aβa_\beta(IV,p. 26),那么

u∈A[(Xi)i∈I]∩aβ⇒ψ(u)∈V u \in A[(X_i)_{i \in I}] \cap a_\beta \Rightarrow \psi(u) \in V

这表明,如果我们为A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]配备由A[[I]]A[[I]]诱导的拓扑,则ψ\psi是连续的。由于EE是分离且完整的,ψ\psi扩展将A[[I]]A[[I]]的连续单位同态φ\varphi转化为EE。我们为所有 i∈Ii \in I 提供了 φ(Xi)=ψ(Xi)=xi\varphi(X_i) = \psi(X_i) = x_i。最后让φ′\varphi'是A[[I]]A[[I]]到EE的连续单位同态,使得φ′(Xi)=xi\varphi'(X_i) = x_i。对于所有u∈A[(Xi)i∈I]u \in A[(X_i)_{i \in I}],我们都有φ′(u)=φ(u)\varphi'(u) = \varphi(u),因此φ′=φ\varphi' = \varphi,因为A[(Xi)i∈I]A[(X_i)_{i \in I}]在A[[I]]A[[I]]中是稠密的。

让我们保留之前的记号。如果u∈A[[I]]u \in A[[I]],uu的像由φ\varphi表示为u(x)u(x)或u((xi)i∈I)u((x_i)_{i \in I})(或者如果I=(1,2,...,n)I = (1, 2, ..., n)也为u(x1,...,xn)u(x_1, ..., x_n)),并且称为由代换获得的EE的元素 uu中的XiX_i使用xix_i,或者uu中的值用于XiX_i中的值xix_i,或者Xi=xiX_i = x_i中的uu中的值。特别是我们有u=u((Xi)i∈I)u = u((X_i)_{i \in I})。

令 E′E' 为结合交换且酉线性拓扑的分离完备AA-代数。令λ\lambda为EE到E′E'的连续单位同态,(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}为EE满足条件a)和b)的元素族,第4条(IV), p. 28)。家庭(λ(xi))i∈I(\lambda(x_i))_{i \in I}同样满足条件a)和b)。对于每 u∈A[[I]]u \in A[[I]] 我们有

λ(u((xi)i∈I))=u((λ(xi))i∈I), \lambda(u((x_i)_{i \in I})) = u((\lambda(x_i))_{i \in I}),

对于映射u↦A(u((xi)i∈I))u \mapsto A(u((x_i)_{i \in I}))来说,是A[[I]]A[[I]]到E′E'的连续单位同态,对于所有i∈Ii \in I,变换XiX_i到λ(xi)\lambda(x_i)。

如果JJ和KK是两个集合,我们用所有族(gj)j∈J(g_j)_{j \in J}满足的AJ,KA_{J, K}集合表示以下条件: (i) 对于所有j∈Jj \in J,gjg_j是A[[K]]A[[K]]的元素,其常数项是幂零的; (ii) 如果 JJ 是无限的,gjg_j 沿着 JJ 的有限子集的补集过滤器趋于 0。

我们注,如果JJ是有限的,则在A[[K]]A[[K]]属于到AJ,KA_{J, K}中,形式幂级数(gj)j∈J(g_j)_{j \in J}的每个族都没有常数项。

让(gj)j∈J(g_j)_{j \in J}在AJ,KA_{J, K}中。由科。根据第 3 号提案(IV、p. 28),我们对所有 j∈Jj \in J 都有 lim⁡n→∞gjn=0\lim_{n \to \infty} g_j^n = 0。让f∈A[[J]]f \in A[[J]];我们可以用gjg_j代替ff中的变量指标jj,得到正式的幂级数f((gj)j∈J)f((g_j)_{j \in J})属于到A[[K]]A[[K]]。此外,映射f↦f((gj)j∈J)f \mapsto f((g_j)_{j \in J})是AA-代数A[[J]]A[[J]]到A[[K]]A[[K]]的连续同态。

特别是如果J=(1,...,p)J = (1, ..., p)和f∈A[[X1,...,Xp]]f \in A[[X_1, ..., X_p]],我们可以用正式的幂级数gj∈A[[K]]g_j \in A[[K]]代替每个XjX_j,而无需常数项;这个代换的结果写成f(g1,...,gp)f(g_1, ..., g_p)。

设x=(xk)k∈Kx = (x_k)_{k \in K}是第4条命题(IV,p. 28)的EE满足条件a)和b)的元素族。我们应用(3),将A[[K]]A[[K]]中的AA同态u↦u(x)u \mapsto u(x)化为EE;我们得到

f((gj)j∈J)(x)=f((gj(x))j∈J). f((g_j)_{j \in J})(x) = f((g_j(x))_{j \in J}).

设f=(fi)i∈I∈(A[[J]])If = (f_i)_{i \in I} \in (A[[J]])^I和g=(gj)j∈J∈AJ,Kg = (g_j)_{j \in J} \in A_{J, K}。我们用f(g)f(g)或f∘gf \circ g元素(fi((gj),ϵJ))i∈I(f_i((g_j),_{\epsilon_J}))_{i \in I}或(A[[K]])I(A[[K]])^I来表示。如果f∈AI,Jf \in A_{I, J},我们有f∘g∈A,,Kf \circ g \in A_{,,K},因为A[[I]]A[[I]]到A[[K]]A[[K]]的映射f↦f((gj)i,J)f \mapsto f((g_j)_{i, J})是连续的。

让f∈(A[[J]])If \in (A[[J]])^I,g∈AJ,Kg \in A_{J, K},h∈AK,Lh \in A_{K, L}。然后 g∘h∈AJ,Lg \circ h \in A_{J, L} 并根据 (4),我们有

(f∘g)∘h=f∘(g∘h). (f \circ g) \circ h = f \circ (g \circ h).

4. 可逆正式幂级数

命题 5 06C5

— 在形式幂级数的环 A[[T]]A[[T]] 中,在一个不定式中,多项式 1−T1 - T 是可逆的,我们有 (1−T)−1=∑n=0mTn(1 - T)^{-1} = \sum_{n=0}^m T^n。

被以下引用 3

被以下引用 命题 6, 命题 1, V § 15, LIE I § 1. 。 定义共李代数

对于

(1−T)(∑n=0∞Tn)=∑n=0∞Tn−∑n=0∞Tn+1=1. (1 - T) \left( \sum_{n=0}^\infty T^n \right) = \sum_{n=0}^\infty T^n - \sum_{n=0}^\infty T^{n+1} = 1.

