aritmetica in inele curs 2020 - facultatea de matematica iasivolf/depozit/aritmetica in...3 i....

1

CUPRINS

I. Recapitulare: Inele, ideale, morfisme, inele factor ............................................................ 3

I.1. Inele, subinele, ideale, morfisme................................................................................. 3

I.2. Inele factor şi teoremele de izomorfism...................................................................... 8

Exerciţii ........................................................................................................................... 12

II. Aritmetică în inele integre .............................................................................................. 14

II.1 Divizibilitate ............................................................................................................. 14

II.2 Inele euclidiene ......................................................................................................... 22

II.3 Inele de întregi pătratici, euclidiene faţă de normă................................................... 25

II.4 Inele principale ......................................................................................................... 28

II.5 Inele factoriale .......................................................................................................... 30

II.6 Aritmetică în inele de polinoame.............................................................................. 35

Exerciţii ........................................................................................................................... 40

III. Module........................................................................................................................... 46

III.1 Module, submodule, morfisme................................................................................ 46

Exerciţii ........................................................................................................................... 56

III.2 Module factor şi teoreme de izomorfism................................................................. 58

Exerciţii ........................................................................................................................... 61

III.3 Sume şi produse directe........................................................................................... 62

Exerciţii ........................................................................................................................... 66

III.4 Module libere........................................................................................................... 67

Exerciţii ........................................................................................................................... 75

IV. Module finit generate peste inele principale ................................................................. 77

IV.1 Submodulele unui modul liber de rang finit............................................................ 77

Exerciţii ........................................................................................................................... 83

IV.2 Structura modulelor finit generate peste un inel principal ...................................... 85

Exerciţii ........................................................................................................................... 90

IV.3 Module indecompozabile finit generate .................................................................. 91

2

Exerciţii ........................................................................................................................... 97

IV.4 Aplicaţie: endomorfismele unui spaţiu vectorial finit dimensional ........................ 98

Exerciţii ......................................................................................................................... 109

Anexe................................................................................................................................. 111

1. Algebre. Algebre monoidale şi algebre polinomiale ................................................. 111

2. Inele şi module de fracţii ........................................................................................... 120

3. Polinoame simetrice .................................................................................................. 124

Index .................................................................................................................................. 132

Bibliografie........................................................................................................................ 133

3

I. Recapitulare: Inele, ideale, morfisme, inele factor

I.1. Inele, subinele, ideale, morfisme

Acest capitol conţine noţiuni şi rezultate parcurse în cadrul cursului de Structuri algebrice

fundamentale. Este posibil ca unele notaţii sau terminologii să difere uşor faţă de cele folosite

la acel curs. Chiar dacă sînteţi siguri că ştiţi noţiunile din acest capitol, o parcurgere rapidă a

acestuia este obligatorie, pentru reamintire şi acomodarea cu notaţiile şi convenţiile din cursul

prezent.

Un test al înţelegerii noţiunilor este rezolvarea tuturor exerciţiilor!

Simbolul marchează sfîrşitul unei demonstraţii (sau absenţa ei, caz în care ar trebui să

faceţi voi o demonstraţie!).

1.1 Definiţie. Se numeşte inel o mulţime nevidă R înzestrată cu două operaţii, adunarea

(notată cu ) şi înmulţirea (notată cu ·sau doar prin juxtapunere), care are următoarele

proprietăţi:1

a) (R, ) este grup comutativ, adică:

- Adunarea este asociativă: x, y, z R, (x y) z x (y z)

- Există element zero: 0 R astfel încît: x R, x 0 0 x x

- Orice element din R are un opus: x R, (x) R astfel încît x (x) (x) x 0

- Adunarea este comutativă: x, y R, x y y x

b) (R, ·) este monoid, adică:

- Înmulţirea este asociativă: x, y, z R, (x·y)·z x· (y·z)

- Există element unitate: 1 R astfel încît: x R, x·1 1·x x (adică toate inelele

sînt considerate unitare).

1 Dacă vrem să fim pedanţi, se numeşte inel tripletul (R, , ·).

I. Recapitulare: Inele, ideale, morfisme, inele factor 4

c) Înmulţirea este distributivă la stînga şi la dreapta faţă de adunare: x, y, z R,

z·(x y) z·x z·y şi (x y)·z x·z y·z.

Dacă înmulţirea este comutativă (x, y R, xy yx), inelul se numeşte comutativ.

Din definiţie rezultă (demonstraţi!) că:

1. Elementele 0 şi 1 sînt unic determinate (căci elementul neutru într-un monoid este

unic). Opusul lui x faţă de adunare, x, este unic determinat de x.

2. x R, x·0 0·x 0.

3. x, y R, (x)·y x·(y) (xy).

4. Dacă presupunem că 1 0, atunci orice element din R este 0.

1.2 Notaţii. a) x, y R, x y notează elementul x (y).

b) x R, n N, se defineşte, recursiv după n, multiplul nx al lui x prin:

0·x 0; n·x (n 1)·x x, dacă n 0.

Dacă n Z, n 0, atunci n 0 şi definim n·x (n)(x) aplicînd definiţia de mai sus.

Se demonstrează2 că:

m, n Z, x, y R, are loc (m n)·x mx nx şi n·(x y) nx ny.

Ar trebui să fiţi capabili să daţi cel puţin 5 exemple de inele, comutative şi necomutative.

În continuare, toate inelele considerate sînt unitare şi comutative (dacă nu se specifică

altfel), cu 1 0.

1.3 Definiţie. a) Fie R un inel şi x R. Spunem că x este divizor al lui zero dacă există

y R, y 0, astfel încît xy 0. Un inel unitar, comutativ, fără divizori ai lui 0 diferiţi de 0, se

numeşte inel integru sau domeniu de integritate.

b) Un inel R în care orice element nenul x este inversabil (adică y R astfel încît

xy yx 1) se numeşte corp. Demonstraţi:

Dacă inelul R este corp, atunci R \{0} este grup faţă de înmulţirea inelului (şi reciproc).

