Bourbaki

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§ 2。 挠元模超过主理想整环

1. 模超过乘积共环

令AA为环,(bi)i∈I(b_i)_{i \in I}为AA的直接分解,即(I,p. 110,Def.7)AA的双边理想的有限族,使得自然同态从AA变为A/biA/b_i 的乘积是双射的。由*loc。引用*,第 10 条命题,存在 AA 的中心幂等族(ei)i∈I(e_i)_{i \in I},使得 bi=A(1−ei)b_i = A(1 - e_i)、∑i∈Iei=1\sum_{i \in I} e_i = 1 和 eiej=0e_i e_j = 0 对于 i≠ji \neq j。

对于每个左AA-模块MM,令MiM_i表示m∈Mm \in M的集合,使得bim=0b_i m = 0;由于 bib_i 是双面理想,因此这是 MM 的子模;此外,如果a,b∈Aa, b \in A和a−b∈bia - b \in b_i,则同位aMia_{M_i}和bMib_{M_i}重合;因此,MiM_i上有一个独特的(A/bi)(A/b_i)模块结构,从而通过同态A→A/biA \to A/b_i导出MiM_i的AA模块结构。

命题 1 0724

AA-模块MM是其子模MiM_i的直和。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 定义 7, II § 1

被以下引用 引理 1, 引理 2, LIE III § 6

让pi:M→Mp_i : M \to M表示位似m↦eimm \mapsto e_i m; 映射 pip_i 是 AA 线性,因为 eie_i 是中心;由于 ei2=eie_i^2 = e_i、∑i∈Iei=1\sum_{i \in I} e_i = 1 和 eiej=0e_i e_j = 0 对于 i≠ji \neq j,我们有

pi∘pi=pi,∑i∈Ipi=1M,pi∘pj=0fori≠j, p_i \circ p_i = p_i , \quad \sum_{i \in I} p_i = 1_M , \quad p_i \circ p_j = 0 \quad \text{for} \quad i \neq j ,

以及 pip_i 形式投影算子的正交族,其和是恒等式(II,p. 209,Def. 7)。由*loc。引用*,第 12 号提案,模 M 是子模 pi(M)=eiMp_i(M) = e_iM 中的直和。在加法eiMe_iM被bi=A(1−ei)b_i = A(1 - e_i)湮灭;如果i≠ji \neq j和m∈Mm \in M,则(1−ei)ejm=ejm(1 - e_i)e_jm = e_jm,从而,ejMe_jM中没有非零元素被1−ei1 - e_i湮灭,因此更不必说被bib_i湮灭。由此可见eiM=Mie_iM = M_i、命题得证。

注 1 0725

相反,令Mi′M'_i为每个i的(A/bi)(A/b_i)模,并考虑A-模Mi′M'_i的A-模M、直和;然后用Mi′M'_i在重合之上构造子模MiM_i(对于注来说就足够了,如果i≠ji \neq j则Mj′M'_j的非零元素不会被bib_i消灭,因为bi+bj=Ab_i + b_j = A)。因此,粗略地说,考虑A-模 M 或(Mi)(M_i) 模超过环 A/bi=AiA/b_i = A_i 的情况是一样的。

注 2 0726

由上式证明、M的投影算子到分量MiM_i是同位。

注 3 0727

A-模 M 是循环的当且仅当每个 MiM_i 都是循环的:如果 M=AmM = Am,则 Mi=AieimM_i = A_i e_i m;反之,如果Mi=AimiM_i = A_i m_i和m=∑i∈Imim = \sum_{i \in I} m_i,则M=AmM = Am;事实上,如果对于每个 i,n∈Mn \in M 投影到aimia_i m_i,并且对于每个 i,a∈Aa \in A 与aia_i mod bib_i 全等,则 am 和 n 在每个 MiM_i 中具有相同的像,因此重合。

被以下引用 1

被以下引用 注 2

注 4 0728

令 M 和 N 为两个 A-模,其分量为 (Mi)(M_i) 和 (Ni)(N_i)。令u∈HomA(M,N)u \in \mathrm{Hom}_A(M, N)是从M到N的A线性映射;那么对于所有 i 和所有 m∈Mim \in M_i,我们有 u(m)∈Niu(m) \in N_i,所以 u 诱导 AiA_i-线性映射 ui∈HomAi(Mi,Ni)u_i \in \mathrm{Hom}_{A_i}(M_i, N_i)。很容易检查映射 u↦(ui)u \mapsto (u_i) 是 Z 模的同构(当 A 是可交换时,分别是 A-模)

HomA(M,N)→∏i∈IHomAi(Mi,Ni). \mathrm{Hom}_A(M, N) \to \prod_{i \in I} \mathrm{Hom}_{A_i}(M_i, N_i).