命题 6 06C6

— *令u∈A[[I]]u \in A[[I]];那么要使uu在A[[T]]A[[T]]中可逆,其常数项在AA中可逆是必要且充分的。

引用了 1 · 被以下引用 3

引用了 命题 5

被以下引用 注, 命题 12, 例 4, VIII § 2

假设存在v∈A[[I]]v \in A[[I]]使得uv=1uv = 1。设a,βa, \beta为uu和vv的常数项,则αβ=1\alpha \beta = 1,所以aa可逆。

相反,假设uu的常数项aa是可逆的。那么存在正式的幂级数t∈A[[I]]t \in A[[I]]使得u=α(1−t)u = \alpha (1 - t)和ω(t)>0\omega(t) > 0。现在有环同态 φ:A[[T]]→A[[I]]\varphi : A[[T]] \to A[[I]]使得φ(T)=t\varphi(T) = t,并且1−T1 - T在A[[T]]A[[T]]中是可逆的(命题5);因而 1−t1 - t 在 A[[I]]A[[I]] 中是可逆的,因而 uu 也是如此。

注 06C7

— 令 AA 为所有形式幂级数的集合,其中常数项 1。根据第 6 条命题,MM 是乘法下的交换律群;因而,A[[I]]A[[I]]的乘法群是MM的直接乘积和AA的乘法群。我们将为AA配备从A[[I]]A[[I]]衍生的拓扑。对于IV中的每个β∈N(I)\beta \in \mathbf{N}^{(I)},p. 26定义了A[[I]]A[[I]]的理想aβa_\beta;那么1+aβ1 + a_\beta是MM的子群,并且族(1+aβ′)(1 + a_{\beta'})是MM中1的邻域的基本系统。由于MM中的乘法是连续的,我们看到AA是拓扑群(Gen.Top.,III,p. 223);在其他字中,*映射*f↦f−1f \mapsto f^{-1}*在*MM中连续。

设KK为交换域,以及由有理分式构成的有理分式K((Xi)i∈I)K((X_i)_{i \in I})的域和O\mathscr{O}子环,其中K1K^1的元素0是可置换的。如果f∈Of \in \mathscr{O},我们有f=uvf = \frac{u}{v},其中uu和vv是多项式,使得vv的常数项是≠0\neq 0,因此vv在K[[I]]K[[I]]中是可逆的。我们可以立刻验证K[[I]]K[[I]]的元素uv−1uv^{-1}只依赖于ff;我们说形式幂级数 uv−1uv^{-1} 是有理分数* uv\frac{u}{v} 起源处的 *展开。 映射 f↦uv−1f \mapsto uv^{-1} 是 O\mathscr{O} 的单同态变成 K[[I]]K[[I]];我们经常将认同O\mathscr{O}及其像置于此映射之下。

引用了 3

引用了 § 4. 。正式幂级数, 命题 6, TG III § 1. 群上的拓扑

5. Taylor 的公式正式幂级数

令X=(Xi)i∈IX = (X_i)_{i \in I}和Y=(Yi)i∈IY = (Y_i)_{i \in I}是相对于相同指标集合I的两个不定族。我们用X+YX + Y表示A[[X,Y]]A[[X, Y]]中正式幂级数的家族(Xi+Yi)i∈I(X_i + Y_i)_{i \in I}。显然,我们可以在正式的幂级数u∈A[[X]]u \in A[[X]]中用Xi+YiX_i + Y_i代替XiX_i,结果写作u(X+Y)u(X + Y)。对于每个ν∈N(I)\nu \in \mathbf{N}^{(I)},我们用Δνu\Delta^\nu u表示正式幂级数u(X+Y)u(X + Y)中的YνY^\nu系数,被视为属于到A[[X]][[Y]]A[[X]][[Y]](III,p. 456)。在其他字中,我们有

u(X+Y)=∑νΔνu(X)⋅Yν(u∈A[[X]]). u(X + Y) = \sum_\nu \Delta^\nu u(X) \cdot Y^\nu \quad (u \in A[[X]]) .

将 (0,X)(0, X) 替换为 (X,Y)(X, Y) 我们得到

u(X)=∑νΔνu(0)⋅Xν; u(X) = \sum_\nu \Delta^\nu u(0) \cdot X^\nu ;

在其他字中,Δνu\Delta^\nu u的常数项是uu中XνX^\nu的系数。由于A[[X]]A[[X]]的映射u↦u(X+Y)u \mapsto u(X + Y)到A[[X,Y]]A[[X, Y]]是连续的,A[[X]]A[[X]]的映射u↦Δνuu \mapsto \Delta^\nu u到其本身也是连续的。

与多项式 (IV, p. 7) 的情况一样,我们可以证明公式

Δσ(uv)=∑v+ρ=σΔν(u)Δρ(v), \Delta^\sigma(uv) = \sum_{v+\rho=\sigma} \Delta^\nu(u) \Delta^\rho(v) ,
ΔρΔσu=(ρ+σ)!ρ!  σ!Δρ+σu. \Delta^\rho \Delta^\sigma u = \frac{(\rho + \sigma)!}{\rho! \; \sigma!} \Delta^{\rho + \sigma} u .

二项式公式 (I, p. 99, Cor. 2) 对于Δνu\Delta^\nu u,当 u=∑λαλXλu = \sum_\lambda \alpha_\lambda X^\lambda 时,给出以下值

Δνu=∑λαλ+ν(λ+ν)!λ!  ν!Xλ. \Delta^\nu u = \sum_\lambda \alpha_{\lambda + \nu} \frac{(\lambda + \nu)!}{\lambda! \; \nu!} X^\lambda .

