Введение
В математике, и в частности в теории колец, левый, правый или двусторонний идеал кольца называется ниль-идеалом, если каждый его элемент является нильпотентным. Нильрадикал коммутативного кольца является примером ниль-идеала; более того, это идеал, максимальный относительно свойства быть ниль-идеалом. К сожалению, множество нильпотентных элементов не всегда образует идеал для некомутативных колец. Ниль-идеалы по-прежнему связаны с интересными нерешенными вопросами, в частности, с нерешенным предположением Кёте.
Коммутативные кольца
В коммутативных кольцах нулевые идеалы изучены лучше, чем в некомутативных кольцах, главным образом потому, что в коммутативных кольцах произведения, включающие нильпотентные элементы, и суммы нильпотентных элементов также являются нильпотентными. Это происходит потому, что если a и b – нильпотентные элементы R, такие что aⁿ = 0 и bᵐ = 0, а r – любой элемент R, то (a·r)ⁿ = aⁿ·rⁿ = 0, и по биномиальной теореме (a+b)ᵐ⁺ⁿ = 0. Следовательно, множество всех нильпотентных элементов образует идеал, известный как нильрадикал кольца. Поскольку нильрадикал содержит каждый нильпотентный элемент, идеал коммутативного кольца является нулевым тогда и только тогда, когда он является подмножеством нильрадикала, и, следовательно, нильрадикал является максимальным среди не-нулевых идеалов. Более того, для любого нильпотентного элемента a коммутативного кольца R идеал aR является нулевым. Однако для некомутативного кольца в общем случае неверно, что множество нильпотентных элементов образует идеал, или что aR является нулевым (односторонним) идеалом, даже если a нильпотентен.
Некоммутативные кольца
Теория нулевых идеалов имеет большое значение в некомутативной теории колец. В частности, через понимание ниль-колец — колец, в которых каждый элемент нильпотентен — можно получить гораздо лучшее понимание более общих колец. В случае коммутативных колец всегда существует максимальный нулевой идеал: нильрадикал кольца. Существование такого максимального нулевого идеала в случае некоммутативных колец гарантируется тем фактом, что сумма нулевых идеалов снова является нулевым идеалом. Однако доказательство того, что сумма двух левых нулевых идеалов снова является левым нулевым идеалом, остаётся неподтверждённым; это открытая проблема, известная как гипотеза Кёте. Гипотеза Кёте была впервые сформулирована в 1930 году и остаётся нерешённой по состоянию на 2023 год.
Отношение к нильпотентным идеалам
Понятие нулевого идеала имеет глубокую связь с понятием нильпотентного идеала, и в некоторых классах колец эти два понятия совпадают. Если идеал нильпотентен, то он, безусловно, нулевой. Существует два основных препятствия для того, чтобы нулевой идеал был нильпотентным:
Не обязательно существует верхняя граница для степени, необходимой для аннулирования элементов. Может потребоваться произвольно высокая степень. Произведение n нулевых элементов может быть ненулевым при произвольно большом n.
Очевидно, что для того, чтобы нулевой идеал считался нильпотентным, необходимо преодолеть оба эти препятствия. В правом артиновом кольце любой нулевой идеал является нильпотентным. Это доказывается тем, что любой нулевой идеал содержится в радикале Якобсона кольца, и поскольку радикал Якобсона является нильпотентным идеалом (в силу артиновой гипотезы), то результат следует из этого. Фактически, это было обобщено на правые нётеровы кольца; результат известен как теорема Левицкого. Особенно простое доказательство, принадлежащее Утуми, можно найти в [здесь].
There need not be an upper bound on the exponent required to annihilate elements. Arbitrarily high exponents may be required. The product of n nilpotent elements may be nonzero for arbitrarily high n.
Clearly both of these barriers must be avoided for a nil ideal to qualify as nilpotent. In a right artinian ring, any nil ideal is nilpotent. This is proved by observing that any nil ideal is contained in the Jacobson radical of the ring, and since the Jacobson radical is a nilpotent ideal (due to the artinian hypothesis), the result follows. In fact, this has been generalized to right noetherian rings; the result is known as Levitzky's theorem. A particularly simple proof due to Utumi can be found in .