2. 规范分解挠元模超过主理想整环

令 M 为模大于交换环 A。对于每个 a∈Aa \in A,令 M(α)M(\alpha) 表示 M 的自同态 x↦αxx \mapsto \alpha x 的核。如果 aa 和 β\beta 是 A 的两个元素,使得α\alpha除β\beta,那么显然是M(a)⊂M(β)M(a) \subset M(\beta)。特别是,当 n 穿过有理数整数 ≥1\geq 1 的集合时,子模 M(αn)M(\alpha^n) 形式递增序列;因此,M(αn)M(\alpha^n)的并MM是M的子模,M的元素的由……组成被a的一些幂湮灭。对于 M 的每个子模 N,显然有 N1=N∩MaN_1 = N \cap M_a。

定义 1 0729

设π\pi为主理想整环A的不可约元; A-模 M 称为 rr-primary if,对于所有 x∈Mx \in M,存在整数 n≥1n \geq 1,使得 πnx=0\pi^n x = 0(在其他字,如果 M 等于子模 MπM_\pi)。

显然,形式A/(πs)A/(\pi^s)的每个循环模都是rr-primary。对于任意 A-模 M,子模 MπM_\pi 是 rr-primary。

引理 1 072A

设 M 为模大于主理想整环 A;对于所有a∈Aa \in A使得a≠0a \neq 0,令α=ε∑i=1rπin(i)\alpha = \varepsilon \sum_{i=1}^r \pi_i^{n(i)}是α\alpha的分解变成不可约因子(VII,p. 4)。被a消灭的M的元素的子模N=M(a)N = M(a)是子模M(πin(i))M(\pi_i^{n(i)})的直和,而将每个x∈M(α)x \in M(\alpha)发送到其M(πin(i))M(\pi_i^{n(i)})中的组件的映射有形式x↦γix (γi∈A)x \mapsto \gamma_i x \ (\gamma_i \in A)。而且

M(πin(i))=N∩Mπi=Nπi M(\pi_i^{n(i)}) = N \cap M_{\pi_i} = N_{\pi_i}
注首先N被a湮灭,因此具有天然的A/(α)A/(\alpha)模结构。根据第4条VII、p. 3、典范同态从A/(α)A/(\alpha)到环A/(πin(i))A/(\pi_i^{n(i)})的乘积为环同构;现在VII、p. 6的应用命题1,我们推导出N是M(πin(i))M(\pi_i^{n(i)})的直和;这个分解的投影算子是同位,由VII,p. 7,注 2。包含M(πin(i))⊂M(α)∩MπiM(\pi_i^{n(i)}) \subset M(\alpha) \cap M_{\pi_i}是明显的;相反,让x∈M(α)∩Mπix \in M(\alpha) \cap M_{\pi_i}。那么存在 πi\pi_i 的幂 πis\pi_i^s 可以消灭 x;我们可以假设s≥n(i)s \geq n(i);根据 Bezout 的恒等式,存在 λ,μ∈A\lambda, \mu \in A,从而 πin(i)=λπis+pa\pi_i^{n(i)} = \lambda \pi_i^s + pa,因此 πin(i)x=0\pi_i^{n(i)} x = 0,最后x∈M(πin(i))x \in M(\pi_i^{n(i)})。

引用了 2 · 被以下引用 2

引用了 注 2, 命题 1

被以下引用 命题 2, 定理 1

引理 2 072B

设 M 为整环 A 上的挠元模 (II, p. 313)。对于 M 的元素的每个有限族 (xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n},A 中存在元素 γ≠0\gamma \neq 0,使得 xix_i 所有属于至 M(γ)M(\gamma)。 事实上,对于每个指标 i,A 中都存在元素 αi≠0\alpha_i \neq 0,它会消灭 xix_i,而元素 γ=∏i=1nαi\gamma = \prod_{i=1}^n \alpha_i 就符合要求。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 II § 7. 。 向量空间

