Bourbaki

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§ 15。 布劳尔群

在这个截面中,K是交换域。

1. Classes of Algebras

我们用 IsoK(A,B)_K(A,B) 关系表示

“A 和 B 是 K-代数有限次数同构。”

这是关于 A 和 B 的等价关系。设 A 为有限次数的 K-代数; A 的类,表示为 cl(A)(或有时 clK_K(A)),对于关系 IsoK(_K(集合理论,II, §6, No. 9、p. 122,对象的类相当于 A。由定义,cl(A)与A K-代数同构;当且仅当有限次数中的两个K-代数同构时,它们才属于同一个类。

我们用对(W,μ)(W, \mu)的A\mathscr{A}集合表示,其中W是K(N)K^{(\mathbf{N})}的线性子空间,它是K上的有限维,μ\mu是从W×WW\times W到W的K双线性映射到W,使W成为(结合且单位的) K-代数。 有限次数的每个 K-代数都同构于这样的代数。按地点。前述,关系

“α\alpha是有限次数的K-代数中的类”

因此在α(\alpha (集合理论中是集合化,II, §1, No. 4,p. 68)。我们用CK\mathscr{C}_K表示有限次数的K-代数、类的集合。

命题 1 00HV

集合 CK\mathscr{C}_K,赋予由 (α,β)↦(\alpha , \beta )\mapsto cl(α⊗Kβ\alpha \otimes_K\beta ) 给出的合成律,是一个可交换幺半群。 CK\mathscr{C}_K的单位元素是K-代数K的类ε\varepsilon。此外,如果A和B是有限次数的K-代数,那么我们有关系

引用了 3

引用了 III § 4. 。 张量积代数, VIII § 6. 。 森田等价 / 模和代数, 命题 13, VIII § 6

(1) cl(A ⊗KB\otimes_KB) == cl(A) cl(B)。

设A、B、C为有限次数的K-代数,分别为类、α\alpha、β\beta、γ\gamma。 K-代数 A 和 α\alpha 是同构的,B 和 β\beta 也是同构的。 因而,K-代数A⊗KBA\otimes_KB和α⊗Kβ\alpha \otimes_K\beta是同构的,我们有cl(A⊗KB\otimes_KB)==cl(α⊗Kβ\alpha \otimes_K\beta),它给出公式(1)。 It follows that (αβ)γ(\alpha \beta )\gamma is the class of the K-algebra (A⊗KB)⊗KC(A\otimes_KB)\otimes_KC and α(βγ)\alpha (\beta \gamma ) that of the K-algebra A⊗K(B⊗KC)A\otimes_K(B\otimes_KC). 现在,这些K-代数是同构的(III, §4, No. 1,p. 461),所以我们有等式(αβ)γ=α(βγ)(\alpha \beta )\gamma =\alpha (\beta \gamma )。 类似地,关系αε=εα=α\alpha \varepsilon =\varepsilon \alpha =\alpha由K-代数A⊗KK,K⊗KAA\otimes_KK, K\otimes_KA和A同构得出,关系αβ=βα\alpha \beta =\beta \alpha由代数A⊗KBA\otimes_KB和B⊗KAB\otimes_KA同构得出。

在集合CK\mathscr{C}_K、关系“α\alpha和β\beta是莫里塔等价代数”是等价关系(VIII、p. 100)。 CK\mathscr{C}_K、VIII、p. 111的命题13、d)与合成的律兼容。我们用MK\mathscr{M}_K表示CK\mathscr{C}_K的商幺半群,用这个等价关系和从CK\mathscr{C}_K到MK\mathscr{M}_K的φ\varphi典范同态。对于有限次数的每个 K-代数 A,我们用 φ\varphi 表示 cl(A) 的 [A] 像。如果 A 和 B 是有限次数的 K-代数,那么我们有 [A] = [B] 当且仅当 K-代数 A 和 B 是 Morita 等价的;此外,我们还有关系

[A⊗KB]=[A][B](2) [A\otimes_KB] = [A][B] \tag{2}

在幺半群MK\mathscr{M}_K中。

引理 1 00HW

设 A 为有限次数的 K-代数,K 上有限次数的 D 域。 当且仅当存在整数 n⩾1n\geqslant 1 且 A 与 Mn(K)\mathbf{M}_n(K) 同构时,MK\mathscr{M}_K 中才有 [A] = [D]。

