Кіріспе

Алгебралық құрылым. Математикада, коммутативті сақина – көбейту амалы коммутативті болатын сақина. Коммутативті сақиналарды зерттеу коммутативтік алгебра деп аталады. Ал коммутативті емес алгебра – коммутативті сақиналарға ғана тән емес сақина қасиеттерін зерттейді. Мұндай ерекшелік коммутативті сақиналардың көптеген негізгі қасиеттерінің коммутативті емес сақиналарға қолданылмауынан туындайды.

Анықтама

Сақина – екі екілік операциямен жабдықталған жиын, яғни сақинаның кез келген екі элементін үшінші элементке біріктіретін операциялар. Бұл операциялар қосу және көбейту деп аталады және әдетте «+» және «·» белгілерімен белгіленеді; мысалы, a + b және a · b. Сақина құру үшін бұл екі операция бірқатар қасиеттерді қанағаттандыруы керек: сақина қосу бойынша абельдік топ, ал көбейту бойынша – моноид болуы керек, мұнда көбейту қосу бойынша таралады; яғни, қосу мен көбейтудің бейтарап элементтері сәйкесінше 0 және 1 деп белгіленеді. Егер көбейту коммутативті болса, яғни a · b = b · a, онда сақина коммутативті сақина деп аталады. Осы мақаланың қалған бөлігінде, егер басқаша нақты көрсетілмесе, барлық сақиналар коммутативті болады.

Алғашқы мысалдар

Маңызды мысал, және белгілі бір мағынада шешуші, – қосу және көбейту екі операциясы бар бүтін сандар сақинасы. Бүтін сандарды көбейту операциясы коммутативті болғандықтан, бұл коммутативті сақина болып табылады. Ол әдетте неміс сөзі Zahlen (сандар) деген сөздің аббревиатурасы ретінде белгіленеді. Өріс – нөлден өзгеген әрбір элементі керіленетін коммутативті сақина; яғни, көбейтуге кері элементі бар, сондықтан, анықтама бойынша, кез келген өріс коммутативті сақина болып табылады. Рационал, нақты және кешенді сандар өрістерді құрайды. Егер берілген коммутативті сақина болса, онда коэффициенттері осы сақинаға жататын айнымалыдағы барлық көпмүшелер жиыны көпмүшелік сақинаны құрайды, және бұл бірнеше айнымалылар үшін де осылай. Егер – топологиялық кеңістік болса, мысалы, қандай да бір , онда нақты немесе кешенді мәнді үздіксіз функциялар жиыны коммутативті сақинаны құрайды. Бұл екі түсінік анықталған жағдайда, мысалы, кешенді көптүрлілік үшін, дифференциалданатын немесе голоморфты функциялар үшін де осылай.

Бөліну мүмкіндігі

Өрістерде, әрбір нөлден өзге элемент көбейтуге кері болатын болса, сақиналарда бөліну ұғымы көбірек мазмұнға ие. Егер сақинадағы элементтің көбейтуге керісі болса, онда ол бірлік деп аталады. Элементтердің тағы бір ерекше түрі – нөлдік бөлгіштер, яғни сақинада нөлден өзге элементтердің көбейтіндісі нөлге тең болатын элемент. Егер сақинада нөлден өзге нөлдік бөлгіштер болмаса, онда ол тұтас домен (немесе домен) деп аталады. Егер элемент кез келген оң бүтін санға қанағаттандырса, онда ол нильпотентті деп аталады.

Идеалдар мен модульдер

Келесі ұғымдардың көптегені коммутативті емес сақиналар үшін де қолданылады, бірақ олардың анықтамалары мен қасиеттері көбінесе күрделірек болады. Мысалы, коммутативті сақинадағы барлық идеалдар автоматты түрде екі жақты болып табылады, бұл жағдайды едәуір жеңілдетеді.

