Bourbaki

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§ 16。可分离性差异判据

1. 推导的扩张:环的情况

设K为交换环,A交换K-代数和x=(xi)i∈Ix = (x_i)_{i \in I},A的元素族。进一步,令AA为K到A-模M的推导,在其他字(III,p. 553)a对于 K 中的 c,c′c, c',K 到 M 满足关系 Δ(cc′)=c⋅Δ(c′)+c′⋅Δ(c)\Delta(cc') = c \cdot \Delta(c') + c' \cdot \Delta(c) 的 Z 线性映射。对于每个i∈Ii \in I,令 DiD_i 为多项式环 K[Xi]i∈IK[X_i]_{i \in I} 中相对于 XiX_i 的部分推导;这是环自身的唯一推导,即K上的零和j∈I−{i}j \in I - \{i\}的XjX_j,并且在XiX_i上取值1(IV,p. 6)。对于K[Xi]i∈IK[X_i]_{i \in I}中的每个多项式f=∑a∈N(I)ca⋅Xαf = \sum_{a \in N^{(I)}} c_a \cdot X^\alpha,我们用M的fΔ(x)f^\Delta(x)元素∑α∈N(I)xα⋅Δ(cα)\sum_{\alpha \in N^{(I)}} x^\alpha \cdot \Delta(c_\alpha)表示。

命题 1 06UK

— 假设族x=(xi)i∈Ix = (x_i)_{i \in I}、生成K-代数 A。设(mi)i∈I(m_i)_{i \in I}是M的元素族和(fλ)λ(f_\lambda)_\lambda,多项式族生成的所有多项式f∈K[Xi]i∈If \in K[X_i]_{i \in I}的理想aa,使得f(x)=0f(x) = 0。对于 A 到 M 的推导 D 的存在,使得 D(c⋅1)=Δ(c)D(c \cdot 1) = \Delta(c) 对于所有 c∈Kc \in K 和 D(xi)=miD(x_i) = m_i 对于所有 i∈Ii \in I 是必要且充分的

fλΔ(x)+∑i∈IDifλ(x)⋅mi=0for allλ∈A. f_\lambda^\Delta(x) + \sum_{i \in I} D_i f_\lambda(x) \cdot m_i = 0 \quad \text{for all} \quad \lambda \in A .
被以下引用 2

被以下引用 注 2, 命题 4

如果是这样,推导 D 是唯一的并且满足

D(f(x))=fΔ(x)+∑i∈IDif(x)⋅mifor allf∈K[Xi]i∈I D(f(x)) = f^\Delta(x) + \sum_{i \in I} D_i f(x) \cdot m_i \quad \text{for all} \quad f \in K[X_i]_{i \in I}

将 E=K[Xi]i∈IE = K[X_i]_{i \in I} 写入 φ\varphi,表示 E 的 K 同态到 A 上,其中对于所有 i∈Ii \in I,映射 XiX_i 到 xix_i;因此,对于所有 f∈Ef \in E,我们都有 φ(f)=f(x)\varphi(f) = f(x)。我们将 M 视为 E 模,通过同态 φ:E→A\varphi : E \to A 和定义映射 D′D' 将 E 通过 D′(f)=fΔ(x)+∑i∈IDif(x)⋅miD'(f) = f^\Delta(x) + \sum_{i \in I} D_i f(x) \cdot m_i 转换为 M(注,(Dif)i∈I(D_i f)_{i \in I} 系列中的每个 f∈Ef \in E 都有有限支撑)。很明显,D′D' 是 E 到 M 中唯一的推导,将 A 延伸,并且对于每个 i∈Ii \in I,映射 XiX_i 到 mim_i。

令 D 为 A 到 M 的推导,使得对于所有 c∈Kc \in K 为 D(c⋅1)=Δ(c)D(c \cdot 1) = \Delta(c),对于所有 i∈Ii \in I 为 D(xi)=miD(x_i) = m_i。那么D∘φD \circ \varphi是E到M的推导延伸A和映射XiX_i到mim_i对于所有i∈Ii \in I。因此我们有 D∘φ=D′D \circ \varphi = D',即关系 (2) 成立。这证明了 D 的唯一性 ;而且(1)是f,(x)=0f, (x) = 0和(2)中的推论。

反之假设 (1) 成立;在其他字中,我们对所有λ∈A\lambda \in A都有D′(fλ)=0D'(f_\lambda) = 0。设 f∈af \in a; EE中存在有限支撑(qλ)λ∈Λ(q_\lambda)_{\lambda \in \Lambda}的族,使得f=∑λ∈Λqλ⋅fλf = \sum_{\lambda \in \Lambda} q_\lambda \cdot f_\lambda。我们有

D′(f)=∑λ∈Λ[fλ(x)⋅D′(qλ)+qλ(x)⋅D′(fλ)] D'(f) = \sum_{\lambda \in \Lambda} [f_\lambda(x) \cdot D'(q_\lambda) + q_\lambda(x) \cdot D'(f_\lambda)]
从而 D′(f)=0D'(f) = 0 因为fλ(x)f_\lambda(x)和D′(fλ)D'(f_\lambda)对于所有λ∈A\lambda \in A来说都是零。由于D′D'在aa上消失,因此存在AA到MM的ZZ线性映射DD,使得D′=D∘φD' = D \circ \varphi;显然DD是AA到MM所需的推导。

