定义 24.1 (有限生成代数) :
令 R {\displaystyle R} 为环。一个 R {\displaystyle R} -代数 A {\displaystyle A} 称为 **有限生成**,当且仅当存在元素 a 1 , … , a n ∈ A {\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{n}\in A} 使得 R [ a 1 , … , a n ] {\displaystyle R[a_{1},\ldots ,a_{n}]} 就是整个 A {\displaystyle A} ;也就是说 A = R [ a 1 , … , a n ] {\displaystyle A=R[a_{1},\ldots ,a_{n}]} .
A {\displaystyle A} 是一个有限生成的 R {\displaystyle R} -代数,这意味着我们可以将 A {\displaystyle A} 中的任何元素写成一个多项式 p ( a 1 , … , a n ) {\displaystyle p(a_{1},\ldots ,a_{n})} ,对于某个 p ∈ R [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle p\in R[x_{1},\ldots ,x_{n}]} (其中多项式按第 21 章所述进行求值).
引理 24.2 (阿廷-泰特) :
设 R ⊆ S ⊆ T {\displaystyle R\subseteq S\subseteq T} 为环扩张,使得 R {\displaystyle R} 是一个诺特环,并且 T {\displaystyle T} 作为 S {\displaystyle S} -模是有限生成的,并且作为 R {\displaystyle R} -代数也是有限生成的。 那么 S {\displaystyle S} 作为 R {\displaystyle R} -代数是有限生成的。
证明 :
由于 T {\displaystyle T} 是一个有限生成的 S {\displaystyle S} -模,因此存在 u 1 , … , u n ∈ T {\displaystyle u_{1},\ldots ,u_{n}\in T} 使得 T = ⟨ u 1 , … , u n ⟩ {\displaystyle T=\langle u_{1},\ldots ,u_{n}\rangle } 作为 S {\displaystyle S} -模。此外,由于 T {\displaystyle T} 是一个有限生成的 R {\displaystyle R} -代数,我们发现 v 1 , … , v m ∈ T {\displaystyle v_{1},\ldots ,v_{m}\in T} 使得 T {\displaystyle T} 等于 R [ v 1 , … , v n ] {\displaystyle R[v_{1},\ldots ,v_{n}]} 。现在,根据 u 1 , … , u n {\displaystyle u_{1},\ldots ,u_{n}} 的生成性质,我们可以确定合适的系数 a i , j ∈ S {\displaystyle a_{i,j}\in S} (其中 i {\displaystyle i} 在 { 1 , … , n } {\displaystyle \{1,\ldots ,n\}} 中取值,而 j {\displaystyle j} 在 { 1 , … , m } {\displaystyle \{1,\ldots ,m\}} 中取值)使得
v j = a 1 , j u 1 + ⋯ + a n , j u n {\displaystyle v_{j}=a_{1,j}u_{1}+\cdots +a_{n,j}u_{n}} , j ∈ { 1 , … , m } ( ∗ ) {\displaystyle j\in \{1,\ldots ,m\}~~~~~~~(*)} .
此外,存在合适的 b i , j , k {\displaystyle b_{i,j,k}} ( i , j , k ∈ { 1 , … , n } {\displaystyle i,j,k\in \{1,\ldots ,n\}} ) 使得
u j u k = b 1 , j , k u 1 + ⋯ + b n , j , k u n ( ∗ ∗ ) {\displaystyle u_{j}u_{k}=b_{1,j,k}u_{1}+\cdots +b_{n,j,k}u_{n}~~~~~~~(**)} .
我们定义 S ′ := R [ a i , j ( 1 ≤ i ≤ n , 1 ≤ j ≤ m ) , b i , j , k ( 1 ≤ i , j , k ≤ n ) ] ⊆ T {\displaystyle S':=R[a_{i,j}(1\leq i\leq n,1\leq j\leq m),b_{i,j,k}(1\leq i,j,k\leq n)]\subseteq T} ;这个符号表示: S ′ {\displaystyle S'} 是由所有元素 a i , j , b i , j , k {\displaystyle a_{i,j},b_{i,j,k}} 生成的代数。由于 T {\displaystyle T} 的代数运算是由其环运算诱导的, S ′ {\displaystyle S'} 作为子代数,是 T {\displaystyle T} 的子环。此外, S ′ ⊆ S {\displaystyle S'\subseteq S} 且 R ⊆ S ′ {\displaystyle R\subseteq S'} 。由于 R {\displaystyle R} 是诺特环,根据定理 16.?, S ′ {\displaystyle S'} 也是诺特环。
我们断言 T {\displaystyle T} 作为 S ′ {\displaystyle S'} -模是有限生成的。事实上,如果给出任何元素 t ∈ T {\displaystyle t\in T} ,我们可以将其写成 v 1 , … , v m {\displaystyle v_{1},\ldots ,v_{m}} 的多项式。使用 ( ∗ ) {\displaystyle (*)} ,将所有项乘开,然后反复使用 ( ∗ ∗ ) {\displaystyle (**)} ,我们可以将这个多项式写成 u 1 , … , u n {\displaystyle u_{1},\ldots ,u_{n}} 的线性组合,其系数都在 S ′ {\displaystyle S'} 中。这证明了 T {\displaystyle T} 确实是作为 S ′ {\displaystyle S'} -模有限生成的。因此, T {\displaystyle T} 作为 S ′ {\displaystyle S'} -模是诺特环。
因此, S {\displaystyle S} 作为 S ′ {\displaystyle S'} -模是 T {\displaystyle T} 的子模,是有限生成的。我们断言 S {\displaystyle S} 作为 R {\displaystyle R} -代数是有限生成的。为此,假设我们给定了一组生成元 m 1 , … , m l ∈ S {\displaystyle m_{1},\ldots ,m_{l}\in S} ,作为 S ′ {\displaystyle S'} -模的 S {\displaystyle S} 。任何元素 s ∈ S {\displaystyle s\in S} 可以写成
s = c 1 m 1 + ⋯ + c l m l {\displaystyle s=c_{1}m_{1}+\cdots +c_{l}m_{l}} , c 1 , … , c l ∈ S ′ {\displaystyle c_{1},\ldots ,c_{l}\in S'} .
