SYSTEMATIC MATHEMATICS

交换代数

在一个素理想附近研究环是什么意思?有限生成为什么能阻止理想无限漂移?素理想链怎样度量维数?正规化怎样修复奇异坐标环而不抹去其算术?本课程用 10 个按内容定长的单元、53 个可见双语章节回答这些问题,单元长度依次为 6、5、6、5、6、5、5、6、5、4。课程构造环与模的局部化、素谱与 Zariski 拓扑、正合列、Hom 与张量积、平坦性、Noether 与 Artin 条件、整依赖、lying-over 与 going-up、正规化、主分解与伴随素理想、Krull 维数、局部环、Nakayama 引理、完备化、正则局部环、深度与 Cohen–Macaulay 结构、Gröbner 证据、Nullstellensatz,以及一份完整尖点环档案。每个环、单位元约定、理想、模的标量、分母集、有限性假设、素理想链、局部化、完备化拓扑及计算证据与结构证明的边界都会明确说明。本课不会把一张生成理想列表冒充素性证明,不会从一次局部化猜整体相等,也不冒充同调代数、代数几何、代数数论、计算机代数系统或概形理论。

本课程之前: 已完成抽象代数、证明、逻辑与集合论及线性代数。学习者应掌握含幺交换环、理想、商环、环同态、多项式环、域、向量空间、基、线性映射、核、像、行列式、等价关系与归纳证明。Galois 理论与有限域及数论可提供动机,但不是先修。本课不预设范畴论、同调代数、代数几何、代数数论、Gröbner 基软件或概形理论。

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第 1 章

单位、零因子、幂零元与幂等元揭示不同的非域行为

目标: 为什么 3̄·4̄=0̄ 并不使两个因子中的任一个自动成为幂零元?

交换环允许加、减、乘,却不允许除以每个非零元素。四类元素回答不同问题:它能否求逆、能否杀死某个非零元素、某次幂是否为零、是否把环分成两个持续存在的部分? 开始时先写明交换环及其单位元、每个理想或乘法集、模的标量环,以及正在使用其核、像、局部化或泛性质的映射。本章准确结论是:每个幂等元 e 都通过 r↦(er,(1−e)r) 给出环同构 R≅eR×(1−e)R;因此非平凡幂等元编码乘积分解。

本章计算的对象是:交换环 R 含 1≠0,除非另行声明。单位 u 满足某个 v 使 uv=1。非零零因子 a 满足某个非零 b 使 ab=0。幂零元 n 满足某个 k≥1 的 n^k=0。幂等元 e 满足 e²=e。整环没有非零零因子。 交换代数用准确映射与泛性质替代非法除法,并在推出几何或算术结论前检查有限生成、素支撑与局部假设。

请不照抄图或软件分解,重建准确题目“在 R=Z/12Z 中列出单位,给出一个非零幂零元,找出全部幂等元,并用 e=4 识别乘积分解。”。逐项核验理想包含、分母条件、模关系与诱导映射,再检验这个限制:零因子未必幂零,幂零元也未必幂等。零环与无单位元环需要调整约定;本课遇到时会明确说明。

每个幂等元 e 都通过 r↦(er,(1−e)r) 给出环同构 R≅eR×(1−e)R;因此非平凡幂等元编码乘积分解。

因为 e²=e、e(1−e)=0,集合 eR 与 (1−e)R 分别是以 e、1−e 为单位元的环;所示映射保持加法与乘法。

若 er=0 且 (1−e)r=0,则 r=er+(1−e)r=0,所以映射单射。

对任意 (ea,(1−e)b),元素 r=ea+(1−e)b 因交叉乘积为零而映回该二元组;所以映射满射。

在 R=Z/12Z 中列出单位,给出一个非零幂零元,找出全部幂等元,并用 e=4 识别乘积分解。

  1. 剩余类恰在与 12 互素时为单位,得到 {1̄,5̄,7̄,11̄};又有 6̄²=36̄=0̄,所以 6̄ 是非零幂零元。
  2. 检查 x(x−1)≡0 mod 12,或组合模 3 与模 4 的幂等元,得到 e∈{0̄,1̄,4̄,9̄}。
  3. 对 e=4̄,eR={0̄,4̄,8̄}≅Z/3Z,且 (1−e)R=9̄R={0̄,3̄,6̄,9̄}≅Z/4Z,所以 R≅Z/3Z×Z/4Z。

结果: R^×={1̄,5̄,7̄,11̄};6̄ 幂零;幂等元为 0̄、1̄、4̄、9̄;4̄ 给出 Z/12Z≅Z/3Z×Z/4Z。