תרגול 5 ־ מבוא לחוגים ושדות אידיאלים ראשוניים
Transcription
תרגול 5 ־ מבוא לחוגים ושדות אידיאלים ראשוניים
תרגול 5־ מבוא לחוגים ושדות אידיאלים ראשוניים בתרגול הזה כל החוגים הם קומוטטיבים עם יחידה וההומומורפיזמים הם עם יחידה. במובן מסויים החוגים שהכי קל להבין הם שדות .כאשר חוג Rהוא לא שדה אז מנסים להבין אותו ע"י מציאת שדות שהם "קרובים" ל .Rשתיים מהצורות למצוא שדות כאלו הם לחפש תתי שדות )למשל Fבתוך חוג פולינומים, חוג מטריצות וכו'( ודרך שנייה זה ע"י חוגי מנה .אנחנו נתרכז בחוגי מנה. משפט ) 0.1מההרצאה( יהא Rחוג קומוטטיבי עם יחידה. R .1הוא שדה אמ"מ כל אידיאל ב Rהוא טריוויאלי )כלומר 0או .(R .2אם I E Rאידיאל ,אז R/Iשדה אמ"מ Iאידיאל מקסימלי ב .R הוכחה (1) :להוכיח לבד (2) .נובע מ ) (1כי האידיאלים ב R/Iמתאימים לאידיאלים ב Rשמכילים את ,Iולכן ב R/Iאין אידיאלים לא טריוויאלים אמ"מ Iאידיאל מקסימלי. הסוג השני של חוגים שהיינו מעדיפים לעבוד איתם הם חוגי שלמות ,כלומר חוגים שלא מכילים מחלקי אפס .כמו עם שדות ,בהינתן חוג Rננסה להבין אותו ע"י הבנת החוגי מנה שלו שהם תחומי שלמות. הגדרה 0.2אידיאל P E Rנקרא ראשוני אם R/Pהוא תחום שלמות. כל שדה הוא בפרט תחום שלמות ולכן נקבל ש מסקנה 0.3אם I E Rמקסימלי ,אז הוא גם ראשוני. במקרה של שדות ,החוג R/Iהוא שדה אמ"מ Iהוא אידיאל מקסימלי ,ומקסימליות זה אפיון של האידיאל )ולא של החוג מנה( .דבר דומה קורה עם אידיאלים ראשוניים. טענה 0.4יהא P E Rאידיאל .הראו ש Pראשוני אמ"מ לכל a, b ∈ Rכך ש ab ∈ Pמתקיים ש a ∈ Pאו ) b ∈ Pכלומר אם מכפלה נמצאת ב Pאז אחד הגורמים נמצא ב .(P הוכחה :יהא P E Rאידיאל. • האידיאל Pהוא ראשוני אמ"מ R/Pהוא תחום שלמות. • R/Pהוא תחום שלמות אמ"מ אין מחלקי אפס לא טריוויאלים ,כלומר אם [ab] = [a] [b] = 0אז [a] = 0 או .[b] = 0 • מאחר ו [x] = 0שקול ל ,x ∈ Pאז התנאי הקודם שקול לכך שאם ab ∈ Pאז a ∈ Pאו .b ∈ P טענה ) 0.5לבד( יהא I E Rאידיאל כלשהו .אז יש לנו התאמה בין אידיאלים בחוג מנה לאידיאלים ב Rשמכילים את Iהמוגדרת ע"י I ⊆ J E Rעובר ל .J/I הראו ש Jאידיאל ראשוני ב ) Rבהתאם מקסימלי( אמ"מ J/Iראשוני ב ) R/Iבהתאם מקסימלי(. 