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§ 2。 挠元模超过主理想整环
1. 模超过乘积共环
令A为环,(bi)i∈I为A的直接分解,即(I,p. 110,Def.7)A的双边理想的有限族,使得自然同态从A变为A/bi 的乘积是双射的。由*loc。引用*,第 10 条命题,存在 A 的中心幂等族(ei)i∈I,使得 bi=A(1−ei)、∑i∈Iei=1 和 eiej=0 对于 i=j。
对于每个左A-模块M,令Mi表示m∈M的集合,使得bim=0;由于 bi 是双面理想,因此这是 M 的子模;此外,如果a,b∈A和a−b∈bi,则同位aMi和bMi重合;因此,Mi上有一个独特的(A/bi)模块结构,从而通过同态A→A/bi导出Mi的A模块结构。
让pi:M→M表示位似m↦eim; 映射 pi 是 A 线性,因为 ei 是中心;由于 ei2=ei、∑i∈Iei=1 和 eiej=0 对于 i=j,我们有
pi∘pi=pi,i∈I∑pi=1M,pi∘pj=0fori=j,
以及 pi 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)=eiM 中的直和。在加法eiM被bi=A(1−ei)湮灭;如果i=j和m∈M,则(1−ei)ejm=ejm,从而,ejM中没有非零元素被1−ei湮灭,因此更不必说被bi湮灭。由此可见eiM=Mi、命题得证。
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∈A,令 M(α) 表示 M 的自同态 x↦αx 的核。如果 a 和 β 是 A 的两个元素,使得α除β,那么显然是M(a)⊂M(β)。特别是,当 n 穿过有理数整数 ≥1 的集合时,子模 M(αn) 形式递增序列;因此,M(αn)的并M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∩Ma。
设π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∈M,存在整数 n≥1,使得 πnx=0(在其他字,如果 M 等于子模 Mπ)。
显然,形式A/(πs)的每个循环模都是rr-primary。对于任意 A-模 M,子模 Mπ 是 rr-primary。
设 M 为模大于主理想整环 A;对于所有a∈A使得a=0,令α=ε∑i=1rπin(i)是α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)是子模M(πin(i))的直和,而将每个x∈M(α)发送到其M(πin(i))中的组件的映射有形式x↦γix (γi∈A)。而且
M(πin(i))=N∩Mπi=Nπi 注首先N被a湮灭,因此具有天然的
A/(α)模结构。根据第4条VII、p. 3、典范同态从
A/(α)到环
A/(πin(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))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)∩Mπi是明显的;相反,让
x∈M(α)∩Mπi。那么存在
πi 的幂
πis 可以消灭 x;我们可以假设
s≥n(i);根据 Bezout 的恒等式,存在
λ,μ∈A,从而
πin(i)=λπis+pa,因此
πin(i)x=0,最后
x∈M(πin(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
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,A 中存在元素 γ=0,使得 xi 所有属于至 M(γ)。 事实上,对于每个指标 i,A 中都存在元素 αi=0,它会消灭 xi,而元素 γ=∏i=1nαi 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
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,令Mπ是元素的M由……组成的子模被π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为其子模Mπ的直和。 对于某些 a=0,每个元素 x∈M 属于到子模 M(α),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 Mπ。另一方面,如果 ∑π∈Pxπ=∑π∈Pyπ,其中 xπ,yπ∈Mπ 代表所有 π∈P,并且几乎所有 xπ 和 yπ 都是零,则引理 2 表明 A 中存在 γ=0,使得所有xπ 和 yπ 属于至相同的子模 M(γ); 应用引理 1 到 M(γ) 显示 xπ=yπ 对于所有 π∈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和π′是不可约元的两个关联,则Mπ=Mπ′;因此,对于给定的模 M,子模 Mπ 仅取决于 A 的理想(π);它被称为模 M 的 rr 主分量,而 M 的分解作为 Mπ 的直和被称为 M 的规范分解作为其 rr 主分量的直和。
这是因为 N ∩ M, 是 N 的 π 主分量 N,。
— 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 的每个不可约元 π (Cor. 1)。
— 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,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意味着Nπ=Mπ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。
