Bourbaki

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§ 5。 交换

1. 模的交换矩阵和双交换矩阵

设 E 为 E 的环,B 子集。 B 在 E 中的交换子(或集中子)是元素的 E 由……组成子环 B′B',与 B 的每元素交换。 B′B' 的交换子 B′′B'' 称为 B 的双交换子(或双中心子)。 我们有 B⊂B′′B\subset B'' 和 B′B' 重合及其双交换体 (III, §1, No. 2, p. 429)。 E的子环B中心为B∩B′B\cap B'; B′B'和B′′B''之公共中心是B′∩B′′B'\cap B''。 如果 B 是 E 的交换子环,则我们有 B⊂B′B\subset B',并且 B′′B'' 是 B′B' (III, §1, No. 2,p. 430) 的中心。

设 A 为环,M 为左(右)A-模。让我们将这些定义应用到当E是M的加法群的自同态环和M的同调AMA_M的B环时的情况。E中AMA_M的交换子AM′A'_M称为M的交换子;是A-模 M 的自同态环。E 中AMA_M 的双交换子AM′′A''_M 称为M 的双交换子;是M的对模自同态环(VIII、p. 8、定义3)。我们有AM⊂AM′′A_M\subset A''_M,环AM∩AM′A_M\cap A'_M是AMA_M的中心,AM′∩AM′′A'_M\cap A''_M是AM′A'_M和AM′′A''_M的公共中心。

定义 1 005E

如果我们有 AM=AM′′A_M= A''_M,则A-模 M 是平衡的。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 I § 8. 。 环, II § 10. 。 矩阵

被以下引用 AC I § 2. 平模(*)

如果A-模 M 平衡,则环 AMA_M 和AM′A'_M 具有相同的中心 AM∩AM′A_M\cap A'_M。 模 M 是平衡的 A-模当且仅当它是平衡的 AMA_M 模块。 A-模 M 中的对模是忠实且平衡的。

当环 A可交换时,M的双交换数AM′′A''_M为AM′=A'_M=EndA(M)_A(M)的中心; M 是平衡的意味着 EndA(M)_A(M) 的中心被约化为同位。

对于 A 的任何元素 aa,用 δa\boldsymbol{\delta }_a 表示从 A 到 A 的右侧位似 x↦xax\mapsto xa,并用 γa\boldsymbol{\gamma }_a 表示左侧位似 x↦axx\mapsto ax (I, §8, No. 1, p. 97)。 映射a↦δaa\mapsto \boldsymbol{\delta }_a是从AoA^o到左A-模AsA_s的交换子环同构(cf.II, §10, No. 7、p. 349,应用于I={1}I =\{1\})。 映射a↦γaa\mapsto \boldsymbol{\gamma }_a是从A到右A-模AdA_d的交换子的环同构(前述)。如果我们通过这个映射将认同与AdA_d的交换子进行A,那么AdA_d的对模就等同于AsA_s;因而,A-模 AdA_d 是平衡的。同样,A-模AsA_s是平衡的。

设nn为整数⩾1\geqslant 1。我们将AnA^n视为左Mn\mathbf{M}_n(A)-模块(前述)。将m∈Mn(A)m\in \mathbf{M}_n(A)发送到A-模AdnA^n_d的自同态x↦mxx\mapsto mx的映射是从Mn(A)\mathbf{M}_n(A)到右A-模AdnA^n_d的交换子的环同构(见上文)。

命题 1 005F

令(Ai)i∈I(A_i)_{i\in I}为环的族,对于每个i∈Ii\in I,令MiM_i为AiA_i模块。 集合A=∏Ai,M=∏MiA =\prod A_i,M =\prod M_i和N=⨁MiN =\bigoplus M_i。赋予M A-模的结构和作用 ((ai),(xi))↦(aixi)((a_i),(x_i))\mapsto (a_ix_i) 的律。 集合 N 是 M 的 A-子模。

引用了 1 · 被以下引用 3

引用了 II § 1. 。 模

被以下引用 命题 5, AC II § 5, 习题 1, § 14, 推论 1

a) 映射(ui)↦∏ui(u_i)\mapsto \prod u_i从∏\prod结束Z(Mi)_{\mathbf{Z}}(M_i)到结束Z(M)_{\mathbf{Z}}(M)(II, §1, No. 5,p. 200)限制到环同构从∏(Ai)Mi,∏(Ai)Mi′\prod(A_i)_{M_i},\prod(A_i)'_{M_i},以及∏(Ai)Mi′′\prod(A_i)''_{M_i}到分别是AM,AM′A_M,A'_M和AM′′A''_M。

b) 映射(ui)↦⨁ui(u_i)\mapsto \bigoplus u_i从∏\prod结束Z(Mi)_{\mathbf{Z}}(M_i)到结束Z(N)_{\mathbf{Z}}(N)(II, §1, No. 6,p. 203)限制到环同构从∏(Ai)Mi,∏(Ai)Mi′\prod(A_i)_{M_i},\prod(A_i)'_{M_i},以及∏(Ai)Mi′′\prod(A_i)''_{M_i}到分别是AN,AN′A_N,A'_N和AN′′A''_N。

命题 1 中定义的环同构称为规范。 乘积∏(Ai)Mi\prod(A_i)_{M_i}常常通过这些同构与AMA_M识别,∏(Ai)Mi′\prod(A_i)'_{M_i}与AM′A'_M等识别。