每个 c i {\displaystyle c_{i}} 都是 S ′ {\displaystyle S'} 生成元的多项式(即元素 a i , j , b i , j , k {\displaystyle a_{i,j},b_{i,j,k}} ), 系数在 R {\displaystyle R} 中。代入后,我们看到 s {\displaystyle s} 是元素 a i , j , b i , j , k , m i {\displaystyle a_{i,j},b_{i,j,k},m_{i}} 的多项式,系数在 R {\displaystyle R} 中。但这意味着命题成立。 ◻ {\displaystyle \Box }
证明 1 (Azarang 2015) :
在给出引理的证明之前,我们回顾以下两个众所周知的事实。
事实 1. 如果域 F {\displaystyle F} 在其子整环 D {\displaystyle D} 上是整的,那么 D {\displaystyle D} 是一个域。
事实 2. 如果 D {\displaystyle D} 是任何主理想整环(或者只是一个唯一分解整环),具有无限多个(非关联)素元,那么它的分数域不是有限生成的 D {\displaystyle D} -代数。
Proof of the Lemma: We use induction on n {\displaystyle n} for arbitrary fields K {\displaystyle K} and L {\displaystyle L} . For n = 1 {\displaystyle n=1} the assertion is clear. Let us assume that n > 1 {\displaystyle n>1} and the lemma is true for less than n {\displaystyle n} . Now to show it for n {\displaystyle n} , one may assume that one of α i {\displaystyle \alpha _{i}} , say α 1 {\displaystyle \alpha _{1}} , is not algebraic over K {\displaystyle K} and since K [ α 1 , … , α n ] = K ( α 1 ) [ α 2 , … , α n ] {\displaystyle K[\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}]=K(\alpha _{1})[\alpha _{2},\ldots ,\alpha _{n}]} is a field, by induction hypothesis, we infer α 2 , … , α n {\displaystyle \alpha _{2},\ldots ,\alpha _{n}} are all algebraic over K ( α 1 ) {\displaystyle K(\alpha _{1})} . This implies that there are polynomials f 2 ( α 1 ) , … , f n ( α 1 ) ∈ K [ α 1 ] {\displaystyle f_{2}(\alpha _{1}),\ldots ,f_{n}(\alpha _{1})\in K[\alpha _{1}]} such that all α i {\displaystyle \alpha _{i}} 's are integral over the domain A = K [ α 1 ] [ 1 / f 2 ( α 1 ) , … , 1 / f n ( α 1 ) ] {\displaystyle A=K[\alpha _{1}][1/f_{2}(\alpha _{1}),\ldots ,1/f_{n}(\alpha _{1})]} . Since R {\displaystyle R} is integral over A {\displaystyle A} , by Fact 1, A {\displaystyle A} is a field. Consequently, A = K ( α 1 ) {\displaystyle A=K(\alpha _{1})} , which contradicts Fact 2.
证明 2 (Artin-Tate) :
如果 A {\displaystyle A} 在 F {\displaystyle \mathbb {F} } 上的所有生成元都是代数的,那么前面证明的最后一段表明 A {\displaystyle A} 是 F {\displaystyle \mathbb {F} } 的一个有限域扩张。因此,我们只需要考虑 A {\displaystyle A} 在 F {\displaystyle \mathbb {F} } 上至少有一个生成元是超越的。
实际上,假设 A = F [ a 1 , … , a n ] {\displaystyle A=\mathbb {F} [a_{1},\ldots ,a_{n}]} 。通过重新排序,我们可以假设 a 1 , … , a r {\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{r}} 是超越 F {\displaystyle \mathbb {F} } 的( r ≥ 1 {\displaystyle r\geq 1} ) 并且 a r + 1 , … , a n {\displaystyle a_{r+1},\ldots ,a_{n}} 是代数 F {\displaystyle \mathbb {F} } 的。我们有 A = F [ a 1 , … , a n ] ⊆ F ( a 1 , … , a n ) {\displaystyle A=\mathbb {F} [a_{1},\ldots ,a_{n}]\subseteq \mathbb {F} (a_{1},\ldots ,a_{n})} ,并且 F ( a 1 , … , a n ) ⊆ A {\displaystyle \mathbb {F} (a_{1},\ldots ,a_{n})\subseteq A} ,因为 A {\displaystyle A} 是包含所有元素 a 1 , … , a n {\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{n}} 的 F {\displaystyle \mathbb {F} } 的域扩张。因此, A = F ( a 1 , … , a n ) {\displaystyle A=\mathbb {F} (a_{1},\ldots ,a_{n})} .