1 דוגמא: .1בחוג השלמים ,Zהאידיאלים הראשוניים P E Zהם בדיוק } P = {0ו P = hpiכאשר p ∈ Zראשוני. שימו לב שהאידיאלים מהצורה hpiהם מקסימלים בעוד שאידיאלים האפס הוא ראשוני אך לא מקסימלי. .2בחוג הפולינומים ] C [xהמצב דומה לשלמים ־ האידיאלים המקסימליים )ובפרט ראשוניים( הם מהצורה hx − αiואידיאל האפס הוא ראשוני אך לא מקסימלי. ∼ .3בחוג ] C [x, yהאידיאל hxiהוא ראשוני אך לא מקסימלי ־ זאת מאחר ו ]= C [y שלמות שאינו שדה. C[x,y]/hxi הוא תחום טענה 0.6אם P E Sראשוני ו ϕ : R → Sהומומורפיזם אז ) ϕ−1 (Pראשוני ב .R הוכחה :נסמן ב π : S → S/Pאת ההטלה הטבעית .נסתכל על ההעתקה π ◦ ϕ : R → S → S/Pכאשר לפי הנתון −1 S/Pהוא תחום שלמות .הגרעין של ההעתקה הזאת הוא בדיוק ) (π ◦ ϕ) (0) = ϕ−1 π −1 (0) = ϕ−1 (P ולכן ∼ )= R/(π◦ϕ)−1 (0) = R/ker(π◦ϕ = Im (π ◦ ϕ) ≤ S/P ) R/ϕ−1 (P קיבלנו שניתן לשכן את ) R/ϕ−1 (Pבתוך תחום שלמות S/Pולכן ) R/ϕ−1 (Pהוא גם תחום שלמות .מכאן נסיק ש ) ϕ−1 (Pהוא אידיאל ראשוני. הערה 0.7הטענה הקודמת אינה נכונה אם מחליפים את המילה "ראשוני" ב "מקסימלי". מסקנה 0.8אם R ⊆ Sתת חוג ו P E Sראשוני אז R ∩ Pראשוני. הוכחה :ניתן להוכיח ישירות ,או להשתמש בתרגיל הקודם :אם ι : R → Sזו העתקת השיכון ,אז .ι−1 (P ) = R∩P טענה 0.9מצאו את כל האידיאלים הראשוניים השונים מאפס ב 1 2 .Z הוא שאנחנו כבר "מכירים" את הראשוניים ב Zולכן ננסה להשתמש במיון שלהם כדי למיין את הוכחה: הרעיון הראשוניים ב .Z 21 a 1 יהא P E Z 2ראשוני ונסמן ,Q = P ∩ Zאז ממה שראינו Qהוא ראשוני P .שונה מאפס ולכן מכיל 2n עבור 0 6= a ∈ Z, n ∈ Nכלשהם ,ולכן הוא גם מכיל את ,a = 2n 2an ∈ Zכלומר 0 6= a ∈ Qגורר ש Qאינו אידיאל האפס. , Qאז מאחר ו 2 כל = האידיאלים ראשוניים שאינם אפס ב Zהם מהצורה ) (qעבור מספר ראשוני .qאם ) (2 הפיך ב Z 12נקבל בסתירה ש .P = Z 12לכן ) Q = (qעבור ראשוני qשונה מ .2נסמן , P 0 = q · Z 12אז P 0 ⊆ Pהם אידיאלים ב .Z 12מכאן נקבל הומומורפיזם על .ϕ : Z[ 12 ]/P 0 → Z[ 21 ]/Pקל לראות ש 1 Z[ 12 ]/q·Z[ 1 ] = Z/qZ 2 2 איברים .לשדה אין אידיאלים לא טריוויאלים ולכן ϕ אבל 21כבר נמצא בשדה! ולכן Z[ 12 ]/P 0הוא השדה עם q 1 היא חח"ע ובנוסף לכך שהיא על נקבל איזומורפיזם ,ובפרט .P = P 0 = q · Z 2 טענה ) 0.10לבד( מצאו את כל האידיאלים בחוג 2 - b | a, b ∈ Z, 2 a b .R = Z