2. 推导的扩张:域的情况

令K,LK, L和MM为域,使得K⊂L⊂MK \subset L \subset M。根据第 21 条命题(III,p. 572),我们有正合序列个向量 MM 个空间

(EK,L,M)ΩK(L)⊗LM→αΩK(M)→βΩL(M)→0; (\mathrm{E}_{K,L,M}) \quad \Omega_K(L) \otimes_L M \xrightarrow{\alpha} \Omega_K(M) \xrightarrow{\beta} \Omega_L(M) \to 0 ;
MM-线性映射α\alpha和β\beta的特征为关系
(3)α(dL/Kx⊗1)=dM/Kxfor x∈L(4)β(dM/Ky)=dM/Lyfor y∈M (3) \quad \alpha(d_{L/K} x \otimes 1) = d_{M/K} x \quad \text{for } x \in L \\ (4) \quad \beta(d_{M/K} y) = d_{M/L} y \quad \text{for } y \in M

设VV为向量MM-空间,用KK的DK(M,V)D_K(M, V)向量空间表示MM与VV中值的导数,并类似地引入DK(L,V)D_K(L, V)和DL(M,V)D_L(M, V)。根据 III、p. 571、图表 (42) 和 III、p. 572、图表 (44),我们有同态和向量空间的交换图表

0→HomM(ΩL(M),V)→Hom(β,1)HomM(ΩK(M),V)→Hom(α,1)HomM(ΩK(L)⊗LM,V)↓↓↓0→DerL(M,V)→iVDerK(M,V)→rVDerK(L,V), \begin{array}{ccccccccc} 0 \to \mathrm{Hom}_M(\Omega_L(M), V) & \xrightarrow{\mathrm{Hom}(\beta, 1)} & \mathrm{Hom}_M(\Omega_K(M), V) & \xrightarrow{\mathrm{Hom}(\alpha, 1)} & \mathrm{Hom}_M(\Omega_K(L) \otimes_L M, V) \\ \downarrow & & \downarrow & & \downarrow \\ 0 \to \mathrm{Der}_L(M, V) & \xrightarrow{i_V} & \mathrm{Der}_K(M, V) & \xrightarrow{r_V} & \mathrm{Der}_K(L, V), \end{array}
其中垂直箭头是同构,iVi_V是典范嵌入,rVr_V限制映射。

因此我们从 II, p. 299, Th 得到。 5 和 II、p. 301、提案 10 以下命题:

命题 2 06UL

— 以下条件是等效的: a) 映射 α\alpha 是单射。 b) 每个KK-将LL推导为MM扩展到KK-将MM推导为MM。 c) 每个LL的KK-衍生到向量MM-空间VV扩展到KK-MM衍生到VV。

被以下引用 3

被以下引用 推论, 推论, 推论 2

命题 3 06UM

— 令KK为域,LL为KK的纯扩张,(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}为LL的纯基(V,p. 106,Def.2)。

引用了 1 · 被以下引用 3

引用了 IV § 3. 。 有理分式

被以下引用 推论, 定理 1, 定理 1(扎里斯基), V § 17

a) 令VV比LL除向量空间,KK的AA推导变成VV和(vi)i∈I(v_i)_{i \in I},元素和VV的族。 LL到VV存在唯一的推导DD,延伸AA,这样对于所有i∈Ii \in I都有D(xi)=viD(x_i) = v_i。

b) KK-LL的微分的向量LL-空间ΩK(L)\Omega_K(L)具有(dxi)i∈I(dx_i)_{i \in I}族基。

断言 b) 已在IV、p. 23 和断言 a) 中得到证明,由此可直接得出。

推论 06UN

— 设 PP 为 KK 的子域。 ΩP(K)⊗KL\Omega_P(K) \otimes_K L典范映射α\alpha入ΩP(L)\Omega_P(L)单射且族(dL/Pxi)i∈I(d_{L/P} x_i)_{i \in I},是ΩP(L)\Omega_P(L)子空间基(超过LL)对α:ΩP(K)⊗KL→ΩP(L)\alpha : \Omega_P(K) \otimes_K L \to \Omega_P(L)像的补充。

引用了 2

引用了 命题 2, 命题 3

命题 3, a) 表明,在 LL 扩展上,每一次将 KK PP 推导为向量空间 VV,再将 LL PP 推导为 VV; α\alpha 的单射性则由命题 2 得出。推论的第二个断言由序列 (EP,K,L)(\mathbf{E}_{P,K,L}) 和命题 3, b) 的精确性得出(考虑到公式 (4))。

命题 4 06UO

— 设KK为域,LL是KK和VV向量空间在LL上的可分离代数扩张。

引用了 3 · 被以下引用 7

引用了 III § 10. 。 推导, 命题 7, IV § 2, 命题 1

被以下引用 注, 推论 1, 推论 2, 推论 3, 定理 1, 推论 2, 定理 1(扎里斯基), V § 17

a) 每个LL到VV的KK导数都是零。

b) 如果AA是KK到VV的推导,则存在LL到VV的唯一推导DD,其中扩展AA。

令DD为LL到VV的KK导数。如果EE是有限次数的LL在KK上的子扩展,则KK-代数EE是etale,因此ΩK(E)=0\Omega_K(E) = 0(VV,p. 33,Th.3),从而 D∣E=0D|_E = 0乘泛性质共ΩK(E)\Omega_K(E)(III,p. 569)。由于LL是有限次数在KK上的子扩展族的并,所以我们有D=0D = 0,从而a)。