由于所有 a r + 1 , … , a n {\displaystyle a_{r+1},\ldots ,a_{n}} 在 F {\displaystyle \mathbb {F} } 上是代数的,它们在 F ( a 1 , … , a r ) {\displaystyle \mathbb {F} (a_{1},\ldots ,a_{r})} 上也是代数的。假设存在多项式 f ∈ F [ x 1 , … , x n ] ∖ { 0 } {\displaystyle f\in \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]\setminus \{0\}} 使得 f ( a 1 , … , a r ) = 0 {\displaystyle f(a_{1},\ldots ,a_{r})=0} 。则 a r {\displaystyle a_{r}} 在 F ( a 1 , … , a r − 1 ) {\displaystyle \mathbb {F} (a_{1},\ldots ,a_{r-1})} 上是代数的;因为,不是 a r {\displaystyle a_{r}} 的幂的多项式的部分可以被视为该域内的系数。因此,我们可以降低 r {\displaystyle r} 一次,仍然可以得到 a r + 1 , … , a n {\displaystyle a_{r+1},\ldots ,a_{n}} 在 F ( a 1 , … , a r ) {\displaystyle \mathbb {F} (a_{1},\ldots ,a_{r})} 上是代数的。重复此过程最终会终止,否则 a 1 {\displaystyle a_{1}} 将在 F {\displaystyle \mathbb {F} } 上是代数的,而 A {\displaystyle A} 将是一个有限的代数扩张塔( F ( a 1 ) {\displaystyle \mathbb {F} (a_{1})} , F ( a 1 ) ( a 2 ) {\displaystyle \mathbb {F} (a_{1})(a_{2})} 等等),从而是一个有限域扩展。
因此,我们可以假设 a 1 , … , a r {\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{r}} 在 F {\displaystyle \mathbb {F} } 上代数无关。在这种情况下,映射
F [ x 1 , … , x r ] → F [ a 1 , … , a r ] , f ( x 1 , … , x r ) ↦ f ( a 1 , … , a r ) {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{r}]\to \mathbb {F} [a_{1},\ldots ,a_{r}],f(x_{1},\ldots ,x_{r})\mapsto f(a_{1},\ldots ,a_{r})}
是一个同构(它是同态,满射和单射),因此 F [ a 1 , … , a r ] {\displaystyle \mathbb {F} [a_{1},\ldots ,a_{r}]} 是一个唯一分解域(因为 F [ x 1 , … , x r ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{r}]} 是)。
现在设 G := F ( a 1 , … , a r ) {\displaystyle \mathbb {G} :=\mathbb {F} (a_{1},\ldots ,a_{r})} 。然后 F ⊆ G ⊆ A {\displaystyle \mathbb {F} \subseteq \mathbb {G} \subseteq A} ,并且 A {\displaystyle A} 作为 F {\displaystyle \mathbb {F} } -代数是有限生成的,并且作为 G {\displaystyle \mathbb {G} } -模是有限生成的(因为它是在 G {\displaystyle \mathbb {G} } 上的一个有限域扩张)。因此,根据引理 24.2, G {\displaystyle \mathbb {G} } 作为 F {\displaystyle \mathbb {F} } -代数是有限生成的。令
f 1 ( a 1 , … , a n ) g 1 ( a 1 , … , a n ) , … , f m ( a 1 , … , a n ) g m ( a 1 , … , a n ) {\displaystyle {\frac {f_{1}(a_{1},\ldots ,a_{n})}{g_{1}(a_{1},\ldots ,a_{n})}},\ldots ,{\frac {f_{m}(a_{1},\ldots ,a_{n})}{g_{m}(a_{1},\ldots ,a_{n})}}}
是 G {\displaystyle \mathbb {G} } 的生成元,作为 F {\displaystyle \mathbb {F} } -代数。设 p 1 , … , p l {\displaystyle p_{1},\ldots ,p_{l}} 为 g 1 , … , g m {\displaystyle g_{1},\ldots ,g_{m}} 的(唯一)素因子分解中出现的全部素数。现在 F [ a 1 , … , a r ] {\displaystyle \mathbb {F} [a_{1},\ldots ,a_{r}]} 包含无限多个素数。证明如下。
假设 q 1 , … , q k {\displaystyle q_{1},\ldots ,q_{k}} 是 F [ a 1 , … , a r ] {\displaystyle \mathbb {F} [a_{1},\ldots ,a_{r}]} 中唯一的素数。由于我们有素因子分解,元素 q 1 ⋅ q 2 ⋯ q n + 1 ∈ F [ a 1 , … , a r ] {\displaystyle q_{1}\cdot q_{2}\cdots q_{n}+1\in \mathbb {F} [a_{1},\ldots ,a_{r}]} 至少可被 q 1 , … , q k {\displaystyle q_{1},\ldots ,q_{k}} 中的一个整除,不妨设为 q j {\displaystyle q_{j}} 。这意味着
1 = q j ( q 1 ⋯ q j − 1 q j + 1 ⋯ q k + s ) {\displaystyle 1=q_{j}(q_{1}\cdots q_{j-1}q_{j+1}\cdots q_{k}+s)}
对于某个 s ∈ F [ a 1 , … , a r ] {\displaystyle s\in \mathbb {F} [a_{1},\ldots ,a_{r}]} ,这是荒谬的,因为将上述同构的逆映射到 F [ x 1 , … , x r ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{r}]} ,我们发现 1 {\displaystyle 1} 被映射到 1 {\displaystyle 1} ,但等式右侧的次数严格大于 0。
因此,我们可以选择 p ∉ { p 1 , … , p l } {\displaystyle p\notin \{p_{1},\ldots ,p_{l}\}} 素数。然后 1 / p {\displaystyle 1/p} 不能写成生成元的多项式,但仍然包含在 G {\displaystyle \mathbb {G} } 中。这是一个矛盾。 ◻ {\displaystyle \Box }
证明 3(使用 Noether 规范化) :