特别考虑ν=ϵi\nu = \epsilon_i的情况,即νi=1,νj=0\nu_i = 1, \nu_j = 0对应j≠ij \neq i。我们将放入Diu=ΔϵiuD_i u = \Delta^{\epsilon_i} u;换句话说,DiuD_i u是YiY_i在u(X+Y)u(X + Y)中的系数。根据 (10) 我们有

Diu=∑λ(λi+1)αλ+ϵiXλ; D_i u = \sum_\lambda (\lambda_i + 1) \alpha_{\lambda + \epsilon_i} X^\lambda ;

特别是对于 j≠ij \neq i,我们有 Di(Xi)=1D_i(X_i) = 1 和 Di(Xj)=0D_i(X_j) = 0。 公式(8)表明DiD_i是A[[X]]A[[X]]的推导,并且从(9)我们推导出关系

Dνu=ν!  Δνu D^\nu u = \nu! \; \Delta^\nu u

就像多项式 (IV, p. 8) 的情况一样(我们将Dν=∏i∈IDiνiD^\nu = \prod_{i \in I} D_i^{\nu_i}代替ν=(νi)i∈I\nu = (\nu_i)_{i \in I},放在N(I)\mathbf{N}^{(I)}中)。当 A 是 Q 代数时,公式 (6)、(7) 和 (12) 隐含 « Taylor 公式 »:

u(X+Y)=∑1ν!Dνu(X)⋅Yν, u(\mathbf{X} + \mathbf{Y}) = \sum \frac{1}{\nu!} D^\nu u(\mathbf{X}) \cdot \mathbf{Y}^\nu,
u(X)=∑1ν!Dνu(0)⋅Xν. u(\mathbf{X}) = \sum \frac{1}{\nu!} D^\nu u(0) \cdot \mathbf{X}^\nu.

注 0DHH

1) 我们常说DiuD_i u是*u对X*的偏导数,;我们还使用记号Dxiu,∂u∂xiD_{x_i} u, \frac{\partial u}{\partial x_i}和uxi′u'_{x_i}。对于单个不定X,唯一的偏导数DuDu(也写作dudX\frac{du}{dX}或u′u')称为uu的*导数*。

2) 公式(9)表明A-模A[[X]]A[[X]]的自同态ApA^p通勤痛苦。因此自同态DiD_i同样成立。

3) 如果u∈A[(Xi)i∈I]u \in A[(X_i)_{i \in I}]是多项式,IV、p. 6和7重合定义的多项式ApuA^p u和DiuD_i u与形式幂级数用相同的符号表示。

6. 正式幂级数代数中的推导

令 I 为集合,E 为结合律、交换律、酉线性拓扑、分离且完备的 A-代数,x=(xi)i∈Ix = (x_i)_{i \in I} 是命题 4 (IV) 的 E 满足条件 a) 和 b) 的元素族。 p. 28)。令φ\varphi为A[[I]]A[[I]]到E的连续同态u↦u(x)u \mapsto u(x);它为E配备了A[[I]]A[[I]]模块结构。通过 III、p. 552,A[[I]]A[[I]] 到 A[[I]]A[[I]] 模 E 的 A 推导 D 为 A-线性映射 D:A[[I]]→ED : A[[I]] \to E 满足关系

D(uv)=u(x)⋅D(v)+D(u)⋅v(x) D(uv) = u(x) \cdot D(v) + D(u) \cdot v(x)
A[[I]]A[[I]] 中的 u,vu, v。

命题 7 06C8

— 令(yi)i∈I(y_i)_{i \in I}为E的元素族。当I无穷大时,*我们*假设yiy_i沿着I的有限子集的补集过滤器趋于0。那么存在A[[I]]A[[I]]到A[[I]]A[[I]]*-模* E 的唯一连续A-导数D,使得D(Xi)=yiD(X_i) = y_i对于所有i∈Ii \in I。我们有

D(u)=∑i∈I(Diu)(x)⋅yi(u∈A[[I]]). D(u) = \sum_{i \in I} (D_i u)(x) \cdot y_i \quad (u \in A[[I]]) .

被以下引用 1

被以下引用 推出 1

由于 0 在 E 中承认理想的邻域由……组成的基本系统,因此对于所有 u∈A[[I]]u \in A[[I]],族 ((Diu)(x)⋅yi)i∈I((D_i u)(x) \cdot y_i)_{i \in I} 在 E 中是可求和的(Gen. Top.、III、p. 263、Cor. 2)。 公式 (16) 因此定义 A-线性映射 D:A[[I]]→ED : A[[I]] \to E。我们让读者验证 D 是连续的推导。

令 D1D_1 为 A[[I]]A[[I]] 到 E 的连续 A 导数,使得 D1(Xi)=yiD_1(X_i) = y_i 对于所有 i∈Ii \in I。连续推导D−D1D - D_1的核是A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]]包含1和不定XiX_i的闭子代数B。由于多项式代数 A[(Xi)i∈I]\mathbf{A}[(X_i)_{i \in I}] 在 A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]] 中是稠密的,因此我们有 B=A[[I]]B = \mathbf{A}[[\mathbf{I}]] 以及 D1=DD_1 = D。

推出 1 06C9

— *令 A 为 A-代数 E 的连续推导。对于每个形式幂级数 u∈A[[I]]u \in \mathbf{A}[[\mathbf{I}]],族 ((Diu)(x)⋅Δxi)i∈I((D_iu)(x) \cdot \Delta x_i)_{i \in I} 是可求和的,我们有

Δ(u(x))=∑i∈I(Diu)(x)⋅Δxi. \Delta(u(x)) = \sum_{i \in I} (D_iu)(x) \cdot \Delta x_i .
引用了 1 · 被以下引用 3

引用了 命题 7

被以下引用 推论 2, 推论 3, 注, IV § 6

这是从命题 7 得出的,因为映射 u↦Δ(u(x))u \mapsto \Delta(u(x)) 是 A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]] 的连续推导进入A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]]-模块 E。

推论 2 06CA

— *推导 DiD_i 是 A-代数 A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]] 的唯一连续推导,使得

Di(Xi)=1,Di(Xj)=0forj≠i. D_i(X_i) = 1 , \quad D_i(X_j) = 0 \quad \text{for} \quad j \neq i .
引用了 1

引用了 推出 1

这是从 Cor 得出的。 1.

推论 3 06CB

— *令 f∈A[[X1,...,Xs]]f \in \mathbf{A}[[X_1, ..., X_s]] 和 gi∈A[[Y1,...,Yq]]g_i \in \mathbf{A}[[Y_1, ..., Y_q]] 为 1≤i≤p1 \leq i \leq p。假设对于1≤i≤p1 \leq i \leq p,gig_i的常数项是零,并放入h=f(g1,...,gp)h = f(g_1, ..., g_p)。那么对于 1≤j≤q1 \leq j \leq q 我们有

∂h∂Yj=∑i=1pDif(g1,...,gp)⋅∂gi∂Yj. \frac{\partial h}{\partial Y_j} = \sum_{i=1}^p D_i f(g_1, ..., g_p) \cdot \frac{\partial g_i}{\partial Y_j} .
引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 推出 1

被以下引用 命题 14

这是 Cor 的特殊情况 E=A[[Y1,...,Ys]]E = \mathbf{A}[[Y_1, ..., Y_s]]、xi=qix_i = q_i 和 A=∂/∂YjA = \partial / \partial Y_j。 1.