引用了 1 · 被以下引用 4

引用了 定理 1, VIII § 6

被以下引用 推论 2, 命题 2, 命题 3, 命题 4

通过定义,我们有 [A] = [D] 当且仅当存在可逆 (A(A, D)-双模,即 (VIII, p. 101, 定理 1), 非零有限维的右向量空间 V 在 D 上赋予同构 K-代数A→A\rightarrow结束D(V)_D(V)。接下来是引理1。

2. Definition of the Brauer Group

我们用形式[A]的MK\mathscr{M}_K的元素的Br(K)集合表示,其中A是K上有限次数的中心单代数。

命题 2 00HX

集合 Br(K) 是MK\mathscr{M}_K 的可逆元的集合,其中Br(K) 的元素 [A] 的倒数是[Ao][A^o]。因而,幺半群 MK\mathscr{M}_K 上的合成律赋予 Br(K) 结构阿贝尔的群。

引用了 4

引用了 VIII § 14. 。中环单代数, 定理 1, VIII § 14, 引理 1, 注 1, VIII § 14

设 A 是 K 上有限次数的中心单代数。代数 AoA^o 是 K 上有限次数的中心简单(VIII,p. 251)。 代数 A⊗KAoA\otimes_KA^o 与矩阵代数 Mn\mathbf{M}_n(K) 同构,其中 n2=n^2= dim(A) (VIII, p. 252, 定理 1)。因此我们有 [A][Ao]=[A⊗KAo]=[K][A][A^o] = [A\otimes_KA^o] = [K] (引理 1),它证明 [A] 是可逆的,且有逆 [Ao][A^o]。

相反,令 A 为 K-代数 / 有限次数。如果 [A] 在 MK\mathscr{M}_K 中可逆,则存在有限次数的 K-代数 B,使得 [A][B] = [K];由公式 (2) 和引理 1,这意味着 K-代数 A⊗KBA\otimes_KB 与矩阵代数 Mn(K)\mathbf{M}_n(K) 和 n⩾1n\geqslant 1 同构。由 VIII、p. 251、代数中的注 1 则 A 是中心简单。

定义 1 00HY

阿贝尔的群 Br(K) 称为域 K 的布劳尔群。

引理 2 00HZ

令I和J为有限集合,kk为交换环,且A和B为kk-代数。用 MI(A)\mathbf{M}_I(A) 表示型 (I,I)(I,I) 的方阵的 kk 代数,其中条目位于 A 中,定义同样表示 kk 代数 MJ(B)\mathbf{M}_J(B) 和 MI×J(A⊗KB)\mathbf{M}_{I\times J}(A\otimes_KB)。存在唯一的kk-代数同构

φ:MI(A)⊗kMJ(B)⟶MI×J(A⊗kB) \varphi :\mathbf{M}_I(A)\otimes_k\mathbf{M}_J(B)\longrightarrow \mathbf{M}_{I\times J}(A\otimes_kB)
引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 7, II § 3

被以下引用 命题 3

这样 φ((aii′)⊗(bjj′))\varphi ((a_{ii'})\otimes (b_{jj'})) 是矩阵,其中指标 ((i,j),(i′,j′))((i, j),(i', j')) 等于 aii′⊗bjj′a_{ii'}\otimes b_{jj'}。

kk线性双射φ\varphi与引理中所述的性质的存在源自张量积与直和(II, §3, No. 7,p. 255,命题7)的兼容性。 φ\varphi 是代数同态是从乘积矩阵的定义得出的。

命题 3 00I0

设 A 和 B 为中心单K-代数 / 有限次数。以下属性是等效的:

引用了 6 · 被以下引用 2

引用了 引理 1, 定理 1, VIII § 14, 引理 2, 推论 2, VIII § 7, 定理 1(韦德伯恩), VIII § 7, 例 2, VIII § 6

被以下引用 引理 3, 推论

(i) 布劳尔群 Br(K) 中有 [A] = [B]。

(ii) 存在整数t⩾1t\geqslant 1使得K-代数A⊗KBoA\otimes_KB^o与矩阵代数Mt(K)\mathbf{M}_t(K)同构。

(iii) 严格存在正整数rr和ss使得K-代数A⊗KMr(K)A\otimes_K\mathbf{M}_r(K)和B⊗KMs(K)B\otimes_K\mathbf{M}_s(K)同构。

