Kommutatív algebra

Innen: Hungaropédia
Ugrás a navigációhozUgrás a kereséshez
Emmy Noether, a kommutatív algebra úttörő kutatója által E. Fischernek írt, Noether kommutatív algerbai munkájáról szóló levelezőlap

A kommutatív algebra az algebra egy részterülete. Kommutatív gyűrűkkel és a felettük létező modulusokkal foglalkozik. Mind az algebrai számelmélet, mind az algebrai geometria alapvető módon épít a kommutatív algebra eredményeire. Utóbbiban a kommutatív algebra biztosítja az ún. sémák lokális vizsgálatának eszközeit. Fontos és közismert példák kommutatív gyűrűre a következők: polinomgyűrűk, algebrai egészek gyűrűi a racionális számok testbővítéseiben – speciálisan ezek közé tartozik a racionális egész számok gyűrűje –, illetve a p-adikus egészek.[1] Az algebrai számelméletben egy számtest (a racionális számok testének véges bővítése) algebrai egészeinek gyűrűje Dedekind-gyűrű. Ezek viselkedésének vizsgálata a kommutatív algebra fejlődésének egy fontos motiváló ereje. Emellett a kommutatív algebra számos fogalma megfeleltethető az algebrai geometriában megjelenő (gyakran általánosabb) fogalmaknak. Ez áll többek között a Krull-dimenzió, a primér felbontás, a reguláris gyűrű[2], a Cohen–Macaulay-gyűrű[3] illetve a Gorenstein-gyűrű[4] fogalmára. A nem feltétlenül kommutatív gyűrűk vizsgálatával a nemkommutatív algebra foglalkozik. Ez magában foglalja a gyűrűelméletet, a reprezentációelméletet, és a Banach-algebrák elméletét.

Számelméleti vonatkozások

A kommutatív algebra által vizsgált objektumok először feltehetően a számelméletben jelentek meg.[5] Az alapvető felismerés abban állt, hogy ha -t egy polinom gyökeivel bővítjük, a kapott bővítés hasonlóságokat mutat -vel. Ezeket a kutatásokat a nagy Fermat-sejtés is motiválta. A sejtés szerint az

xn+yn=zn

egyenletnek nincs a racionális egész számok között (x,y,z)=(0,0,0)-tól különböző megoldása, ha n3. Az állítás könnyen redukálható arra az esetre, ha n=p prímszám. Egy lehetséges útnak tűnt a bizonyítás felé az egyenlet bal oldalának faktorizálása: ha helyett [ζp]-ben dolgozunk, ahol ζn primitív p-edik egységgyök, akkor a bal oldal szorzattá bontható: xp+yp=i=0p1(x+ζpiy)=zp. Így a bal és a jobb oldalon is egy p tényezős szorzat szerepel. Ha most alkalmazhatnánk a számelmélet alaptételét [ζp]-ben, akkor mindkét oldalt prímelemek szorzatára bonthatnánk, ami ellentmondáshoz vezethetne. A probléma viszont az, hogy a [ζp] gyűrű általában nem UFD, azaz nem igaz benne a számelmélet alaptétele.[6] Ez a megközelítés vezetett az ideál fogalmának Dedekind általi bevezetéséhez. A név ideális, azaz nem valódi elemekre utal.[7] Az ideálok a gyűrűelemek általánosításainak tekinthetők annyiban, hogy minden gyűrűelem generál egy főideált; az alaptétel szempontjából ez nem vezet gondokhoz, hiszen a prímfelbontás amúgy is mindig csak egységek erejéig egyértelmű. Dedekind sikeresen meghatározta azokat a gyűrűket, amikben az ideálok egyértelműen felírhatók prímideálok szorzataként: ezek a Dedekind-gyűrűk. Az ideálok bevezetése önmagában nem volt elegendő a Fermat-tétel bizonyításához. Ugyanakkor ezeken keresztül Kummer sikeresen igazolta a tételt reguláris prímekre, azaz olyan p-kre, amik nem osztják a (ζp) test osztályszámát.[8] (37, 59 és 67 kivételével minden 100 alatti prím reguláris.) A gyűrűbővítések egy másik útját Kronecker alapozta meg: bevezette a polinomgyűrű fogalmát, és egy K test feletti f(X) polinom gyökeivel való bővítést K[X]/(f(X)) alakban értelmezett. Kronecker továbbá definiálta a Dedekind-féle ideálok megfelelőit ebben a felállásban. Egyértelmű prímfelbontás ugyan nem létezik ebben az esetben, viszont egy gyengébb formája fennáll: ez a Lasker által bizonyított primér felbontás.[9] A két fent vázolt elméletet Noether helyezte közös alapokra, úttörő munkát végezve a kommutatív algebra modern megalapozásában.[10]

