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交换代数/希尔伯特零点定理

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扎里斯基引理

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定义 24.1 (有限生成代数):

为环。一个 -代数 称为 **有限生成**,当且仅当存在元素 使得 就是整个 ;也就是说 .

是一个有限生成的 -代数,这意味着我们可以将 中的任何元素写成一个多项式 ,对于某个 (其中多项式按第 21 章所述进行求值).

引理 24.2 (阿廷-泰特):

为环扩张,使得 是一个诺特环,并且 作为 -模是有限生成的,并且作为 -代数也是有限生成的。 那么 作为 -代数是有限生成的。

证明:

由于 是一个有限生成的 -模,因此存在 使得 作为 -模。此外,由于 是一个有限生成的 -代数,我们发现 使得 等于 。现在,根据 的生成性质,我们可以确定合适的系数 (其中 中取值,而 中取值)使得

.

此外,存在合适的 () 使得

.

我们定义 ;这个符号表示: 是由所有元素 生成的代数。由于 的代数运算是由其环运算诱导的, 作为子代数,是 的子环。此外,。由于 是诺特环,根据定理 16.?, 也是诺特环。

我们断言 作为 -模是有限生成的。事实上,如果给出任何元素 ,我们可以将其写成 的多项式。使用 ,将所有项乘开,然后反复使用 ,我们可以将这个多项式写成 的线性组合,其系数都在 中。这证明了 确实是作为 -模有限生成的。因此, 作为 -模是诺特环。

因此, 作为 -模是 的子模,是有限生成的。我们断言 作为 -代数是有限生成的。为此,假设我们给定了一组生成元 ,作为 -模的 。任何元素 可以写成

, .

每个 都是 生成元的多项式(即元素 ), 系数在 中。代入后,我们看到 是元素 的多项式,系数在 中。但这意味着命题成立。

定理 24.3(扎里斯基引理):

是域 的一个域扩张。假设对于某个 中, 是一个域。那么,每个 上是代数的。

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 在其子整环 上是整的,那么 是一个域。

事实 2. 如果 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 -代数。

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.



证明 2 (Artin-Tate):

如果 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 的一个有限域扩张。因此,我们只需要考虑 上至少有一个生成元是超越的。

实际上,假设。通过重新排序,我们可以假设 是超越 的() 并且 是代数 的。我们有,并且,因为 是包含所有元素 的域扩张。因此,.

由于所有 上是代数的,它们在 上也是代数的。假设存在多项式 使得 。则 上是代数的;因为,不是 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 一次,仍然可以得到 上是代数的。重复此过程最终会终止,否则 将在 上是代数的,而 将是一个有限的代数扩张塔( 等等),从而是一个有限域扩展。

因此,我们可以假设 上代数无关。在这种情况下,映射

是一个同构(它是同态,满射和单射),因此 是一个唯一分解域(因为 是)。

现在设。然后,并且 作为-代数是有限生成的,并且作为-模是有限生成的(因为它是在 上的一个有限域扩张)。因此,根据引理 24.2, 作为-代数是有限生成的。令

的生成元,作为 -代数。设 的(唯一)素因子分解中出现的全部素数。现在 包含无限多个素数。证明如下。

假设 中唯一的素数。由于我们有素因子分解,元素 至少可被 中的一个整除,不妨设为 。这意味着

对于某个 ,这是荒谬的,因为将上述同构的逆映射到 ,我们发现 被映射到 ,但等式右侧的次数严格大于 0。

因此,我们可以选择 素数。然后 不能写成生成元的多项式,但仍然包含在 中。这是一个矛盾。

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 上代数无关,使得 是一个有限生成的 -模。令 中的元素,它们作为 -模生成 。然后根据定理 21.10 3. 1.,生成元都是 上的整元,由于整元形成环,因此 上的整元。因此, 是一个域,根据定理 21.11。但如果 ,那么 代数无关意味着同态

实际上是一个同构,因此 不是一个域,矛盾。因此,,因此 是有限生成的 -模。这意味着我们有一个有限域扩张; 中的所有元素都是某些生成元的有限 -线性组合。

希尔伯特零点定理

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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。

弱形式

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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:

为任意域。对于任何极大理想 ,域 是域 的有限域扩张。特别是,如果 是代数闭的(因此没有有限域扩张),那么

证明 1(使用扎里斯基引理):