设AA为KK的推导入VV。 如果D′D'和D′′D''是AA的两个扩张到LL的推导到VV,那么差D′−D′′D' - D''是LL到VV的KK推导;因此 a) 等于零,所以 D′=D′′D' = D''。

还需要证明AA的扩张的存在性。 Zorn 的引理 (E, III, p. 20) 意味着存在在 LL 包含的子域 L0L_0 上定义的 AA 到推导的最大扩张 D0D_0 KK。

令 xx 位于 LL 和 gg 中,xx 在 L0L_0 上的最小多项式。由于 LL 是代数且在 KK 上可分,xx 是代数且在 L0L_0 上可分(VV、p. 39,第 6 条命题和 p. 39,Cor. 2);因此 xx 是 gg(VV、p. 39,命题 5)、从而 g′(x)≠0g'(x) \neq 0(IV、p. 17、命题 7)的简单根。如果我们像VV、p. 127那样定义gD0(x)g^{D_0}(x),则存在VV的元素uu使得gD0(x)+g′(x)⋅u=0g^{D_0}(x) + g'(x) \cdot u = 0;根据命题1(V,p. 127),存在L0(x)L_0(x)的推导DD延伸到VV延伸D0D_0,从而D(x)=uD(x) = u。鉴于 (L0,D0)(L_0, D_0) 的最大特征标,我们因此有 L0(x)=L0L_0(x) = L_0、从而 x∈L0x \in L_0。由于xx是任意的,我们结论即L0=LL_0 = L。

推论 1 06UP

— 如果 LL 是代数且可在 KK 上分离,则我们有 ΩK(L)=0\Omega_K(L) = 0。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 命题 4

被以下引用 注, 推论 2

推论来自于命题 4,a),因为向量LL-空间ΩK(L)\Omega_K(L)是由规范KK-推导dL/K:L→ΩK(L)d_{L/K} : L \to \Omega_K(L)的像生成的。

推论 2 06UQ

— *如果 L 是代数,并且域 K 的可分扩张,则对于 K 的每个子域 P,典范映射 α:ΩP(K)⊗KL→ΩP(L)\alpha : \Omega_P(K) \otimes_K L \to \Omega_P(L) 是同构。

引用了 3

引用了 命题 2, 命题 4, 推论 1

映射 α\alpha 由命题 2 (V, p. 128) 和命题 4, b) 内射;由于 ΩK(L)\Omega_K(L) 约化到 0(Cor. 1),序列 (EP.K.L)(E_{P.K.L}) 的精确性意味着 α\alpha 是满射的。

推论 3 06UR

— *设 E 为域 K 的扩张,D 推导将 E 转化为 E,将映射 K 转化为 K。如果 L 是 E 的子扩展,且是代数且可在 K 上分离,则 D(L)⊂LD(L) \subset L。

引用了 1

引用了 命题 4

设A为K的推导入L,与K上的D一致。根据命题4(V,p. 129),存在L的推导D'入L延伸A。现在我们可以考虑D'和限制D'' D 到 L 作为 LL 的推导到 E ;因为他们在 K 上达成一致,所以根据第 4 条命题我们有 D′=D′′D' = D'',从而

D(L)=D′′(L)=D′(L)⊂L. D(L) = D''(L) = D'(L) \subset L .

注 06US

— 1)稍后(V,p. 131,Cor.3 和p. 135,Cor.2)我们将向 Cor. 证明逆命题。提案 4 中的 1 条。

2) 素数域的每个代数扩张都是可分的(V,p. 37,Cor.)。由于素数域的每个推导都是零,所以素数域的代数扩张的每个推导都是零(命题4)。

引用了 4

引用了 推论 1, 推出 2, 命题 4, V § 7. 。可分离代数扩张

3. 特征零域中推导

定理 1 06UT

— *令 K 为特征 0 的域、K 的 L 扩张以及 L 上的 V 向量空间。设A是K的推导进入V,(xi)i∈I(x_i)_{i \in I},L对K的超越基和(ui)i∈I(u_i)_{i \in I},V的元素的族。那么存在一个唯一的 L 的推导 D 延伸到V 延伸 A,并且对于所有 i∈Ii \in I 都有 D(xi)=uiD(x_i) = u_i。

引用了 3 · 被以下引用 3

引用了 命题 3, 命题 4, V § 7. 。可分离代数扩张

被以下引用 推论 2, 定理 3, 命题 1, V § 17

把E=K(xi)i∈IE = K(x_i)_{i \in I};命题3(V,p. 128)表明,扩展到E的唯一推导D0D_0进入V,使得D0(xi)=uiD_0(x_i) = u_i适用于所有i∈Ii \in I。 域 LL 是 E 的代数扩张,并且由于 L 的特征为 0,L 在 E 上可分(V,p. 37,Cor.)。因此(V,p. 129,命题4)D0D_0扩展到LL的唯一推导D到V。

推论 1 06UU

— *K 的每个推导转换为 V 扩展到推导 L 转换为 V

被以下引用 1

被以下引用 推论 4

推论 2 06UV

— *令 E 为 L 和 U 向量 L 子空间ΩK(L)\Omega_K(L) 的子扩展,由 E 的元素微分生成。对于元素 x 来说,dx∈Udx \in U 是必要且充分的。

