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局部化与诺特环

两件使现代交换代数可用的工具:局部化,它把选定的一组元素求逆以放大聚焦(在素理想处则产生局部环);以及诺特条件——理想的升链终止——它保证有限性,并经希尔伯特基定理被商环与多项式环继承。

局部化:有意求逆

分式域把*每个*非零元都求了逆。局部化是其受控版本:选一个乘性集 S(对乘积封闭、含 1、不含 0),恰好对 S 中元素求逆。结果 S⁻¹R 由分式 r/s(s ∈ S)构成,关系为 r/s = r'/s' 当且仅当存在 t ∈ S 使 t(rs' − r's) = 0。额外的 t 是个谨慎的修正,使得即便 R 有零因子,这仍是等价关系。

最重要的选择是对素理想 P 取 S = R∖P:把 P *之外*的一切求逆。结果记作 R_P,即在 P 处的局部化,它是一个以 P·R_P 为唯一极大理想的局部环。从几何看,你已聚焦到点 P,丢弃了所有在那里不消失的东西。当 R 是整环时取 S = R∖{0}(即 P = (0))便重得分式域——故 Frac 不过是在零素理想处的局部化。

Localizing Z at the prime (5):   S = Z ∖ (5) = integers NOT divisible by 5.

  Z_(5) = { a/b ∈ Q : 5 ∤ b }.
  Units of Z_(5): all a/b with 5 ∤ a and 5 ∤ b.
  Unique maximal ideal:  5·Z_(5) = { a/b : 5 | a, 5 ∤ b }.
  Z_(5)/5Z_(5) ≅ F_5   (residue field at the point).

Ideals of Z_(5):  (0) ⊂ (5) ⊂ (1)=Z_(5)   — only ONE nonzero prime.
So Z_(5) has Krull dimension 1 with a single closed point: it is in fact
a discrete valuation ring (DVR), the local model of a smooth curve point.
把 Z 在 (5) 处局部化保留素数 5,却使其余每个素数可逆。

诺特条件

一个环称为诺特的,若它满足理想上的升链条件:每条链 I₁ ⊆ I₂ ⊆ I₃ ⊆ … 都稳定下来。三个条件等价,且三者都值得随手备用:(i) 理想上的 ACC;(ii) 每个非空理想集都有极大元;(iii) 每个理想都有限生成。你经常用到的是 (i)⇔(iii) 这一等价——诺特意味着「没有无限复杂的理想」。

Proof that (iii) finitely generated ⇒ (i) ACC.
  Given a chain I₁ ⊆ I₂ ⊆ … let I = ⋃ Iₙ. Union of a chain of ideals
  is an ideal. By (iii), I = (a₁,…,a_k) is finitely generated.
  Each generator aⱼ lies in some I_{n(j)}; let N = max n(j).
  Then all generators lie in I_N, so I ⊆ I_N ⊆ I, giving I = I_N.
  Hence Iₙ = I_N for all n ≥ N: the chain stabilizes.        ∎

Non-example:  the polynomial ring in INFINITELY many variables
  k[x₁, x₂, x₃, …] is NOT Noetherian:
  (x₁) ⊊ (x₁,x₂) ⊊ (x₁,x₂,x₃) ⊊ …   never stabilizes.
有限生成迫使每条升链终止;无穷多变量则打破它。

希尔伯特基定理,及其意义

诺特性会传播。诺特环的任何商仍诺特(R/I 的理想提升为 R 的理想),诺特环的任何局部化 S⁻¹R 仍诺特。最深刻的封闭性质是希尔伯特基定理若 R 诺特,则 R[x] 诺特。由归纳 R[x₁,…,xₙ] 诺特,于是域上或 Z 上的每个有限生成代数也诺特,因为它们都是多项式环的商。

为何在意?你在代数几何与数论中遇到的几乎每个环——簇的坐标环、数域的整数环、完备化——都是诺特的,而这个条件恰好是那些学科所依赖的有限性论证的许可证:理想有有限生成集、簇由有限多个方程切出、对链的归纳会终止。诺特正是那个使交换代数成为可用工具、而非一堆病态例子的前提。