Orice corp este inel integru.

1.4 Exemple. a) Cel mai important exemplu de inel este inelul Z al numerelor întregi,

înzestrat cu operaţiile uzuale. Acesta este primul exemplu de inel care trebuie să vă vină in

minte cînd auziţi „Fie R un inel”. Z este inel comutativ, integru. Z nu este corp (de ce?).

2 Aceste proprietăţi au fost date deja în cursul de Structuri algebrice fundamentale pentru puterile unui

element dintr-un grup; de obicei se dau in notaţie multiplicativă. Este util să le demonstraţi şi în notaţie aditivă.

I.1. Inele, subinele, ideale, morfisme 5

b) Mulţimea numerelor raţionale Q, înzestrată cu operaţiile uzuale, este corp. Din acest

motiv, Q se numeşte corpul numerelor raţionale. Tot corpuri sînt şi R (corpul numerelor

reale) şi C (corpul numerelor complexe).

c) Dacă (R, , ·) şi (S, , ·) sînt inele3, atunci produsul cartezian RS se dotează cu două

operaţii astfel încît să devină inel, numit inelul produs direct al inelelor R şi S, astfel:

(r, s), (r', s') RS, (r, s) (r', s') (r r', s s'); (r, s)·(r', s') (rr', ss')

Demonstraţi că RS este inel şi că nu este integru. Generalizaţi construcţia la n inele R1, R2,

…, Rn. (Se obţine un inel notat R1R2 …Rn, numit produsul direct al inelelor R1, R2, …,

Rn.)

1.5 Definiţie. Fie R un inel şi S o submulţime nevidă a sa. Spunem că S este subinel în R

dacă:

- S este parte stabilă în R faţă de adunare şi înmulţire: s, t S, au loc s t S şi st S;

- S devine inel în raport cu operaţiile induse.

Un subinel al lui R se numeşte subinel unitar dacă 1 (unitatea lui R) este în S.

1.6 Exerciţiu. a) Este N subinel al lui Z? De ce?

b) S este subinel al inelului R s, t S, au loc s t S şi st S.

c) Daţi 3 exemple de subinele ale lui Z.

d) Singurul subinel unitar al lui Z este Z.

e) Daţi 3 exemple de subinele unitare ale lui Q.

f) Daţi exemplu de 2 subinele unitare ale lui R, care includ Z.

g) Orice subinel al lui C care include strict pe R coincide cu C.

h) Este posibil ca S să fie subinel al lui R, S să aibă unitate, dar S să nu fie subinel unitar al

lui R? (Ind. Uitaţi-vă la ZZ.)

1.7 Propoziţie. Fie R un inel şi (Si)i I o familie oarecare de subinele (unitare) ale sale.

Atunci i ISi este subinel (unitar) în R.

1.8 Definiţie. Fie A o submulţime nevidă a inelului R. Se numeşte subinel (unitar) al lui R

generat de A intersecţia tuturor subinelelor (unitare) ale lui R care includ A. Propoziţia

precedentă asigură că această intersecţie este într-adevăr subinel (unitar).

În continuare, toate subinelele considerate sînt unitare.

3 Adunarea în R am notat-o cu acelaşi simbol, , la fel ca adunarea în S (deşi sînt obiecte diferite!). Astfel de

"abuzuri de notaţie" sînt frecvente în matematică şi trebuie conştientizate şi identificate. Am mai facut un astfel de abuz, mai devreme. Unde?


1.9 Observaţie. Subinelul lui R generat de A este cel mai mic (in raport cu incluziunea)

subinel al lui R care include pe A. Mai precis, T este subinelul generat de A dacă şi numai

dacă T satisface condiţiile:

- T este subinel, T A;

- S subinel, S A implică S T.

În practică, subinelul generat de o submulţime se determină cu ajutorul propoziţiei

următoare:

1.10 Propoziţie. (Subinelul generat de o submulţime) Fie R un inel, S un subinel al său şi A {a1, …, an} o submulţime finită a lui R. Subinelul generat de S A în R se notează S[A] şi

este format din combinaţiile liniare cu coeficienţi din S de produse finite de elemente din A,

S[A] 1

1 11, , 1 , , 1 1( , , )

' , , , ( , , )nn

n nn

ii ni i n i i n ni i

s a a s S a a A i i

.

Notaţia ' semnifică faptul că este vorba de o sumă finită, adică doar un număr finit dintre

1 , , ni is sînt nenuli.

1.11 Exerciţii. a) Subinelul generat de Z şi 1

2 în Q este Z

1,

2 2|

n

aa n

.

Demonstraţie: Se verifică mai întîi că orice subinel care include Z şi 1

2 conţine şi

2n

a,

a Z, n N. Apoi se arată că mulţimea ,2

|n

aa n

este parte stabilă la scădere şi

înmulţire.

b) Determinaţi subinelul Z1

10

.

c) Subinelul generat de Z şi i 1 în C este Z[i] {a bi | a, b Z}.

d) Determinaţi 3 2 , subinelul generat de Z şi 3 2 în C.

e) Determinaţi 2, 3 , subinelul generat de Z şi 2, 3 în C.

1.12 Definiţie. Fie R şi S două inele. Se numeşte morfism de inele de la R la S o funcţie

: R → S astfel încît,

x, y R, (x y) (x) (y); (xy) (x)(y).

Dacă, în plus, satisface condiţia (1) 1 ( duce unitatea lui R în unitatea lui S), se

numeşte morfism unitar de inele.

În continuare, toate morfismele de inele vor fi considerate unitare.

Un morfism de inele care este bijectiv se numeşte izomorfism de inele. Inelele R şi S se

numesc izomorfe (notat R S) dacă există un izomorfism : R → S. Relaţia de izomorfism

(pe clasa inelelor) este reflexivă, tranzitivă, simetrică (relaţie de echivalenţă). Demonstraţi!