Модульдер

Сақина үшін модуль, өріс үшін векторлық кеңістік болғандай, сондай-ақ сақина үшін де векторлық кеңістік сияқты болады. Яғни, модульдегі элементтерді қосуға болады, оларды сақина элементтерімен векторлық кеңістік үшін қолданылатын аксиомаларға сәйкес көбейтуге болады. Модульдерді зерттеу векторлық кеңістіктерді зерттеуге қарағанда күрделірек, себебі базисі жоқ модульдер бар, яғни элементтері сызықтық тәуелсіз болатын жабатын жиынтықты қамтымайтын модульдер кездеседі. Базисі бар модульді еркін модуль деп атайды, бірақ еркін модульдің ішкі модулі міндетті түрде еркін болмауы мүмкін. Шектелген типтегі модуль – шектелген жабатын жиынтығы бар модуль. Комутативті сақиналар теориясында шектелген типтегі модульдер, сызықтық алгебрадағы шектелген өлшемді векторлық кеңістіктердің атқаратын рөліне ұқсас, маңызды рөл атқарады. Атап айтқанда, Нотериан сақиналары (төменде де қараңыз) – бұл кез келген шектелген типтегі модульдің ішкі модулі де шектелген типтегі болатын сақиналар деп анықталады.

Идеалдар

Сақина идеалдары — бұл модульдің ішкі модульдері, яғни модульдердің құрамында орналасқандары. Нақтырақ айтқанда, идеал — бұл бос емес жиынтық, онда кез келген және үшін, екеуі де сол жиынтықта болады. Әртүрлі қолданыстар үшін сақина идеалдарын түсіну ерекше маңызды, бірақ көбінесе модульдерді жалпы түрде зерттеу арқылы оған жетеді. Кез келген сақинада екі идеал бар, атап айтқанда, нөлдік идеал және бүкіл сақина. Бұл екі идеал — егер сақина өріс болса ғана. Кез келген жиынтықты (индекс жиынтығы бар) қарастырғанда, осы жиынтықпен туындаған идеал — оны қамтитын ең кіші идеал. Басқаша айтқанда, ол шекті сызықтық комбинациялар арқылы беріледі.

Негізгі идеалдық салалар

Егер бір элементтен тұрса, онда одан туындайтын идеал , яғни кез келген элементтер үшін түріндегі элементтердің көбейтінділерінен тұрады. Мұндай идеал негізгі идеал деп аталады. Егер әрбір идеал негізгі идеал болса, онда ол негізгі идеал сақинасы деп аталады; екі маңызды жағдай — және , бір өріс үстіндегі полиномдық сақина. Бұл екеуі домендер болып табылады, сондықтан оларды негізгі идеал домендері деп атайды. Жалпы сақиналардан айырмашылығы, негізгі идеал домені үшін жеке элементтердің қасиеттері сақинаның қасиеттерімен тығыз байланысты. Мысалы, кез келген негізгі идеал домені бірегей факторлау домені (UFD) болып табылады, яғни кез келген элементті қайталанбайтын элементтердің көбейтіндісі түрінде (факторларды реттеуге дейін) бірегей түрде жазуға болады. Мұнда, домендегі элемент, егер оны көбейтінді түрінде жазудың жалғыз жолы бірлікке көбейту болса, қайталанбайтын деп аталады. Өріс теориясында маңызды мысал — редукцияланбайтын полиномдар, яғни бір өріс үшін редукцияланбайтын элементтер. -ның UFD екенін қарапайым түрде былай айтуға болады: кез келген натурал санды жай сандардың дәрежелерінің көбейтіндісі түрінде бірегей түрде жіктеуге болады. Бұл арифметиканың негізгі теоремасы деп те аталады. Егер элемент көбейтіндіні бөлетін болса, онда ол немесе бөлінеді. Доменде, жай болу қайталанбайтын болуды білдіреді. Бірегей факторлау доменінде керісінше де дұрыс, бірақ жалпы жағдайда бұл рас емес.