从∏\prodEndZ(Mi)_{\mathbf{Z}}(M_i)到EndZ(M)_{\mathbf{Z}}(M)的映射φ:(ui)↦∏ui\varphi : (u_i)\mapsto \prod u_i是单射环同态。到 M 上的 A-模结构的定义时,我们有 φ(∏(Ai)Mi)=AM\varphi (\prod(A_i)_{M_i}) = A_M。让u∈AM′u\in A'_M。对于每个 i∈Ii\in I,用 A 的 hih_i 元素表示,除了指标 ii 等于 0 之外,所有分量都等于 1 。如果 xx 是 M 的元素,且指标 ii 的分量等于 0,则我们有 x=hixx=h_ix,因而 pri(u(x))=_i(u(x)) = pri(u(hix))=_i(u(h_ix)) = pri(hiu(x))=0_i(h_iu(x)) = 0。因而,存在唯一群同态 ui:Mi↦Miu_i: M_i\mapsto M_i,使得每个 y∈My\in M 都有 pri(u(y))=ui_i(u(y)) =u_i(pri(y)_i(y))。我们有u=∏uiu=\prod u_i。由于映射 uu 是 A 线性的,因此对于每个 i∈Ii\in I,映射 uiu_i 都是 AiA_i 线性。这就证明了∏(Ai)Mi′\prod(A_i)'_{M_i}在φ\varphi包含AM′A'_M下的像;反向包含是显而易见的。通过M的应用到对模,我们推导出φ\varphi诱导同构从AM′′A''_M到∏i(Ai)Mi′′\prod_i(A_i)''_{M_i}。这就证明了断言a)。

b)的证明与a)的证明相同。

命题 2 005G

设A为环,设M为A-模。设I为集合。然后是A-模 M(I)M^{(I)} 重合与AM′′A''_M-模M(I)M^{(I)}同调的环的二交换。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 I § 4. 。 群和群与操作员

被以下引用 定理 1(雅各布森的稠密性定理), VIII Appendix 1, 引理 3

对于i∈Ii\in I,我们用πi:(xj)j∈I↦xi\pi_i: (x_j)_{j\in I}\mapsto x_i表示从M(I)M^{(I)}到M的投影同态,用ιi:M→M(I)\iota_i: M\rightarrow M^{(I)}表示相应的典范嵌入(I, §4, No. 9,p. 47)。

令 uu 为 EndA(M(I))_A(M^{(I)}) 的元素。对于所有i,j∈Ii, j\in I,合成ui,j=πj∘u∘ιiu_{i,j}=\pi_j\circ u\circ \iota_i属于到M的交换子AM′A'_M。对于AM′′A''_M的每个元素bb和每个(xi)∈M(I)(x_i)\in M^{(I)},我们有关系

bu((xi)i∈I)=b(∑i∈Iui,j(xi))j∈I=(∑i∈Iui,j(bxi))j∈I=u(b(xi)i∈I) bu((x_i)_{i\in I})=b(\sum_{i\in I}u_{i,j}(x_i))_{j\in I}=(\sum_{i\in I}u_{i,j}(bx_i))_{j\in I}=u(b(x_i)_{i\in I})

位似 bM(I)b_{M^{(I)}} 因此属于为 A-模 M(I)M^{(I)} 的双交换。

相反,令bb为M(I)M^{(I)}的双交换数的元素。对于 i,j∈Ii, j\in I、集合 bi,j=πj∘b∘ιib_{i,j}=\pi_j\circ b\circ \iota_i。将 i,j∈Ii, j\in I 与 i≠ji\not=j 一起取。从ιj∘πj\iota_j\circ \pi_j属于到A-模M(I)M^{(I)}的交换律,我们有

bi,j=πj∘ιj∘πj∘b∘ιi=πj∘b∘ιj∘πj∘ιi=0 b_{i,j}=\pi_j\circ \iota_j\circ \pi_j\circ b\circ \iota_i=\pi_j\circ b\circ \iota_j\circ \pi_j\circ \iota_i= 0

同样,我们有

bj,j=πj∘b∘ιj=πi∘ιi∘πj∘b∘ιj=πi∘b∘ιi∘πj∘ιj=bi,i b_{j,j}=\pi_j\circ b\circ \iota_j=\pi_i\circ \iota_i\circ \pi_j\circ b\circ \iota_j=\pi_i\circ b\circ \iota_i\circ \pi_j\circ \iota_j=b_{i,i}

此外,bi,ib_{i,i}属于至AM′′A''_M。由此得出 bb 重合和 AM′′A''_M 模块 M(I)M^{(I)} 的位似。

2. 生成模

设 A 为环。

定义 2 005H

如果从 M 到 N 每个 A-模 N 都是由 A-线性映射的像生成,A-模 M 称为生成的。

引用了 2

引用了 II § 2. 。 模线性映射。二元性, 命题 12, II § 2

设 M 为左A-模。我们用 M∗M^* 表示 M 的对偶,用 M×M∗M\times M^* (II, §2, No. 3, p. 233) 表示规范的双线性形式

(x,x∗)↦⟨x,x∗⟩=x∗(x) (x, x^*)\mapsto \langle x, x^*\rangle =x^*(x)

我们用形式∑i=1n⟨xi,xi∗⟩\sum^n_{i=1}\langle x_i, x^*_i\rangle的A的元素的τ(M)\tau (M)集合来表示,其中x1,...,xnx_1, . . . , x_n是M的元素,x1∗,...,xn∗x^*_1, . . . , x^*_n是M∗M^*的元素。它是A的两侧理想,称为M的迹理想。A-模AsA_s的迹理想是A。模的迹理想,即A-模的家庭(Mi)i∈I(M_i)_{i\in I}的直和是理想∑i∈Iτ(Mi)\sum_{i\in I}\tau (M_i)。如果M是射影A-模,那么从II, §2, No. 6、p. 238的命题 12得出,我们有M=τ(M)MM =\tau (M)M。

定理 1 005I

令 M 为左A-模。以下属性是等效的:

引用了 1 · 被以下引用 8

引用了 命题 21, II § 1

被以下引用 推论, 例 3, 命题 3, 引理 3, VIII § 6, 命题 12, VIII § 6, 命题 3, VIII § 6, 引理 1, VIII § 7, 推论, VIII § 8

(i) A-模 M 为生成的。

(ii) 对于每个 A-模 N,从 M(I)M^{(I)} 到 N 存在集合 I 和满射A-线性映射。

(iii)从MnM^n到AsA_s存在整数n⩾0n\geqslant 0和满射A-线性映射。

(iv) 存在整数n⩾0n\geqslant 0,使得AsA_s同构于MnM^n的直因子子模。

(v) 理想迹 τ(M)\tau (M) 等于 A。

(vi) M存在整数n⩾0n\geqslant 0、元素x1,...,xnx_1, . . . , x_n,以及M∗M^*满足∑i=1n⟨xi,xi∗⟩=1\sum^n_{i=1}\langle x_i, x^*_i\rangle = 1中的元素x1∗,...,xn∗x^*_1, . . . , x^*_n。