I.1. Inele, subinele, ideale, morfisme 7

Ca şi la alte structuri, două inele izomorfe au „aceleaşi proprietăţi de inel”. De exemplu,

dacă R S şi R este integru, atunci S este integru (demonstraţi!). Puteţi da alt exemplu?

1.13 Propoziţie. a) Fie : R → S şi : S → T morfisme de inele. Atunci ◦ este morfism de inele.

b) Dacă : R → S este morfism de inele şi B este subinel în R, atunci imaginea lui B în S,

(B), este subinel în S.

1.14 Definiţie. Fie R un inel. Se numeşte ideal în R o submulţime nevidă I a lui R cu

proprietăţile:

- i, j I, rezultă i j I (I este parte stabilă la adunare);

- i I, r R rezultă ri I (I este stabilă la înmulţirea cu orice element din R).

Se demonstrează uşor (faceţi-o!) că: orice ideal I este subgrup al grupului (R, ). În

consecinţă, orice ideal conţine elementul 0.

Notaţie: Faptul că I este ideal în R se notează I R sau I RR.

Idealul I se numeşte propriu dacă I R.

1.15 Exemplu. Mulţimea 2Z {2k | k Z} este ideal în Z. Demonstraţi! Idealele lui Z

sînt nZ, n N (unde nZ {nk | k Z}, mulţimea multiplilor lui n).

La fel ca la subinele, intersecţia unei familii de ideale este tot ideal:

1.16 Propoziţie. Fie R un inel şi (Ai)i I o familie oarecare de ideale ale sale. Atunci

i IAi este ideal în R.

1.17 Definiţie. Fie A o submulţime nevidă a inelului R. Se numeşte ideal generat de A

intersecţia tuturor idealelor lui R care includ pe A. Propoziţia precedentă asigură că această

intersecţie este într-adevăr ideal. Idealul generat de A este cel mai mic (în sensul incluziunii)

ideal al lui R care include pe A.

1.18 Propoziţie. (Idealul generat de o submulţime) Fie R un inel, şi A {a1, …, an} o

submulţime finită a lui R. Idealul generat de A în R se notează4 R< A > sau R(a1, …, an) şi este

format din combinaţiile liniare cu coeficienţi în R de elemente din A,

< A > 1,

n

i i iir a r R i

. Dacă A {a}, idealul generat de {a} se notează Ra sau aR

sau (a) şi are loc Ra {ra | r R}.

4 Se omite R din notaţie dacă este clar din context.


1.19 Exemplu. Fie Q[X] inelul polinoamelor în nedeterminata X cu coeficienţi în Q.

Idealul generat de polinomul X este (X) {Xg | g Q[X]}.

1.20 Definiţie. Fie : R → S un morfism de inele. Definim nucleul lui f,

Ker f : {r R | f(r) 0}. Demonstraţi că Ker f este ideal în R.

Mai general, contraimaginea unui ideal printr-un morfism este tot ideal:

1.21 Propoziţie. a) Fie : R → S un morfism de inele şi J S. Atunci 1(J) R.

b) Dacă este surjectiv şi I R, atunci (I) S.

1.22 Definiţie. a) Fie I, J ideale în inelul R. Idealul generat de I J se numeşte suma

idealelor I şi J şi se notează I J.

b) Mai general, dacă (Ai)i I este o familie oarecare de ideale ale lui R, atunci idealul

generat de i IAi se numeşte suma idealelor (Ai)i I şi se notează i IAi.

1.23 Propoziţie. a) Fie R un inel şi I, J ideale în R. Atunci I J {i j | i I, j J}.

b) Fie A1, …, An ideale în R. Atunci A1 … An {a1 … an | a1 A1,…, an An}.

c) Fie (Ai)i I o familie oarecare de ideale în R. Atunci

| , ,supp(( ) )i i i i i i Ii I i IA a a A i I a finit

(Am notat cu supp((ai)i I) suportul familiei de elemente (ai)i I, adică {i I | ai 0}.)

Mulţimea idealelor unui inel R, notată L(R), este mulţime ordonată faţă de incluziune; mai

mult, este o latice: pentru orice două ideale I şi J ale lui R, există inf{I, J} I J,

sup{I, J} I J.

I.2. Inele factor şi teoremele de izomorfism

Prezentăm mai întîi, pe scurt, etapele construcţiei inelului de clase de resturi modulo n, Zn.

Apoi vom da construcţia generală a inelului factor al unui inel R în raport cu un ideal I al său.

Inelele factor intervin în multe alte construcţii importante în matematică: corpurile R şi C,

corpurile finite.

Fie n un număr întreg, fixat (numit modùl).

2.1 Definiţie. Spunem că numerele întregi a şi b sînt congruente modulo n dacă n divide

a b. Scriem aceasta sub forma a b (mod n).

I.2. Inele factor şi teoremele de izomorfism 9

2.2 Propoziţie. Relaţia „ (mod n)” de congruenţă modulo n este o relaţie de echivalenţă

pe Z.

Pentru orice a Z, se notează cu a[ clasa lui a în raport cu relaţia de congruenţă modulo n.

Avem deci:

a[ {b Z | a b (mod n)}.

Observăm că notaţia este ambiguă, în sensul că nu precizează modulul (numărul n); este

deci necesară atenţie şi notaţii adecvate pentru evitarea confuziilor ce pot apărea în cazul

folosirii mai multor relaţii de congruenţă.

Mulţimea factor Z/ (mod n) (adică {a[ | a Z}) se notează cu Zn şi se numeşte mulţimea

claselor de resturi modulo n.