引用了 3 · 被以下引用 3

引用了 命题 4, V § 7. 。可分离代数扩张, 定理 1

被以下引用 推论, 推论 3, 定理 2

对于每个 y∈Ly \in L 令 D(y) 为 dydy mod U 的剩余类类。则 D 是 L 到 ΩK(L)/U\Omega_K(L)/U 的 E 导数。由于 K 的特征为 0,因此 E 的每个代数扩张都是可分的 (V, p. 37, Cor.) ;如果x∈Lx \in L是E上的代数,则根据命题4(V,p. 129)我们有Dx=0Dx = 0,即dx∈Udx \in U。

如果x∈Lx \in L超越EE,则存在E(x)E(x)到LL的E推导AA,使得Δ(x)=1\Delta(x) = 1(VV,p. 128,命题3);通过 Th。 1、 AA 扩展到 LL 的 E 导数 D 到 L。令φ\varphi为ΩK(L)\Omega_K(L)上的线性形式,使得D=φ∘dD = \varphi \circ d;我们有 φ(dy)=0\varphi(dy) = 0 对应 y∈Ey \in E 和 φ(x)=1\varphi(x) = 1,从而 dx∉Udx \notin U。

推论 3 06UW

— *为了使 L 的元素 x 成为 K 上的代数,dx=0dx = 0 在 ΩK(L)\Omega_K(L) 中是必要且充分的。特别是,对于L是K的代数扩张来说,ΩK(L)=0\Omega_K(L) = 0是充分必要的。 这立即来自Cor。 2 服用E=KE = K。

引用了 1

引用了 推论 2

推论 4 06UX

— *令 K、L 和 M 为特征 0 的域,使得 K⊂L⊂MK \subset L \subset M:则典范映射 a:ΩK(L)⊗LM→ΩK(M)a : \Omega_K(L) \otimes_L M \to \Omega_K(M) 是单射的。 这是从 Cor 立即得出的结论。 1 和 VV、p. 128、提案 2。

引用了 1

引用了 推论 1

定理 2 06UY

— *令K为特征0的域、K的L扩张和(xi)i∈I(x_i)_{i \in I},L的元素族。 a) 对于 (xi)i∈I(x_i)_{i \in I},为了在 K 上保持代数自由,ΩK(L)\Omega_K(L) 中的微分 dxidx_i(对于 i∈Ii \in I)在 L 上应该是线性自由的。 b) 为了使L成为K(xi)i∈IK(x_i)_{i \in I}上的代数,对于i∈Ii \in I生成向量空间ΩK(L)\Omega_K(L)在L上的微分dxidx_i是必要且充分的。 c) 为了使(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}成为L对K的超越基,族(dxi)i∈I(dx_i)_{i \in I}应该是ΩK(L)\Omega_K(L)对L的基是充分必要的。 对于每个i∈Ii \in I,令EiE_i为子域K(xj)j∈I,j≠iK(x_j)_{j \in I, j \neq i} / L。对于族 (xi)i∈I(x_i)_{i \in I},要在 K 上保持代数自由,对于每个 i∈Ii \in I,xix_i 应该超越 EiE_i 是必要且充分的(VV,p. 108,命题 5)。由科. 2 Th。 1 这意味着对于每个i∈Ii \in I,微分dxidx_i不是线性组合,其系数在L中,dxjdx_j与j≠ij \neq i在I中的微分;后者条件仅意味着家庭(dxi)i∈I(dx_i)_{i \in I}在L、从而 a) 上是免费的。 断言 b) 立即从 Cor 得出。 2 Th。 1和c)是a)和b)的推论。

引用了 1

引用了 推论 2

推论 06UZ

— *当 K 的特征为 0 时,我们有 [ΩK(L):L]=tr⁡⋅deg⁡KL[\Omega_K(L) : L] = \operatorname{tr} \cdot \deg_K L。

4. 推导在可分扩张

We have seen (VV, p. 122, Th. 1) that every extension LL of a field KK of characteristic 0 is separable; moreover, every derivation of K into a vector space over LL extends then to a derivation of LL (VV, p. 130, Cor. 1). 更一般地,我们有以下叙述:

定理 3 06V0

— *令 K 为 K 的域和 L 扩张。为了使 L 可在 K 上分离,K 的每个推导进入向量 L 空间应为扩展至推导 L。 我们可以假设 K 具有特征≠0\neq 0。首先假设L在K上可分。令VV在L上成为向量空间,并且将K的AA推导变成VV。通过Mac

引用了 4 · 被以下引用 2

引用了 V § 15. 。 可分扩张, V § 13. 。 $p$-高度延伸$\leq 1$, 命题 1, V § 13, 定理 1

被以下引用 推论, 命题 5, LIE V § 5

Lane 准则 (V、p. 124、注)、域、LpL^p 和 KK 与不相交的与 KpK^p 呈线性关系。 由于AA是KK到VV的KpK^p线性映射,因此扩展以独特的方式将K[Lp]=K(Lp)K[L^p] = K(L^p)到VV的LpL^p线性映射A′A'。 很明显,A′A'是K(Lp)K(L^p)的推导进入VV,在LpL^p上消失;因此,它将LL的扩展(V,p. 103,Cor.3)到推导转换为VV。