(i) ⇒\Rightarrow (ii):假设M为生成的,令N为左A-模。存在从 M 到 N 的A-线性映射族(ui)i∈I(u_i)_{i\in I},因此我们有N=∑i∈Iui(M)N =\sum_{i\in I}u_i(M)。从 M(I)M^{(I)} 到 N 的映射 (xi)↦∑i∈Iui(xi)(x_i)\mapsto \sum_{i\in I}u_i(x_i) 是 A 线性且满射的。

(ii)⇒\Rightarrow(iii):假设性质(ii)成立,取N=AsN = A_s。然后我们有集合 I 和一个满射线性映射 u:M(I)→Asu: M^{(I)}\rightarrow A_s。由于AsA_s是由元素1生成的,因此存在I的有限子集J,使得u(M(J))=Asu(M^{(J)}) = A_s,从而 (iii)。

(iii) ⇒\Rightarrow (iv):这是从II, §1, No. 12、p. 218 的命题 21 得出的。

(iv) ⇒\Rightarrow (v):设n⩾1n\geqslant 1为整数,使得AsA_s同构于M的直因子子模。我们有A=τ(As)⊂τ(Mn)=τ(M)A =\tau (A_s)\subset \tau (M^n) =\tau (M),因此有τ(M)=A\tau (M) = A。

(v) ⇒\Rightarrow (vi):这很清楚。

(vi)⇒\Rightarrow(i):设nn为M的整数⩾0,x1,...,xn\geqslant 0,x_1, . . . , x_n元素,以及M∗M^*满足∑i=1n⟨xi,xi∗⟩=1\sum^n_{i=1}\langle x_i, x^*_i\rangle = 1的x1∗,...,xn∗x^*_1, . . . , x^*_n元素。令N为N的左A-模和yy元素。从M到N的映射ui:x↦⟨x,xi∗⟩yu_i:x\mapsto \langle x, x^*_i\rangle y是A线性的,我们有y=∑i=1nui(xi)y=\sum^n_{i=1}u_i(x_i)。这就证明M是生成A-模。

推论 00R1

生成A-模是忠实的。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 II § 1. 。 模, 定理 1

被以下引用 命题 4, VIII § 8

让a∈Aa\in A满足aM=0aM = 0。使用定理 1 的蕴涵 (i) ⇒\Rightarrow (iv),我们得到 aAs=0aA_s= 0,从而得到 a=0a= 0。推论如下 (II, §1, No. 12, p. 219)。

例 1 005J

A-模AsA_s是生成的。

例 2 005K

每个非零的自由A-模都是生成的。更一般地,每个具有生成的商的模本身就是生成的。

被以下引用 1

被以下引用 推论 1

例 3 005L

设 M 为半单A-模,其中对模是有限生成的。那么M就是生成的AMA_M-模。事实上,通过VIII、p. 8的引理 4,存在自然数mm,使得(AM)s(A_M)_s同构于MmM^m的子模。由于MmM^m是半单AMA_M模,(AM)s(A_M)_s与MmM^m的直因子子模同构,M是生成的AMA_M模(定理1)。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 引理 4, VIII § 1, 定理 1

被以下引用 命题 4

例 4 005M

设A为主理想整环,设P为有限生成A-模。 A 的理想 (ai)1⩽i⩽n(\mathfrak{a}_i)_{1\leqslant i\leqslant n} 存在整数 n⩾1n\geqslant 1 和递增序列,使得 P 同构于 A/aiA/\mathfrak{a}_i 的直和 (VII, §4, No. 4, p. 19, 定理 2); P 的湮没子a\mathfrak{a}等于a1\mathfrak{a}_1。那么 P 是生成模超过环 A/aA/\mathfrak{a}。如果 P 不是挠元模,那么我们有 a=0\mathfrak{a}= 0 并且 P 是生成A-模。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 定理 2, VII § 4

被以下引用 推论 4

引理 1 005N

设A为交换环,M为有限生成A-模,Ann(M)为湮没子。令 a\mathfrak{a} 为 A 的理想。以下性质是等效的:

引用了 1 · 被以下引用 4

引用了 III § 8. 。决定因素

被以下引用 习题 11, § 10, 习题 7, § 14, 习题 16, § 21, 命题 3

(一)aM=M\mathfrak{a}M = M。

(ii) 安 (M) +a=A+\mathfrak{a}= A。

(iii) 存在a\mathfrak{a}的元素aa,使得每个m∈Mm\in M都有am=mam=m。

(i) ⇒\Rightarrow (ii):令(x1,...,xn)(x_1, . . . , x_n)为A-模 M的生成的族。如果aM=M\mathfrak{a}M = M,则每个xix_i可写为∑j=1ncijxj\sum^n_{j=1}c_{ij}x_j,其中cijc_{ij}属于至a\mathfrak{a}。用 C 表示矩阵 (cij)(c_{ij}),并用 x1,...,xnx_1, . . . , x_n X 表示列矩阵。我们有 (In−CI_n-C)X = 0。令 dd 为矩阵 In−CI_n-C 的行列式,V 为辅因子矩阵。通过III, §8, No. 6、p. 532的公式(26),我们有dX=tVdX=^tV(In−CI_n-C)X = 0,因而d∈d\inAnn(M)。另一方面,从 cijc_{ij} 属于到 a\mathfrak{a},我们有 d≡d\equiv 1(mod a\mathfrak{a}) (III, §8, No. 5, p. 529, (18)),因此有 1∈1\in Ann(M) +a+\mathfrak{a}。

(ii)⇒\Rightarrow(iii):假设(ii)成立,存在a∈aa\in \mathfrak{a}和b∈b\inAnn(M)使得a+b=1a+b= 1。然后,每 m∈Mm\in M 就有 am=mam=m。

(iii)⇒\Rightarrow(i):这很清楚。

命题 3 00R2

设 A 为交换环。每个有限生成且忠实的射影A-模都是生成的。更一般地,有限生成的射影 A-模 P 是生成的 APA_P 模。

引用了 4 · 被以下引用 2

引用了 § 5. 。 交换, 引理 1, 引理 2, 定理 1

被以下引用 推论 3, 习题 22, § 2

令 P 为有限生成的射影 A-模。我们有τ(P)P=P\tau (P)P = P(VIII,p. 80)。

如果A-模 P 是忠实的,那么理想的 τ(P)\tau (P) 等于 A (引理 1),A-模 P 为生成的 (定理 1);这导致了第一个断言。第二个接着是下面的引理2。