(iv) 存在域 D 包含 K 和整数 m⩾1m\geqslant 1 和n⩾1n\geqslant 1,使得A 与Mm(D)\mathbf{M}_m(D) 同构,B 与Mn(D)\mathbf{M}_n(D) 同构。

(v) K-代数 A 和 B 是森田等价的。

假设我们有 [A] = [B]。由于[Bo][B^o]是布劳尔群中[B]的逆,所以我们有[K]=[B][Bo]=[A][Bo]=[A⊗KBo][K] = [B][B^o] = [A][B^o] = [A\otimes_KB^o]。到引理 1,存在整数t⩾1t\geqslant 1,使得代数A⊗KBoA\otimes_KB^o和Mt(K)\mathbf{M}_t(K)同构。因此 (i) 意味着 (ii)。

假设 (ii) 成立。由于 Bo⊗KBB^o\otimes_KB 与矩阵代数 Ms(K)\mathbf{M}_s(K) 与 s⩾1s\geqslant 1 (VIII, p. 252, 定理 1) 同构,代数 A⊗KBo⊗KBA\otimes_KB^o\otimes_KB 同构于 A⊗KMsA\otimes_K\mathbf{M}_s(K),一方面,另一方面,到 Mt(K)⊗KB\mathbf{M}_t(K)\otimes_KB。所以性质(ii)意味着性质(iii)。

假设 (iii) 成立。根据 Wedderburn 的定理 (VIII, p. 120, 定理 1),K 上存在整数 m⩾1m\geqslant 1 和 n⩾1n\geqslant 1 和域 D 和 D′D' 有限次数中心 K 使得 A 与 Mm(D)\mathbf{M}_m(D) 同构,B 与 Mn(D′)\mathbf{M}_n(D') 同构。那么代数A⊗KMr(K)A\otimes_K\mathbf{M}_r(K)同构于Mmr\mathbf{M}_{mr}(D),代数B⊗KMr′(K)B\otimes_K\mathbf{M}_{r'}(K)同构于Mnr′(D′)\mathbf{M}_{nr'}(D')(引理2)。由推论2 VIII、p. 121、K-代数 D 和D′D' 同构。因此 (iii) 意味着 (iv)。

假设 (iv) 成立。 代数 A 和 D 是森田等效的,代数 B 和 D (VIII、p. 114、例 2) 也是如此。因此,A和B是森田等价的,因此(iv)蕴涵(v)。

最后,蕴涵(v)⇒\Rightarrow(i)是集合Br(K)的定义。

当命题的等价性质成立时,我们说代数A和B相似。

推论 00I1

设A和B是K上有限次数的中心单代数。那么A和B是同构的当且仅当它们相似并且具有相同的次数。

引用了 1

引用了 命题 3

这是从命题 3 的属性 (i) 和 (iv) 的等价以及 dimK(Mn(D))=_K(\mathbf{M}_n(D)) = dimK(D)×n2_K(D)\times n^2 的事实得出的。

命题 4 00I2

令KK\mathscr{K}_K为有限次数中央K-代数类集合即域。从 KK\mathscr{K}_K 到 Br(K) 的映射 D↦[D]D\mapsto [D] 是双射的。

引用了 2

引用了 引理 1, 定理 1(韦德伯恩), VIII § 7

这是从 VIII、p. 278 和 Wedderburn 的定理(VIII、p. 120、定理 1)中的引理 1 得出的。

3. Change of Base Field

令L为域K中的扩张。令A和B为有限次数中的K-代数;那么L-代数A(L)A_{(L)}和B(L)B_{(L)}都是有限次数。 L-代数A(L)⊗LB(L)A_{(L)}\otimes_LB_{(L)}和(A⊗KB)(L)(A\otimes_KB)_{(L)}是同构的(III, §4, No. 1、p. 462、命题 3)。 L-代数K(L)K_{(L)}同构于L。因而,从 CK\mathscr{C}_K 到 CL\mathscr{C}_L 存在一个唯一的幺半群同态 ρL/K\rho_{L/K},使得

(3) ρL/K\rho_{L/K}(cl(A)) = cl(A(L)_{(L)})