Főbb eszközök és eredmények

Konvenció: a továbbiakban gyűrű alatt kommutatív egységelemes gyűrűt értünk.

Noether-gyűrűk

A Noether-gyűrűk mind a kommutatív, mind a nemkommutatív gyűrűelméletben alapvető fontosságúak. Egy Noether-gyűrű olyan gyűrű, amiben ideálok bármely nemüres halmazának van maximális eleme. Ezzel ekvivalens, hogy a gyűrű teljesíti a maximumfeltételt ideálokra. Ez alatt azt értjük, hogy ideálok bármely

I1Ik1IkIk+1

lánca stabilizálódik, azaz létezik olyan n, hogy:

In=In+1=

Egy kommutatív gyűrű továbbá akkor és csak akkor Noether, ha minden ideál végesen generált.[11]

Lokalizáció

A lokalizáció az integritási tartományokra értelmezett hányadostest-fogalom általánosításának tekinthető. Heurisztikusan a lokalizálás során megengedjük a gyűrű bizonyos elemeivel való osztást, ez ugyanakkor a hányadostest-konstrukcióval szemben nem az összes nemzéró elem, hanem ezeknek csak egy részhalmaza lesz. A formális definícióhoz először bevezetjük a multiplikatívan zárt részhalmaz fogalmát: ez az R gyűrű egy olyan SR részhalmaza, ami tartalmazza a gyűrű egységelemét, és ha s,sS, akkor ssS. Tekintsük a következő relációt az R×S halmazon: (r,s)(r,s) akkor és csak akkor, ha létezik olyan tS, hogy t(srsr)=0. Könnyen ellenőrizhető, hogy ez ekvivalenciareláció. Az R gyűrű S-nél vett S1R lokalizáltja ekkor az erre a relációra nézve vett ekvivalenciaosztályok halmaza; a továbbiakban az (r,s) elem osztályát r/s jelöli. A lokalizálton az összeadást és a szorzást a következőképpen definiáljuk:

rs+rs=rs+rsss, rsrs=rrss.

A kapott gyűrűn a zéruselem így 0/1, az egységelem 1/1 lesz. Jegyezzük meg, hogy a „nevezők” S halmazában megengedjük a zéróosztókat. Ha S tartalmaz egy zéróosztót, akkor S1R=0. Ha S nullosztómentes, akkor akkor R beágyazható a lokalizáltba az

RS1R,rr1

leképezéssel. Ha S az R összes nemnullosztójából áll, akkor a lokalizáltat az R teljes hányadosgyűrűjének nevezzük.[12] Fontos speciális eset, amikor S=R𝔭 egy 𝔭 prímideál komplementere. Ekkor a prímideál definíciója révén multiplikatív halmazt kapunk. Ilyenkor a lokalizált szokásos jelölése S1R=R𝔭. A lokalizáció fogalma kiterjed a gyűrű fölötti modulusokra is: ha M egy R-modulus, akkor analóg módon definiálható az S1M S1R-modulus.[13] A lokalizáció néhány fontos tulajdonsága:

Az elnevezés az algebrai geometriával kapcsolatos; itt a lokális gyűrűk algebrai varietások egy adott pontnál vett, azaz helyi (lokális) vizsgálatakor kerülnek elő.