被以下引用 命题 2, 定理 1

定理 1 072C

令 M 为挠元模超过主理想整环 A;对于A的每个不可约元π\pi,令MπM_\pi是元素的M由……组成的子模被π\pi的一些幂消灭。若P为A的不可约元的代表系统,则M为π∈P\pi \in P为其子模MπM_\pi的直和。 对于某些 a≠0a \neq 0,每个元素 x∈Mx \in M 属于到子模 M(α)M(\alpha),因此引理 1 是元素的有限数的和,其中每个属于到一些子模 MπM_\pi。另一方面,如果 ∑π∈Pxπ=∑π∈Pyπ\sum_{\pi \in P} x_\pi = \sum_{\pi \in P} y_\pi,其中 xπ,yπ∈Mπx_\pi, y_\pi \in M_\pi 代表所有 π∈P\pi \in P,并且几乎所有 xπx_\pi 和 yπy_\pi 都是零,则引理 2 表明 A 中存在 γ≠0\gamma \neq 0,使得所有xπx_\pi 和 yπy_\pi 属于至相同的子模 M(γ)M(\gamma); 应用引理 1 到 M(γ)M(\gamma) 显示 xπ=yπx_\pi = y_\pi 对于所有 π∈P\pi \in P,从而完成证明。

引用了 2 · 被以下引用 4

引用了 引理 1, 引理 2

被以下引用 注 2, 定理 2, VII § 5. 。 自同态 / 向量空间, 命题 2, VII § 5

显然,如果π\pi和π′\pi'是不可约元的两个关联,则Mπ=Mπ′M_\pi = M_{\pi'};因此,对于给定的模 M,子模 MπM_\pi 仅取决于 A 的理想(π)(\pi);它被称为模 M 的 rr 主分量,而 M 的分解作为 MπM_\pi 的直和被称为 M 的规范分解作为其 rr 主分量的直和。

推出 1 072D

— 挠元模M 的每个子模N 是其子模N∩M 的直和。

被以下引用 3

被以下引用 推出 2, 命题 12, VII § 5, 引理 1, LIE VIII § 3

这是因为 N ∩ M, 是 N 的 π 主分量 N,。

推出 2 072E

— 挠元 A-模 M 的子模 N 是直因子当且仅当 N 是 M 的直因子,对于 A 的每个不可约元 π。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 推出 1

被以下引用 推出 3, 推论 4

事实上,如果 N 和 N' 是 M 的两个子模,则 M = N ⊕ N' 当且仅当 M, − N, ⊕ N'_π 对于 A\mathscr{A} 的每个不可约元 π (Cor. 1)。

推出 3 072F

— 令 N 为挠元 A-模 M 的子模。如果对于 A 的每个不可约元 π,N = 0 或 (M/N)π=0(M/N)_\pi = 0,则 N 为 M 的直因子。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 推出 2, VIII § 3. 。 单模

被以下引用 引理 4

事实上,条件(M/N)π=0(M/N)_\pi = 0意味着Nπ=MπN_\pi = M_\pi和Cor。 2 适用。

如果 M 的每个子模都是直因子 (cf. A, VIII, § 3),A-模 M 称为 半单。

推论 4 072G

— 设 A 为主理想整环,不是域,并设 M 为 A-模。那么 M 是半单当且仅当 M 是挠元模并且对于 A 的每个不可约元 π,M, = M(π)。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 推出 2

被以下引用 命题 14, VII § 5

首先假设M是半单;设 x ∈ M 且 π 为 A\mathscr{A} 的不可约元。如果N是M中AnnxAnnx的补集,那么我们可以写成x=απx+yx = \alpha \pi x + y,还有α∈A\alpha \in \mathscr{A}和y∈Ny \in N;但这意味着y=(1−αn)xy = (1 - \alpha n)x,所以

π(1−απ)x∈Aπx∩N=0. \pi(1 - \alpha \pi)x \in A\pi x \cap N = 0 .
首先M是挠元模;如果还有x∈Mπx \in M_\pi,则π(1−απ)x=0\pi(1 - \alpha \pi)x = 0,因此πx=απ2x=α2π3x=⋯=αnπn+1x\pi x = \alpha \pi^2 x = \alpha^2 \pi^3 x = \cdots = \alpha^n \pi^{n+1} x是零和Mπ=M(π)M_\pi = M(\pi)。