引理 2 005O

设 A 为环,M 为射影 A-模。 AMA_M模 M 是射影的。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 12, II § 2

被以下引用 命题 3

令(xi)i∈I(x_i)_{i\in I}为A-模M的生成的族。在A-模M上存在线性形式的族(xi∗)i∈I(x^*_i)_{i\in I},使得对于每个x∈Mx\in M,族(⟨x,xi∗⟩)i∈I(\langle x, x^*_i\rangle )_{i\in I}有有限支撑和x=∑i∈I⟨x,xi∗⟩xix=\sum_{i\in I}\langle x, x^*_i\rangle x_i (II, §2, No. 6、p. 238、命题12)。对于每个i∈Ii\in I,映射x↦⟨x,xi∗⟩Mx\mapsto \langle x, x^*_i\rangle_M在AMA_M-模块M上是线性形式,并且对于每个x∈Mx\in M我们有x=∑i∈I⟨x,xi∗⟩Mxix=\sum_{i\in I}\langle x, x^*_i\rangle_Mx_i。按地点。如上所述,M 是射影 AMA_M 模。

3. 生成模的双相变

定理 2 005P

生成模是平衡的。

引用了 1 · 被以下引用 4

引用了 II § 4. 。 关系张量积和同态模之间

被以下引用 注, 命题 4, VIII § 6, 定理 1, VIII § 6, 命题 4, VIII § 7

设A为环,设M为生成A-模;由定义,存在M的整数n⩾0n\geqslant 0、元素x1,...,xnx_1, . . . , x_n,以及M满足∑i=1n⟨xi,xi∗⟩=1\sum^n_{i=1}\langle x_i, x^*_i\rangle = 1的对偶M∗M^*的元素x1∗,...,xn∗x^*_1, . . . , x^*_n。回想一下(II, §4, No. 2,p. 271),我们定义群同态θ:M∗⊗AM→\theta : M^*\otimes_AM\rightarrow结束A(M)_A(M)由公式θ(x∗⊗y)(x)=⟨x,x∗⟩y\theta (x^*\otimes y)(x) =\langle x, x^*\rangle y。如果uu是M的双交换量的元素,则它与EndA(M)_A(M)可交换;因而,对于每个 y∈My\in M,我们有

u(y)=u(∑i=1n⟨xi,xi∗⟩y)=∑i=1nu(θ(xi∗⊗y)(xi)) u(y) =u(\sum_{i=1}^n\langle x_i, x^*_i\rangle y)=\sum_{i=1}^nu(\theta (x^*_i\otimes y)(x_i))
=∑i=1nθ(xi∗⊗y)(u(xi))=(∑i=1n⟨u(xi),xi∗⟩)y =\sum_{i=1}^n\theta (x^*_i\otimes y)(u(x_i)) =(\sum_{i=1}^n\langle u(x_i), x^*_i\rangle )y

因而,uu属于到AMA_M,并且M是平衡的。

推论 1 005Q

自由模是平衡的。

引用了 1 · 被以下引用 4

引用了 例 2

被以下引用 引理 3, VIII § 15, 命题 5, 推论 2, 引理 2, VIII § 7

如果模是零,并且非零的自由模是生成的(VIII,p. 81,例2),这一点是清楚的。

推论 2 00R3

令A为环,令nn为整数⩾0\geqslant 0。 Mn(A)\mathbf{M}_n(A)的中心由标量矩阵和A的中心中的条目组成。我们将AnA^n视为左Mn(A)\mathbf{M}_n(A)模块(II, §10, No. 7,p. 349)。这个模中的自同态是映射x↦xax\mapsto xa,其中aa穿过A。

引用了 2 · 被以下引用 3

引用了 II § 10. 。 矩阵, 推论 1

被以下引用 定义 1, VIII § 14, 定理 1, VIII § 14, 推论 1, VIII § 7

令 M 为右A-模 AdnA^n_d。它由推论 1 平衡。因而,AM,AM′A_M, A'_M 的中心,以及 AM′′A''_M 重合。推论 2 由以下事实得出:AMA_M 与 A 相同,AM′A'_M 与 Mn(A)\mathbf{M}_n(A) 相同。

注 005R

令 M 为 A-模。如果AMA_M-模块M是生成的,那么我们将AM=AM′′A_M= A''_M乘以定理2应用于AMA_M-模块M,因此M是平衡的A-模。

引用了 1

引用了 定理 2

推论 3 005S

每个有限生成射影模超过交换环都是平衡的。

引用了 1

引用了 命题 3

事实上,有限生成射影模 M 是 VIII、p. 82 的命题 3 的生成的 AMA_M 模。因而,推论由上面注得出。

推论 4 005T

每个有限生成模超过主理想整环都是平衡的。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 例 4

被以下引用 推论 5

事实上,有限生成模 M 超过主理想整环 A 是生成的 AMA_M-模(VIII,p. 81,例 4)。

推论 5 005U

令 K 为交换域,K 上的 V 有限维向量空间,以及 V 的 uu 和 vv 自同态。以下属性是等效的:

引用了 2

引用了 VII § 4. 。 有限生成模超过主理想整环, 推论 4

(i) K[X] 中存在多项式 P 使得 v=P(u)v= P(u)。

(ii) The endomorphism vv commutes with every endomorphism of V that commutes with uu.