命题 8 06CC

— *令 X=(Xi)iX = (X_i)_i 为不定式的有限族。 (i) 正式幂级数 A[[X]]\mathbf{A}[[X]] 的环中的每个推导都是连续的。 (ii) 以独特的方式将多项式环A[X]\mathbf{A}[X]的推导转换为正式幂级数A[[X]]\mathbf{A}[[X]]扩展的环到环A[[X]]\mathbf{A}[[X]]的推导。 (iii) (Di)i∈I(D_i)_{i \in I}族是A[[X]]\mathbf{A}[[X]]自身的A-导数的A[[X]]\mathbf{A}[[X]]模的基。 令bnb_n为阶≥n\geq n的所有形式幂级数中的集合。显然,bnb_n是环A[[X]]\mathbf{A}[[X]]中的理想,由次数nn的单项式生成。因此 bnb_n 由 nn 形式幂级数的乘积的有限和组成,没有常数项;如果 DD 是 A[[X]]\mathbf{A}[[X]] 的推导,我们有

D(f1⋯fn)=∑i=1nf1⋯fi−1D(fi)fi+1⋯fn, D(f_1 \cdots f_n) = \sum_{i=1}^n f_1 \cdots f_{i-1} D(f_i) f_{i+1} \cdots f_n ,
引用了 1

引用了 § 4. 。正式幂级数

从而立即得出 Dbn⊂bn−1Db_n \subset b_{n-1} 对应 n≥1n \geq 1。由于序列 (bn)n≥0(b_n)_{n \geq 0} 是 A[[X]]\mathbf{A}[[X]] (IV, p. 26 注) 中 0 的邻域的基本系统,因此 D 是连续的,并且 (i) 被证明。

令 AA 为 A[X]A[X] 的推导到A[[X]]A[[X]]。论证为之前,我们可以证明对于次数n≥1n \geq 1的每个齐次多项式hh,A(h)A(h)属于到b,−1b, -_1。现在令 u∈A[[X]]u \in A[[X]] 和 unu_n 为 uu 的次数 nn 的齐次分量。由于 A(un)∈b,−1A(u_n) \in b, -_1 对于 n≥1n \geq 1,族 (A(u)),…(A(u)), \ldots 可以在 A[[X]]A[[X]] 中求和,我们可以将 A[[X]]A[[X]] 的定义推导 DD 化为自身

D(u)=∑n≥0Δ(un) D(u) = \sum_{n \geq 0} \Delta(u_n)

我们有D(bn)⊂bn−1D(b_n) \subset b_{n-1},因此DD是A[[X]]A[[X]]的加法群的连续自同态。 A[[X]]×A[[X]]A[[X]] \times A[[X]]到A[[X]]A[[X]]的映射Φ:(u,v)↦D(uv)−uD(v)−D(u)v\Phi : (u, v) \mapsto D(uv) - uD(v) - D(u)v是连续的,零在A[X]×A[X]A[X] \times A[X]上。由于A[X]A[X]在A[[X]]A[[X]]中是稠密的,所以我们有Φ=0\Phi = 0;在其他字中,DD是A[[X]]A[[X]]的推导自身,延伸AA。

最后,A[X]A[X]在A[[X]]A[[X]]中是稠密的,并且A[[X]]A[[X]]的每个推导都由(i)连续;因此存在唯一的扩张 AA 到推导 A[[X]]A[[X]]。这就证明了(ii)。

仍有待证明(iii)。 公式 (18) (IV, p. 33) 表明族 (Di)i∈I(D_i)_{i \in I} 与 A[[X]]A[[X]] 线性无关,而公式 (16) (IV, p. 32),应用于案例 E=A[[X]]E = A[[X]],表明每个AA-导数是DiD_i的线性组合,系数为A[[X]]A[[X]]。

命题 9 06CD

— 令 (uλ)λ∈L(u_\lambda)_{\lambda \in L} 为 A[[I]]A[[I]] 的元素的*可求和*族,没有常数项,并且 DD 为 AA-代数 A[[I]]A[[I]] 的连续推导。如果 f=∏λ∈L(1+uλ)f = \prod_{\lambda \in L} (1 + u_\lambda) (IV, p. 27, 命题 2),那么族 (Duλ/(1+uλ))λ∈L(Du_\lambda/(1 + u_\lambda))_{\lambda \in L} 是可求和的,我们有

D(f)/f=∑λ∈LD(uλ)/(1+uλ). D(f)/f = \sum_{\lambda \in L} D(u_\lambda)/(1 + u_\lambda) .
引用了 1

引用了 命题 2

如果gg和hh是A[[I]]A[[I]]中的两个可逆元,那么

D(gh)=h⋅Dg+g⋅Dh D(gh) = h \cdot Dg + g \cdot Dh

从而除以ghgh,

D(gh)/gh=D(g)/g+D(h)/h. D(gh)/gh = D(g)/g + D(h)/h .

对于 LL 中的每个有限子集 MM,放入 fM=∏λ∈M(1+uλ)f_M = \prod_{\lambda \in M} (1 + u_\lambda)。从 (21) 我们在卡片 MM 关系上推导出归纳

D(fM)/fM=∑λ∈MD(uλ)/(1+uλ) D(f_M)/f_M = \sum_{\lambda \in M} D(u_\lambda)/(1 + u_\lambda)

当 L 有限时,这证明了命题 9。现在假设L是无限的,并为L的有限子集的过滤有序集合写入F\mathfrak{F}。我们有 lim⁡FfM=f\lim_{\mathfrak{F}} f_M = f,因此 (IV, p. 30 注)

D(f)/f=lim⁡FD(fM)/fM. D(f)/f = \lim_{\mathfrak{F}} D(f_M)/f_M .