相反,由 Cor. 2 足以证明A-模 M被不可约元 π 湮灭为半单;但这很明显,因为 M 在域 A/(π)\mathscr{A}/(\pi) 上有一个自然的结构向量空间,而 M 的子模正是在这个结构下的向量子空间。

注 1 072H

— 显然,τ 初级模的每个元素 ≠ 0 的湮没子都有形式 AπkA\pi^k (k > 0 整数),因为它是 τ 的主要理想包含幂。令x为M的元素;对于每个π∈P\pi \in P,令xπx_\pi为x在MπM_\pi中的分量; x 的湮没子是非零的 xπx_\pi 的湮没子的 lcm,但根据上面的描述,在这种情况下它等于非零的 xπx_\pi 的湮没子的 乘积(VI,p. 16,Prop. 12(DIV))。

命题 2 072I

— 如果 M 是在主理想整环 A 上有限生成的挠元模,则 M 的 n 个主分量为零,除了其中的有限数,并且 M 的投影算子在这些分量 MπM_\pi 上是同位。

引用了 2 · 被以下引用 2

引用了 引理 1, 引理 2

被以下引用 注 2, VII § 5. 。 自同态 / 向量空间

这紧随引理 1,因为到引理 2,A\mathscr{A}中存在α≠0\alpha \neq 0,使得M=M(α)M = M(\alpha)。

注 2 072J

— 通过 VII、p. 7、注 3,有限生成的挠元 A-模是循环的当且仅当其每个 π 主分量都是循环的。

一个重要的特殊情况,Th。 1和命题2适用于A=ZA = \mathbf{Z}; Z\mathbf{Z}-模块只是一个 阿贝尔的群。如果阿贝尔的群是挠元Z\mathbf{Z}模块,即如果它的所有元素都有*有限的阶*,则阿贝尔的群被称为*挠元群*。那么PP被取为素数数>0> 0的集合;对于每个素数数 p>0p > 0,如果其所有元素都有阶(即 pp 的幂),则 (阿贝尔的) 群被称为 pp 扭转。在这个术语,Th。图 1 显示*每个挠元阿贝尔的群都是 p 扭转群的直和*。在有限群的情况下,这也是从 I、p. 80、Th 得出的。 4.

引用了 4 · 被以下引用 1

引用了 注 3, 定理 4, I § 6, 命题 2, 定理 1

被以下引用 引理 1

3. 应用:I。有理数和有理函数的正则分解在一个不定中

定理 2 072K

令AA为主理想整环,令KK为其域产物,令PP为AA的不可约元的代表系统。 给定元素x∈Kx \in K,PP、元素a0∈Aa_0 \in A和a,∈Aa, \in A在AA(p∈Hp \in H)和整数中存在不可被pp整除的有限子集HH,以及整数 s(p)>0s(p) > 0 (p∈Hp \in H) 这样

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 定理 1

被以下引用 习题 7, § 2, 引理 1, VIII § 3

x=a0+∑p∈Happ−s(p), x = a_0 + \sum_{p \in H} a_p p^{-s(p)},

其中HH和s(p)s(p)由这些条件唯一确定。

此外,如果RpR_p表示AA包含中的子集,则A(p∈P)A (p \in P)中每个剩余类类 mod pp恰好有一个元素,则每个x∈Kx \in K可以在形式中唯一表达

x=a+∑p∈P(∑h=1∞rphp−h) x = a + \sum_{p \in P} \left( \sum_{h=1}^{\infty} r_{ph} p^{-h} \right)

其中 a∈Aa \in A 和 rph∈Rpr_{ph} \in R_p 对于所有 hh 和 pp,并且几乎所有 rphr_{ph} 都是零。

Consider KK as an AA-module;那么AA就是子模由1生成。商模K/AK/A是KK除以等价关系x′−x∈Ax' - x \in A的商,也可以写成VI的记号,p. 6,为x≡x′x \equiv x'(模 1);让ff表示从KK到M=K/AM = K/A的自然同态。