相反,假设KK的每个推导和LL扩展中的值到LL的推导都进入LL。 Let BB be a p-basis of KK (V, p. 99) and let AA be the set of families (αh)h∈R(\alpha_h)_{h \in R} with finite support consisting of integers between ()() and p−1p - 1. 对于每个b∈Bb \in B,存在KK到KK的推导Δb\Delta_b,其特征在于每个b′∈Bb' \in B(V,p. 103)的Δb(b′)=δbb′\Delta_b(b') = \delta_{bb'}(克罗内克符号)。 到假设,LL的每个b∈Bb \in B推导DbD_b都存在延伸Δb\Delta_b的LL。 对于BB中的b,b′b, b',我们有Db(b′)=δbb′D_b(b') = \delta_{bb'},这证明在Ω1/p(L)\Omega_{1/p}(L)中,微分dbdb(对于b∈Bb \in B)在LL上是线性无关的。 因此 (V, p 102, Th.1), BB 在 LpL^p 上是无 p 的。 由此可见(V,p. 98,命题1和p. 124,注)KK的扩张LL是可分的。

推论 06V1

— *如果LL是KK的可分扩张,则典范映射αp:Ωp(K)⊗KL→Ωp(L)\alpha_p : \Omega_p(K) \otimes_K L \to \Omega_p(L)对于KK的每个子域PP是单射的。相反,如果存在 KK 的完美子域 PP(对于例 KK 的质数子域),使得映射 αp\alpha_p 是单射的,则 LL 在 KK 上可分。

引用了 3

引用了 命题 2, 推论 2, 定理 3

第一个断言源自命题 2 (V, p. 128) 和 Th。 3.反之,令PP为KK的完美子域;我们有P=Pp⊂KpP = P^p \subset K^p,因此KK到向量LL空间的每个推导都是PP衍生;现在,推论的第二个断言来自Cor。 2 (V、p. 130) 和 Th。 3.

5. 指标 / 线性映射

令LL为域1^1,令UU和VV为LL和f:U→Vf : U \to V上的两个向量空间2^2,一个LL线性映射;如果ff的核NN和余核CC有有限维和整数,则称ff有*有限指标*

χ(f)=[C:L]−[N:L] \chi(f) = [C : L] - [N : L]

称为ff的*指标*。

引理 1 06V2

— *令UU和VV为有限维中的两个向量空间超过域LL。每个线性映射f:U→Vf : U \to V拥有指标等于[V:L]−[U:L][V : L] - [U : L]。

被以下引用 1

被以下引用 推出 3

令NN为核、II像和CC余核/ff。我们有C=V/IC = V/I,II与U/NU/N同构的;因此我们有 [U:L]=[N:L]+[I:L][U : L] = [N : L] + [I : L] 和 [V:L]=[C:L]+[I:L][V : L] = [C : L] + [I : L],从而结果。

1^1 不一定可交换。 2^2 在左边。

引理 2 06V3

令 f:U→Vf : U \to V 和 g:V→Wg : V \to W 为两个 L 线性映射。 iff 和 g 各有指标,g∘fg \circ f 也是如此,我们有

χ(g∘f)=χ(f)+χ(g). \chi(g \circ f) = \chi(f) + \chi(g).
引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 推论 2, II § 7

被以下引用 定理 4

设h=g∘fh = g \circ f,分别用N、N'、N''核off、g、h表示,并用C、C'、C''表示它们的余核。我们有N⊂N′′⊂UN \subset N'' \subset U和f(N′′)=f(U)∩N′f(N'') = f(U) \cap N';因此存在线性映射fˉ:N′′→N′\bar{f} : N'' \to N'与N''上的f一致并且与核N一致。V的典范映射π\pi到N'的C=V/f(U)C = V / f(U)诱导映射π′\pi'到C,其核是 f(U)∩N′=fˉ(N′′)f(U) \cap N' = \bar{f}(N'')。通过将 C=V/f(U)C = V/f(U) 的商 g 定义映射 gˉ\bar{g} 代入 C′′=W/g(f(U))C'' = W/g(f(U)),其中核显然是 (N′+f(U))/f(U)=π′(N′)(N' + f(U))/f(U) = \pi'(N')。最后,C′′=W/g(f(U))C'' = W/g(f(U))的典范映射ρ\rho到C′=W/g(V)C' = W/g(V)有核g(V)/g(f(U))=gˉ(C)g(V)/g(f(U)) = \bar{g}(C)。到和以上,我们已经确定了序列的准确性

0→N→iN′′→fˉN′→π′C→gˉC′′→ρC′→0 0 \to N \xrightarrow{i} N'' \xrightarrow{\bar{f}} N' \xrightarrow{\pi'} C \xrightarrow{\bar{g}} C'' \xrightarrow{\rho} C' \to 0

(其中 i 是 N 中 N 的典范嵌入”)。

!图表表示N、N'、N''、U、V、W、C、C'、C''之间的关系,箭头表示映射和核

图1

由假设 N、N'、C 和 C' 组成有限维;因此 N'' 和 C 也是如此。由科. 2 (II, p. 295) 那么我们有

[N:L]−[N′′:L]+[N′:L]−[C:L]+[C′′:L]−[C′:L]=0 [N : L] - [N'' : L] + [N' : L] - [C : L] + [C'' : L] - [C' : L] = 0

从而χ(h)=χ(f)+χ(g)\chi(h) = \chi(f) + \chi(g)。

6. 有限生成的扩张的微分性质

定理 4 06V4

令 P 为 P 的完美域、L 扩张,K 为 L 的子扩展;我们假设L是K的有限生成的扩张。那么规范的L线性映射a:Ωp(K)⊗KL→Ωp(L)a : \Omega_p(K) \otimes_K L \to \Omega_p(L)的指标等于L在K上的超越次数。