Hilbert bázistétele

Hilbert bázistétele szerint ha R Noether-gyűrű, akkor az R feletti egyváltozós polinomok R[X] gyűrűje is Noether-gyűrű. A tételből indukció útján következik, hogy ha R Noether-gyűrű, akkor R[X1,,Xn] is az. A tétel azon speciális esetét, amikor az alapgyűrű test, David Hilbert bizonyította először.[18] Az elnevezésben a bázis szó az ideálok végesen generáltságára utal, ami ekvivalens a Noether-tulajdonsággal. A bázistétel következménye, hogy Noether-gyűrű felett végesen generált algebra maga is Noether-gyűrű.[19] A tétel szerepe az algebrai geometriában a következő. Legyen k egy test, legyen adott k feletti n-változós polinomok egy

{pi(X1,,Xn):iI}k[X1,,Xn]

halmaza, és tekintsük kn azon V részhalmazát, amelyen valamennyi pi eltűnik, azaz

V={(x1,,xn)kn:pi(x1,,xn)=0iI}.

Ekkor I-nek van olyan véges I részhalmaza, hogy

V={(x1,,xn)kn:p(x1,,xn)=0iI},

azaz V előáll csupán véges sok polinom közös zérushelyeként is. Ez a klasszikus algebrai geometria szempontjából azt jelenti, hogy bármely k feletti algebrai varietást leírható véges sok polinom közös zérushelyeként.

Zariski-topológia

Legyen R egy gyűrű (a szakasz eleji konvenció továbbra is érvényben van). Ekkor az R spektruma alatt a prímideálok halmazát értjük, és ezt SpecR-rel jelöljük. Ha IR egy részhalmaz (nem feltétlenül ideál), akkor legyen

V(I)={𝔭SpecR:I𝔭}.

Tekintsük ezeket a halmazokat az összes IR részhalmazra, és definiáljuk a spektrumon a Zariski-topológiát mint azt a topológiát, amiben pontosan ezek a V(I) halmazok a zárt részhalmazok.[20] Ekkor Spec egy kontravariáns funktor a gyűrűk kategóriájából a topologikus terek kategóriájába.[21] Az így definiált SpecR topologikus teret az algebrai geometriában affin sémának nevezik. A klasszikus algebrai geometriában a Zariski-topológia fogalma egy másik értelemben is használatos. Legyen k egy test, és legyen Ik[X1,,Xn] n-változós polinomok egy halmaza (nem feltétlenül ideál a polinomgyűrűben). Ekkor a kn affin téren a Zariski-topológia zárt halmazai pontosan a

V(I)={(x1,,xn)kn:fI:f(x1,,xn)=0}, IR

halmazok, azaz azon pontok halmazai, amik valamely IR részhalmazban elemeinek közös zérushelyeiként állnak elő. A modern algebrai geometria számára az előbbi, a spektrumon alapuló megközelítés az alapvető; a gyűrűk spektrumaként előálló affin sémák a sémaelmélet alapkövei, az általános sémákat az affin sémák ún. összeragasztásával kapjuk. A fenti kn n-dimenziós affin tér megfelelője ekkor a SpecR[X1,,Xn] spektrum. A Hilbert-féle gyenge Nullstellensatz szerint a két fogalom egybeesik, ha k algebrailag zárt test (azaz nincsen nemtriviális algebrai bővítése) és R=k[X1,,Xn]. Az algebrai geometriai megközelítésben tehát a topológiai pontok szerepét a prímidálok veszik át, a fenti V és V operátorok közti kapcsolat alapján pedig gondolhatunk a gyűrű elemeire mint függvényekre.[22]