根据域的 Noether 规范化引理,我们可以选择 c 1 , … , c k ∈ A {\displaystyle c_{1},\ldots ,c_{k}\in A} 在 F {\displaystyle \mathbb {F} } 上代数无关,使得 A {\displaystyle A} 是一个有限生成的 F [ c 1 , … , c k ] {\displaystyle \mathbb {F} [c_{1},\ldots ,c_{k}]} -模。令 m 1 , … , m l {\displaystyle m_{1},\ldots ,m_{l}} 是 A {\displaystyle A} 中的元素,它们作为 F [ c 1 , … , c k ] {\displaystyle \mathbb {F} [c_{1},\ldots ,c_{k}]} -模生成 A {\displaystyle A} 。然后根据定理 21.10 3. ⇒ {\displaystyle \Rightarrow } 1.,生成元都是 F [ c 1 , … , c k ] {\displaystyle \mathbb {F} [c_{1},\ldots ,c_{k}]} 上的整元,由于整元形成环,因此 A {\displaystyle A} 是 F [ c 1 , … , c k ] {\displaystyle \mathbb {F} [c_{1},\ldots ,c_{k}]} 上的整元。因此, F [ c 1 , … , c k ] {\displaystyle \mathbb {F} [c_{1},\ldots ,c_{k}]} 是一个域,根据定理 21.11。但如果 k ≥ 1 {\displaystyle k\geq 1} ,那么 c 1 , … , c k {\displaystyle c_{1},\ldots ,c_{k}} 代数无关意味着同态
F [ x 1 , … , x k ] → F [ c 1 , … , c k ] , f ( x 1 , … , x k ) ↦ f ( c 1 , … , c k ) {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{k}]\to \mathbb {F} [c_{1},\ldots ,c_{k}],f(x_{1},\ldots ,x_{k})\mapsto f(c_{1},\ldots ,c_{k})}
实际上是一个同构,因此 F [ c 1 , … , c k ] {\displaystyle \mathbb {F} [c_{1},\ldots ,c_{k}]} 不是一个域,矛盾。因此, k = 0 {\displaystyle k=0} ,因此 A {\displaystyle A} 是有限生成的 F {\displaystyle \mathbb {F} } -模。这意味着我们有一个有限域扩张; A {\displaystyle A} 中的所有元素都是某些生成元的有限 F {\displaystyle \mathbb {F} } -线性组合。 ◻ {\displaystyle \Box }
有几个密切相关的结果都以“希尔伯特零点定理”命名。我们将陈述并证明文献中常见的那些结果。这些结果是“弱形式”、“公共根形式”和“强形式”。希尔伯特最初证明的结果是强形式。
希尔伯特零点定理弱形式的表述和证明自然地需要以下引理。
引理 24.5 :
令 F {\displaystyle \mathbb {F} } 为任意域。对于任何极大理想 m ≤ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle m\leq \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} ,域 F [ x 1 , … , x n ] / m {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m} 是域 { c + m | c ∈ F } ⊆ F [ x 1 , … , x n ] / m {\displaystyle \{c+m|c\in \mathbb {F} \}\subseteq \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m} 的有限域扩张。特别是,如果 F {\displaystyle \mathbb {F} } 是代数闭的(因此没有真 有限域扩张),那么 F [ x 1 , … , x n ] / m = { c + m | c ∈ F } {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m=\{c+m|c\in \mathbb {F} \}} 。
证明 1(使用扎里斯基引理) :
F [ x 1 , … , x n ] / m {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m} 是一个有限生成的 { c + m | c ∈ F } {\displaystyle \{c+m|c\in \mathbb {F} \}} -代数,其中所有运算都是由 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 的环结构诱导的;这是因为集合 { x 1 + m , … , x n + m } {\displaystyle \{x_{1}+m,\ldots ,x_{n}+m\}} 构成了一组生成元,因为 F [ x 1 , … , x n ] / m {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m} 中的每个元素都可以写成这些元素在 { c + m | c ∈ F } {\displaystyle \{c+m|c\in \mathbb {F} \}} 上的多项式。因此,扎里斯基引理蕴含着 F [ x 1 , … , x n ] / m {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m} 是域 { c + m | c ∈ F } {\displaystyle \{c+m|c\in \mathbb {F} \}} 的有限域扩张。 ◻ {\displaystyle \Box }
证明 2(使用雅各布森环) :
我们用关于 n {\displaystyle n} 的归纳法进行证明。
当 n = 1 {\displaystyle n=1} 时,我们可以注意到 F [ x 1 ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1}]} 是一个主理想整环(作为欧几里得整环),因此,如果 m ≤ F [ x 1 ] {\displaystyle m\leq \mathbb {F} [x_{1}]} 是一个(极大)理想,那么 m = ⟨ f ⟩ {\displaystyle m=\langle f\rangle } 对于合适的 f ∈ F [ x 1 ] {\displaystyle f\in \mathbb {F} [x_{1}]} 。现在 F [ x 1 ] / m {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1}]/m} 是一个域,如果 m {\displaystyle m} 是极大的;我们断言,它是域 { c + m | c ∈ F } {\displaystyle \{c+m|c\in \mathbb {F} \}} 的有限域扩张。事实上,我们可以将 1 + m , x 1 + m , x 1 2 + m , … , x 1 d − 1 + m {\displaystyle 1+m,x_{1}+m,x_{1}^{2}+m,\ldots ,x_{1}^{d-1}+m} 作为基元素,其中 d := deg f {\displaystyle d:=\deg f} 是极大理想 m = ⟨ f ⟩ {\displaystyle m=\langle f\rangle } 的生成多项式的次数。因此, F [ x 1 ] / m {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1}]/m} 中的任何元素都可以表示为这些基元素的线性组合,因为关系式