现在,第 9 号提案接着是 (22) 中的极限。

7. 解正式方程幂级数环

引理 2 06CE

让*(gi)i(g_i)_i*成为元素和阶*≥2\geq 2*在*A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]]的家庭。 当I\mathbf{I}*无限时,假设*gig_i*沿着*I\mathbf{I}的有限子集的补集过滤器趋于0。 拓扑 A*-代数* A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]] 存在且仅有一个自同构 T 使得 T(Xi)=Xi+giT(X_i) = X_i + g_i 对于所有 i∈Ii \in \mathbf{I}。 *此外,

引用了 2 · 被以下引用 2

引用了 命题 4, § 4. 。正式幂级数

被以下引用 命题 10, 命题 3, IV § 6

(23)

ω(T(u)−u)≥ω(u)+1 \omega(T(u) - u) \geq \omega(u) + 1
每个u∈A[[I]]u \in \mathbf{A}[[\mathbf{I}]]。

级数fi=Xi+gif_i = X_i + g_i没有常数项,当I\mathbf{I}无穷大时,fif_i沿着I\mathbf{I}的有限子集的补集过滤器趋于0。因此(IV,p. 28,命题4),A-代数A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]]恰好存在一个连续的自同态T,使得T(Xi)=fiT(X_i) = f_i对于所有i∈Ii \in \mathbf{I}。对于每个ν∈N′\nu \in \mathbf{N}',我们放入

vν=T(Xν)−Xν=∏i∈I(Xi+gi)ν(i)−∏i∈IXiν(i); v_\nu = T(X^\nu) - X^\nu = \prod_{i \in \mathbf{I}} (X_i + g_i)^{\nu(i)} - \prod_{i \in \mathbf{I}} X_i^{\nu(i)} ;

关系ω(gi)≥2\omega(g_i) \geq 2暗示w(vν)≥∣ν∣+1w(v_\nu) \geq |\nu| + 1,关系(23)立即由此而来。

让我们证明 TT 是*内射*。给定u∈A[[I]]u \in \mathbf{A}[[\mathbf{I}]]使得T(u)=0T(u) = 0,通过(23)我们有w(u)≥w(u)+1w(u) \geq w(u) + 1,如果u≠0u \neq 0这是不可能的,因为w(u)w(u)将是正整数。

对于A[[I]]\mathbf{A}[[\mathbf{I}]]中的每个形式级数vv,我们用Hn(v)H_n(v)表示其次数nn的齐次成分。让我们用递归方程将连续的映射S,:A[[I]]→A[[I]]S, : \mathbf{A}[[\mathbf{I}]] \to \mathbf{A}[[\mathbf{I}]]代入S0(v)=H0(v)S_0(v) = H_0(v)和定义

(24)

Sn(v)=Hn(v−T(∑k=0n−1Sk(v)))forn≥1 S_n(v) = H_n \left( v - T \left( \sum_{k=0}^{n-1} S_k(v) \right) \right) \quad \text{for} \quad n \geq 1

把S(v)=∑n≥0Sn(v)S(v) = \sum_{n \geq 0} S_n(v);如果ν∈N(I)\nu \in \mathbf{N}^{(\mathbf{I})}和n=∣ν∣n = |\nu|,则S(v)S(v)中XνX^\nu的系数Sν(v)S^\nu(v)等于S,(ν)S,(\nu)中XνX^\nu的系数;由于S,S,是连续的映射,所以映射Sν:A[[I]]→AS^\nu : \mathbf{A}[[\mathbf{I}]] \to \mathbf{A}是连续的。因此,通过A[[I]]=AN(I)\mathbf{A}[[\mathbf{I}]] = \mathbf{A}^{\mathbf{N}^{(\mathbf{I})}}上的乘积拓扑的定义,映射S:A[[I]]→A[[I]]S : \mathbf{A}[[\mathbf{I}]] \to \mathbf{A}[[\mathbf{I}]]是连续的。

我们将为所有v∈A[[I]]v \in \mathbf{A}[[\mathbf{I}]]证明关系T(S(v))=vT(S(v)) = v,这将完成引理的证明。设 v∈A[[I]]v \in \mathbf{A}[[\mathbf{I}]]、un=Sn(v)u_n = S_n(v) 和 u=S(v)u = S(v)。令 nn 为正整数,使得

(25)n_n

ω(v−T(u))≥n. \omega(v - T(u)) \geq n .

我们有w(u−(u0+…+un−1))≥nw(u - (u_0 + \ldots + u_{n-1})) \geq n,从而

ω(T(u)−T(u0+…+un−1)−un)≥n+1 \omega(T(u) - T(u_0 + \ldots + u_{n-1}) - u_n) \geq n + 1

由(23)。现在递归方程(24)表明

un=Hn(v−T(u0+⋯+un−1)) u_n = H_n(v - T(u_0 + \cdots + u_{n-1}))

由(26) 可知,形式幂级数 v−T(u)v - T(u) 和v−T(u0+…+un−1)−unv - T(u_0 + \ldots + u_{n-1}) - u_n 具有相同的齐次分量次数 nn,且该分量为零,由(27) 得到。因此我们有w(v−T(u))≥n+1w(v - T(u)) \geq n + 1,即(25)n(25)_n意味着(25)n+1(25)_{n+1}。由于(25)0(25)_0显然成立,因此对于每个整数n≥0n \geq 0、从而v=T(u)=T(S(v))v = T(u) = T(S(v)),我们都有ω(v−T(u))≥n\omega(v - T(u)) \geq n,这有待证明。

对于本号的其余部分,对于任何集合II,我们将用(fi)i∈I(f_i)_{i \in I}满足家庭的A{I}A\{I\}集合表示以下条件: (i) 对于每个 i∈Ii \in I,fif_i 是 A[[I]]A[[I]] 的元素,没有常数项; (ii) 如果 II 是无限的,fif_i 沿着 II 的有限子集的补集过滤器趋于 0。

集合 A{I}A\{I\} 是合成律 (f,g)↦f∘g(f, g) \mapsto f \circ g 的幺半群,{Xi}i∈I\{X_i\}_{i \in I} 为单位元。 A{I}A\{I\} 的可逆元的集合因此是群。

另一方面,令EE为AA-代数A[[I]]A[[I]]的所有连续单位自同态的幺半群,留下所有形式幂级数的理想,而没有常数项不变量。如果f∈A{I}f \in A\{I\}和g∈A[[I]]g \in A[[I]],则定义了元素g(f)g(f)。对于固定的ff,A[[I]]A[[I]]的映射g↦g(f)g \mapsto g(f)自身就是EE的元素WfW_f。如果 f1,f2∈A{I}f_1, f_2 \in A\{I\} 和 g∈A[[I]]g \in A[[I]],我们有公式 (5) (IV, p. 30)