Nullstellensatz

Nullstellensatz név alatt több különböző, egymással összefüggő tételt lehet érteni, és a szakirodalomban a megnevezések nem teljesen egységesek. A következőkben az affin Nullstellensatz bizonyos variánsairól lesz szó; emellett az algebrai geometriában létezik még projektív illetve analitikus Nullstellensatz is. A Nullstellensatz szó németül zérushelytételt jelent. Gyenge Nullstellensatz: Legyen k algebrailag zárt test. Ekkor a k[X1,,Xn] gyűrű maximális ideáljai pontosan az (X1a1,,Xnan) alakú ideálok, ahol a1,,ank.[23] Nullstellensatz vagy Zariski-lemma: Ha k egy test, akkor k[X1,,Xn] bármely maximális ideáljának maradékteste véges bővítése k-nak.[24] Egy másik, szintén Nullstellensatznak nevezett tétel tartalmazásfordító bijektív (Galois-)kapcsolatot ír le az affin tér algebrai részhalmazai és a polinomgyűrű radikálideáljai között. Ennek leírásához először vezessük be az I operátort: legyen R gyűrű, SSpec(R) egy részhalmaz. Ekkor

I(S)=𝔭S𝔭

Intuitíve az I(S) halmaz az S-en eltűnő függvények halmazának felel meg. Könnyen ellenőrizhető, hogy I(S)R egy ideál, I rendezésváltó, és I(S)=I(S), ahol S az S lezártját jelöli a Zariski-topológiában.[25] Szükségünk lesz még a radikál fogalmára. Legyen JR egy ideál; ekkor J radikálja azon gyűrűelemekből áll, amelynek valamely hatványa J-ben van.

J={rR:n0,rnJ}

Nyilvánvaló, hogy JJ. Egy J ideált radikálideálnak nevezünk, ha J=J. Nullstellensatz: a V és I operátorok tartalmazásfordító bijekciót adnak meg a spektrum zárt részhalmazai és a gyűrű radikálideáljai között. Speciálisan V(I(S))=S, I(V(J))=J.[26]

Krull-dimenzió

A dimenzióelmélet a kommutatív algebra azon részterülete, ami gyűrűk (és modulusok) dimenziófogalmaival foglalkozik. Több különböző dimenziófogalom is létezik, és ezek általában nem esnek egybe. A Krull-dimenziót a következőképpen definiáljuk. Legyen 𝔭 az R gyűrű egy prímideálja. Ekkor a 𝔭 magassága a

0=𝔭0𝔭1𝔭n=𝔭

láncok n hosszának szuprémuma, ahol 𝔭0,,𝔭n prímideálok. Az R gyűrű Krull-dimenziója a prímideáljainak magasságainak szuprémuma:

dimR=sup{ht(𝔭):𝔭SpecR},

ahol Spec(R) az R spektruma, azaz a prímideálok halmaza. Mivel minden maximális ideál prím, ez megegyezik a maximális ideálok magasságainak szuprémumával. A definíció egyenes következménye, hogy egy prímideál magassága egyenlő a nála vett lokalizáció dimenziójával:

ht(𝔭)=dimR𝔭.[27]

Hasonló módon definiálható egy topologikus tér Krull-dimenziója is, ekkor prímideálok helyett irreducibilis zárt halmazok láncaival dolgozunk.[28] Ez adja a kapcsolatot az algebrai geometria dimenziófogalma felé: egy gyűrű spektrumán a Zariski-topológiára nézve vett topologikus Krull-dimenzió megegyezik a gyűrű fent definiált algebrai Krull-dimenziójával. A Noether-gyűrűk viszonylag jól viselkednek a Krull-dimenzióra nézve: ennek alapját Krull főideáltétele és ennek következménye, Krull magasságtétele jelentik. Krull főideáltétele a következőt állítja: legyen R Noether-gyűrű, rR a gyűrű egy eleme, és legyen r𝔭R egy tartalmazásra nézve minimális prímideál. Ekkor ht(𝔭)1. Más szavakkal, egy főideál feletti minimális prímideál legfeljebb egy magasságú. Krull magasságtétele a főideáltétel induktív következménye, és egyben annak általánosítása nem főideálokra. Legyen R Noether-gyűrű, legyenek r1,,rnR, és legyen 𝔭 egy ezeket tartalmazó minimális prímideál. Ekkor a tétel szerint ht(𝔭)n. Mivel Noether-gyűrűben minden ideál végesen generált, a magasságtételből következik, hogy minden prímideál magassága véges. Az ugyanakkor lehetséges, hogy ezek a magasságok nem korlátosak, és így a gyűrű Krull-dimenziója végtelen; erre először Nagata adott példát.[29]