a d x d + m = − ( a d − 1 x d − 1 + ⋯ + a 1 x + a 0 ) + m {\displaystyle a_{d}x^{d}+m=-(a_{d-1}x^{d-1}+\cdots +a_{1}x+a_{0})+m} (其中 f ( x ) = a d x d + ⋯ + a 1 x + a 0 {\displaystyle f(x)=a_{d}x^{d}+\cdots +a_{1}x+a_{0}} )
使我们能够用更小的单项式来表示次数 ≥ d {\displaystyle \geq d} 的单项式。
现在假设 n − 1 {\displaystyle n-1} 已被证明。设 m ≤ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle m\leq \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 为极大理想。根据雅各布森第一准则, F [ x 1 , … , x n − 1 ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}]} 是一个雅各布森环(因为 F {\displaystyle \mathbb {F} } 是一个域)。现在, F [ x 1 , … , x n ] = F [ x 1 , … , x n − 1 ] [ x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]=\mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}][x_{n}]} ,因此 m {\displaystyle m} 是 F [ x 1 , … , x n − 1 ] [ x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}][x_{n}]} 的极大理想。因此,Goldman 第二准则断言 m 0 := F [ x 1 , … , x n − 1 ] ∩ m {\displaystyle m_{0}:=\mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}]\cap m} 是 F [ x 1 , … , x n − 1 ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}]} 的极大理想。因此, F [ x 1 , … , x n − 1 ] / m 0 {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}]/m_{0}} 是一个域,并且根据归纳假设,它是 { c + m 0 | c ∈ F } {\displaystyle \{c+m_{0}|c\in \mathbb {F} \}} 的有限域扩展。
我们定义理想 p := m 0 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle p:=m_{0}\mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 。以下映射显然是一个同构
φ : F [ x 1 , … , x n − 1 ] [ x n ] / p ↦ ( F [ x 1 , … , x n − 1 ] / m 0 ) [ x n ] a k x n k + ⋯ + a 1 x n + a 0 + p ↦ ( a k + m 0 ) x n k + ⋯ + ( a 1 + m 0 ) x n + ( a 0 + m 0 ) {\displaystyle {\begin{aligned}\varphi :\mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}][x_{n}]/p&\mapsto (\mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}]/m_{0})[x_{n}]\\a_{k}x_{n}^{k}+\cdots +a_{1}x_{n}+a_{0}+p&\mapsto (a_{k}+m_{0})x_{n}^{k}+\cdots +(a_{1}+m_{0})x_{n}+(a_{0}+m_{0})\end{aligned}}}
该映射将 { c + p | c ∈ F } {\displaystyle \{c+p|c\in \mathbb {F} \}} 映射到 { ( c + m 0 ) | c ∈ F } {\displaystyle \{(c+m_{0})|c\in \mathbb {F} \}} (反之亦然,因为它是同构)。
此外,由于 m ⊊ p {\displaystyle m\subsetneq p} ,理想 π p ( m ) {\displaystyle \pi _{p}(m)} 在 F [ x 1 , … , x n − 1 ] [ x n ] / p {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}][x_{n}]/p} 中是极大的。因此, φ ( p / m ) {\displaystyle \varphi (p/m)} 在 ( F [ x 1 , … , x n − 1 ] / m 0 ) [ x n ] {\displaystyle (\mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}]/m_{0})[x_{n}]} 中是极大的,因此 ( ( F [ x 1 , … , x n − 1 ] / m 0 ) [ x n ] ) / φ ( π p ( m ) ) {\displaystyle \left((\mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}]/m_{0})[x_{n}]\right){\big /}\varphi (\pi _{p}(m))} 是一个域。根据情况 n = 1 {\displaystyle n=1} ,它是域 { d + φ ( m / p ) | d ∈ F [ x 1 , … , x n − 1 ] / m 0 } {\displaystyle \{d+\varphi (m/p)|d\in \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n-1}]/m_{0}\}} 的有限域扩张。
一般来说,任何 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 的理想,其中 F {\displaystyle \mathbb {F} } 是一个域,不包含任何常数(零除外),否则它将包含一个单位元,因此等于整个 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 。 特别地,这适用于 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 的所有极大理想。 因此,形式为 c + m {\displaystyle c+m} 的 F [ x 1 , … , x n ] / m {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m} 中的元素对于成对不同的 c {\displaystyle c} 来说是不同的。 根据剩余类环的加法和乘法的定义,这意味着我们有一个环同构(因此也是域同构)
F [ x 1 , … , x n ] / m ⊇ { c + m | c ∈ F } ≅ F , c + m ↦ c {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m\supseteq \{c+m|c\in \mathbb {F} \}\cong \mathbb {F} ,c+m\mapsto c} .
