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交換代數/希爾伯特零點定理

來自華夏公益教科書

扎里斯基引理

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定義 24.1 (有限生成代數):

為環。一個 -代數 稱為 **有限生成**,當且僅當存在元素 使得 就是整個 ;也就是說 .

是一個有限生成的 -代數,這意味著我們可以將 中的任何元素寫成一個多項式 ,對於某個 (其中多項式按第 21 章所述進行求值).

引理 24.2 (阿廷-泰特):

為環擴張,使得 是一個諾特環,並且 作為 -模是有限生成的,並且作為 -代數也是有限生成的。 那麼 作為 -代數是有限生成的。

證明:

由於 是一個有限生成的 -模,因此存在 使得 作為 -模。此外,由於 是一個有限生成的 -代數,我們發現 使得 等於 。現在,根據 的生成性質,我們可以確定合適的係數 (其中 中取值,而 中取值)使得

.

此外,存在合適的 () 使得

.

我們定義 ;這個符號表示: 是由所有元素 生成的代數。由於 的代數運算是由其環運算誘導的, 作為子代數,是 的子環。此外,。由於 是諾特環,根據定理 16.?, 也是諾特環。

我們斷言 作為 -模是有限生成的。事實上,如果給出任何元素 ,我們可以將其寫成 的多項式。使用 ,將所有項乘開,然後反覆使用 ,我們可以將這個多項式寫成 的線性組合,其係數都在 中。這證明了 確實是作為 -模有限生成的。因此, 作為 -模是諾特環。

因此, 作為 -模是 的子模,是有限生成的。我們斷言 作為 -代數是有限生成的。為此,假設我們給定了一組生成元 ,作為 -模的 。任何元素 可以寫成

, .

每個 都是 生成元的多項式(即元素 ), 係數在 中。代入後,我們看到 是元素 的多項式,係數在 中。但這意味著命題成立。

定理 24.3(扎里斯基引理):

是域 的一個域擴張。假設對於某個 中, 是一個域。那麼,每個 上是代數的。

證明 1 (Azarang 2015):


在給出引理的證明之前,我們回顧以下兩個眾所周知的事實。

事實 1. 如果域 在其子整環 上是整的,那麼 是一個域。

事實 2. 如果 是任何主理想整環(或者只是一個唯一分解整環),具有無限多個(非關聯)素元,那麼它的分數域不是有限生成的 -代數。

Proof of the Lemma: We use induction on for arbitrary fields and . For the assertion is clear. Let us assume that and the lemma is true for less than . Now to show it for , one may assume that one of , say , is not algebraic over and since is a field, by induction hypothesis, we infer are all algebraic over . This implies that there are polynomials such that all 's are integral over the domain . Since is integral over , by Fact 1, is a field. Consequently, , which contradicts Fact 2.



證明 2 (Artin-Tate):

如果 上的所有生成元都是代數的,那麼前面證明的最後一段表明 的一個有限域擴張。因此,我們只需要考慮 上至少有一個生成元是超越的。

實際上,假設。透過重新排序,我們可以假設 是超越 的() 並且 是代數 的。我們有,並且,因為 是包含所有元素 的域擴張。因此,.

由於所有 上是代數的,它們在 上也是代數的。假設存在多項式 使得 。則 上是代數的;因為,不是 的冪的多項式的部分可以被視為該域內的係數。因此,我們可以降低 一次,仍然可以得到 上是代數的。重複此過程最終會終止,否則 將在 上是代數的,而 將是一個有限的代數擴張塔( 等等),從而是一個有限域擴充套件。