Primér felbontás

Noether-gyűrűkben minden ideál felírható bizonyos speciális ideálok – az ún. primér ideálok – metszeteként. Legyen IR egy ideál. Ekkor az I radikálja

I={rR:n0:rnI},

azaz azon gyűrűelemek halmaza, amiknek valamely hatványa I-ben van. Könnyen ellenőrizhető, hogy II, és I ideál R-ben. Egy IR ideált primér ideálnak nevezünk, ha teljesül a következő:

ha a,bR és abR, akkor aI vagy bI.

Ez a prímideál definíciójának gyengítése, következésképpen minden prímideál primér. Ennek a részleges megfordítása is igaz: ha I primér, akkor I prímideál.[30] Noether-gyűrűben a metszetirreducibilis ideálok (azon ideálok, amik nem állnak elő két nagyobb ideál metszeteként), primér ideálok.[31] Ez azt sugallja, hogy a primér ideálok alkalmasak lehetnek arra, hogy a gyűrű ideáljainak metszetként való előállításának alkotóköveiként szolgáljanak. Legyen IR egy ideál, és tegyük fel, hogy I előáll véges sok primér ideál, mondjuk Q1,,Qm metszeteként:

I=i=1mQi.

Egy ilyen felírást irredundáns felbontásnak nevezünk, ha a metszetből semelyik Qi nem hagyható el, és QiQj, ha ij. A Lasker–Noether-tétel szerint egy R Noether-gyűrű bármely I ideáljának van irredundáns felbontása primér ideálok metszeteként, továbbá m értéke illetve a {Qi:1in} halmaz minden ilyen felbontásnál azonos.[32] Az algebrai geometria szempontjából a tétel a következő módon írható le. Legyen R=k[X1,,Xn] a k test feletti n változós polinomok gyűrűje. Ekkor R Noether-gyűrű Hilbert bázistétele értelmében. Legyen IR egy ideál, és tekintsük az I-beli polinomok közös zérushelyeit kn-ben:

V(I)={(x1,,xn)kn:fI:f(x1,,xn)=0}.

A kn ilyen módon előálló részhalmazait affin algebrai halmazoknak nevezzük. Legyen I=i=1mQi egy irredundáns primér felbontás; ekkor V(I) felbomlik a V(Qi) affin algebrai halmazok uniójára:

V(I)=i=1mV(Qi).

A V(Qi) halmazok irreducibilisek a Zariski-topológiában, azaz nem írhatók fel affin algebrai halmazok nemtriviális uniójaként.

Lásd még

Jegyzetek

  1. Atiyah–Macdonald Chapter 1
  2. Stacks 02IS
  3. Stacks 02IO
  4. Stacks 0AWW
  5. Eisenbud §1.1, p.21
  6. Zábrádi §3.11
  7. Eisenbud §1.1, p.22
  8. Zábrádi §3.12.1
  9. Eisenbud §1.1, p.23
  10. Eisenbud p.23
  11. Goldhaber–Ehrlich §7.1
  12. Stacks 02C5 (3)
  13. Stacks 07JZ
  14. Stacks 00CP
  15. Stacks 00CS
  16. Stacks 02C8
  17. Stacks 02C9
  18. Hilbert
  19. Eisenbud Corollary 1.3
  20. Stacks 00E1
  21. Stacks 00E2
  22. Vakil §3.2
  23. Vakil 3.2.4
  24. Vakil 3.2.5
  25. Vakil §3.7
  26. Vakil 3.7.1
  27. Stacks 00KD
  28. Stacks 0054
  29. Eisenbud Exercise 9.6.
  30. Pelikán 10.1.3 Állítás
  31. Pelikán
  32. Pelikán 10.1.10 és 10.2.5 Tétel

Források

Fordítás

  • Ez a szócikk részben vagy egészben a Commutative algebra című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
  • Ez a szócikk részben vagy egészben a Primary decomposition című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.