2.3 Exerciţiu. a) Două numere întregi a şi b sînt congruente modulo n dacă şi numai dacă

„dau acelaşi rest la împărţirea cu n”.

b) Clasa de congruenţă a lui 0 modulo 3 este 0[ {3k | k Z}(notată cu 3Z). Clasa de

congruenţă a lui 1 modulo 3 este 1[ {1 3k | k Z}(notată cu 1 3Z). Determinaţi clasa lui

2 modulo 3. Observaţi că clasele modulo 3 sînt disjuncte două cîte două şi reuniunea tuturor

claselor este egală cu Z. Este valabilă această afirmaţie pentru orice modul? De ce?

c) Ce devine relaţia de congruenţă modulo n, care sînt clasele modulo n şi care este

mulţimea Zn dacă n 0 sau n 1?

Pe Zn se pot defini două operaţii (numite adunarea, respectiv înmulţirea modulo n), în

raport cu care Zn devine inel comutativ şi unitar. Pentru orice a, b Z, definim:

a[ b[ : a b[

a[ · b[ : a · b[

Demonstrarea corectitudinii definiţiilor de mai sus (adică independenţa de alegerea

reprezentanţilor) şi a axiomelor inelului este propusă cititorului.

Vom aplica ideea construcţiei de mai sus într-o situaţie mai generală. În acest scop,

observăm că putem defini relaţia de congruenţă modulo n pe Z şi în felul următor:

Notăm nZ : {nk | k Z}. Avem atunci, a, b Z:

a b (mod n) a b nZ.

Mai mult, se vede imediat că a[ {a nk | k Z}, motiv pentru care a[ se mai notează cu

a nZ. Deci, 0[ nZ, 1[ 1 nZ etc.

Mulţimea nZ este ideal în Z, în sensul că este parte stabilă la adunare şi, x Z, a nZ,

rezultă că xa nZ (Z este parte stabilă la înmulţirea cu orice element din Z).

Se observă imediat că orice ideal I al lui R este subgrup al grupului aditiv (R, )

(demonstraţi!) şi deci 0 I.


Propoziţia următoare arată că ideea de construcţie a lui Zn pornind de la Z şi un ideal al său

(de forma nZ) se generalizează cuvînt cu cuvînt la cazul unui inel R şi al unui ideal I al său.5

Demonstraţia constă în verificarea directă a proprietăţilor enunţate şi o lăsăm cititorului (şi

poate fi găsită în orice carte introductivă de algebră „modernă”).

2.4 Propoziţie. Fie R un inel comutativ unitar şi I un ideal al său.

a) Relaţia (de congruenţă modulo I), definită de:

a b (mod I) a b I

este o relaţie de echivalenţă pe I. Notînd cu a[ {b R | a b (mod I)} (numită clasa lui a

modulo I), are loc a[ {a x | x I} (a[ se mai notează a I din acest motiv).

b) Relaţia de congruenţă modulo I este compatibilă cu adunarea şi înmulţirea din R, în

sensul că, a, a', b, b' R, au loc implicaţiile:

a a' (mod I) şi b b' (mod I) a b a' b' (mod I) şi a·b a'·b' (mod I).

c) Operaţiile pe mulţimea factor R/I : {a[ | a R}, date de:

a[ b[ : a b[; a[·b[ : a·b[, a, b R,

sînt corect definite şi înzestrează pe R/I cu o structură de inel comutativ unitar (numit inelul

factor al lui R în raport cu I).

d) Aplicaţia : R → R/I, (r) r[ r I, r R, este un morfism surjectiv de inele (numit

surjecţia canonică a inelului factor R/I).

În termeni mai puţin riguroşi, trecerea de la inelul R la inelul factor R/I „duce toate

elementele din I în zero” sau „anulează elementele lui I”. Multe afirmaţii referitoare la idealul

I în R se traduc prin afirmaţii referitoare la idealul 0 în R/I (un exemplu este 2.8), idee aplicată

adesea în raţionamente.

2.5 Exerciţiu. Fie (X 2 1) idealul generat de polinomul X 2 1 în R[X]. Urmaţi etapele

construcţiei de mai sus pentru a construi inelul factor R[X]/(X 2 1). Demonstraţi că

R[X]/(X 2 1) C.

Este de aşteptat ca un rol esenţial în ce priveşte proprietăţile inelului factor R/I să îl aibă

idealul I. În acest sens, sînt importante următoarele noţiuni:

2.6 Definiţie. Fie R un inel comutativ. Un ideal P al lui R se numeşte ideal prim dacă

P R şi oricare ar fi x, y P, din xy P rezultă x P sau y P. Un ideal M al lui R se

numeşte ideal maximal dacă M R şi nu există ideale proprii ale lui R care includ strict pe M:

pentru orice J R, din M J rezultă M J sau J R.

5 Afirmaţiile rămîn valabile pentru un inel nu neapărat comutativ R şi un ideal bilateral I al lui R.


2.7 Exemple. a) Dacă p este un număr întreg prim, atunci idealul generat de p în Z, notat

pZ, este ideal prim în Z. Reciproc, dacă pZ este ideal prim, atunci p este număr prim.

b) Un ideal I este maximal în inelul R dacă este element maximal al mulţimii ordonate (cu

incluziunea) a idealelor proprii ale lui R. În inelul Z, orice ideal este de forma nZ, cu n Z.

De aici rezultă că idealul nZ este maximal dacă şi numai dacă n este număr prim. Într-adevăr,

fie nZ ideal maximal. Atunci, m Z, din nZ mZ rezultă nZ mZ sau mZ Z; cu alte

cuvinte, din m|n rezultă m ~ n sau m 1. Ştiind în plus că nZ Z, aceasta înseamnă că n este

ireductibil, deci prim. Reciproca se obţine în acelaşi mod.

c) Inelul R este integru dacă şi numai dacă (0) este ideal prim.

d) Dacă K este corp, (0) este singurul său ideal propriu; (0) este şi ideal maximal şi ideal

prim.

O caracterizare utilă a idealelor maximale (respectiv prime), des folosită în aplicaţii, este

dată cu ajutorul inelului factor.

2.8 Teoremă. Fie R un inel comutativ şi I un ideal propriu în R.

a) I este ideal prim dacă şi numai dacă inelul factor R/I este integru.

b) I este ideal maximal dacă şi numai dacă inelul factor R/I este corp.