取A为环 K[X],M为从V和uu(VII, §5, No. 1,p. 28)推导出来的K[X]模。 断言 (i) 意味着v∈K[X]Mv\in K[X]_M 和 (ii) v∈K[X]M′′v\in K[X]''_M。因而,推论 5 是推论 4 的特例。

命题 4 005V

半单模与有限生成的对模是平衡的。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 例 3

被以下引用 推论 1, 命题 5, VIII § 8

这是从VIII、p. 81 和注的例 3 得出的。

推论 1 005W

令 (Si)i∈I(S_i)_{i\in I} 为成对非同构单A-模的有限族。对于i∈Ii\in I,用SiS_i 自同态域 DiD_i 逆环表示。假设对于每个i∈Ii\in I,DiD_i向量空间SiS_i是有限维的。那么从A到∏i∈I\prod_{i\in I}EndDi(Si)_{D_i}(S_i)的映射a↦(aSi)i∈Ia\mapsto (a_{S_i})_{i\in I}是满射。

引用了 3 · 被以下引用 4

引用了 命题 5, VIII § 4, 命题 1, 命题 4

被以下引用 引理 2, VIII § 11, 命题 5, VIII § 20, 命题 6, VIII § 20, 推论 2(伯恩赛德定理)

考虑A-模M=∏i∈ISiM =\prod_{i\in I}S_i。由于I是有限的,所以我们也有M=⨁i∈ISiM =\bigoplus_{i\in I}S_i,并且M中SiS_i的像是型SiS_i的M的同型分量。因而,A-模 M 的自同态为映射 (si)↦(sidi)(s_i)\mapsto (s_id_i),其中(di)i∈I(d_i)_{i\in I} 穿过∏i∈IDi\prod_{i\in I}D_i(VIII、p. 66、命题 5)。由于I是有限的,并且对于每个i∈Ii\in I,右DiD_i向量空间SiS_i是有限维的,M的对模是有限生成的。到命题 4,A-模 M 达到平衡。现在,A-模 M 的双交由形式 ∏i∈Iui\prod_{i\in I}u_i 的 EndZ(M)_{\mathbf{Z}}(M) 的元素组成,其中 (ui)∈∏i∈I(u_i)\in \prod_{i\in I} EndDi(Si)_{D_i}(S_i) (VIII, p. 78, 命题 1) 因为EndDi(Si)_{D_i}(S_i) 是SiS_i 的二交换数。由此得出推论。

这个推论尤其适用,当 A 是代数超过交换域 K 并且每个 SiS_i 是单A-模时,它是有限维的 K-向量空间:事实上,DiD_i 然后包含同位αSi\alpha_{S_i},其中 α\alpha 穿过 K,并且SiS_i 在 DiD_i 上是有限维的,因为它在 K 上也是有限维的。

推论 2(伯恩赛德定理) 00S0

设 A 为代数闭交换域 K 上的代数,并令 S 为单A-模,其有限维为 K-向量空间。那么从 A 到 EndK(S)_K(S) 映射 a↦aSa\mapsto a_S 是满射。

引用了 2

引用了 定理 1, VIII § 3, 推论 1

事实上,A-模 S 的自同态的域由同位αS\alpha_S 与 α∈K\alpha \in K (VIII、p. 47、定理 1) 组成。然后我们将推论 1 应用于单A-模 S。

4. 对模 / 半单模

设 A 为环。用S\mathscr{S}表示单A-模的类的集合。对于每个λ∈S\lambda \in \mathscr{S},类λ\lambda的选择单A-模SλS_{\lambda},并用DλD_{\lambda}表示SλS_{\lambda}的自同态域逆环。我们将SλS_{\lambda}视为(A,Dλ(A,D_{\lambda})-双模。

设M为半单A-模,设B为M的自同态环。用C表示M的二交换数。对于每个 λ∈S\lambda \in \mathscr{S},用 VλV_{\lambda} 表示左侧 (Dλ(D_{\lambda},B)-双模 HomA(Sλ,M)_A(S_{\lambda},M)。最后,用SM\mathscr{S}_M(VIII,p. 66)表示A-模 M的支持度;它也是集合 / 元素 λ\lambda / S\mathscr{S},使得VλV_{\lambda}为非零的。

注 1 00R4

A-模 M 的规范描述 αM\alpha_M 是左(A(A 的同构,B)-双模。根据命题 9, VIII, p. 71, 映射 f↦(f\mapsto (Hom(1Sλ,f_{S_{\lambda}}, f))λ∈SM_{\lambda\in\mathscr{S}_M}从B到∏λ∈SM\prod_{\lambda\in\mathscr{S}_M}EndDλ(Vλ)_{D_{\lambda}}(V_{\lambda})的推论是环同构。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 推论, VIII § 4

被以下引用 命题 5

b) 对于每个 λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M,B-模 VλV_{\lambda} 都是简单的,其交换子等于 (Dλ)Vλ(D_{\lambda})_{V_{\lambda}}。

c) 映射 λ↦\lambda \mapsto cl(Vλ_{\lambda}) 是双射从A-模 M 的支持到其对模的支持。

d) 对于每个λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M,B-子模MλM_{\lambda}是B-模M的型VλV_{\lambda}的同型分量,并且M中VλV_{\lambda}的重数等于dimDλ(Sλ)_{D_{\lambda}}(S_{\lambda})。

e) 对于s∈Ss\in S,用s~\widetilde{s}表示从Vλ=V_{\lambda}=HomA(Sλ,M)_A(S_{\lambda},M)到M的映射φ↦φ(s)\varphi \mapsto \varphi (s)。它是 B 线性的。从SλS_{\lambda}到HomB(Vλ,M)_B(V_{\lambda},M)的所得的映射s↦s~s\mapsto \widetilde{s}是(A,Dλ)(A,D_{\lambda})双模的同构。

让λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M。用EλE_{\lambda}表示环结束Dλ(Vλ)_{D_{\lambda}}(V_{\lambda});由于VλV_{\lambda}是非零的DλD_{\lambda}向量空间,它是一个简单的EλE_{\lambda}模,(VIII,p. 45,例3),其交换子等于(Dλ)Vλ(D_{\lambda})_{V_{\lambda}}(VIII, p. 82,定理 2 的推论 1)。由于EλE_{\lambda}是B-模VλV_{\lambda}同位的环(VIII,p. 71,命题9的推论),这就证明了b)。

M 定义同构 αλ\alpha_{\lambda} 从 Vλ⊗DλoSλV_{\lambda}\otimes_{D^o_{\lambda}}S_{\lambda} 到 MλM_{\lambda} 的规范描述 αM\alpha_M。由于VλV_{\lambda}是单B-模,B-模Vλ⊗DλoSλV_{\lambda}\otimes_{D^o_{\lambda}}S_{\lambda}是型VλV_{\lambda}的同型(VIII,p. 61,命题1);因此,同样适用于B-模MλM_{\lambda},这证明了a)。