因此,当 F {\displaystyle \mathbb {F} } 是代数封闭时,上述引理表明 F [ x 1 , … , x n ] / m ≅ F {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m\cong \mathbb {F} } 通过该同构。
定理 24.6(希尔伯特零点定理,弱形式) :
令 F = F ¯ {\displaystyle \mathbb {F} ={\overline {\mathbb {F} }}} 是一个代数封闭域。 对于任何 ξ = ( ξ 1 , … , ξ n ) ∈ F n {\displaystyle \xi =(\xi _{1},\ldots ,\xi _{n})\in \mathbb {F} ^{n}} ,设置
m ξ := ⟨ x 1 − ξ 1 , … , x n − ξ n ⟩ ≤ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle m_{\xi }:=\langle x_{1}-\xi _{1},\ldots ,x_{n}-\xi _{n}\rangle \leq \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} ;
根据引理 21.12, m ξ {\displaystyle m_{\xi }} 是一个**极大**理想。
弱 Hilbert 零点定理的断言是:每个极大理想 m ≤ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle m\leq \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 都具有形式 m ξ {\displaystyle m_{\xi }} ,其中 ξ ∈ F n {\displaystyle \xi \in \mathbb {F} ^{n}} 是合适的。
证明 :
Let m ≤ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle m\leq \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} be any maximal ideal of F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} . According to the preceding lemma, and since F {\displaystyle \mathbb {F} } is algebraically closed, we have F [ x 1 , … , x n ] / m ≅ F {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]/m\cong \mathbb {F} } via an isomorphism that sends elements of the type c + m {\displaystyle c+m} to c {\displaystyle c} . Now this isomorphism must send any element of the type x j + m {\displaystyle x_{j}+m} to some element α j {\displaystyle \alpha _{j}} of F {\displaystyle \mathbb {F} } . But further, the element α j + m {\displaystyle \alpha _{j}+m} is sent to α j ∈ F {\displaystyle \alpha _{j}\in \mathbb {F} } . Since we have an isomorphism (in particular injectivity), we have α j + m = x j + m ⇔ x j − α j ∈ m {\displaystyle \alpha _{j}+m=x_{j}+m\Leftrightarrow x_{j}-\alpha _{j}\in m} . Thus ⟨ x 1 − α 1 , … , x n − α n ⟩ ⊆ m {\displaystyle \langle x_{1}-\alpha _{1},\ldots ,x_{n}-\alpha _{n}\rangle \subseteq m} for suitable α 1 , … , α n {\displaystyle \alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}} . Since the ideal ⟨ x 1 − α 1 , … , x n − α n ⟩ {\displaystyle \langle x_{1}-\alpha _{1},\ldots ,x_{n}-\alpha _{n}\rangle } is maximal (lemma 21.12), we have equality: ⟨ x 1 − α 1 , … , x n − α n ⟩ = m {\displaystyle \langle x_{1}-\alpha _{1},\ldots ,x_{n}-\alpha _{n}\rangle =m} . ◻ {\displaystyle \Box }
定理 24.7 (Hilbert 零点定理,公共根形式) :
令 F = F ¯ {\displaystyle \mathbb {F} ={\overline {\mathbb {F} }}} 是一个代数闭域,令 f 1 , … , f k ∈ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{k}\in \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 。如果
⟨ f 1 , … , f k ⟩ ⊊ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \langle f_{1},\ldots ,f_{k}\rangle \subsetneq \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} ,
那么存在 ξ = ( ξ 1 , … , ξ n ) ∈ F n {\displaystyle \xi =(\xi _{1},\ldots ,\xi _{n})\in \mathbb {F} ^{n}} 使得 f 1 ( ξ ) = f 2 ( ξ ) = … = f k ( ξ ) = 0 {\displaystyle f_{1}(\xi )=f_{2}(\xi )=\ldots =f_{k}(\xi )=0} 。
证明 :
这是从弱形式得出的,因为 ⟨ f 1 , … , f k ⟩ {\displaystyle \langle f_{1},\ldots ,f_{k}\rangle } 包含在某个最大理想 m ≤ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle m\leq \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 中,根据弱形式,它具有形式 m = ⟨ x 1 − α 1 , … , x n − α n ⟩ {\displaystyle m=\langle x_{1}-\alpha _{1},\ldots ,x_{n}-\alpha _{n}\rangle } ,对于合适的 α 1 , … , α n ∈ F {\displaystyle \alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}\in \mathbb {F} } ,因此 { ( α 1 , … , α n ) } = V ( m ) ⊆ V ( ⟨ f 1 , … , f k ⟩ ) {\displaystyle \{(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n})\}=V(m)\subseteq V(\langle f_{1},\ldots ,f_{k}\rangle )} ;特别地, ( α 1 , … , α n ) ∈ V ( ⟨ f 1 , … , f k ⟩ ) {\displaystyle (\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n})\in V(\langle f_{1},\ldots ,f_{k}\rangle )} ,即 ξ := ( α 1 , … , α n ) {\displaystyle \xi :=(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n})} 是 f 1 , … , f k {\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{k}} 的公根。 ◻ {\displaystyle \Box }
特别是,如果 I {\displaystyle I} 是一个根理想(也就是说, r ( I ) = I {\displaystyle r(I)=I} ),那么
I ( V ( I ) ) = I {\displaystyle I(V(I))=I} .