引用了 3 · 被以下引用 2

引用了 命题 2, II § 5, 引理 2, 命题 5

被以下引用 推论 1, 推出 3

如果EE和FF是LL的两个子扩展,使得E⊂FE \subset F,我们用α(F/E)\alpha(F/E)表示Ωp(E)⊗EF\Omega_p(E) \otimes_E F到Ωp(F)\Omega_p(F)的规范FF线性映射,并且当它被定义时,指标 α(F/E)\alpha(F/E)将被写成d(F/E)d(F/E)。如果E,FE, F和GG是LL的三个子扩展使得E⊂F⊂GE \subset F \subset G,我们有一个可交换的图表

Ωp(F)⊗FG→α(G/F)Ωp(G)↑α(F/E)⊗FIdG↑α(G/E)(Ωp(E)⊗EF)⊗FG→βΩp(E)⊗EG \begin{array}{ccc} \Omega_p(F) \otimes_F G & \xrightarrow{\alpha(G/F)} & \Omega_p(G) \\ \uparrow \alpha(F/E) \otimes_F \mathrm{Id}_G & & \uparrow \alpha(G/E) \\ (\Omega_p(E) \otimes_E F) \otimes_F G & \xrightarrow{\beta} & \Omega_p(E) \otimes_E G \end{array}

其中 β\beta 是提案 2 中定义的典范同构(II,p. 278)。由于指标在扩张下通过标量显然是不变的,并且同构的指标是零,引理2(VV,p. 133)表明指标当 d(F/E)d(F/E) 和 d(G/F)d(G/F) 时,d(G/E)d(G/E) 被定义,然后

d(G/E)=d(G/F)+d(F/E). d(G/E) = d(G/F) + d(F/E).

由于 LL 是 KK 的有限生成的扩张,公式 (5) 和 Cor. VV、p. 111表明,考虑xx存在使得L=K(x)L = K(x)的情况就足够了;进一步,如果xx是KK上的代数,则存在LL的特征指数幂qq,使得xqx^q是KK上的可分代数(VV,p. 44,命题1) 13)。因此在以下三种特殊情况下建立等式d(L/K)=tr⁡.deg⁡KLd(L/K) = \operatorname{tr} . \deg_K L就足够了:

a) xx 超越 KK:则 aa 是单射,其余核是秩 1 超过 LL(VV,p. 129,Cor.);所以我们有d(L/K)=1d(L/K) = 1,还有tr⁡.deg⁡KL=1\operatorname{tr} . \deg_K L = 1。

b) xx 是 KK 上的可分代数:则 aa 是双射 (VV, p. 130, Cor. 2), 从而 d(L/K)=0d(L/K) = 0;显然也是tr⁡.deg⁡KL=0\operatorname{tr} . \deg_K L = 0。

c) 域LL具有特征p≠0p \neq 0,x∉Kx \notin K和xp=ax^p = a在KK中:aa的余核CC与ΩK(L)\Omega_K(L)同构的,并且因为{x}\{ x \}是pp-LL超过KK、空间CC的基础是维数1超过LL(VV、p. 102、Th.1)。由于aa是LL中的第pp幂,因此我们有aa包含子空间RR生成U=Ωp(K)⊗KLU = \Omega_p(K) \otimes_K L的dL/pa=0d_{L/pa} = 0和核 dK/pa⊗1d_{K/pa} \otimes 1。对于每个 y∈Ky \in K 令 Δ(y)\Delta(y) 为剩余类类 of dK/py⊗1d_{K/p}y \otimes 1 mod RR;那么AA是KK到U/RU/R的PP衍生,这样Δ(a)=0\Delta(a) = 0。命题5(VV,p. 101)表明AA扩展到LL的PP衍生DD到U/RU/R。因此,存在LL线性映射β:Ωp(L)→U/R\beta : \Omega_p(L) \to U/R,使得D=β∘dL/PD = \beta \circ d_{L/P}和β∘a\beta \circ a是UU到U/RU/R的典范映射。这证明RR是aa的核。由于 PP 是完美的,所以我们有 P(KP)=KpP(K^P) = K^p、从而 a∉P(KP)a \notin P(K^P),最后是 dK/pa≠0d_{K/pa} \neq 0(VV、p. 103,第 6 条)。因此,aa的核和余核是维数1,从而d(L/K)=0d(L/K) = 0,并且我们还有tr⁡.deg⁡KL=0\operatorname{tr} . \deg_K L = 0。

推论 1 06V5

— *令LL为超越次数ss的域KK的有限生成扩张。 向量空间 ΩK(L)\Omega_K(L) 是维数 ≥s\geq s 超过LL,等式当且仅当LL KK 可分离。

引用了 2 · 被以下引用 4

引用了 § 16. 。可分离性差异判据, 定理 4

被以下引用 习题 8, § 16, 注 2, 推出 2, 定理 5

设 P 为 K 的素数子域。设 N 为 α 的核,然后通过序列 (EP,K,L)(\mathbf{E}_{P,K,L}) (V, p. 128) 和 Th 的精确性。 4、我们有[ΩK(L):L]=s+[N:L][ \Omega_K(L) : L ] = s + [N : L];通过V,p. 132,Cor.,扩张L,K 是可分离的当且仅当N=0N = 0。现在推论如下。

推出 2 06V6

— 令 L 为域 K 的有限生成扩张。对于 L 是代数且可在 K 上分离,ΩK(L)=0\Omega_K(L) = 0 是充分必要的。 这直接从 Cor 得出。 1.