Demonstraţie. a) Fie I un ideal prim. Fie a I, b I (cu a, b R) elemente din

R/I. Dacă 0, atunci (a I)(b I) 0 I, adică ab I. Cum I este prim, obţinem a I

sau b I, adică a I 0 I sau b I 0 I. Aşadar, R/I este integru. Reciproc,

presupunem că R/I este integru şi fie a, b R cu ab I. Aceasta înseamnă că

(a I)(b I) 0 I, deci a I 0 I sau b I 0 I. Astfel, a I sau b I.

b) Presupunem că I este ideal maximal în R. Vrem să arătăm că orice element nenul al

inelului R/I este inversabil. Fie deci a I, cu 0 I, deci a I. Atunci idealul generat

de I şi a, adică I Ra, include strict pe I; din maximalitatea lui I obţinem I Ra R. În

particular, 1 R se scrie sub forma i ra, cu i I şi r R. Avem deci

1 I (ra i) I ra I (r I)(a I), ceea ce arată că a I este inversabil. Fie acum R/I corp şi J un ideal care include strict pe I. Există aşadar x J, x I. Aceasta înseamnă că

x I 0 I, deci x I este inversabil. Putem scrie atunci 1 I (r I)(x I), cu r R, adică

există i I astfel încît 1 rx i. De aici rezultă că 1 J, adică J R.

2.9 Corolar. Orice ideal maximal în inelul R este prim.

Reciproca acestui rezultat este falsă: idealul (X) al inelului Z[X] este prim şi nu este

maximal, după cum se vede considerînd inelul factor: XXZ Z, care e integru dar nu e

corp. Propunem cititorului să demonstreze aceste fapte cu ajutorul definiţiei idealului prim,

respectiv maximal.


2.10 Teoremă. (Teorema fundamentală de izomorfism) Fie : R → S un morfism de inele.

Atunci Ker

R

Im.

Mai precis, există un izomorfism natural : R/Ker → Im (x Ker) (x), x M.Demonstraţie. Aplicaţia : R/Ker → Im este corect definită: dacă x, y R, cu

x Ker y Ker, atunci x y Ker, adică (x y) 0; aceasta echivalează cu

(x) (y). Aşadar, (x Ker) nu depinde de reprezentantul x, ci doar de clasa x Ker.

Verificarea faptului că este morfism este lăsată cititorului.

Morfismul este surjectiv: Im {(x Ker)| x M} {(x)| x M} Im. Pentru

injectivitate, arătăm că Ker {0 Ker} : dacă x M cu (x Ker) 0, atunci (x) 0,

deci x Ker, adică x Ker 0 Ker.

2.11 Observaţie. Teorema de izomorfism se foloseşte de obicei în modul următor:

presupunem că B R A şi se cere demonstrarea faptului că A/B este izomorf cu un C. Se caută

definirea unui morfism surjectiv : A → C, cu Ker B. Atunci teorema de izomorfism

asigură existenţa izomorfismului cerut. Corolarele următoare ilustrează această tehnică

(aplicabilă şi în cazul grupurilor, modulelelor, algebrelor…).

2.12 Corolar (Teorema I de izomorfism). Fie R un inel şi E, F ideale în R astfel încît E F. Atunci F/E este ideal în R/E şi:

R E R

F E F

Demonstraţie. Întrucît F/E {x E | x F}, avem F/E R/E {x E | x R}. Fie

: R/E → R/F, (x E) x F, x R. Aplicaţia este corect definită: dacă x, y R, cu

x E y E, atunci x y E. Deci x y F, adică x F y F. Este imediat faptul că

este morfism surjectiv de inele. Ker {x E | x R, x F 0 F} {x E | x R,

x F} F/E. Se aplică acum teorema fundamentală de izomorfism.

Exerciţii

1. Fie R un inel comutativ unitar şi I un ideal al său. Demonstraţi că există o bijecţie

crescătoare (care păstrează incluziunile) între L(R/I) (laticea idealelor lui R/I) şi laticea

idealelor lui R care includ I, {J R | I J}.

2. Determinaţi toate idealele inelelor următoare: Z/10Z, Z/24Z. Determinaţi toţi n N cu

proprietatea că Z/nZ are exact trei ideale. Generalizare.


3. Fie R1, R2, …, Rn inele. Fie pi : R1 …Rn → Ri, pi((r1, …, rn)) ri, pentru orice

(r1, …, rn) R1 …Rn (pi se numesc proiecţiile canonice).

a) Să se arate că pi sînt morfisme surjective de inele.

b) Fie I ideal în inelul produs direct R1 …Rn. Demonstraţi că I p1(I) … pn(I).

c) Demonstraţi că R1 …Rn/I R1/p1(I) … Rn/pn(I).

d) Determinaţi toate idealele inelului Z Z.

14

II. Aritmetică în inele integre

Analizînd proprietăţile operaţiilor de adunare şi înmulţire în mulţimea numerelor întregi Z,

se ajunge printr-o generalizare naturală la noţiunea de inel. Există însă inele ale căror

proprietăţi sînt foarte „departe” de cele ale lui Z, mai ales în ceea ce priveşte divizibilitatea. O

clasă largă de inele în care se poate dezvolta o teorie a divizibilităţii care să o urmeze pe cea

din Z este clasa inelelor integre. O astfel de generalizare, pe lîngă un interes intrinsec, aduce

de multe ori clarificări şi rezultate noi privind chiar divizibilitatea în Z.

În acest capitol se studiază proprietăţile generale ale relaţiei de divizibilitate într-un inel

integru, după care se introduc clase importante de inele (euclidiene, principale, factoriale) ale

căror definiţii se obţin prin abstractizarea unor proprietăţi aritmetice ale lui Z. Noţiunile şi

rezultatele din acest capitol sînt fundamentale pentru toată algebra, în special în teoria

algebrică a numerelor şi în studiul extinderilor de corpuri.