因此,我們可以假設 上代數無關。在這種情況下,對映

是一個同構(它是同態,滿射和單射),因此 是一個唯一分解域(因為 是)。

現在設。然後,並且 作為-代數是有限生成的,並且作為-模是有限生成的(因為它是在 上的一個有限域擴張)。因此,根據引理 24.2, 作為-代數是有限生成的。令

的生成元,作為 -代數。設 的(唯一)素因子分解中出現的全部素數。現在 包含無限多個素數。證明如下。

假設 中唯一的素數。由於我們有素因子分解,元素 至少可被 中的一個整除,不妨設為 。這意味著

對於某個 ,這是荒謬的,因為將上述同構的逆對映到 ,我們發現 被對映到 ,但等式右側的次數嚴格大於 0。

因此,我們可以選擇 素數。然後 不能寫成生成元的多項式,但仍然包含在 中。這是一個矛盾。

證明 3(使用 Noether 規範化):

根據域的 Noether 規範化引理,我們可以選擇 上代數無關,使得 是一個有限生成的 -模。令 中的元素,它們作為 -模生成 。然後根據定理 21.10 3. 1.,生成元都是 上的整元,由於整元形成環,因此 上的整元。因此, 是一個域,根據定理 21.11。但如果 ,那麼 代數無關意味著同態

實際上是一個同構,因此 不是一個域,矛盾。因此,,因此 是有限生成的 -模。這意味著我們有一個有限域擴張; 中的所有元素都是某些生成元的有限 -線性組合。

希爾伯特零點定理

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有幾個密切相關的結果都以“希爾伯特零點定理”命名。我們將陳述並證明文獻中常見的那些結果。這些結果是“弱形式”、“公共根形式”和“強形式”。希爾伯特最初證明的結果是強形式。

弱形式

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希爾伯特零點定理弱形式的表述和證明自然地需要以下引理。

引理 24.5:

為任意域。對於任何極大理想 ,域 是域 的有限域擴張。特別是,如果 是代數閉的(因此沒有有限域擴張),那麼

證明 1(使用扎里斯基引理):

是一個有限生成的 -代數,其中所有運算都是由 的環結構誘導的;這是因為集合 構成了一組生成元,因為 中的每個元素都可以寫成這些元素在 上的多項式。因此,扎里斯基引理蘊含著 是域 的有限域擴張。

證明 2(使用雅各布森環):

我們用關於 的歸納法進行證明。

時,我們可以注意到 是一個主理想整環(作為歐幾里得整環),因此,如果 是一個(極大)理想,那麼 對於合適的 。現在 是一個域,如果 是極大的;我們斷言,它是域 的有限域擴張。事實上,我們可以將 作為基元素,其中 是極大理想 的生成多項式的次數。因此, 中的任何元素都可以表示為這些基元素的線性組合,因為關係式

(其中

使我們能夠用更小的單項式來表示次數 的單項式。

現在假設 已被證明。設 為極大理想。根據雅各布森第一準則, 是一個雅各布森環(因為 是一個域)。現在,,因此 的極大理想。因此,Goldman 第二準則斷言 的極大理想。因此, 是一個域,並且根據歸納假設,它是 的有限域擴充套件。

我們定義理想 。以下對映顯然是一個同構

該對映將 對映到 (反之亦然,因為它是同構)。

此外,由於 ,理想 中是極大的。因此, 中是極大的,因此 是一個域。根據情況 ,它是域 的有限域擴張。


一般來說,任何 的理想,其中 是一個域,不包含任何常數(零除外),否則它將包含一個單位元,因此等於整個 。 特別地,這適用於 的所有極大理想。 因此,形式為 中的元素對於成對不同的 來說是不同的。 根據剩餘類環的加法和乘法的定義,這意味著我們有一個環同構(因此也是域同構)

.

因此,當 是代數封閉時,上述引理表明 透過該同構。

定理 24.6(希爾伯特零點定理,弱形式):

是一個代數封閉域。 對於任何 ,設定

;

根據引理 21.12, 是一個**極大**理想。

弱 Hilbert 零點定理的斷言是:每個極大理想 都具有形式 ,其中 是合適的。

證明:

Let be any maximal ideal of . According to the preceding lemma, and since is algebraically closed, we have via an isomorphism that sends elements of the type to . Now this isomorphism must send any element of the type to some element of . But further, the element is sent to . Since we have an isomorphism (in particular injectivity), we have . Thus for suitable . Since the ideal is maximal (lemma 21.12), we have equality: .