— 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 的不可约元。如果N是M中Annx的补集,那么我们可以写成x=απx+y,还有α∈A和y∈N;但这意味着y=(1−αn)x,所以
π(1−απ)x∈Aπx∩N=0. 首先M是挠元模;如果还有
x∈Mπ,则
π(1−απ)x=0,因此
πx=απ2x=α2π3x=⋯=αnπn+1x是零和
Mπ=M(π)。
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) 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。
这紧随引理 1,因为到引理 2,A中存在α=0,使得M=M(α)。
3. 应用:I。有理数和有理函数的正则分解在一个不定中
令A为主理想整环,令K为其域产物,令P为A的不可约元的代表系统。 给定元素x∈K,P、元素a0∈A和a,∈A在A(p∈H)和整数中存在不可被p整除的有限子集H,以及整数 s(p)>0 (p∈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∈H∑app−s(p),
其中H和s(p)由这些条件唯一确定。
此外,如果Rp表示A包含中的子集,则A(p∈P)中每个剩余类类 mod p恰好有一个元素,则每个x∈K可以在形式中唯一表达
x=a+p∈P∑(h=1∑∞rphp−h)
其中 a∈A 和 rph∈Rp 对于所有 h 和 p,并且几乎所有 rph 都是零。
Consider K as an A-module;那么A就是子模由1生成。商模K/A是K除以等价关系x′−x∈A的商,也可以写成VI的记号,p. 6,为x≡x′(模 1);让f表示从K到M=K/A的自然同态。
商模 M 是一个 挠元模,对于 M 中的每一个元素,都有形式 f(a/b) (a∈A,b∈A,b=0)、从而 bf(a/b)=f(a)=0。因此,Th。 1 of VII, p. 8 applies.设Mp(p∈P)为M的元素子模被p的幂湮灭;那么f−1(Mp)就是形式ap−nK元素子环Ap,其中a∈A和n≥0是整数。 模 M 是 Mp 的直和,因此每个 x∈K 与 Ap 的和模 1 到元素全等;在其他字中,公式 (1) 成立,与 s(p) 整数 >0 和 a,A 的有限多个元素使得 a 不是倍数 p。
我们现在展示这些条件在s(p)和a上,完全是确定H和s(p)。事实上,H 是p∈P 的集合,这样f(x) 在Mp 中的分量就是=0。另一方面,如果s和s′是两个整数>0,使得 s \geq s' 并且如果a和a′是A的元素不能被p整除,这样 ap−s≡a′p−s′(mod1), then we deduce that a≡a′ps−s′(modps);如果s>s′则a≡0(modp),与假设相矛盾。这个论证还表明每个 ai 都是明确定义的 mod ps(p)。
为了完成证明,我们首先注,在A中的每个剩余类类模pi中,存在形式∑h=0s−1rhph的唯一元素,以及rh∈Rp对应0≤h≤s−1。事实上,我们在s上继续进行归纳(性质是从Rp的定义推导出来的s=1):让x∈A; 假设 x mod ps−1 的剩余类类中有形式 ∑h=0s−2rhph (rh∈Rp) 唯一元素;那么x−∑h=0s−2rhph就是ps−1的倍数aps−1;现在存在唯一元素rs,Rp使得a≡rs(modp); 从而x≡∑h=0s−1rhph(modps)。要获得公式 (2),现在只需将此事实应用于公式 (1) 中的每个 ap 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∈P,令 Rp 为 Z 中的区间 (0,p−1)。因此我们有规范的分解
x=a+p∈P∑(h=1∑∞ephp−h)
与 a∈Z、eph∈Z 和 0≤eph≤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] (VII, p. 5) 中的单调不可约多项式的集合。对于p∈P,我们可以根据多项式(IV,p. 10)的欧几里得除法,将Rp取为严格小于p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) 的分解(称为规范):
r(X)=a(X)+p∈P∑(h=1∑∞vph(X)⋅p(X)−h)
其中,对于所有 p 和 h,a(X) 是多项式,vph(X) 是次数严格小于 p(X) 的多项式。特别是,如果域 E 是*代数闭的*,则 p(X) 具有形式 X−a 和 a∈E,因此 vph(X) 是常数。
因此我们可以说向量空间 E(X) 在域 E 上有单项式 Xn (n≥0 整数) 的基由……组成以及形式的有理数函数 Xm/(p(X))h,其中p∈P、h和m是整数、h≥1和0≤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)∗为环Z/aZ的可逆元的乘法群。如果a=∏pin(i)是a的分解到素数因子,则环Z/aZ同构于环Z/pin(i)Z的乘积(VII,p. 3,命题4)并且群(Z/aZ)∗同构于群(Z/pin(i)Z)∗的乘积。因此,我们只剩下对群 (Z/pnZ)∗ 的研究,其中 p 是素数数;回想一下(V,p. 80),(Z/pnZ)∗的阶φ(pn)是pn−pn−1=pn−1(p−1)。
首先假设 p>2; 群的自然同态Z/pnZ→Z/pZ限制到同态从(Z/pnZ)∗到(Z/pZ)∗,其核我们表示U(pn);由 VII, p. 3, 命题 3 剩余类类 mod pn 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 m mod p是可逆的。由此可见,U(pn) 由整数的所有剩余类类 mod pn 组成,与 1 mod p 全等,因此有 pn−1 元素,并且有正合序列
(3)
{1}→U(pn)→(Z/pnZ)∗→(Z/pZ)∗→{1}.