II.1 Divizibilitate

Definiţia clasică a divizibilităţii în inelul numerelor întregi Z se poate generaliza uşor

pentru un inel oarecare R: dacă a, b R, spunem că a divide b în R (notaţie: a|b sau b a)6

dacă există c R astfel încît b ac. Faptul că a|b în R depinde în mod esenţial de inelul R. De

exemplu, | în Q, dar nu şi în Z! În continuare, vom nota a|b (fără a preciza inelul R), dacă

inelul în care se consideră relaţia de divizibilitate e clar precizat din context. Notăm a - b dacă

a nu îl divide pe b.

În cazul în care inelul R nu are anumite proprietăţi „naturale”, teoria divizibilităţii

dezvoltată în R este mult mai săracă faţă de teoria uzuală a divizibilităţii în Z. De exemplu,

6 Exprimări echivalente: a este divizor (uneori se spune şi factor) al lui b; b este multiplu al lui a; b este

divizibil cu a.

II.1 Divizibilitate 15

dacă R nu are unitate, nu rezultă că orice element a R este propriul său divizor; de

asemenea, apar alte dificultăţi dacă R nu este comutativ sau dacă R are divizori ai lui zero.

Din aceste motive, în cele ce urmează, inelele vor fi presupuse unitare, comutative şi fără

divizori ai lui zero, dacă nu se specifică altfel. Un astfel de inel (notat în continuare cu R) va fi

numit inel integru sau domeniu de integritate.7 Toate corpurile ce intervin vor fi presupuse

comutative, iar subinelele care apar vor conţine elementul unitate al inelului (subinele

unitare). Vom nota cu R* mulţimea R \{0}.

1.1 Exemple. a) Orice corp Q, R, C, ... este inel integru. Teoria divizibilităţii în corpuri

este însă trivială, după cum se poate vedea imediat cf. 1.5. b) Orice subinel al unui inel integru este la rîndul său integru. În particular, orice subinel al

unui corp este integru. Astfel, dacă d Z este un întreg liber de pătrate (d 0 şi d nu se

divide cu pătratul nici unui întreg mai mare ca ), subinelul lui C generat de şi d , notat dZ , este integru. dZ este format din numerele complexe de forma dba , cu a, b

Z. Inelul 1Z este numit inelul întregilor lui Gauss.8

c) Dacă R este inel integru şi n N*, atunci inelul de polinoame în n nedeterminate cu

coeficienţi în R, RX1, ..., Xn, este integru.

O proprietate importantă a inelelor integre, des utilizată, este că „se pot simplifica factorii

nenuli”:

1.2 Propoziţie. Fie R un inel integru şi a, b, c R, cu c 0. Dacă ac bc, atunci a b.

Demonstraţie. Avem ac bc ac bc 0 (a b)c 0. Nu putem avea a b 0,

căci atunci (a b)c 0 din integritatea lui R. Deci a b 0.

Ne propunem să dezvoltăm în continuare o teorie a divizibilităţii (o „aritmetică”) în inele

integre care să o generalizeze pe cea din Z.

1.3 Propoziţie. Fie R un inel integru. Atunci:

a) Pentru orice a R are loc a|a.

b) Pentru orice a, b, c R astfel încît a|b şi b|c, rezultă a|c.

c) Pentru orice a R, are loc a|0 şi |a.

d) Oricare ar fi x, y R şi a, b, c R astfel încît a|b şi a|c, rezultă a|(bx cy).

7 Denumirea de inel integru (domeniu de integritate) provine din similaritatea acestor inele cu inelul Z al

întregilor. 8 Carl Friedrich Gauss (1777 1855), matematician german.

II. Aritmetică în inele integre 16

Afirmaţiile a) şi b) nu spun altceva decît că relaţia de divizibilitate este o relaţie reflexivă şi

tranzitivă, adică o relaţie de preordine pe R. Relaţia de echivalenţă asociată acestei preordini

se numeşte relaţia de asociere în divizibilitate. Mai precis:

.4 Definiţie. Spunem că elementele a şi b din R sînt asociate în divizibilitate (pe scurt,

asociate) dacă a|b şi b|a. Notaţie: a b. Dacă d, a R, spunem că d este divizor propriu al

lui a (sau divide propriu pe a) dacă d|a şi d nu este nici inversabil, nici asociat cu a.

Relaţia "" definită mai sus este o relaţie de echivalenţă pe inelul R (Exerciţiu!) şi este

deosebit de importantă în studiul aritmeticii lui R: două elemente asociate în divizibilitate au

aceleaşi proprietăţi din punct de vedere al divizibilităţii.

Notăm cu U(R) grupul multiplicativ al elementelor inversabile din inelul R, numit şi grupul

unităţilor lui R:

U(R) {x R | y R astfel încît xy }.

Propoziţia următoare este o consecinţă imediată a definiţiilor de mai sus.


a) Pentru orice u R, avem: u U(R) u u|a, a R uR R.

b) Pentru orice a, b R, avem: a b există u U(R) astfel încît a bu.

Această propoziţie dă o justificare a denumirii de „unităţi” dată elementelor inversabile:

unităţile se comportă exact ca şi unitatea inelului faţă de divizibilitate. Determinarea grupului

U(R) al unităţilor este din acest motiv o problemă importantă în studiul divizibilităţii în R.

1.6 Exemple. a) UZ {, }.

b) Dacă K este un corp, U(K[X]) { f K[X] | grad f 0} K* (am identificat elementele

nenule din K cu polinoamele de grad 0). c) Dacă d Z este liber de pătrate, atunci:

U(Z[ d ]) { dba | a, b Z, a 2 db 2 1}

Pentru demonstraţie, fie R inelul integru Z[ d ]. Este utilă introducerea funcţiei „normă”

N : R → Z, definită prin N() (), unde am notat cu () conjugatul lui , definit de:

dbadba , pentru orice a, b Z.

