الرياضيات · المسرد

ما معنى المثالي؟

يُعرف أيضًا باسم: مثالي · حلقة القسمة

تعريف 1.25 الرياضيات الجامعية — السنة 2 · الفصل 1 — المجموعات والبنى

لتكن AA حلقة تبادلية. المثالي IAI \subseteq A هو زمرة جزئية جمعية تحقق axIa x \in I لكل aAa \in A وxIx \in I. ونوى تشاكلات الحلقات مثاليات؛ ويكون I=AI = A إذا وفقط إذا 1I1 \in I إذا وفقط إذا احتوى II وحدة. والمثالي المولَّد بالعنصر xx هو xA={xa}xA = \{xa\} (ويُسمى مثاليًا رئيسيًا).

أمثلة

مثال 1.27 (قاسم مشترك أكبر لكثيري حدود، بطريقتين)

لنحسب gcd(X31, X21)\gcd(X^3 - 1,\ X^2 - 1) في Q[X]\Q[X]. بخوارزمية إقليدس:

X31=X(X21)+(X1),X21=(X+1)(X1)+0,X^3 - 1 = X\,(X^2 - 1) + (X - 1), \qquad X^2 - 1 = (X + 1)(X - 1) + 0 ,

فالقاسم المشترك الأكبر هو X1X - 1، ويعطي التعويض الرجوعي علاقة بيزو

X1=1(X31)X(X21).X - 1 = 1\cdot(X^3 - 1) - X\cdot(X^2 - 1).

بالمثاليات: المثالي (X31)Q[X]+(X21)Q[X](X^3 - 1)\Q[X] + (X^2 - 1)\Q[X] رئيسي (المبرهنة 1.26)؛ وهو يحتوي X1X - 1 (حسب الصيغة المعروضة) ومحتوى في (X1)Q[X](X - 1)\Q[X] (لأن المولّدين ينعدمان عند 11، ومن ثم فهما مضاعفان لكثير الحدود X1X - 1): فالمولّد الموحَّد هو X1X - 1. والفكرة الختامية: وجهة نظر المثاليات تحدد القاسم المشترك الأكبر دون قسمة — فالجذور المشتركة تحدد موقع المثالي، وإقليدس لا يفعل سوى التصديق عليه.

مثال 1.34 (تشاكل تقييم ونواته)

لنأخذ A=(0100)A = \begin{pmatrix}0 & 1\\ 0 & 0\end{pmatrix} وتطبيق التقييم εA ⁣:R[X]M2(R)\varepsilon_A \colon \R[X] \to \mathcal{M}_2(\R)، PP(A)P \mapsto P(A). بما أن A2=0A^2 = 0، فإن

P(A)=P(0)I+P(0)A=(P(0)P(0)0P(0)),P(A) = P(0)\,I + P'(0)\,A = \begin{pmatrix} P(0) & P'(0)\\ 0 & P(0)\end{pmatrix},

(إذ لا يبقى من PP إلا الحدّان الثابت والخطي). ومنه kerεA={P:P(0)=P(0)=0}=X2R[X]\ker\varepsilon_A = \{P : P(0) = P'(0) = 0\} = X^2\,\R[X]: وهو مثالي رئيسي، تمامًا كما تتنبأ به المبرهنة 1.26، ومولَّد بكثير الحدود X2X^2 الموحَّد ذي الدرجة الدنيا في النواة — أي كثير الحدود الأدنى للمصفوفة AA، بطل الفصل 3. والصورة هي الجبر التبادلي ذو البعد اثنين {aI+bA}\{aI + bA\}: فتشاكلات التقييم تقلّص R[X]\R[X] غير المنتهي البعد إلى جبور صغيرة قابلة للحساب.

اقرأ في الفصل ←
تعريف 2.1 الرياضيات الجامعية — السنة 3 · الفصل 2 — الحلقات والحساب

المثالي II في حلقة AA هو زمرة جزئية جمعية تحقق AIIAI \subseteq I. وحلقة القسمة A/IA/I هي زمرة القسمة (A,+)/I(A, +)/I مزوّدةً بالضرب (a+I)(b+I)=ab+I(a + I)(b + I) = ab + I: وهو معرَّف تعريفًا سليمًا، لأن تبديل aa بالمقدار a+xa + x و bb بالمقدار b+yb + y (حيث x,yIx, y \in I) يغيّر abab بمقدار ay+xb+xyIay + xb + xy \in I. والإسقاط π ⁣:AA/I\pi \colon A \to A/I تشاكل حلقات شامل نواته II، ونوى تشاكلات الحلقات هي بالضبط المثاليات.

أمثلة

مثال 2.20 (حلقة بلا تفكيك وحيد)

ليس أيٌّ من الاستلزامين إقليدية \Rightarrow رئيسية \Rightarrow تفكيكية تكافؤًا، ويستحق إخفاق الأخير أن نراه مرة واحدة بكامل تفاصيله. في

A=Z[i5]={a+ib5:a,bZ},N(a+ib5)=a2+5b2,A = \Z[\iu\sqrt5] = \{a + \iu b\sqrt5 : a, b \in \Z\}, \qquad N(a + \iu b\sqrt5) = a^2 + 5b^2,

يكون المعيار ضربيًا ويتحقق N(z)=1N(z) = 1 إذا وفقط إذا كان zA×={±1}z \in A^\times = \{\pm1\}. لننظر في

6=23=(1+i5)(1i5).6 = 2 \cdot 3 = (1 + \iu\sqrt5)(1 - \iu\sqrt5).

جميع العوامل الأربعة غير قابلة للاختزال: فمعاييرها هي 4,9,6,64, 9, 6, 6، ولو وُجد تفكيك فعلي z=z1z2z = z_1z_2 لفُرض N(z1){2,3}N(z_1) \in \{2, 3\} — لكن a2+5b2a^2 + 5b^2 لا يساوي 22 ولا 33 أبدًا (فحالة b=0b = 0 تترك العددين غير المربّعين 2,32, 3؛ وحالة b1\abs b \geq 1 تعطي 5\geq 5). ومع ذلك فإن 22 ليس مصاحبًا لأيٍّ من 1±i51 \pm \iu\sqrt5 (لأن المعيارين 464 \neq 6): أي إن لدينا تفكيكين مختلفين فعلًا للعدد 66 إلى عناصر غير قابلة للاختزال. وبصيغة مكافئة، غير القابل للاختزال \neq الأولي هنا: إذ يقسم 22 الجداءَ (1+i5)(1i5)=6(1 + \iu\sqrt5)(1 - \iu\sqrt5) = 6 ولا يقسم أيًّا من العاملين (بالمعايير مرة أخرى). أما الإصلاح المثالي لهذا الإخفاق — أي تفكيك المثاليات بدل تفكيك العناصر — فهو ميلاد نظرية الأعداد الجبرية؛ وفي مستوانا، يُظهر هذا المثال مدى خصوصية الحلقات الإقليدية Z\Z و K[X]K[X] و Z[i]\Z[\iu] الواردة في هذا الفصل.

اقرأ في الفصل ←