注意,结合规则
V ( I ( V ( S ) ) ) = V ( S ) {\displaystyle V(I(V(S)))=V(S)}
对于任何代数集 V ( S ) {\displaystyle V(S)} (在第 22 章中已经建立),这在 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 的根理想和 F n {\displaystyle \mathbb {F} ^{n}} 中的代数集之间建立了双射对应关系,由函数给出
V ( ⋅ ) : { radical ideals of F [ x 1 , … , x n ] } → { algebraic sets in F n } {\displaystyle V(\cdot ):\{{\text{radical ideals of }}\mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]\}\to \{{\text{algebraic sets in }}\mathbb {F} ^{n}\}}
和逆
I ( ⋅ ) : { algebraic sets in F n } → { radical ideals of F [ x 1 , … , x n ] } {\displaystyle I(\cdot ):\{{\text{algebraic sets in }}\mathbb {F} ^{n}\}\to \{{\text{radical ideals of }}\mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]\}} .
证明 1(使用 Jacobson 环) :
当然,域是一个 Jacobson 环。此外,根据 Goldman 的第一个准则(定理 14.4),我们可以推断 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 也是一个 Jacobson 环。现在令 f ∈ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle f\in \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 是一个在所有 V ( I ) {\displaystyle V(I)} 上消失的多项式,并令 m ≤ F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle m\leq \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 为 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 的任何包含 I {\displaystyle I} 的极大理想。根据弱 Nullstellensatz, m {\displaystyle m} 的形式为 m ξ = ⟨ x 1 − ξ 1 , … , x n − ξ n ⟩ {\displaystyle m_{\xi }=\langle x_{1}-\xi _{1},\ldots ,x_{n}-\xi _{n}\rangle } ,其中 ξ = ( ξ 1 , … , ξ n ) ∈ F n {\displaystyle \xi =(\xi _{1},\ldots ,\xi _{n})\in \mathbb {F} ^{n}} 是一个合适的向量。
现在我们有 ξ ∈ V ( m ξ ) {\displaystyle \xi \in V(m_{\xi })} ,因为任何在 m ξ {\displaystyle m_{\xi }} 中的多项式都可以写成 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} -线性组合,其生成元为 x 1 − ξ 1 , … , x n − ξ n {\displaystyle x_{1}-\xi _{1},\ldots ,x_{n}-\xi _{n}} 。因此, I ( V ( m ξ ) ) {\displaystyle I(V(m_{\xi }))} 不是整个 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} ;由于常数函数,只有空集具有这种消失理想。这与 m ξ ⊆ I ( V ( m ξ ) ) {\displaystyle m_{\xi }\subseteq I(V(m_{\xi }))} 和 m ξ {\displaystyle m_{\xi }} 的极大性相结合,意味着 I ( V ( m ξ ) ) = m ξ {\displaystyle I(V(m_{\xi }))=m_{\xi }} .
此外, V ( m ξ ) ⊆ V ( I ) {\displaystyle V(m_{\xi })\subseteq V(I)} ,因此 I ( V ( I ) ) ⊆ I ( V ( m ξ ) ) {\displaystyle I(V(I))\subseteq I(V(m_{\xi }))} 。因此, f ∈ I ( V ( m ξ ) ) = m ξ {\displaystyle f\in I(V(m_{\xi }))=m_{\xi }} .
由于 f ∈ I ( V ( I ) ) {\displaystyle f\in I(V(I))} 是任意的,因此 I ( V ( I ) ) {\displaystyle I(V(I))} 包含所有包含 I {\displaystyle I} 的极大理想,因此,由于 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 是 Jacobson 环, I ( V ( I ) ) ⊆ r ( I ) {\displaystyle I(V(I))\subseteq r(I)} 。然而,另一个方向 r ( I ) ⊆ I ( V ( I ) ) {\displaystyle r(I)\subseteq I(V(I))} 很容易看出(我们将在下一个证明的第一段证明这一点;没有必要在两个证明中重复相同的论证)。因此, I ( V ( I ) ) = r ( I ) {\displaystyle I(V(I))=r(I)} 。 ◻ {\displaystyle \Box }
证明 2 (Rabinowitsch 技巧) :
首先,我们注意到 ⊇ {\displaystyle \supseteq } :实际上,如果 g n ∈ I {\displaystyle g^{n}\in I} ,则 g ( x ) n = 0 {\displaystyle g(x)^{n}=0} 对于所有 x ∈ V ( I ) {\displaystyle x\in V(I)} 成立。因此, g ( x ) = 0 {\displaystyle g(x)=0} 对于所有 x ∈ V ( I ) {\displaystyle x\in V(I)} 成立,因为域除了零以外没有幂零元素(实际上,甚至没有零因子)。这意味着 g ∈ I ( V ( I ) ) {\displaystyle g\in I(V(I))} 。
⊆ {\displaystyle \subseteq } 是较长的方向。 注意任何域都是诺特环,因此根据 Hilbert 基定理, F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 也是。 因此, I {\displaystyle I} 作为 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 的一个理想,是有限生成的。 写成
I = ⟨ f 1 ( x ) , … , f k ( x ) ⟩ {\displaystyle I=\langle f_{1}(x),\ldots ,f_{k}(x)\rangle } .