Avem deci 22N dbadba , a, b Z. Se observă uşor că:

N() N()N() R.

De aici obţinem: dacă R cu în R, atunci N()|N() în Z.

Fie u dba U(R). Atunci N(u) 22 dba divide pe în Z, deci N(u) .

Reciproc, dacă N(u) , atunci 1 dbadba , adică dba este inversul

lui u. Deci U(Z[ d ]) { dba | a, b Z, a 2 db 2 1} { Z[ d ] | N() }.


Pe mulţimea claselor de echivalenţă in raport cu relaţia „” de asociere în divizibilitate,

relaţia de divizibilitate „ | ” defineşte în mod natural o relaţie de ordine (notată ad-hoc cu

„ ”): notînd cu a~ clasa elementului a R, definim ba~~ dacă şi numai dacă a|b. Se

demonstrează uşor (Exerciţiu!) că definiţia nu depinde de alegerea reprezentanţilor.

Transpunînd în acest cadru noţiunile generale de margine inferioară (respectiv superioară) a

unei submulţimi într-o mulţime ordonată, se ajunge la conceptele uzuale de cel mai mare

divizor comun (respectiv cel mai mic multiplu comun). Mai precis:

1.7 Definiţie. Fie R un inel integru, n N* şi a1, ..., an R. Spunem că elementul d din R

este un cel mai mare divizor comun (pe scurt, cmmdc) al elementelor a1, ..., an dacă satisface

condiţiile:

i) d|a1, ..., d|an.

ii) Pentru orice e R astfel încît e|a1, ..., e|an, rezultă e|d.

Dacă 1 este un cmmdc al elementelor a1, ..., an, spunem că a1, ..., an sînt prime între ele

(sau relativ prime).

Spunem că elementul m din R este un cel mai mic multiplu comun (pe scurt, cmmmc) al

elementelor a1, ..., an dacă satisface condiţiile:

i') a1|m, ..., an|m.

ii') Pentru orice e R astfel încît a1|e, ..., an|e, rezultă m|e.

1.8 Observaţii. a) Pentru a1, ..., an R, dacă există un cmmdc al lor d R, atunci d este

unic determinat pînă la o asociere în divizibilitate: dacă şi e este un cmmdc al a1, ..., an,

atunci e d. Aceeaşi observaţie se aplică cmmmc. În continuare vom nota cu (a1, ..., an) sau

cu cmmdc{a1, ..., an} un cmmdc al a1, ..., an, în cazul cînd acesta există. Dacă pot exista

confuzii asupra inelului R, notăm (a1, ..., an)R. Notaţia are o doză de ambiguitate, în sensul că

scrierea d (a1, ..., an) semnifică faptul că d este asociat cu un cmmdc al a1, ..., an. De

exemplu, în Z, putem scrie ,2 , fără ca aceasta să însemne că (ci, desigur, că

. Notăm cu [a1, ..., an] sau cu cmmmc{a1, ..., an} un cmmmc al a1, ..., an, dacă există.

Observăm că a1, ..., an sînt relativ prime dacă şi numai dacă orice divizor comun al lor este o

unitate în R.

b) Pentru un inel integru R şi x, y R, nu este garantată existenţa unui cmmdc al lor (vezi

Exerciţii). Un inel integru R cu proprietatea că, pentru orice două elemente x, y R, există un

cmmdc al lor, se numeşte GCD-inel (din engleză: Greatest Common Divisor înseamnă cel

mai mare divizor comun).

1.9 Propoziţie. Fie a, b elemente ale unui inel R care au cmmdc, notat d. Dacă , R

cu a d, b d, atunci şi au cmmdc, egal cu 1 (sînt prime între ele).


Demonstraţie. Fie c un divizor comun al şi . Atunci dc este un divizor comun al a şi b,

deci dc divide cmmdc al lor, d. De aici rezultă că c este inversabil.

Observăm că, dacă R este GCD-inel şi K este corpul său de fracţii, atunci orice element din

K se poate scrie sub forma unei „fracţii ireductibile” a/b, cu a, b R, prime între ele.

(Demonstraţi !)

.10 Propoziţie. Fie R un domeniu de integritate şi a1, ..., an, r R \{0}.

a) Dacă există d (a1, ..., an), atunci a1/d, ..., an/d au cmmdc, egal cu .9

b) Dacă există (a1, ..., an) : d şi există (ra1, ..., ran) : e, atunci e rd, adică:

(ra1, ..., ran) r(a1, ..., an).

c) Dacă există [a1, ..., an] m şi există [ra1, ..., ran] : , atunci rm, adică:

[ra1, ..., ran] r[a1, ..., an].

Demonstraţie. a) Fie xi R astfel încît ai dxi, pentru ni , . Evident, este un divizor

comun al elementelor x1, ..., xn. Dacă e R este un alt divizor comun al lor, atunci de este un

divizor comun al a1, ..., an, deci de|d. De aici rezultă că e|.b) Din rd|rai, pentru ni , , rezultă că rd|e. Fie u R cu e rdu. Va fi suficient să

demonstrăm că u|. Fie xi, yi R astfel încît ai dxi şi rai eyi, pentru ni , . Avem, pentru

orice ni , , rai rdxi rduyi. De aici rezultă că u este divizor comun al elementelor xi, care

au cmmdc 1, conform punctului a). Astfel, u|.

c) Deoarece rm este un multiplu comun al rai, pentru ni , , avem |rm, deci rm t, cu

t R. Putem scrie m aibi, raixi, cu xi, bi R, pentru ni , . Avem rm raibi t

raixit, ni , . Simplificînd, bi xit. Totodată rezultă că a1x1 ... anxn este un multiplu

comun al elementelor a1, ..., an. Deci m|aixi , ni , . Cum raixi, rezultă şi mr|

Corolarul următor este des utilizat în argumentele legate de divizibilitate.