商模 MM 是一个 挠元模,对于 MM 中的每一个元素,都有形式 f(a/b)f(a/b) (a∈A,b∈A,b≠0a \in A, b \in A, b \neq 0)、从而 bf(a/b)=f(a)=0b f(a/b) = f(a) = 0。因此,Th。 1 of VII, p. 8 applies.设MpM_p(p∈Pp \in P)为MM的元素子模被pp的幂湮灭;那么f−1(Mp)f^{-1}(M_p)就是形式ap−na p^{-n}KK元素子环ApA_p,其中a∈Aa \in A和n≥0n \geq 0是整数。 模 MM 是 MpM_p 的直和,因此每个 x∈Kx \in K 与 ApA_p 的和模 1 到元素全等;在其他字中,公式 (1) 成立,与 s(p)s(p) 整数 >0> 0 和 aa,AA 的有限多个元素使得 aa 不是倍数 pp。

我们现在展示这些条件在s(p)s(p)和aa上,完全是确定HH和s(p)s(p)。事实上,HH 是p∈Pp \in P 的集合,这样f(x)f(x) 在MpM_p 中的分量就是≠0\neq 0。另一方面,如果ss和s′s'是两个整数>0> 0,使得 s \geq s' 并且如果aa和a′a'是AA的元素不能被pp整除,这样 ap−s≡a′p−s′(mod1)ap^{-s} \equiv a'p^{-s'} \pmod{1}, then we deduce that a≡a′ps−s′(modps)a \equiv a'p^{s-s'} \pmod{p^s};如果s>s′s > s'则a≡0(modp)a \equiv 0 \pmod{p},与假设相矛盾。这个论证还表明每个 aia_i 都是明确定义的 mod ps(p)p^{s(p)}。

为了完成证明,我们首先注,在AA中的每个剩余类类模pip^i中,存在形式∑h=0s−1rhph\sum_{h=0}^{s-1} r_h p^h的唯一元素,以及rh∈Rpr_h \in R_p对应0≤h≤s−10 \leq h \leq s-1。事实上,我们在ss上继续进行归纳(性质是从RpR_p的定义推导出来的s=1s = 1):让x∈Ax \in A; 假设 xx mod ps−1p^{s-1} 的剩余类类中有形式 ∑h=0s−2rhph\sum_{h=0}^{s-2} r_h p^h (rh∈Rpr_h \in R_p) 唯一元素;那么x−∑h=0s−2rhphx - \sum_{h=0}^{s-2} r_h p^h就是ps−1p^{s-1}的倍数aps−1ap^{s-1};现在存在唯一元素rsr_s,RpR_p使得a≡rs(modp)a \equiv r_s \pmod{p}; 从而x≡∑h=0s−1rhph(modps)x \equiv \sum_{h=0}^{s-1} r_h p^h \pmod{p^s}。要获得公式 (2),现在只需将此事实应用于公式 (1) 中的每个 apa_p 即可。综上所述,唯一性就很清楚了。

以下是 Th 最重要的应用。 2:

I。 环 A 是有理数整数的环 Z,并且 K = Q。令 P 为素数数 > 0 的集合,对于每个p∈Pp \in P,令 RpR_p 为 Z\mathbf{Z} 中的区间 (0,p−1)(0, p-1)。因此我们有规范的分解

x=a+∑p∈P(∑h=1∞ephp−h) x = a + \sum_{p \in P} \left( \sum_{h=1}^{\infty} e_{ph} p^{-h} \right)

与 a∈Za \in \mathbf{Z}、eph∈Ze_{ph} \in \mathbf{Z} 和 0≤eph≤p−10 \leq e_{ph} \leq p-1。

II。 环 A 是交换域 E 上的一个不定多项式的环 E[X],且 K = E(X)。令 P 为 E[X]E[X] (VII, p. 5) 中的单调不可约多项式的集合。对于p∈Pp \in P,我们可以根据多项式(IV,p. 10)的欧几里得除法,将RpR_p取为严格小于pp的次数多项式的集合。因此我们有一个有理数函数 r(X)∈E(X)r(X) \in E(X) 的分解(称为规范):

r(X)=a(X)+∑p∈P(∑h=1∞vph(X)⋅p(X)−h) r(X) = a(X) + \sum_{p \in P} \left( \sum_{h=1}^{\infty} v_{ph}(X) \cdot p(X)^{-h} \right)