Wf1∘f2(g)=g(f1∘f2)=g(f1)∘f2=Wf2(Wf1(g)) W_{f_1 \circ f_2}(g) = g(f_1 \circ f_2) = g(f_1) \circ f_2 = W_{f_2}(W_{f_1}(g))

因此,f↦Wff \mapsto W_f是与A{I}A\{I\}相反的幺半群的同态进入EE。根据命题 4 (IV, p. 28),这个同态是双射的。

令 f=(fi)i∈I∈A{I}f = (f_i)_{i \in I} \in A\{I\} 和 ∑j∈IαijXj\sum_{j \in I} \alpha_{ij} X_j 为fif_i 次数 1 的齐次分量。对于II中的任何固定jj,我们有αij=0\alpha_{ij} = 0,除了后缀ii的有限数,通过上面的假设(ii)。如果(λi)∈A(I)(\lambda_i) \in A^{(I)},我们就有(∑j∈Iαijλj)∈A(I)\left( \sum_{j \in I} \alpha_{ij} \lambda_j \right) \in A^{(I)}。

我们用TfT_f表示AA线性映射1^1

(λi)↦(∑j∈Iαijλj) (\lambda_i) \mapsto \left( \sum_{j \in I} \alpha_{ij} \lambda_j \right)

A(I)A^{(I)} 变为 A(I)A^{(I)}。如果g∈A{I}g \in A\{I\},很容易验证

Tf∘g=Tf∘Tg. T_{f \circ g} = T_f \circ T_g .

1^1 有时 TfT_f 称为线性映射与 ff 相切。

命题 10 06CF

— 令 f∈A{I}f \in A\{I\};那么下面的条件是等价的: (i) 对于律 ∘\circ,ff 在 A{I}A\{I\} 中是可逆的; (ii) TfT_f 在环 End(A(I))\mathrm{End}(A^{(I)}) 中可逆。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 引理 2

被以下引用 推论, 命题 14

蕴涵 (i) ⇒\Rightarrow (ii) 是 (28) 中的直接的。现在假设 TfT_f 在 End(A(I))\mathrm{End}(A^{(I)}) 中是可逆的。存在g=(gi)i∈A{I}g = (g_i)_i \in A\{I\},使得每个gig_i是次数ll的齐次,并且Tg∘TfT_g \circ T_f是A(I)A^{(I)}的恒等映射。写h=g∘fh = g \circ f;则(28)可知ThT_h是A(I)A^{(I)}的恒等映射,相当于断言ω(hi−Xi)≥2\omega(h_i - X_i) \geq 2。因此,通过IV的引理2,p. 35hh在A{I}A\{I\}中是可逆的。显然,gg 在 A{I}A\{I\} 中可逆,因此 ff 在 A{I}A\{I\} 中可逆。

推论 06CG

— 设 fi(Y1,Y2,…,Yq,X1,X2,…,Xp)f_i(Y_1, Y_2, \ldots, Y_q, X_1, X_2, \ldots, X_p) (1≤i≤q1 \leq i \leq q) 为 qq 正式幂级数,在 A[[Y1,…,Yq,X1,…,Xp]]A[[Y_1, \ldots, Y_q, X_1, \ldots, X_p]] 中没有常数项。如果形式幂级数 D=det⁡(∂fi∂Yj)D = \det \left( \frac{\partial f_i}{\partial Y_j} \right) 的常数项在 AA 中可逆,则 qq 形式幂级数 u1(X1,…,Xp),…,uq(X1,…,Xp)u_1(X_1, \ldots, X_p), \ldots, u_q(X_1, \ldots, X_p) 中恰好存在一个系统,使得

fi(u1,…,uq,X1,…,Xp)=0(1≤i≤q). f_i(u_1, \ldots, u_q, X_1, \ldots, X_p) = 0 \quad (1 \leq i \leq q).
把fq+1=X1,…,fq+p=Xpf_{q+1} = X_1, \ldots, f_{q+p} = X_p,f=(f1,…,fp+q)f = (f_1, \ldots, f_{p+q}),则det⁡Tf\det T_f等于DD的常数项,因此在AA中可逆;因此 TfT_f 是可逆的。根据命题 10,存在形式幂级数,没有常数项
g1,…,gq+p∈A[[Y1,…,Yq,X1,…,Xp]] g_1, \ldots, g_{q+p} \in A[[Y_1, \ldots, Y_q, X_1, \ldots, X_p]]
这样在写作时
g=(g1,…,gp+q),1p+q=(Y1,…,Yq,X1,…,Xp) g = (g_1, \ldots, g_{p+q}), \quad 1_{p+q} = (Y_1, \ldots, Y_q, X_1, \ldots, X_p)
我们有f∘g=g∘f=1p+qf \circ g = g \circ f = 1_{p+q}。 关系 f∘g=1p+qf \circ g = 1_{p+q},特别是给出
gq+1=X1,…,gq+p=Xp. g_{q+1} = X_1, \ldots, g_{q+p} = X_p.
因此
fi(g1,…,gq,X1,…,Xp)=Yi(1≤i≤q). f_i(g_1, \ldots, g_q, X_1, \ldots, X_p) = Y_i \quad (1 \leq i \leq q).
现在放
ui(X1,…,Xp)=gi(0,…,0,X1,…,Xp)(1≤i≤q); u_i(X_1, \ldots, X_p) = g_i(0, \ldots, 0, X_1, \ldots, X_p) \quad (1 \leq i \leq q);
将 (30) 中的每个 YiY_i 替换为 0,我们得到所需的关系 (29)。

引用了 1

引用了 命题 10

相反,假设环 A[[X1,…,Xp]]A[[X_1, \ldots, X_p]] 满足关系 (29) 中的形式幂级数 u1,…,uqu_1, \ldots, u_q。 关系 g∘f=1p+qg \circ f = 1_{p+q} 意味着

gi(f1,…,fq,X1,…,Xp)=Yi(1≤i≤q); g_i(f_1, \ldots, f_q, X_1, \ldots, X_p) = Y_i \quad (1 \leq i \leq q);
将(32)中的uiu_i代入YiY_i代入1≤i≤q1 \leq i \leq q,得(31),系统的解从而唯一性(29)。

8. 正式幂级数超过整环

命题 11 06CH

— 假设 AA 是整环。

(i) 环 A[[I]]A[[I]] 又是整环。

(ii) 如果 u,vu, v 为 A[[I]]A[[I]] 的非零元素,*则* ω(uv)=ω(u)+ω(v)\omega(uv) = \omega(u) + \omega(v)。

对于每个J⊂IJ \subset I,令φJ\varphi_J为A[[I]]A[[I]]的同态代入A[[J]]A[[J]],通过将A[[I]]A[[I]]的每个元素代入,当i∈Ji \in J时将XiX_i代入XiX_i,当XiX_i时代入0 i∈I−Ji \in I - J。令u,vu, v为A[[I]]A[[I]]、p=ω(u)p = \omega(u)、q=ω(v)q = \omega(v)的非零元素;存在 II 的有限子集 JJ 使得

φJ(u)≠0, φJ(v)≠0, ω(φJ(u))=p, ω(φJ(v))=q. \varphi_J(u) \neq 0,\ \varphi_J(v) \neq 0,\ \omega(\varphi_J(u)) = p,\ \omega(\varphi_J(v)) = q.