是一个有限生成的 -代数,其中所有运算都是由 的环结构诱导的;这是因为集合 构成了一组生成元,因为 中的每个元素都可以写成这些元素在 上的多项式。因此,扎里斯基引理蕴含着 是域 的有限域扩张。

证明 2(使用雅各布森环):

我们用关于 的归纳法进行证明。

时,我们可以注意到 是一个主理想整环(作为欧几里得整环),因此,如果 是一个(极大)理想,那么 对于合适的 。现在 是一个域,如果 是极大的;我们断言,它是域 的有限域扩张。事实上,我们可以将 作为基元素,其中 是极大理想 的生成多项式的次数。因此, 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

(其中

使我们能够用更小的单项式来表示次数 的单项式。

现在假设 已被证明。设 为极大理想。根据雅各布森第一准则, 是一个雅各布森环(因为 是一个域)。现在,,因此 的极大理想。因此,Goldman 第二准则断言 的极大理想。因此, 是一个域,并且根据归纳假设,它是 的有限域扩展。

我们定义理想 。以下映射显然是一个同构

该映射将 映射到 (反之亦然,因为它是同构)。

此外,由于 ,理想 中是极大的。因此, 中是极大的,因此 是一个域。根据情况 ,它是域 的有限域扩张。


一般来说,任何 的理想,其中 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 。 特别地,这适用于 的所有极大理想。 因此,形式为 中的元素对于成对不同的 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)

.

因此,当 是代数封闭时,上述引理表明 通过该同构。

定理 24.6(希尔伯特零点定理,弱形式):

是一个代数封闭域。 对于任何 ,设置

;

根据引理 21.12, 是一个**极大**理想。

弱 Hilbert 零点定理的断言是:每个极大理想 都具有形式 ,其中 是合适的。

证明:

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 零点定理,公共根形式):

是一个代数闭域,令 。如果

,

那么存在 使得

证明:

这是从弱形式得出的,因为 包含在某个最大理想 中,根据弱形式,它具有形式 ,对于合适的 ,因此 ;特别地,,即 的公根。

强形式

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定理 24.8 (希尔伯特零点定理,强形式):

是一个代数闭域。如果 是任意理想,那么

;

回顾: 的根。

特别是,如果 是一个根理想(也就是说,),那么

.

注意,结合规则

对于任何代数集 (在第 22 章中已经建立),这在 的根理想和 中的代数集之间建立了双射对应关系,由函数给出

和逆

.

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 也是一个 Jacobson 环。现在令 是一个在所有 上消失的多项式,并令 的任何包含 的极大理想。根据弱 Nullstellensatz, 的形式为 ,其中 是一个合适的向量。

现在我们有 ,因为任何在 中的多项式都可以写成 -线性组合,其生成元为 。因此, 不是整个 ;由于常数函数,只有空集具有这种消失理想。这与 的极大性相结合,意味着 .

此外,,因此 。因此,.

由于 是任意的,因此 包含所有包含 的极大理想,因此,由于 是 Jacobson 环,。然而,另一个方向 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,

证明 2 (Rabinowitsch 技巧):

首先,我们注意到 :实际上,如果 ,则 对于所有 成立。因此, 对于所有 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

是较长的方向。 注意任何域都是诺特环,因此根据 Hilbert 基定理, 也是。 因此, 作为 的一个理想,是有限生成的。 写成

.

。考虑多项式环 ,该环通过一个附加变量进行了扩展。在该环中,考虑多项式 。多项式 没有共同零点(其中多项式 被视为变量 的多项式,方法是 ),因为如果所有多项式 为零(变量 的求值无关紧要),那么 也是。因此,在这种情况下,

现在我们可以将 Nullstellensatz 的公共根形式应用于 个变量的情况。多项式 没有公共零点,因此,公共根形式 Nullstellensatz 意味着理想 必须是整个 。特别地,我们可以找到 ,使得

.

转到有理函数域 ,我们可以将 代入 (回想一下,我们假设 )来得到

,

为了让公式在屏幕上显示,我们省略了 的变量。现在,,因此

.

将此方程乘以 的适当幂,记为 ,使得我们可以消除所有分母,并注意到最后一个变量对 没有影响,因此 等于 的线性组合,因此包含在 中。因此,

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 的,而对于强零点定理的证明,我们可以一次做一次,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。
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