其中,对于所有 pp 和 hh,a(X)a(X) 是多项式,vph(X)v_{ph}(X) 是次数严格小于 p(X)p(X) 的多项式。特别是,如果域 E 是*代数闭的*,则 p(X)p(X) 具有形式 X−aX - a 和 a∈Ea \in E,因此 vph(X)v_{ph}(X) 是常数。

因此我们可以说向量空间 E(X)E(X) 在域 E 上有单项式 XnX^n (n≥0n \geq 0 整数) 的基由……组成以及形式的有理数函数 Xm/(p(X))hX^m / (p(X))^h,其中p∈Pp \in P、hh和mm是整数、h≥1h \geq 1和0≤rn<deg⁡(p)0 \leq rn < \deg(p)。

4. 应用:II。 乘法群 / 单位 / 整数模 a

设a为有理数整数 > 1,且令(Z/aZ)∗(\mathbf{Z}/a\mathbf{Z})^*为环Z/aZ\mathbf{Z}/a\mathbf{Z}的可逆元的乘法群。如果a=∏pin(i)a = \prod p_i^{n(i)}是a的分解到素数因子,则环Z/aZ\mathbf{Z}/a\mathbf{Z}同构于环Z/pin(i)Z\mathbf{Z}/p_i^{n(i)}\mathbf{Z}的乘积(VII,p. 3,命题4)并且群(Z/aZ)∗(\mathbf{Z}/a\mathbf{Z})^*同构于群(Z/pin(i)Z)∗(\mathbf{Z}/p_i^{n(i)}\mathbf{Z})^*的乘积。因此,我们只剩下对群 (Z/pnZ)∗(\mathbf{Z}/p^n\mathbf{Z})^* 的研究,其中 p 是素数数;回想一下(V,p. 80),(Z/pnZ)∗(\mathbf{Z}/p^n\mathbf{Z})^*的阶φ(pn)\varphi(p^n)是pn−pn−1=pn−1(p−1)p^n - p^{n-1} = p^{n-1}(p-1)。

首先假设 p>2p > 2; 群的自然同态Z/pnZ→Z/pZ\mathbf{Z}/p^n\mathbf{Z} \to \mathbf{Z}/p\mathbf{Z}限制到同态从(Z/pnZ)∗(\mathbf{Z}/p^n\mathbf{Z})^*到(Z/pZ)∗(\mathbf{Z}/p\mathbf{Z})^*,其核我们表示U(pn)(p^n);由 VII, p. 3, 命题 3 剩余类类 mod pnp^n of 整数 m 是可逆的当且仅当 m 与 p 互质,即当且仅当剩余类类 of mm mod pp是可逆的。由此可见,U(pn)(p^n) 由整数的所有剩余类类 mod pnp^n 组成,与 1 mod p 全等,因此有 pn−1p^{n-1} 元素,并且有正合序列

(3)

{1}→U(pn)→(Z/pnZ)∗→(Z/pZ)∗→{1}. \{1\} \to \mathrm{U}(p^n) \to (\mathbf{Z}/p^n\mathbf{Z})^* \to (\mathbf{Z}/p\mathbf{Z})^* \to \{1\}.

类似地,对于n≥2n \geq 2,令U(2n)(2^n)表示自然同态从(Z/2nZ)∗(\mathbf{Z}/2^n\mathbf{Z})^*到(Z/4Z)∗(\mathbf{Z}/4\mathbf{Z})^*的核;这是阶 2n−22^{n-2} 的群,剩余类类整数的所有由……组成 mod 2n2^n 与 1 mod 4 全等,并且有正合序列

(4)

{1}→U(2n)→(Z/2nZ)∗→(Z/4Z)∗→{1}. \{1\} \to \mathrm{U}(2^n) \to (\mathbf{Z}/2^n\mathbf{Z})^* \to (\mathbf{Z}/4\mathbf{Z})^* \to \{1\}.