令 a(分别 b)为 φJ(u)\varphi_J(u)(分别 φJ(v)\varphi_J(v))的次数 pp(分别 qq)的齐次分量。由于 JJ 是有限的,因此 a 和 b 是多项式。我们有a≠0,b≠0a \neq 0, b \neq 0,因此有ab≠0ab \neq 0(IV,p. 9,提案 8)。因此 φJ(u) φJ(v)\varphi_J(u)\ \varphi_J(v) 是非零,阶 p+qp + q。由此可见 uv≠0uv \neq 0 和 ω(uv)≤p+q\omega(uv) \leq p + q;但显然ω(uv)≥p−q\omega(uv) \geq p - q。

9. The field of fractions of the ring of formal power series in one indeterminate over a field

如果K是交换域,我们用整环K[[X]]K[[X]]分数的K((X))K((X))域来表示。

命题 12 06CI

— 每个非零元素 uu of K((X))K((X)) 可以以独特的方式写为 u=Xkvu = X^k v,*其中* k∈Zk \in \mathbf{Z} 和 vv 是正式的幂级数 in XX of 阶 0。

引用了 4 · 被以下引用 1

引用了 命题 6, TG III § 1. 群上的拓扑, TG III § 6. 拓扑群与运算符;拓扑环,划分环和域, TG III § 5. 可交换的无限和群

被以下引用 例, VII § 1

设u=w/tu = w/t,其中w,tw, t是K[[X]]K[[X]]的非零元素。我们有w=Xrw1,t=Xst1w = X^r w_1, t = X^s t_1,其中r,s∈Nr, s \in \mathbf{N}和w1,t1w_1, t_1是阶0的形式幂级数,因此在K[[X]]K[[X]]中可逆(IV,p. 30,命题6)。那么u=Xr−sw1t1−1u = X^{r-s} w_1 t_1^{-1}和w1t1−1w_1 t_1^{-1}是阶0的正式幂级数。

让我们证明唯一性。假设u=Xk1v1=Xk2v2u = X^{k_1} v_1 = X^{k_2} v_2,其中k1,k2∈Zk_1, k_2 \in \mathbf{Z}和v1,v2v_1, v_2是阶0的形式幂级数。由于Xk1−k2=v2v1−1X^{k_1 - k_2} = v_2 v_1^{-1}是阶0的形式幂级数,我们有k1=k2k_1 = k_2 从而v1=v2v_1 = v_2,这就证明了唯一性断言。

我们可以说,K((X))K((X))的元素是XX中的*广义形式幂级数*,系数在KK中,或者在不会产生混淆的情况下简单地形式化幂级数(然后称为K[[X]]K[[X]]的元素) 正式幂级数带正指数);如果第12条命题中定义的u≠0u \neq 0、整数kk也称为uu的*阶*,写成ω(u)\omega(u),即使它是<0< 0;我们还放了ω(0)=∞\omega(0) = \infty。可以立刻验证

ω(u+v)≥inf⁡(ω(u),ω(v))ω(u+v)=inf⁡(ω(u),ω(v))if  ω(u)≠ω(v)ω(uv)=ω(u)+ω(v) \begin{align*} \omega(u + v) &\geq \inf(\omega(u), \omega(v)) \\ \omega(u + v) &= \inf(\omega(u), \omega(v)) \quad \text{if}\ \ \omega(u) \neq \omega(v) \\ \omega(uv) &= \omega(u) + \omega(v) \end{align*}

仍然适用于广义正式幂级数。特别是,如果u≠0u \neq 0,则w(u−1)=−w(u)w(u^{-1}) = -w(u)。 \* 在其他字(Comm. Alg.、VI, § 3, No. 6、p. 392、Def. 3)中,w 是域 K((X))K((X)) 的标准化离散估值。 \*

对于每个整数n∈Zn \in \mathbf{Z},令pnp_n为所有u∈K((X))u \in K((X))中的集合,使得ω(u)≥n\omega(u) \geq n。则(p.),,,是加法群K((X))K((X))子群递减序列,和交0;因此,K((X))K((X))上存在拓扑,在翻译下不变,其中(pn)n∈Z(p_n)_{n \in \mathbf{Z}}是0的邻域的基本系统(Gen.Top.,III,p. 223)。我们可以很容易地验证K((X))K((X))是一个拓扑域(Gen.Top.,III,p. 281),并且K[[X]]K[[X]]是K((X))K((X))的开闭子空间。

令(αn)n∈Z(\alpha_n)_{n \in \mathbf{Z}}是KK的元素族,并假设存在整数N,使得an=0a_n = 0对于所有n<Nn < N。然后家庭的 (αnXn)n∈Z(\alpha_n X^n)_{n \in \mathbf{Z}} 可在 K((X))K((X)) 中求和(Gen. Top., III, p. 263, Cor.);放入u=∑n∈ZαnXnu = \sum_{n \in \mathbf{Z}} \alpha_n X^n,则u=0u = 0当且仅当an=0a_n = 0对于所有nn;否则,uu的阶是最小的整数 k,使得αk≠0\alpha_k \neq 0。最后,K((X))K((X))的每个元素都可以以独特的方式写成形式∑n∈ZαnXn\sum_{n \in \mathbf{Z}} \alpha_n X^n,其中序列(αn)(\alpha_n)对于所有足够大n满足α−n=0\alpha_{-n} = 0。

由于环K[X]K[X]是K[[X]]K[[X]]的子环,每个有理分式u/v∈K(X)u/v \in K(X)(u,v是X中的多项式)可以用(广义)形式幂级数uv−1uv^{-1}来识别K((X))K((X)),我们在原点将其称为展开;因此,域K(X)K(X)被识别为K((X))K((X))的子域。