由上面的注 1,存在B的元素eλe_{\lambda},对于λ\lambda穿过SM\mathscr{S}_M,使得对于μ∈SM\mu\in \mathscr{S}_M和μ≠λ\mu\not=\lambda来说(eλ)Vλ=1Vλ(e_{\lambda})_{V_{\lambda}}= 1_{V_{\lambda}}和(eλ)Vμ(e_{\lambda})_{V_\mu} = 0。因此单B-模VλV_{\lambda}是成对非同构的,这证明了c)和d)的第一个断言。 B-模MλM_{\lambda}与Vλ⊗DλoSλV_{\lambda}\otimes_{D^o_{\lambda}}S_{\lambda}同构,因此dimDλ(Sλ)_{D_{\lambda}}(S_{\lambda})是M中VλV_{\lambda}的重数(II, §3, No. 7,p. 255,推论1)。

映射∑λ∈SMαλ\sum_{\lambda\in\mathscr{S}_M}\alpha_{\lambda}从⨁λ∈SMVλ⊗DλoSλ\bigoplus_{\lambda\in\mathscr{S}_M}V_{\lambda}\otimes_{D^o_{\lambda}}S_{\lambda}到M提供半单B-模M的描述(VIII,p. 69,定义5)。到VIII,p. 70,命题 8,b),对于e)中描述的从SλS_{\lambda}到HomB(Vλ,M)_B(V_{\lambda},M)的每个λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M,映射是双射且DλD_{\lambda}线性的。由于它显然是 A 线性的,因此证明了 e)。

注 2 00R5

由证明得出映射

∑λ∈SMVλ⊗DλoSλ⟶M \sum_{\lambda\in\mathscr{S}_M}V_{\lambda}\otimes_{D^o_{\lambda}}S_{\lambda}\longrightarrow M

由M的规范描述引起的是M的对模的描述。

被以下引用 1

被以下引用 命题 7

命题 6 005Y

a) 将 M 视为 (A,Bo)(A,B^o) 双模,M 为半单。

引用了 2 · 被以下引用 3

引用了 推论 2, VIII § 4, 推出 2, VIII § 4

被以下引用 命题 8, 命题 1, VIII § 7, 定理 1(韦德伯恩), VIII § 8

b) 对于每个 λ∈SM,Mλ\lambda \in \mathscr{S}_M,M_{\lambda} 都是 M 的简单 (A,Bo)(A,B^o) 子双模。

c) 对于 M 的每个 (A,Bo)(A,B^o)-子双模 N,都存在 SM\mathscr{S}_M 的唯一子集 Λ,使得 N 等于 ⊕λ∈ΛMλ\oplus_{\lambda\in\Lambda}M_{\lambda}。

设λ\lambda在SM\mathscr{S}_M中。 左A-模SλS_{\lambda}和右B-模VλV_{\lambda}简单,DλD_{\lambda}是SλS_{\lambda}自同态域逆环。根据VIII、p. 63的推论2,(A,Bo(A,B^o)双模Sλ⊗DλVλS_{\lambda}\otimes_{D_{\lambda}}V_{\lambda}很简单,MλM_{\lambda}也是简单的,与其同构。这证明了b),并且a)如下。

如果 λ\lambda 和 μ\mu 在 SM\mathscr{S}_M 中不同,则 MλM_{\lambda} 和 MμM_\mu 不与 A-模同构,更不必说也不与 (A,Bo(A,B^o) 双模同构。 断言 c) 由VIII、p. 68 的推论 2 得出。

命题 7 005Z

a) For every element cc of the bicommutant C of M and every λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M, there exists a unique element cλc_{\lambda} of EndDλ(Sλ)_{D_{\lambda}}(S_{\lambda}) such that for every φ∈\varphi \in HomA(Sλ,M)_A(S_{\lambda},M) and every s∈Sλs\in S_{\lambda}, we have cφ(s)=φ(cλs)c\varphi (s) =\varphi (c_{\lambda}s).

引用了 2 · 被以下引用 3

引用了 命题 9, VIII § 4, 注 2

被以下引用 注 3, 命题 8, 命题 8, VIII § 8

b) 赋予SλS_{\lambda}(对于贯穿SM\mathscr{S}_M的λ\lambda),具有由a)定义的C模块结构。那么从⨁λ∈SMSλ⊗DλVλ\bigoplus_{\lambda\in\mathscr{S}_M}S_{\lambda}\otimes_{D_{\lambda}}V_{\lambda}到M的典范映射αM\alpha_M是(C,Bo)(C,B^o)双模的同构。

c) 从C到∏λ∈SM\prod_{\lambda\in\mathscr{S}_M}结束Dλ(Sλ)_{D_{\lambda}}(S_{\lambda}),映射c↦(cλ)λ∈SMc\mapsto (c_{\lambda})_{\lambda\in\mathscr{S}_M}是同构。

断言 a) 和 c) 从 VIII、p. 71、命题 9 得出,因为从 ⨁λ∈S(Sλ⊗DλWλ)\bigoplus_{\lambda\in\mathscr{S}}(S_{\lambda}\otimes_{D_{\lambda}}W_{\lambda}) 到 M 的典范映射 αM\alpha_M 提供了 B-模 M (注 2) 的描述。此外,αM\alpha_M是(C,Bo(C,B^o)-线性,这证明了b)。

注 3 0060

赋予SλS_{\lambda},对于λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M,具有由命题7,a)给出的C模块结构。如果我们在命题 5 中替换 A 与 B 以及 B 与 C (VIII, p. 85),那么我们看到对于每个 λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M,左边的 C-模SλS_{\lambda} 是简单的,有交换律 DλD_{\lambda}, C模块M的型SλS_{\lambda}的同典型分量等于MλM_{\lambda},并且映射λ↦\lambda \mapstoclC(Sλ)_C(S_{\lambda})从A-模M的支撑到双射的支撑C-模 M。最后,观察从 SλS_{\lambda} 到 M 的 A-线性映射和 C 线性映射是相同的,M 的 A-子模和 C 子模也是相同的,并且环 EndA(M)_A(M) 和 EndC(M)_C(M) 相等。