令 g ∈ I ( V ( I ) ) {\displaystyle g\in I(V(I))} 。考虑多项式环 F [ x 1 , … , x n , z ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n},z]} ,该环通过一个附加变量进行了扩展。在该环中,考虑多项式 h ( x 1 , … , x n , z ) := 1 − z g ( x 1 , … , x n ) {\displaystyle h(x_{1},\ldots ,x_{n},z):=1-zg(x_{1},\ldots ,x_{n})} 。多项式 f 1 , … , f n , h {\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{n},h} 没有共同零点(其中多项式 f 1 , … , f n {\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{n}} 被视为变量 x 1 , … , x n , z {\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{n},z} 的多项式,方法是 f j ( x 1 , … , x n , z ) := f j ( x 1 , … , x n ) {\displaystyle f_{j}(x_{1},\ldots ,x_{n},z):=f_{j}(x_{1},\ldots ,x_{n})} ),因为如果所有多项式 f 1 , … , f n {\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{n}} 在 ( α 1 , … , α n , β ) {\displaystyle (\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n},\beta )} 为零(变量 β {\displaystyle \beta } 对 f 1 , … , f n {\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{n}} 的求值无关紧要),那么 g {\displaystyle g} 也是。因此,在这种情况下, h ( α 1 , … , α n , β ) = 1 − β ⋅ 0 = 1 ≠ 0 {\displaystyle h(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n},\beta )=1-\beta \cdot 0=1\neq 0} 。
现在我们可以将 Nullstellensatz 的公共根形式应用于 n + 1 {\displaystyle n+1} 个变量的情况。多项式 f 1 , … , f n , h {\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{n},h} 没有公共零点,因此,公共根形式 Nullstellensatz 意味着理想 ⟨ f 1 , … , f n , h ⟩ {\displaystyle \langle f_{1},\ldots ,f_{n},h\rangle } 必须是整个 F [ x 1 , … , x n , z ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n},z]} 。特别地,我们可以找到 η 1 , … , η n , μ ∈ F [ x 1 , … , x n , z ] {\displaystyle \eta _{1},\ldots ,\eta _{n},\mu \in \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n},z]} ,使得
1 = η 1 ( x 1 , … , x n , z ) f 1 ( x 1 , … , x n , z ) + ⋯ + η n ( x 1 , … , x n , z ) f n ( x 1 , … , x n , z ) + μ ( x 1 , … , x n , z ) h ( x 1 , … , x n , z ) {\displaystyle 1=\eta _{1}(x_{1},\ldots ,x_{n},z)f_{1}(x_{1},\ldots ,x_{n},z)+\cdots +\eta _{n}(x_{1},\ldots ,x_{n},z)f_{n}(x_{1},\ldots ,x_{n},z)+\mu (x_{1},\ldots ,x_{n},z)h(x_{1},\ldots ,x_{n},z)} .
转到有理函数域 F ( x 1 , … , x n ) {\displaystyle \mathbb {F} (x_{1},\ldots ,x_{n})} ,我们可以将 1 g ( x 1 , … , x n ) {\displaystyle {\frac {1}{g(x_{1},\ldots ,x_{n})}}} 代入 z {\displaystyle z} (回想一下,我们假设 g ≢ 0 {\displaystyle g\not \equiv 0} )来得到
1 = η 1 ( x 1 , … , x n , 1 / g ) f 1 ( x 1 , … , x n , 1 / g ) + ⋯ + η n ( x 1 , … , x n , 1 / g ) f n ( x 1 , … , x n , 1 / g ) + μ ( x 1 , … , x n , 1 / g ) h ( x 1 , … , x n , 1 / g ) {\displaystyle 1=\eta _{1}(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)f_{1}(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)+\cdots +\eta _{n}(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)f_{n}(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)+\mu (x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)h(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)} ,
为了让公式在屏幕上显示,我们省略了 g {\displaystyle g} 的变量。现在, h ( x 1 , … , x n , 1 / g ) = 1 − g ( x 1 , … , x n ) g ( x 1 , … , x n ) = 0 {\displaystyle h(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)=1-{\frac {g(x_{1},\ldots ,x_{n})}{g(x_{1},\ldots ,x_{n})}}=0} ,因此
1 = η 1 ( x 1 , … , x n , 1 / g ) f 1 ( x 1 , … , x n , 1 / g ) + ⋯ + η n ( x 1 , … , x n , 1 / g ) f n ( x 1 , … , x n , 1 / g ) {\displaystyle 1=\eta _{1}(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)f_{1}(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)+\cdots +\eta _{n}(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)f_{n}(x_{1},\ldots ,x_{n},1/g)} .
将此方程乘以 g {\displaystyle g} 的适当幂,记为 N ∈ N {\displaystyle N\in \mathbb {N} } ,使得我们可以消除所有分母,并注意到最后一个变量对 f 1 , … , f n {\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{n}} 没有影响,因此 g N {\displaystyle g^{N}} 等于 F [ x 1 , … , x n ] {\displaystyle \mathbb {F} [x_{1},\ldots ,x_{n}]} 上 f 1 , … , f n {\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{n}} 的线性组合,因此包含在 I {\displaystyle I} 中。因此, g ∈ r ( I ) {\displaystyle g\in r(I)} 。 ◻ {\displaystyle \Box }
请注意 Yuri Rainich ("Rabinowitsch") 可能 是如何发现这个技巧的。也许他意识到弱零点定理是针对任意 n {\displaystyle n} 的,而对于强零点定理的证明,我们可以一次做一次 n {\displaystyle n} ,利用弱零点定理推出的公共根形式的无限情况。也就是说,与强零点定理中特定维度的案例相比,公共根形式的无限情况并非像看起来那样弱,尽管公共根形式是弱零点定理的结果。这可能让 Rainich 意识到,使用更多情况可以得到更强大的工具。而且事实证明,他的想法是正确的。
该图表展示了本书中介绍的通往希尔伯特零点定理的不同路径。