Спектр

Сақинаның спектрі, белгісі Spec(R), – барлық жай идеалдардың жиыны. Ол Зариски топологиясымен жабдықталған, онда ашық ішкі жиындардың негізі кез келген сақина элементі үшін келесі түрде беріледі:
{x ∈ Spec(R) | f(x) ≠ 0}, мұндағы f – кез келген сақина элементі. f-ті f mod p мәнін қабылдайтын функция ретінде қарастырсақ (яғни, f-тің қалдық өрісі R/p-дегі бейнесі), бұл ішкі жиын f-тің нөлге тең болмайтын жерлерін көрсетеді. Спектр сондай-ақ локализация және факторлық сақиналардың өзара толықтыратындығын көрсетеді: R → Rf және R → R/fR табиғи бейнелеулері, сақиналардың спектрлерін олардың Зариски топологиясымен жабдықтағаннан кейін, тиісінше толықтыратын ашық және жабық ендірулерге сәйкес келеді. Тіпті қарапайым сақиналар үшін де, мысалы, оң жақта көрсетілгендей 1=R=Z үшін, Зариски топологиясы нақты сандар жиынындағы топологиядан өте өзгеше. Спектрде максималды идеалдар жиыны бар, ол кейде mSpec(R) деп белгіленеді. Алгебралық жабық k өрісі үшін mSpec(k[T1, …, Tn]/(f1, …, fm)) жиыны 1= {x = (x1, …, xn) ∈ kn | f1(x) = … = fm(x) = 0} жиынымен бір-бірге сәйкес келеді. Осылайша, максималды идеалдар көпмүшелердің шешімдер жиындарының геометриялық қасиеттерін көрсетеді, бұл коммутативті сақиналарды зерттеудің бастапқы мотивациясы болып табылады. Алайда, сақинаның геометриялық қасиеттерінің бір бөлігі ретінде максималды емес идеалдарды қарастыру бірнеше себептермен пайдалы. Мысалы, минималды жай идеалдар (яғни, кішірек идеалдарды қатаң қамтымайтын идеалдар) Spec R-дің өзіндік компоненттеріне сәйкес келеді. Нотериандық R сақинасы үшін Spec R-де тек шекті санда өзіндік компоненттер бар. Бұл бастапқы жіктеудің геометриялық түрі болып табылады, онда кез келген идеалды шекті сандағы жай идеалдардың көбейтіндісі ретінде жіктеуге болады. Бұл факт Дедекинд сақиналарындағы жай идеалдарға жіктеудің толық жалпылауы болып табылады.

Сырлас схемалар

Спектр түсінігі коммутативтік алгебра мен алгебралық геометрияның ортақ негізі болып табылады. Алгебралық геометрия Spec R-ге бір шоғыр (функцияларды жергілікті түрде, яғни әртүрлі ашық ішкі жиындарда анықталған күйінде жинақтайтын объект) қосу арқылы жүзеге асырылады. Кеңістік пен шоғырдың мәліметтері аффиндік схема деп аталады. Аффиндік схема берілген жағдайда, негізгі сақина R-ді оның жаһандық қималары арқылы қайта қалпына келтіруге болады. Бұған қоса, сақиналар мен аффиндік схемалар арасындағы бір-бірге сәйкестік сақина гомоморфизмдерімен де үйлесімді: кез келген f : R → S кері бағыттағы үздіксіз бейнелеуді тудырады, яғни Spec S → Spec R, q ↦ f−1(q), S-тің кез келген жай идеалдары f астындағы кері бейнесіне, ол R-дің жай идеалы болып табылады, бейнеленеді. Аталған екі санаттың эквиваленттілігі сақиналардың алгебралық қасиеттерін геометриялық тұрғыдан тиімді көрсетеді. Қөпқырлылықтар Rn-нің ашық ішкі жиындарымен жергілікті түрде берілгені сияқты, аффиндік схемалар схемалардың жергілікті үлгілері болып табылады, ал схемалар алгебралық геометрияда зерттелетін объектілер болып табылады. Сондықтан коммутативтік сақиналарға қатысты көптеген түсініктер геометриялық түйсіктерден туындайды.