令 M 为半单A-模。用A-模M的双交换子C的Z中心表示;它也是 M 的交换子 B 的中心。赋予 M 和 SλS_{\lambda},对于 λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M,Z 模结构由 C 模结构中的标量限制推导出来。对于每个λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M,用ZλZ_{\lambda}表示域DλD_{\lambda}中的中心。

引用了 2

引用了 命题 5, 命题 7

命题 8 0061

a) 映射 z↦(zSλ)λ∈SMz\mapsto (z_{S_{\lambda}})_{\lambda\in\mathscr{S}_M} 是域 ZλZ_{\lambda} 中从 Z 到乘积的同构。

引用了 3 · 被以下引用 4

引用了 命题 7, 命题 8, I § 8, 命题 6

被以下引用 命题 5, VIII § 12, 推论, 命题 10, VIII § 8, 命题 9, VIII § 8

b) A-模 M 是同型的且非零的当且仅当 Z 是域。

c) 令 Λ 为子集或 SM\mathscr{S}_M。用Z的eΛe_{\Lambda}唯一元素表示,使得(eΛ)Sλ=1Sλ(e_{\Lambda})_{S_{\lambda}}= 1_{S_{\lambda}}代表λ∈Λ\lambda \in \Lambda,(eΛ)Sλ=0(e_{\Lambda})_{S_{\lambda}}= 0代表λ∈SM−Λ\lambda \in \mathscr{S}_M-\Lambda。我们有 (eΛ)Mλ=1Mλ(e_{\Lambda})_{M_{\lambda}}= 1_{M_{\lambda}} 对应 λ∈Λ\lambda \in \Lambda,(eΛ)Mλ=0(e_{\Lambda})_{M_{\lambda}}= 0 对应 λ∈SM−Λ\lambda \in \mathscr{S}_M-\Lambda。

d) 如果M的支持度SM\mathscr{S}_M是有限的,则映射Λ↦eΛZ\Lambda \mapsto e_{\Lambda}Z从SM\mathscr{S}_M的子集的集合到Z理想的集合为双射,并且映射从Z理想的集合到M的(A,Bo)(A,B^o)子双模的集合,a↦aM\mathfrak{a}\mapsto \mathfrak{a}M是双射。这些双射是有序集的同构。反向双射将M的(A,Bo)(A,B^o)子双模N发送到Z的元素zz的理想由……组成,将N发送到M中。

对于λ∈SM,Zλ\lambda \in \mathscr{S}_M, Z_{\lambda}来说,是交换子DλD_{\lambda}的公共中心,以及A-模SλS_{\lambda}的双交换子CλC_{\lambda}。根据上述命题 7, c),从 C 到 ∏λ∈SMCλ\prod_{\lambda\in\mathscr{S}_M}C_{\lambda},映射 c↦(cλ)λ∈SMc\mapsto (c_{\lambda})_{\lambda\in\mathscr{S}_M} 为同构。通过限制到中心,我们从Z到∏λ∈SMZλ\prod_{\lambda\in\mathscr{S}_M}Z_{\lambda},从而得到同构z↦(zSλ)λ∈SMz\mapsto (z_{S_{\lambda}})_{\lambda\in\mathscr{S}_M},从而a)。

环∏λ∈SMZλ\prod_{\lambda\in\mathscr{S}_M}Z_{\lambda}是域当且仅当集合SM\mathscr{S}_M有一个元素,从而b)。

断言 c) 由命题 7, a) 得出。假设 SM\mathscr{S}_M 是有限的。由a)和I, §8, No. 10、p. 109的命题 8得出,映射Λ↦eΛZ\Lambda \mapsto e_{\Lambda}Z是从Z理想的P(SM)\mathfrak{P}(\mathscr{S}_M)到集合的有序集的同构。令Λ为子集 SM\mathscr{S}_M。到c),我们有关系 eΛe_{\Lambda}ZM =eΛM==e_{\Lambda}M = ⨁λ∈ΛMλ\bigoplus_{\lambda\in\Lambda}M_{\lambda};因为命题 6, c) of VIII, p. 86,所以剩下来描述逆双射。但是z∈Zz\in Z将M发送到⨁λ∈ΛMλ\bigoplus_{\lambda\in\Lambda}M_{\lambda}当且仅当z=eΛzz=e_{\Lambda}z,即z∈eΛZz\in e_{\Lambda}Z。

推论 0062

假设 A 是代数闭交换域 K 上的代数,M 是半单A-模,即 K 上的向量空间有限维。对于 SM\mathscr{S}_M 中的每个 λ\lambda,用 M 的 eλe_{\lambda} 投影算子和像 MλM_{\lambda} 表示和核⊕λ≠μMμ\oplus_{\lambda\not=\mu}M_\mu。那么(eλ)λ∈SM(e_{\lambda})_{\lambda\in\mathscr{S}_M}是向量空间Z在K上的基。

引用了 2

引用了 定理 1, VIII § 3, 命题 8

由于 M 在 K 上是有限维向量空间,即非零的子模 (Mλ)λ∈SM(M_{\lambda})_{\lambda\in\mathscr{S}_M} 族的直和,因此集合 SM\mathscr{S}_M 是有限的,并且对于 λ∈SM\lambda \in \mathscr{S}_M,空间 SλS_{\lambda} 中的每一个都是 K 上的有限维。 域 K 是代数闭集,我们有 Dλ=Zλ=KD_{\lambda}= Z_{\lambda}= K (VIII, p. 47, 定理 1),并且映射 z↦(zSλ)λ∈SMz\mapsto (z_{S_{\lambda}})_{\lambda\in\mathscr{S}_M} 是从 Z 到 KSMK^{\mathscr{S}_M} (命题 8, a)) 的同构。然后从命题 8 的部分 c) 得出推论。

5. Density Theorem

定理 3(雅各布森) 00S1

设M为半单A-模,cc为加法群M的自同态。则cc属于为M的二共交AM′′A''_M当且仅当满足以下条件:

被以下引用 4

被以下引用 习题 13, § 5, 引理 3, 注, 命题 9

(D) 对于 M 的每个有限子集 F,存在 A 的元素 aa,使得 cc 重合且 F 上有 aMa_M。

首先,假设cc满足条件(D)。令uu为AM′A'_M的元素。令xx为M的元素,并将条件(D)应用于子集F={x,u(x)}F =\{x, u(x)\}。 A 存在元素aa,使得c(x)=axc(x) =ax和c(u(x))=au(x)c(u(x)) =au(x),因此u(c(x))=u(ax)=au(x)=c(u(x))u(c(x)) =u(ax) =au(x) =c(u(x))。由于xx是任意的,所以我们有cu=uccu=uc;因为这对于所有uu都成立,所以我们有c∈AM′′c\in A''_M。

对于逆命题,我们使用以下引理。

引理 3 0063

设M为半单A-模。设 B 为 A-模 M 的二交矩阵。则 M 的每个 A-子模都是 M 的 B-子模。

引用了 3

引用了 推论 2, VIII § 4, 命题 2, 定理 3(雅各布森)

令N为M的A-子模。由VIII、p. 56的推论2,存在A-模M与像N的投影算子pp;它从属于到AM′A'_M。由于对于每个 b∈Bb\in B,我们都有关系 pb=bppb=bp,因此我们得出 N 是 M 的 B-子模。

让我们定理的结论证明 3. 假设 cc 属于到 AM′′A''_M,并令 F = {x1,...,xn}\{x_1, . . . , x_n\} 为 M 的有限子集。 表示 MnM^n 的元素 (x1,...,xn)(x_1, . . . , x_n) xx。 A-模MnM^n是半单,并且通过VIII的命题2,p. 79,其双交换体重合与AM′′A''_M模MnM^n的同调。到引理 3,MnM^n的A-子模AxAx是MnM^n的AM′′A''_M子模块。令 a∈Aa\in A 使得 (cx1,...,cxn)(cx_1, . . . , cx_n) 等于 axax。然后cc重合和aMa_M在{x1,...,xn}\{x_1, . . . , x_n\}上,这意味着条件(D)。

注 0064

用E表示M的加法群的自同态环。赋予M离散的拓扑; 环 E 由从 M 到 M 的映射组成,我们可以赋予它由乘积拓扑在 MMM^M 上诱导的拓扑(“M 中简单收敛的拓扑”,Gen. Top.,I, §2, No. 3, p. 31)。 E 上的拓扑是 Hausdorff,并且与 E 上的加法群结构兼容。对于 E 中的每个 ff,从 E 到 E 的映射 g↦f∘gg\mapsto f\circ g 和 g↦g∘fg\mapsto g\circ f 是连续的。因而,E 的每个子集的交换子在 E 中都是闭集。因而,定理 3 意味着 AM′′A''_M 是 E 中AMA_M 的闭集。

引用了 2

引用了 定理 3(雅各布森), TG I § 2. 连续函数

6. 域理论的应用

命题 9 0065

令L为域,且EndZ(L)_{\mathbf{Z}}(L)的E子环,对于每个a∈La\in L,包含映射γa:x↦ax\boldsymbol{\gamma }_a:x\mapsto ax。用元素 aa 的 K 集合 L 表示,使得 L 中的每个 xx 以及 E 中的每个 uu 都有u(xa)=u(x)au(xa) =u(x)a;是L中的子域。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 定理 3(雅各布森)

被以下引用 推论

令V为右K-向量空间L的有限维线性子空间,令hh为从V到L的K-线性映射。 E 存在元素,重合与hh 在 V 上。

我们将L视为左E模块。由于E包含左乘法γa\boldsymbol{\gamma }_a,L的每个E子模都是域L的左理想;因而,E 模块L 很简单。与γa\boldsymbol{\gamma }_a通勤的L加法群每自同态是形式δb:x↦xb\boldsymbol{\delta }_b:x\mapsto xb和L中的bb。因而,从K到EndE_E(L)的逆环,b↦δbb\mapsto \boldsymbol{\delta }_b是同构,即域。

因而,E 模块 L 的双交换体 E′′E'' 由右侧 K-向量空间 L 的自同态组成。设vv为K-向量空间L中的自同态,其限制到V重合与hh;它是E′′E''中的元素。设(xi)i∈I(x_i)_{i\in I}是K上V的基;通过定理 3 (VIII, p. 88),存在 E 的元素 uu,使得 u(xi)=v(xi)=h(xi)u(x_i) =v(x_i) =h(x_i) 对应 i∈Ii\in I。根据线性关系,V 中的每个xx 都有u(x)=h(x)u(x) =h(x)。

推论 0066

设L为域。令 Γ 为域 L 自同构群子群,并令 K 为 Γ 的不变量域。设V是有限维nn的L在K上的右K线性子空间。则存在元素σ1,...,σn\sigma_1, . . . , \sigma_n具有以下性质:对于每个K-线性映射 uu从V到L,L中存在元素a1,...,ana_1, . . . , a_n,因此V中的每个xx都有u(x)=∑i=1naiσi(x)u(x) =\sum_{i=1}^na_i\sigma_i(x)。

引用了 1

引用了 命题 9

用映射的E集合从L到形式x↦x\mapsto∑σ∈Γaσσ(x)\sum_{\sigma\in\Gamma}a_{\sigma}\sigma (x)的L表示,其中(aσ)σ∈Γ(a_{\sigma})_{\sigma\in\Gamma}是L的元素与有限支撑的族。对于L中的每个aa,我们有γa∈E\boldsymbol{\gamma }_a\in E,并且E是L的加法群自同态环子环。此外,域 K 由 L 的元素 aa 组成,使得 L 中的每个 xx 以及 E 中的每个 uu 都有 u(xa)=u(x)au(xa) =u(x)a。

设H为左L-向量空间HomK(V,L)_K(V,L);它有维数 nn。到命题 9,由元素的限制到V生成。存在nn元素σ1,...,σn\sigma_1, . . . , \sigma_n,其中H的限制到V形式基超过L。由此得出推论。

注 0067

当域L可交换时,约化到Artin的定理(V, §10, No. 6,p. 65)的推论。

引用了 1

引用了 V § 10. 。 伽罗瓦扩张

习题

参见习题为 § 5。

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