引用了 1 · 被以下引用 4

引用了 推论 1

被以下引用 注, 注 2, 定理 5, 定理 1(扎里斯基), V § 17

推出 3 06V7

— 令 K 为特征 p≠0p \neq 0 的域和L 超越次数 s 的 K 的有限生成的扩张。如果[K:Kp][K : K^p]是有限的,[L:Lp][L : L^p]也是有限的,我们有[L:Lp]=ps[L : L^p] = p^s。 [K:Kp][K : K^p]. 令 P 为 K 的素数子域。如果 [K:Kp][K : K^p] 是有限的,则向量空间 ΩP(K)=ΩKp(K)\Omega_P(K) = \Omega_{K^p}(K) 在 K 上有有限维 m,并且我们有 [K:Kp]=pm[K : K^p] = p^m (V, p. 103, Th. 2); 向量空间 ΩP(K)⊗KL\Omega_P(K) \otimes_K L 则有限维 m 超过 L。此外,由于K在KpK^p上为有限次数,所以域K(Lp)K(L^p)在Kp(Lp)=LpK^p(L^p) = L^p上为有限次数;由于域L是K的有限生成的扩张并且是K(Lp)K(L^p)上的代数,因此它是K(Lp)K(L^p)的有限次数的扩张(V,p. 18,Th.2);因此,我们结论,L是有限次数超过LpL^p(V,p. 10,Th.1)。那么ΩP(L)\Omega_P(L)是有限维n的向量空间超过L,我们有[L:Lp]=pn[L : L^p] = p^n(V,p. 103,Th.2)。通过引理 1 (V, p. 132),L线性映射α:ΩP(K)⊗KL→ΩP(L)\alpha : \Omega_P(K) \otimes_K L \to \Omega_P(L)因此具有指标n−mn - m,从而n−m=sn - m = s。 4(V、p. 133)和pn=ps⋅pmp^n = p^s \cdot p^m。

引用了 5

引用了 定理 2, V § 13, 引理 1, 定理 4, 定理 1, V § 2, 定理 2, V § 3

注 1 06V8

令 K 为特征 p≠0p \neq 0 的域和 K 的L 扩张。当且仅当L=K(Lp)L = K(L^p)(V,p. 103,命题 6)时,我们才有ΩK(L)=0\Omega_K(L) = 0。因此,如果L是在K上有限生成的,那么它是一个代数,并且可分扩张当且仅当我们有L=K(Lp)L = K(L^p)。当L不是在K上有限生成时,这个结果通常不再成立,如L是K的完美闭包的情况所示。

引用了 1

引用了 命题 6, V § 13

注 2 06V9

令K为由元素x1,…,xnx_1, \ldots, x_n生成的K的K[X1,…,Xn]K[X_1, \ldots, X_n]和L扩张的域、F1,…,FmF_1, \ldots, F_m多项式。假设多项式 F1,…,FmF_1, \ldots, F_m 生成是所有多项式 F 的K[X1,…,Xn]K[X_1, \ldots, X_n] 由……组成的理想,使得F(x1,…,xn)=0F(x_1, \ldots, x_n) = 0。从命题1(V,p. 127)和模的微分(III,p. 569)的泛性质,我们很容易推导出以下结果: L上的向量空间ΩK(L)\Omega_K(L)由下式生成: dx1,…,dxndx_1, \ldots, dx_n;我们有关系

∑i=1nDiFj(x1,…,xn)⋅dxi=0(for 1≤j≤m); \sum_{i=1}^n D_i F_j(x_1, \ldots, x_n) \cdot dx_i = 0 \quad \text{(for } 1 \leq j \leq m \text{)} ;

最后,如果u1,…,unu_1, \ldots, u_n是L的元素使得∑i=1nui⋅dxi=0\sum_{i=1}^n u_i \cdot dx_i = 0,则存在L的元素v1,…,vmv_1, \ldots, v_m使得ui=∑j=1mDiFj(x1,…,xn) vju_i = \sum_{j=1}^m D_i F_j(x_1, \ldots, x_n) \ v_j对于1≤i≤n1 \leq i \leq n。让我们用 n 行和 m 列的矩阵 (DiFj(x1,…,xn))(D_i F_j(x_1, \ldots, x_n)) 的 r 秩表示;令 s 为 LL 对 KK 的超越次数。那么我们就有[ΩK(L):L]=n−r[ \Omega_K(L) : L ] = n - r。因此,当且仅当 r+s=nr + s = n(Cor. 1)时,KK 的扩张 LL 是可分离的。当且仅当 r=nr = n(Cor. 2)时,它是代数且可分离的。

引用了 4

引用了 III § 10. 。 推导, 命题 1, 推论 1, 推出 2

7. 分离超越基

定义 1 06VA

设LL为域KK中的扩张。如果 K(B)K(B) 的代数扩张 LL 可分离,则 LL 对 KK 的超越基 BB 被认为是可分离的。

如果KK具有特征0,则LL对KK的每个超越基都是可分离的,因为特征0的域的每个代数扩张都是可分离的(VV,p. 37,Cor.)。如果扩张承认分离超越基,它是可分离的(VV,p. 121,命题6和p. 122,命题9)。下面的定理表明,每个*有限生成的*可分扩张都承认一个分离的超越基;这个限制是必不可少的(VV,p. 177,例1)。

