Kommutatív algebra

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
(Lokalizálás (matematika) szócikkből átirányítva)
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[szerkesztés]

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

egyenletnek nincs a racionális egész számok között -tól különböző megoldása, ha . Az állítás könnyen redukálható arra az esetre, ha prímszám. Egy lehetséges útnak tűnt a bizonyítás felé az egyenlet bal oldalának faktorizálása: ha helyett -ben dolgozunk, ahol primitív -edik egységgyök, akkor a bal oldal szorzattá bontható: . Így a bal és a jobb oldalon is egy tényezős szorzat szerepel. Ha most alkalmazhatnánk a számelmélet alaptételét -ben, akkor mindkét oldalt prímelemek szorzatára bonthatnánk, ami ellentmondáshoz vezethetne. A probléma viszont az, hogy a 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 -kre, amik nem osztják a 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 test feletti polinom gyökeivel való bővítést 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[szerkesztés]

Konvenció: a továbbiakban gyűrű alatt kommutatív egységelemes gyűrűt értünk.

Noether-gyűrűk[szerkesztés]

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

lánca stabilizálódik, azaz létezik olyan n, hogy:

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

Lokalizáció[szerkesztés]

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 gyűrű egy olyan részhalmaza, ami tartalmazza a gyűrű egységelemét, és ha , akkor .

Tekintsük a következő relációt az halmazon: akkor és csak akkor, ha létezik olyan , hogy . Könnyen ellenőrizhető, hogy ez ekvivalenciareláció. Az gyűrű -nél vett lokalizáltja ekkor az erre a relációra nézve vett ekvivalenciaosztályok halmaza; a továbbiakban az elem osztályát jelöli. A lokalizálton az összeadást és a szorzást a következőképpen definiáljuk:

, .

A kapott gyűrűn a zéruselem így , az egységelem lesz.

Jegyezzük meg, hogy a „nevezők” halmazában megengedjük a zéróosztókat. Ha tartalmaz egy zéróosztót, akkor . Ha nullosztómentes, akkor akkor beágyazható a lokalizáltba az

leképezéssel.

Ha az összes nemnullosztójából áll, akkor a lokalizáltat az teljes hányadosgyűrűjének nevezzük.[12]

Fontos speciális eset, amikor egy prímideál komplementere. Ekkor a prímideál definíciója révén multiplikatív halmazt kapunk. Ilyenkor a lokalizált szokásos jelölése .

A lokalizáció fogalma kiterjed a gyűrű fölötti modulusokra is: ha egy -modulus, akkor analóg módon definiálható az -modulus.[13]

A lokalizáció néhány fontos tulajdonsága:

  • A lokalizáció rendelkezik a következő univerzális tulajdonsággal: bármely -en értelmezett gyűrűhomomorfizmus, amely elemeit egységekbe viszi, keresztülfaktorizál az lokalizálton.[14]
  • A lokalizáció egzakt funktor.[15]
  • A lokalizáció tartja a faktorstruktúrát.[16]
  • A lokalizált ideáljai az eredeti gyűrű ideáljainak lokalizáltjai.[17]

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

Hilbert bázistétele[szerkesztés]

Hilbert bázistétele szerint ha Noether-gyűrű, akkor az feletti egyváltozós polinomok gyűrűje is Noether-gyűrű. A tételből indukció útján következik, hogy ha Noether-gyűrű, akkor 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 egy test, legyen adott feletti -változós polinomok egy

halmaza, és tekintsük azon részhalmazát, amelyen valamennyi eltűnik, azaz

.

Ekkor -nek van olyan véges részhalmaza, hogy

,

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

Zariski-topológia[szerkesztés]

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

.

Tekintsük ezeket a halmazokat az összes részhalmazra, és definiáljuk a spektrumon a Zariski-topológiát mint azt a topológiát, amiben pontosan ezek a halmazok a zárt részhalmazok.[20] Ekkor egy kontravariáns funktor a gyűrűk kategóriájából a topologikus terek kategóriájába.[21] Az így definiált topologikus teret az algebrai geometriában affin sémának nevezik.