引理 3 072L

令x、y、k为整数且k≥0k \geq 0,并令p>2p > 2为素数数。如果x≡1+pymod  p2x \equiv 1 + py \mod p^2则xpk≡1+pk+1ymod  pk+2x^{p^k} \equiv 1 + p^{k+1}y \mod p^{k+2}。 如果x≡1+4ymod  8x \equiv 1 + 4y \mod 8则x2k≡1+2k+2ymod  2k+3x^{2^k} \equiv 1 + 2^{k+2}y \mod 2^{k+3}。

被以下引用 1

被以下引用 命题 3

要证明第一个断言,只需证明,如果k≥1k \geq 1和x≡1+pkymod  pk+1x \equiv 1 + p^ky \mod p^{k+1},则xp≡1+pk+1ymod  pk+2x^p \equiv 1 + p^{k+1}y \mod p^{k+2},然后通过归纳对整数 k 进行论证。对于所有a∈Za \in \mathbf{Z}和k≥1k \geq 1,直接的

(1+pka)p≡1+pk+1amod  pk+2, (1 + p^ka)^p \equiv 1 + p^{k+1}a \mod p^{k+2},
因此
(1+pky+pk+1z)p=(1+pk(y+pz))p≡=1+pk+1(y+pz)≡1+pk+1ymod  pk+2. (1 + p^ky + p^{k+1}z)^p = (1 + p^k(y + pz))^p \equiv \\ = 1 + p^{k+1}(y + pz) \equiv 1 + p^{k+1}y \mod p^{k+2}.
类似地,对于 k≥1k \geq 1 我们有
(1+2k+1a)2≡1+2k+2amod  2k+3, (1 + 2^{k+1}a)^2 \equiv 1 + 2^{k+2}a \mod 2^{k+3},
所以
(1+2k+1y+2k+2z)2≡1+2k+2ymod  2k+3, (1 + 2^{k+1}y + 2^{k+2}z)^2 \equiv 1 + 2^{k+2}y \mod 2^{k+3},
k 上从而第二个断言 by 归纳。

命题 3 072M

令p>2p > 2为素数数,令n>0n > 0为整数;那么群U(pn)U(p^n)是阶pn−1p^{n-1}的循环;如果 n≥2n \geq 2 则整数 xx 的剩余类类 mod pnp^n 等于 1 mod pp 是 U(pn)U(p^n) 的生成元当且仅当 xx 不等于 1 mod p2p^2。设m>1m > 1为整数;那么群U(2m)U(2^m)是阶2m−22^{m-2}的循环;如果 m≥3m \geq 3,则整数 xx 的剩余类类 mod 2m2^m 与 1 mod 4 全等,是 U(2m)U(2^m) 的生成元当且仅当xx 不等于 1 mod 8。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 引理 3

被以下引用 定理 3

由于U(pn)U(p^n)有阶pn−1p^{n-1},U(pn)U(p^n)的每元素uu的阶是pp的幂,uu是U(pn)U(p^n)的生成元当且仅当upn−2≠1u^{p^{n-2}} \neq 1。 现在,如果uu是x=1+pyx = 1 + py的类,那么upn−2u^{p^{n-2}}是1+pn−1y1 + p^{n-1}y的类,乘以引理3,从而uu生成U(pn)U(p^n)当且仅当y≢0mod  py \not\equiv 0 \mod p,其他字x≢1mod  p2x \not\equiv 1 \mod p^2。 对于例、类 1+p1 + p 生成 U(pn)U(p^n)。 Similarly, the class uu of xx mod 2n2^n generates U(2n)U(2^n) if and only if u2n−3≠1u^{2^{n-3}} \neq 1, which means that xx is not congruent to 1 mod 8, by Lemma 3; this is satisfied by x=5x = 5.

引理 4 072N

令AA为主理想整环,并令0→N→M→P→00 \to N \to M \to P \to 0为AA模块的正合序列。假设存在互质元素a,b∈Aa, b \in A使得aN=0aN = 0和bP=0bP = 0。然后正合序列分裂的。如果加法、NN和PP都是循环的,那么MM也是循环的。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 推出 3

被以下引用 定理 3

自 abM=0abM = 0 起,模 MM 为挠元。第一个断言来自Cor。 3 个VII、p. 9。如果NN和PP是循环的,那么它们是有限生成的,因此MM也是有限生成的(II,p. 17,Cor.5);由于MM的每个pp主成分与NN或PP的pp主成分同构,因此从VII、p. 10的注2得出,MM是循环的。