类似地,对于n≥2,令U(2n)表示自然同态从(Z/2nZ)∗到(Z/4Z)∗的核;这是阶 2n−2 的群,剩余类类整数的所有由……组成 mod 2n 与 1 mod 4 全等,并且有正合序列
(4)
{1}→U(2n)→(Z/2nZ)∗→(Z/4Z)∗→{1}.
令x、y、k为整数且k≥0,并令p>2为素数数。如果x≡1+pymodp2则xpk≡1+pk+1ymodpk+2。 如果x≡1+4ymod8则x2k≡1+2k+2ymod2k+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≥1和x≡1+pkymodpk+1,则xp≡1+pk+1ymodpk+2,然后通过归纳对整数 k 进行论证。对于所有a∈Z和k≥1,直接的
(1+pka)p≡1+pk+1amodpk+2, 因此
(1+pky+pk+1z)p=(1+pk(y+pz))p≡=1+pk+1(y+pz)≡1+pk+1ymodpk+2. 类似地,对于
k≥1 我们有
(1+2k+1a)2≡1+2k+2amod2k+3, 所以
(1+2k+1y+2k+2z)2≡1+2k+2ymod2k+3, k 上从而第二个断言 by 归纳。
令p>2为素数数,令n>0为整数;那么群U(pn)是阶pn−1的循环;如果 n≥2 则整数 x 的剩余类类 mod pn 等于 1 mod p 是 U(pn) 的生成元当且仅当 x 不等于 1 mod p2。设m>1为整数;那么群U(2m)是阶2m−2的循环;如果 m≥3,则整数 x 的剩余类类 mod 2m 与 1 mod 4 全等,是 U(2m) 的生成元当且仅当x 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)有阶pn−1,U(pn)的每元素u的阶是p的幂,u是U(pn)的生成元当且仅当upn−2=1。 现在,如果u是x=1+py的类,那么upn−2是1+pn−1y的类,乘以引理3,从而u生成U(pn)当且仅当y≡0modp,其他字x≡1modp2。 对于例、类 1+p 生成 U(pn)。 Similarly, the class u of x mod 2n generates U(2n) if and only if u2n−3=1, which means that x is not congruent to 1 mod 8, by Lemma 3; this is satisfied by x=5.
令A为主理想整环,并令0→N→M→P→0为A模块的正合序列。假设存在互质元素a,b∈A使得aN=0和bP=0。然后正合序列分裂的。如果加法、N和P都是循环的,那么M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=0 起,模 M 为挠元。第一个断言来自Cor。 3 个VII、p. 9。如果N和P是循环的,那么它们是有限生成的,因此M也是有限生成的(II,p. 17,Cor.5);由于M的每个p主成分与N或P的p主成分同构,因此从VII、p. 10的注2得出,M是循环的。
如果a=∏pin(i)是整数a>1的素数分解,则环Z/aZ的可逆元的群(Z/aZ)∗同构于群的乘积 (Z/pin(i)Z)∗。如果p>2是素数数且n≥1整数,则群(Z/pnZ)∗是阶pn 1(p−1)的循环。 群 (Z/2Z)∗ 是微不足道的;对于 n≥2 群 (Z/2nZ)∗ 是由 5 mod 2n 的剩余类类生成的阶 2n 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 mod 2n。
引用了 2
引用了 引理 4, 命题 3
U(pn)的阶pn 1和(Z/pZ)∗的p−1互质;由于 U(pn) 和 (Z/pZ)∗ 是循环的(命题 3 和 V、p. 78、引理 1),群 (Z/pnZ)∗ 是循环的(将引理 4 应用于正合序列 (3))。如果n≥2则同态v:(Z/2nZ)∗→(Z/4Z)∗到子群(1,−1)的限制是双射;因此,群(Z/2nZ)∗是子群的直接乘积和v的核U(2n);结果由命题 3 得出。
习题
参见习题为 § 2。