10. 指数和对数

通过指数幂级数,我们可以理解Q[[X]]Q[[X]]的元素∑n≥0Xnn!\sum_{n \geq 0} \frac{X^n}{n!};它将用 exp X 或 eXe^X 表示。

命题 13 06CJ

— 在Q[[X,Y]]Q[[X, Y]],我们有eX+Y=eXeYe^{X+Y} = e^X e^Y。

被以下引用 1

被以下引用 命题 14

对于二项式公式给出

(X+Y)nn!=∑i+j=nXii!Yjj! \frac{(X+Y)^n}{n!} = \sum_{i+j=n} \frac{X^i}{i!} \frac{Y^j}{j!}

因此

eXeY=(∑i≥0Xii!)(∑j≥0Yjj!)=∑i,j≥0Xii!Yjj!=∑n≥0∑i+j=nXii!Yjj! e^X e^Y = \left( \sum_{i \geq 0} \frac{X^i}{i!} \right) \left( \sum_{j \geq 0} \frac{Y^j}{j!} \right) = \sum_{i,j \geq 0} \frac{X^i}{i!} \frac{Y^j}{j!} = \sum_{n \geq 0} \sum_{i+j=n} \frac{X^i}{i!} \frac{Y^j}{j!}
=∑n≥0(X+Y)nn!=eX+Y. = \sum_{n \geq 0} \frac{(X+Y)^n}{n!} = e^{X+Y}.

我们将Q[[X]]Q[[X]]中的定义两个元素e(X)e(X)、I(X)

e(X)=eX−1=∑n≥1Xnn! e(X) = e^X - 1 = \sum_{n \geq 1} \frac{X^n}{n!}

(34)

l(X)=∑n≥1(−1)n−1Xnn. l(X) = \sum_{n \geq 1} (-1)^{n-1} \frac{X^n}{n}.

我们有 (35)

e(X+Y)=e(X)+e(Y)+e(X)e(Y) e(X+Y) = e(X) + e(Y) + e(X)e(Y)
(36)
D(eX)=D(e(X))=eX D(e^X) = D(e(X)) = e^X
(37)
D(l(X))=∑n≥0(−X)n=(1+X)−1. D(l(X)) = \sum_{n \geq 0} (-X)^n = (1+X)^{-1}.

命题 14 06CK

— 我们有 l(e(X))=e(l(X))=Xl(e(X)) = e(l(X)) = X。

引用了 4

引用了 命题 10, 推论 3, § 4. 。正式幂级数, 命题 13

级数 l 和 e 没有常数项,并且它们的次数 1 的项等于 X。根据IV、p. 37的第10条命题,足以证明公式l(e(X))=Xl(e(X)) = X。由公式 (36) 和 (37) 以及 Cor。 IV、p. 33 中的 3 个我们有

D(l(e(X)))=(1+e(X))−1D(e(X))=(eX)−1eX=1 D(l(e(X))) = (1 + e(X))^{-1} D(e(X)) = (e^X)^{-1} e^X = 1

从而I(e(X))=XI(e(X)) = X。

令 K 为 Q 代数,则 K[[I]] 的元素在没有常数项形式的情况下是加法下的可交换群 E\mathscr{E}。 K[[I]] 的元素,常数项 1 形式是乘法 (IV, p. 30) 下的可交换群 A\mathbf{A}。对于每个f∈Ef \in \mathscr{E},我们可以得到E\mathscr{E}的定义、元素、e∘fe \circ f和I∘fI \circ f,并且根据上面的第14条命题,映射、f↦l∘ff \mapsto l \circ f和f↦e∘ff \mapsto e \circ f是置换的互逆E\mathscr{E};显然它们是连续的。从exp⁡X=e(X)+1\exp X = e(X) + 1开始,我们看到指数映射f↦exp⁡f=e∘f+1f \mapsto \exp f = e \circ f + 1是E\mathscr{E}到M\mathscr{M}的连续双射。根据IV、p. 29和第13号提案的公式(4),我们有exp⁡(f+g)=(exp⁡f)(exp⁡g)\exp(f+g) = (\exp f)(\exp g)对应f,g∈Ef, g \in \mathscr{E}。因此,拓扑群E\mathscr{E}到拓扑群A\mathbf{A}的指数是同构。

M\mathscr{M}乘以E\mathscr{E}的逆同构称为对数,写为g↦log⁡gg \mapsto \log g。因此,我们在 M\mathscr{M} 中得到 gg 的 log⁡g=l(g−1)\log g = l(g-1),特别是,

(38)

log⁡(1+X)=l(X). \log(1+X) = l(X).

由于 M\mathscr{M} 右 E\mathscr{E} 的对数为同态,因此公式 (1+X)(1+Y)=1+(X+Y+XY)(1+X)(1+Y) = 1 + (X+Y+XY) 意味着

(39)

l(X)+l(Y)=l(X+Y+XY). l(X) + l(Y) = l(X+Y+XY).

令(uλ)λ∈L(u_\lambda)_{\lambda \in L}是B\mathscr{B}的元素的可和族,那么(exp⁡uλ)λ∈L(\exp u_{\lambda})_{\lambda \in L}是可乘的,我们有

(40)

exp⁡(∑λ∈Luλ)=∏λ∈Lexp⁡uλ. \exp \left( \sum_{\lambda \in L} u_{\lambda} \right) = \prod_{\lambda \in L} \exp u_{\lambda}.

类似地,如果 (fλ)λ∈L(f_\lambda)_{\lambda \in L} 是 A 的元素的可乘族,则族 (log⁡fλ)λ∈L(\log f_\lambda)_{\lambda \in L} 可求和,我们有

(41)

log⁡(∏λ∈Lfλ)=∑λ∈Llog⁡fλ. \log \left( \prod_{\lambda \in L} f_\lambda \right) = \sum_{\lambda \in L} \log f_\lambda .

令g∈Ag \in A,并令D为K[[I]]K[[I]]的连续推导。我们有 log⁡g=l(g−1)\log g = l(g - 1),因此 Cor. IV、p. 33 中的 3 个和 (37) 我们有

(42)

Dlog⁡g=D(g)/g. D \log g = D(g)/g .

表达式D(g)/gD(g)/g称为g(相对于D)的对数导数。

习题

参见习题为 § 4。

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