A klasszikus algebrai geometriában a Zariski-topológia fogalma egy másik értelemben is használatos. Legyen egy test, és legyen -változós polinomok egy halmaza (nem feltétlenül ideál a polinomgyűrűben). Ekkor a affin téren a Zariski-topológia zárt halmazai pontosan a

,

halmazok, azaz azon pontok halmazai, amik valamely 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 -dimenziós affin tér megfelelője ekkor a spektrum. A Hilbert-féle gyenge Nullstellensatz szerint a két fogalom egybeesik, ha algebrailag zárt test (azaz nincsen nemtriviális algebrai bővítése) és .

Az algebrai geometriai megközelítésben tehát a topológiai pontok szerepét a prímidálok veszik át, a fenti és operátorok közti kapcsolat alapján pedig gondolhatunk a gyűrű elemeire mint függvényekre.[22]

Nullstellensatz[szerkesztés]

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 algebrailag zárt test. Ekkor a gyűrű maximális ideáljai pontosan az alakú ideálok, ahol .[23]

Nullstellensatz vagy Zariski-lemma: Ha egy test, akkor bármely maximális ideáljának maradékteste véges bővítése -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 operátort: legyen gyűrű, egy részhalmaz. Ekkor

Intuitíve az halmaz az -en eltűnő függvények halmazának felel meg. Könnyen ellenőrizhető, hogy egy ideál, rendezésváltó, és , ahol az lezártját jelöli a Zariski-topológiában.[25]

Szükségünk lesz még a radikál fogalmára. Legyen egy ideál; ekkor radikálja azon gyűrűelemekből áll, amelynek valamely hatványa -ben van.

Nyilvánvaló, hogy . Egy ideált radikálideálnak nevezünk, ha .

Nullstellensatz: a és operátorok tartalmazásfordító bijekciót adnak meg a spektrum zárt részhalmazai és a gyűrű radikálideáljai között. Speciálisan , .[26]

Krull-dimenzió[szerkesztés]

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 az gyűrű egy prímideálja. Ekkor a magassága a

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

,

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:

.[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 Noether-gyűrű, a gyűrű egy eleme, és legyen egy tartalmazásra nézve minimális prímideál. Ekkor . Más szavakkal, egy főideál feletti minimális prímideál legfeljebb egy magasságú.

Krull magasságtétele a főideáltétel induktív következménye, és egyben annak általánosítása nem főideálokra. Legyen Noether-gyűrű, legyenek , és legyen egy ezeket tartalmazó minimális prímideál. Ekkor a tétel szerint .

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[szerkesztés]

Noether-gyűrűkben minden ideál felírható bizonyos speciális ideálok – az ún. primér ideálok – metszeteként.

Legyen egy ideál. Ekkor az radikálja

,

azaz azon gyűrűelemek halmaza, amiknek valamely hatványa -ben van. Könnyen ellenőrizhető, hogy , és ideál -ben.

Egy ideált primér ideálnak nevezünk, ha teljesül a következő:

ha és , akkor vagy .

Ez a prímideál definíciójának gyengítése, következésképpen minden prímideál primér. Ennek a részleges megfordítása is igaz: ha primér, akkor 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 egy ideál, és tegyük fel, hogy előáll véges sok primér ideál, mondjuk metszeteként:

.

Egy ilyen felírást irredundáns felbontásnak nevezünk, ha a metszetből semelyik nem hagyható el, és , ha .

A Lasker–Noether-tétel szerint egy Noether-gyűrű bármely ideáljának van irredundáns felbontása primér ideálok metszeteként, továbbá értéke illetve a halmaz minden ilyen felbontásnál azonos.[32]

Az algebrai geometria szempontjából a tétel a következő módon írható le. Legyen a test feletti változós polinomok gyűrűje. Ekkor Noether-gyűrű Hilbert bázistétele értelmében. Legyen egy ideál, és tekintsük az -beli polinomok közös zérushelyeit -ben:

.

A ilyen módon előálló részhalmazait affin algebrai halmazoknak nevezzük. Legyen egy irredundáns primér felbontás; ekkor felbomlik a affin algebrai halmazok uniójára:

.

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

Lásd még[szerkesztés]

Jegyzetek[szerkesztés]

  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[szerkesztés]

Fordítás[szerkesztés]

  • 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.