公共根形成

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定理 24.7 (Hilbert 零點定理,公共根形式):

是一個代數閉域,令 。如果

,

那麼存在 使得

證明:

這是從弱形式得出的,因為 包含在某個最大理想 中,根據弱形式,它具有形式 ,對於合適的 ,因此 ;特別地,,即 的公根。

強形式

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定理 24.8 (希爾伯特零點定理,強形式):

是一個代數閉域。如果 是任意理想,那麼

;

回顧: 的根。

特別是,如果 是一個根理想(也就是說,),那麼

.

注意,結合規則

對於任何代數集 (在第 22 章中已經建立),這在 的根理想和 中的代數集之間建立了雙射對應關係,由函式給出

和逆

.

證明 1(使用 Jacobson 環):

當然,域是一個 Jacobson 環。此外,根據 Goldman 的第一個準則(定理 14.4),我們可以推斷 也是一個 Jacobson 環。現在令 是一個在所有 上消失的多項式,並令 的任何包含 的極大理想。根據弱 Nullstellensatz, 的形式為 ,其中 是一個合適的向量。

現在我們有 ,因為任何在 中的多項式都可以寫成 -線性組合,其生成元為 。因此, 不是整個 ;由於常數函式,只有空集具有這種消失理想。這與 的極大性相結合,意味著 .

此外,,因此 。因此,.

由於 是任意的,因此 包含所有包含 的極大理想,因此,由於 是 Jacobson 環,。然而,另一個方向 很容易看出(我們將在下一個證明的第一段證明這一點;沒有必要在兩個證明中重複相同的論證)。因此,

證明 2 (Rabinowitsch 技巧):

首先,我們注意到 :實際上,如果 ,則 對於所有 成立。因此, 對於所有 成立,因為域除了零以外沒有冪零元素(實際上,甚至沒有零因子)。這意味著

是較長的方向。 注意任何域都是諾特環,因此根據 Hilbert 基定理, 也是。 因此, 作為 的一個理想,是有限生成的。 寫成

.

。考慮多項式環 ,該環透過一個附加變數進行了擴充套件。在該環中,考慮多項式 。多項式 沒有共同零點(其中多項式 被視為變數 的多項式,方法是 ),因為如果所有多項式 為零(變數 的求值無關緊要),那麼 也是。因此,在這種情況下,

現在我們可以將 Nullstellensatz 的公共根形式應用於 個變數的情況。多項式 沒有公共零點,因此,公共根形式 Nullstellensatz 意味著理想 必須是整個 。特別地,我們可以找到 ,使得

.

轉到有理函式域 ,我們可以將 代入 (回想一下,我們假設 )來得到

,

為了讓公式在螢幕上顯示,我們省略了 的變數。現在,,因此

.

將此方程乘以 的適當冪,記為 ,使得我們可以消除所有分母,並注意到最後一個變數對 沒有影響,因此 等於 的線性組合,因此包含在 中。因此,

請注意 Yuri Rainich ("Rabinowitsch") 可能是如何發現這個技巧的。也許他意識到弱零點定理是針對任意 的,而對於強零點定理的證明,我們可以一次做一次,利用弱零點定理推出的公共根形式的無限情況。也就是說,與強零點定理中特定維度的案例相比,公共根形式的無限情況並非像看起來那樣弱,儘管公共根形式是弱零點定理的結果。這可能讓 Rainich 意識到,使用更多情況可以得到更強大的工具。而且事實證明,他的想法是正確的。

該圖表展示了本書中介紹的通往希爾伯特零點定理的不同路徑。
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