定理 5 06VB

设KK为域,KK的LL扩张和(xi)i∈I(x_i)_{i \in I},LL的元素一家。如果家庭(xi)i∈I(x_i)_{i \in I},是LL超过KK的分离超越基,那么家庭(dxi)i∈I(dx_i)_{i \in I},就是向量空间ΩK(L)\Omega_K(L)超过LL的基。如果 LL 是 KK 的有限生成的可分扩张,则逆命题成立。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 推论 1, 推出 2

被以下引用 推出

将M=K(xi)i∈IM = K(x_i)_{i \in I}代入ΩK(L)\Omega_K(L),并用ΩK(M)⊗ML\Omega_K(M) \otimes_M L的α\alpha典范映射表示。如果(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}是LL在KK上的分离超越基,则家庭(dM/Kxi)i∈I(d_{M/K} x_i)_{i \in I},是向量MM-空间ΩK(M)\Omega_K(M)的基(VV, p. 128,命题 3),α\alpha 是向量 LL 空间的同构,因为 LL 是代数且可在 MM 上分离(VV、p. 130,Cor.2)。从α(dM/Kxi⊗1)=dL/Kxi\alpha(d_{M/K} x_i \otimes 1) = d_{L/K} x_i开始,族(dL/Kxi)i∈I(d_{L/K} x_i)_{i \in I}因此是ΩK(L)\Omega_K(L)的基超过LL。

相反,假设LL是KK的可分离有限生成的扩张,并且族(dL/Kxi)i∈I(d_{L/K} x_i)_{i \in I}是向量空间ΩK(L)\Omega_K(L)在LL上的基。由科. VV、p. 134的1,LL对KK的超越次数等于ΩK(L)\Omega_K(L)对LL的维数,因此是II的基数。从正合序列(EK,M,L)(E_{K,M,L})(VV,p. 128)我们有ΩM(L)=0\Omega_M(L) = 0;因为LL是MM的有限生成的扩张,Cor。 VV、p. 135 的 2 表明 LL 是代数且在 M=K(xi)i∈IM = K(x_i)_{i \in I} 上可分;由于LL对KK的超越次数是有限的并且等于II的基数,因此族(xi)i∈I(x_i)_{i \in I}是LL对KK的超越基(VV, p. 110,Cor.1)。

推出 06VC

令LL为KK的可分离有限生成扩张,并令SS为LL的子集,使得L=K(S)L = K(S)。那么存在LL对KK的分离超越基BB,包含在SS中。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 定理 5

被以下引用 命题 5

由于ΩK(L)\Omega_K(L)是由元素与SS的微分生成的,因此存在SS的ss元素x1,…,xsx_1, \ldots, x_s,使得(dx1,…,dxs)(dx_1, \ldots, dx_s)是ΩK(L)\Omega_K(L)的基 LL。现在应用 Th 就足够了。 5.

注 06VD

— 设LL是特征p≠0p \neq 0的域KK的可分离有限生成扩张;可能存在不分离的基对LL的超越。只要观察到{Xp}\{X^p\}是K(X)K(X)的超越基,而K(X)K(X)是K(Xp)K(X^p)的次数pp的p根式扩展就足够了。

命题 5 06VE

— *令 L 和 M 为给定扩张中包含的域 K 中的两个扩张,并且在 K 上代数上不相交的。如果 M 在 K 上可分,则 L(M) 在 L 上可分。

引用了 5 · 被以下引用 2

引用了 命题 12, V § 14, 命题 8, V § 15, 推出, 推论 2, V § 7, 命题 6, V § 7

被以下引用 推出, 定理 4

足以证明对于 M 的每个有限子集 S,L(S)L(S) 在 L 上是可分的(V,p. 122,命题 8)。令S为M的有限子集。由于域K(S)K(S)可在K上分离,因此它具有分离超越基B(Th.5的Cor.)。由于L和M在K上的代数不相交的,B是L(B)L(B)在L上的超越基(V,p. 113,命题12)。此外,S 的每个元素都是代数且在 K(B)K(B) 上可分,因此在 L(B)L(B) 上(V,p. 39,Cor. 2)。我们推论(V,p. 39,命题 6)L(S)=L(B)(S)L(S) = L(B)(S) 是代数且在 L(B)L(B) 上可分,因此 L(S)L(S) 在 L 上可分。

推出 06VF

— *如果 L 和 M 是可分扩张,在 K 上代数不相交的,则域 K(L∪M)K(L \cup M) 在 K 上可分。

引用了 2

引用了 命题 9, V § 15, 命题 5

因为 K(L∪M)=L(M)K(L \cup M) = L(M) 可以通过命题 5 在 L 上分离(因为 M 可以在 K 上分离),并且 L 可以在 K 上分离,从而的推论(V、p. 122、命题 9)。

假设扩张L和M在代数上不相交的在命题5及其推论中是不可或缺的。 令 K 为特征 p≠0p \neq 0 的不完美域和形式 K(x,a)K(x, a) 的 E 扩张,其中 x 超越 K 且在 K 上高度为 1 的 p 根式;输入L=K(x)L = K(x)和M=K(x+a)M = K(x + a)。 那么x+ax + a是K上的超越(如果不是,x=(x+a)−ax = (x + a) - a将是K上的代数)并且域L和M在K上可分。 然而,K(L∪M)=K(x,a)K(L \cup M) = K(x, a) 是次数 pp 在 L=K(x)L = K(x) 上的 p 根式,并且在 L 上不可分,在 K 上也不可分。

习题

参见习题为 § 16。

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