定理 3 072O

如果a=∏pin(i)a = \prod p_i^{n(i)}是整数a>1a > 1的素数分解,则环Z/aZ\mathbf{Z}/a\mathbf{Z}的可逆元的群(Z/aZ)∗(\mathbf{Z}/a\mathbf{Z})^*同构于群的乘积 (Z/pin(i)Z)∗(\mathbf{Z}/p_i^{n(i)}\mathbf{Z})^*。如果p>2p > 2是素数数且n≥1n \geq 1整数,则群(Z/pnZ)∗(\mathbf{Z}/p^n\mathbf{Z})^*是阶pn 1(p−1)p^n \ ^1(p - 1)的循环。 群 (Z/2Z)∗(\mathbf{Z}/2\mathbf{Z})^* 是微不足道的;对于 n≥2n \geq 2 群 (Z/2nZ)∗(\mathbf{Z}/2^n\mathbf{Z})^* 是由 5 mod 2n2^n 的剩余类类生成的阶 2n 22^n \ ^2 的循环群的直接乘积和循环群阶 2 由……组成剩余类类 1 和 −1-1 mod 2n2^n。

引用了 2

引用了 引理 4, 命题 3

U(pn)U(p^n)的阶pn 1p^n \ ^1和(Z/pZ)∗(\mathbf{Z}/p\mathbf{Z})^*的p−1p - 1互质;由于 U(pn)U(p^n) 和 (Z/pZ)∗(\mathbf{Z}/p\mathbf{Z})^* 是循环的(命题 3 和 V、p. 78、引理 1),群 (Z/pnZ)∗(\mathbf{Z}/p^n\mathbf{Z})^* 是循环的(将引理 4 应用于正合序列 (3))。如果n≥2n \geq 2则同态v:(Z/2nZ)∗→(Z/4Z)∗v : (\mathbf{Z}/2^n\mathbf{Z})^* \to (\mathbf{Z}/4\mathbf{Z})^*到子群(1,−1)(1, -1)的限制是双射;因此,群(Z/2nZ)∗(\mathbf{Z}/2^n\mathbf{Z})^*是子群的直接乘积和vv的核U(2n)U(2^n);结果由命题 3 得出。

注 072P

设p>2p > 2为素数数,并令xx为整数全等于1 mod pp,且不等于1 mod p2p^2;有正合序列

{0}→Z/pn 1Z→u(Z/pnZ)∗→ν(Z/pZ)∗→{1} \{0\} \to \mathbf{Z}/p^n \ ^1\mathbf{Z} \xrightarrow{u} (\mathbf{Z}/p^n\mathbf{Z})^* \xrightarrow{\nu} (\mathbf{Z}/p\mathbf{Z})^* \to \{1\}

群,其中vv是自然投影,其中uu是映射r↦xrr \mapsto x^r的商。令 Zp\mathbf{Z}_p 为 pp-adic 整数 (VV, p. 96) 的环,并令 xx 为 Zp\mathbf{Z}_p 的元素,使得 x−1∈pZpx - 1 \in p\mathbf{Z}_p 和x−1∉p2Zpx - 1 \notin p^2\mathbf{Z}_p; 经过至逆极限、正合序列 (5) 诱导正合序列

{0}→Zp→uZp∗→v(Z/pZ)∗→{1} \{0\} \to \mathbf{Z}_p \xrightarrow{u} \mathbf{Z}_p^* \xrightarrow{v} (\mathbf{Z}/p\mathbf{Z})^* \to \{1\}

其中vv是自然映射,连续映射uu扩展映射n↦xnn \mapsto x^n(n∈Zn \in \mathbf{Z})。我们经常把xn=u(x)x^n = u(x)代替n∈Zpn \in \mathbf{Z}_p。

类似地,如果x∈Z2x \in \mathbf{Z}_2与x−1∈4Zx - 1 \in 4\mathbf{Z}和x−1∉8Z2x - 1 \notin 8\mathbf{Z}_2,则有分裂正合序列

{0}→Z2→uZ2∗→v(Z/4Z)∗→{1}. \{0\} \to \mathbf{Z}_2 \xrightarrow{u} \mathbf{Z}_2^* \xrightarrow{v} (\mathbf{Z}/4\mathbf{Z})^* \to \{1\}.

其中 uu 是映射 n↦xnn \mapsto x^n 的连续扩张

习题

参见习题为 § 2。

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