对于有限次数的每个K-代数 A。

如果 K-代数 A 和 B 是 Morita 等价的,那么L-代数 A(L)A_{(L)} 和 B(L)B_{(L)} (VIII, p. 111, 命题 13, e)) 也是森田等价的。如果 K-代数 A 是中心单形并且是有限次数,那么L-代数A(L)A_{(L)} (VIII, p. 251, 注 2) 也是如此。所以我们可以从 Br(K) 推导出 ρL/K\rho_{L/K} 群同态 rL/Kr_{L/K} 到 Br(L) 使得

rL/K([A])=[A(L)](4) r_{L/K}([A]) = [A_{(L)}] \tag{4}

对于有限次数的每个中心单K-代数 A。

设 M 为域 L 中的扩张。因为标量的扩张是传递的(III, §1, No. 5,p. 434),所以我们有关系

rM/K=rM/L∘rL/K(5) r_{M/K}=r_{M/L}\circ r_{L/K} \tag{5}

设 A 为有限次数的中心单K-代数,并令 L 为 K 的扩张。 如果L-代数A(L)A_{(L)}同构于整数n⩾1n\geqslant 1的矩阵代数Mn(L)\mathbf{M}_n(L),我们说L对于A(或分裂的A)来说是分裂域。 上述记号中,同态rL/K:r_{L/K}:Br(K)→\rightarrowBr(L)的Br(K)属于至核,该对应至说、类。

如果 B 与 A 相似,则 A 的 L 是分裂域当且仅当 B 的分裂域时。

如果对于A来说L是分裂域,那么L的每一个扩张对于A来说都是分裂域。由VIII的定理1,p. 252,存在有限次数的K的伽罗瓦扩张即A的分裂域, K 的每个可分闭包对于 A 来说都是分裂域。

命题 5 00I3

设A为有限次数的中心单K-代数,并令L为有限次数的K的扩张。以下属性是等效的:

引用了 3 · 被以下引用 4

引用了 命题 3, VIII § 14, 定理 1, VIII § 14, 引理 3

被以下引用 推论 1, 推论 2, 定理 5, VIII § 16, 推论 1, VIII § 16

(i) 对于 A,扩张 L 是分裂域。

(ii) 存在类似于包含的有限次数的中心单K-代数,并且最大交换子代数同构于L。

让我们证明 (ii) 蕴涵 (i);只要考虑L是A的最大交换子代数的情况就足够了。令ψ:A⊗KAo→\psi : A\otimes_KA^o\rightarrowEndK(A)_K(A)为典范同构,将a⊗a′a\otimes a'发送到K-线性映射x↦axa′x\mapsto axa'(VIII,p. 252, 定理1)。我们将 A 视为右向量空间超过 L;然后ψ\psi将A⊗KLA\otimes_KL发送到EndK(A)_K(A)和诱导的子空间EndL(A)_L(A),通过L-代数ψ′:A⊗KL→\psi ': A\otimes_KL\rightarrowEndL(A)_L(A)的限制、单同态。 集合n=[L:K]n= [L : K]。到VIII、p. 262、命题 3,我们有[A:L]=n[A : L] =n,因此有[A⊗KL:L]=[A:K]=n2[A\otimes_KL : L] = [A : K] =n^2和[EndL(A):L]=n2_L(A) : L] =n^2。因而,ψ′\psi '是同构,这证明了(i)。

逆命题由下面的引理 3 得出。

引理 3 00I4

设A为有限次数的中心单K-代数,并令L为有限次数的K的扩张,即A的分裂域。令V为简单的A(L)A_{(L)}模,因此自然的态射φ:A(L)→\varphi : A_{(L)}\rightarrow结束L(V)_L(V)是同构。设C为环EndA(V)_A(V)。那么C与AoA^o类似,L⊗1⊂A(L)L\otimes 1\subset A_{(L)}的像是C的最大交换子代数。

引用了 4 · 被以下引用 2

引用了 定理 6, VIII § 14, 命题 3, 推论 1, VIII § 5, 引理 3, VIII § 14

被以下引用 命题 5, 定理 5, VIII § 16

我们认同 A 与子环 A(L)A_{(L)}。我们将V视为K-向量空间。 环 C 是 EndK(V)_K(V) 中 φ(A)\varphi (A) 的交换子。 有限次数为中心单K-代数,从A⊗KCA\otimes_KC到EndK(V)_K(V)的同态a⊗c↦aca\otimes c\mapsto ac为同构(VIII、p. 260、定理6、a))。因而,K-代数 A 和CoC^o 相似(VIII、p. 279、命题 3)。