Шекті ұрпақ

R алгебрасы S, егер s1, …, sn элементтерінің саны шектеулі болса, онда ол шекті түрде туынды деп аталады (алгебра ретінде), яғни S-тің кез келген элементін si-лердің көпмүшесі ретінде өрнектеуге болады. Балама түрінде, S, R[T1, …, Tn] / I-ге изоморфты. Көп күшті талап – S-тің R модуль ретінде шекті түрде туынды болуы, яғни S-тің кез келген элементін s1, …, sn-нің шектеулі жиынының R-сызықтық комбинациясы ретінде өрнектеуге болады.

Коммутативтік сақиналарды құру

Берілген сақиналардан жаңа сақиналар құрудың бірнеше тәсілі бар. Мұндай құрастырулардың мақсаты көбінесе сақинаның белгілі бір қасиеттерін жақсарту болып табылады, осылайша оны түсінуді жеңілдету үшін. Мысалы, бөлшектер өрісінде интегралды жабық интегралды домен қалыпты деп аталады. Бұл қажетті қасиет, мысалы, кез келген қалыпты бір өлшемді сақина міндетті түрде реттеулі болады. Сақинаны қалыпты ету нормализация деп аталады.

Аяқталуы

Егер I – R коммутативті сақинадағы идеал болса, I-нің дәрежелері 0-дің топологиялық аймақтарын құрайды, бұл R-ді топологиялық сақина ретінде қарастыруға мүмкіндік береді. Бұл топология I-адикалық топология деп аталады. R осы топологияға қатысты толықтырылуы мүмкін. Формальды түрде, I-адикалық толықтыру – R/In сақиналарының кері лиміті. Мысалы, егер k – өріс болса, k[[X]], k-ның бір айнымалысы бойынша формальды қуат қатарларының сақинасы, I – X-тің тудырған негізгі идеалы болғанда k[X]-тің I-адикалық толықтырылуы болып табылады. Бұл сақина дискінің алгебралық аналогы болып табылады. Сол сияқты, p-адикалық бүтін сандардың сақинасы – Z-нің негізгі идеалға (p) қатысты толықтырылуы. Өзінің толықтырылуымен изоморфты кез келген сақина толық деп аталады. Толық жергілікті сақиналар Хенсел леммасын қанағаттандырады, ол шамамен айтқанда, қалдық өріс k-ден R-ге түрлі мәселелердің шешімдерін кеңейтуге мүмкіндік береді.

Гомологиялық ұғымдар

Коммутативті сақиналардың бірнеше терең мәселелері гомологиялық алгебра әдістерімен зерттелді. Бұл белсенді зерттеу саласындағы ашық сұрақтардың тізімі берілген.

Қасиеттері

Веддерберн теоремасы бойынша, кез келген шекті бөліну сақинасы коммутативті болады, демек шекті өріс. Якобсонға тиесілі сақинаның коммутативтілігін қамтамасыз ететін тағы бір шарт: R сақинасының кез келген r элементі үшін 1=rn = r теңдігін қанағаттандыратын n > 1 бүтін саны табылады. Егер барлық r элементтері үшін 1=r2 = r болса, онда сақина Буль сақинасы деп аталады. Сақинаның коммутативтілігін қамтамасыз ететін жалпырақ шарттар да белгілі.

Қарапайым коммутативтік сақиналар

Симплициялды коммутативті сақина – коммутативті сақиналар санатындағы симплициялды объект. Олар (байланысты) туынды алгебралық геометрияның құрылыс блоктары болып табылады. Оған жақын, бірақ көбірек жалпылама түсінік – E∞ сақинасы.