令LVL_V为L-向量空间V的同伦的环;它是 EndL(V)_L(V) 与 EndK(V)_K(V) 的交换子(VIII,p. 82,推论 1)。现在,K-代数EndL(V)_L(V)是由φ(A)\varphi (A)和LVL_V生成的;因而,在 EndK_K(V) 中,我们有

LV=L_V=结束L(V)′=φ(A)′∩LV′=C∩LV′_L(V)'=\varphi (A)'\cap L'_V= C\cap L'_V,

其中,对于 EndK_K(V) 中的任意子集 B,EndK(V)_K(V) 中 B 的交换子用 B′B' 表示。所以LVL_V是C(VIII,p. 261,引理3)的最大交换子代数,因此也是CoC^o。从L到LVL_V,映射λ↦λV\lambda \mapsto \lambda_V是K-代数同构。这就证明了引理。

推论 1 00I5

设A为有限次数的中心单K-代数,并令L为有限次数的K的扩张。假设[A:K]=[L:K]2[A : K] = [L : K]^2。那么对于 A,L 是分裂域当且仅当包含子代数同构于 L。

引用了 3

引用了 命题 3, VIII § 14, § 15. 。 布劳尔群, 命题 5

假设从L到A存在态射φ\varphi,设M为最大半单交换子代数包含φ(L)\varphi (L)。通过 VIII、p. 262 的命题 3,我们得到 [A:K]=[M:K]2[A : K] = [M : K]^2,因而 [M : K] = [L : K] 和 M=φ(L)M =\varphi (L)。由命题 5,域 L 分裂的 A。反之,假设域 L 分裂的 A;那么它与类似于 A (命题 5) 的中心单K-代数 B 的最大交换子代数同构。我们有 [B:K]=[L:K]2[B : K] = [L : K]^2 (VIII, p. 262, 命题 3),因而 [B : K] = [A : K]。因而,B 与 A 同构的(VIII,p. 280,推论)。推论 1 如下。

推论 2 00I6

令 D 为中心 K 上的有限次数的域,并令 L 为有限次数的 K 的扩张,即 D 的分裂域。 D 除的约化次数 [L : K]。

引用了 4 · 被以下引用 2

引用了 VIII § 14. 。中环单代数, 命题 3, VIII § 14, 引理 1, 命题 5

被以下引用 推论 2, VIII § 16, 习题 6, § 19

将 D (VIII, p. 253) 减少的次数表示为 rr;到定义,我们就有了[D:K]=r2[D : K] =r^2。到命题 5,存在与D相似的中心单K-代数 B,其中L是最大的交换子代数。由于 B 同构于矩阵代数 Mn(D)\mathbf{M}_n(D) (VIII, p. 278, 引理 1),因此我们有 [B:K]=n2r2[B : K] =n^2r^2,因此有 [L:K]=nr[L : K] =nr (VIII, p. 262, 命题 3)。

4. 例 / 布劳尔群

在以下三种情况下,布劳尔群 Br(K) 会减少为单位元素:

a) K 是可分离闭的(VIII,p. 253,推论 1)。

∗*b) K 为有限域 (VIII, p. 357, 推论 2)。

c) K 有性质 (C1)(C_1) (VIII, p. 357, 注 2)。

假设 K 为极大有序域 (VI, §2, No. 5, p. 25)。 K 的布劳尔群则为阶 2 的循环;它的元素是K的类和型(−1,0,−1)(-1,0,-1)的四元数K-代数的类(III, §2, No. 5,p. 444和VIII,p. 367,定理1)。

假设 K 是局部紧致、非离散、可交换拓扑域。 如果 K 未连接,则对于离散评估来说,它是完整的域,且剩余类域有限(Comm. Alg., VI, §9, No. 3, p. 433, 定理 1), 从 Br(K) 到 Q/Z\mathbf{Q}/\mathbf{Z} (VIII, p. 332, 习题 17) 存在同构。 如果 K 是连通的,则它与 R\mathbf{R} 或 C\mathbf{C} 同构的。 域R\mathbf{R}的布劳尔群是阶2的循环。 它的非平凡元素是汉密尔顿四元数的代数H\mathbf{H}的类(Gen. 顶部., VIII, §1, No. 4, p. 104); C\mathbf{C}的布劳尔群有阶 1。

习题

参见习题为 § 15。

Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。