1.11 Corolar. Fie R un inel integru în care orice două elemente au cmmdc (GCD-inel) şi

a, b, c R cu proprietatea că a|bc şi a este prim cu b. Atunci a|c.

Demonstraţie. Din (a, b) şi din propoziţia precedentă, punctul b), rezultă că (ac, bc)

c. Cum a|ac şi a|bc, din definiţia cmmdc obţinem a|(ac, bc) c.

Cu toate că definiţiile cmmdc şi cmmmc sînt „duale” una celeilalte, propoziţia următoare

arată că situaţia nu e total simetrică (vezi şi observaţia următoare).


9 Dacă d 0 şi d|a, am notat cu a/d unicul element x din R cu proprietatea că a dx.


a) Fie x, y R. Dacă există un cmmmc al lor, m [x, y] R, atunci există şi un cmmdc al

lor (x, y) şi avem xy [x, y](x, y) b) Dacă orice două elemente din R au un cmmdc, atunci orice două elemente din R au un

cmmmc.

c) Dacă orice două elemente din R au un cmmdc, atunci, pentru orice n N, n , orice n

elemente a1, ..., an din R au cmmdc şi cmmmc.

Demonstraţie. a) Dacă x 0, atunci [0, y] 0, (0, y) y. Presupunem că x şi y sînt nenule.

Din definiţia cmmmc rezultă că m|xy. Fie d, a, b R cu xy md şi m xa, m yb. Va fi

suficient să demonstrăm că d (x, y). Avem xy xad, deci y ad, adică d|y. La fel, d|x. Fie

acum e R cu e|x, e|y. Există r, s R astfel încît x er şi y es. Atunci ers este un multiplu

comun al elementelor x şi y, de unde rezultă că m|ers. Fie t R astfel încît mt ers. Avem dm

xy temrse 2 . Simplificînd cu m, rezultă că d te, deci e|d.

b) Fie a, b R. Presupunem că a şi b sînt nenule şi fie d (a, b). Există x, y R cu a dx,

b dy. Elementul m dxy este evident un multiplu comun al elementelor a şi b. Fie µ un alt

multiplu comun al elementelor a şi b. Există z, t R astfel încît µ az dxz şi µ bt dyt.

Deci m divide elementele µy dxyz şi µx dxyt, adică divide şi pe (µx, µy) µ(x, y) µ.

Aceasta arată că m este un cmmmc al elementelor a şi b.

c) Se demonstrează prin inducţie după n. (Exerciţiu!).

1.13 Observaţie. În inelul R Z 5 , elementele x 51 şi y 2 au un cmmdc, dar

nu au cmmmc. Într-adevăr, notînd cu d 5 ba (a, b Z) un divizor comun al lui x şi y,

din proprietăţile normei (vezi 1.6.c.) rezultă că N(d )|N(x) 6 şi N(d )|N(y) 4 în Z. Deci,

N(d )|2 în Z. Cum N(d ) este 22 5ba , o examinare a cazurilor posibile conduce la concluzia

că a 1 şi b 0, adică d este inversabil. Astfel, orice divizor comun al lui x şi y este o

unitate, adică x şi y au cmmdc . Dacă ar exista un cmmmc µ R al elementelor x şi y, atunci 6|N(µ) şi 4|N(µ) în Z, deci 2|N(µ) în Z. Pe de altă parte, 6 32 5151 şi

512 sînt multipli comuni pentru x şi y, deci şi pentru µ. Astfel, N(µ) divide pe N(6)

36 şi pe 24512 NN în Z, adică N(µ)|2. Obţinem că N(µ) 2, ceea ce este

imposibil (ecuaţia 125 22 ba nu are soluţii întregi).

Este convenabil, pentru scurtarea exprimării, să introducem următoarea notaţie: dacă R este

un domeniu de integritate, notăm

R° {x R | x este nenul şi nu este inversabil}.

În cazul inelului Z, un rol important în ceea ce priveşte divizibilitatea îl joacă numerele

prime. De obicei, definiţia (elementară) care se dă noţiunii de număr (întreg) prim este

„numărul p este prim dacă singurii săi divizori naturali sînt şi p”. Generalizînd la cazul


unui inel integru, se obţine noţiunea de element ireductibil (a se compara cu noţiunea de

element prim definită mai jos).

1.14 Definiţie. Fie R un inel integru.

Elementul p R° se numeşte ireductibil (în R) dacă nu are divizori proprii. Cu alte

cuvinte, orice divizor al său este sau o unitate, sau asociat cu p: d R, d | p d 1 sau

d p.

Elementul p R° se numeşte prim (în R) dacă, oricare ar fi a, b R astfel încît p|ab,

rezultă p|a sau p|b.

Subliniem că un element prim sau ireductibil este prin definiţie nenul şi neinversabil.

Se demonstrează imediat prin inducţie după m N* că, dacă p este prim şi p divide un

produs de m factori din R, atunci p divide unul din factori.

1.15 Propoziţie. Fie R un inel integru. Atunci orice element prim este ireductibil.

Demonstraţie. Fie p R, prim. Dacă d R este un divizor al lui p, există x R (nenul)

astfel încît p dx. Deci p|dx, de unde obţinem p|d (şi am terminat!) sau p|x. Dar p|x înseamnă

că p x (căci x|p), deci p ux, cu u o unitate. Astfel, ux dx p şi obţinem că u d este o

unitate.

Este important de remarcat că noţiunile de element prim şi element ireductibil (care sînt

echivalente pentru Z, după cum se va vedea) nu coincid în general.

1.16 Exemplu. În inelul Z 5 , elementul 2 este ireductibil şi nu este prim. Într-adevăr,

651512 , dar 2 nu divide nici unul din factori. Pe de altă parte, dacă d este un

divizor al lui 2, atunci N(d ) poate fi doar 2 sau 4. O examinare a cazurilor posibile arată că

d poate fi sau 2.

Acest exemplu arată şi că noţiunea de element prim depinde în mod esenţial de inelul în

care sînt considerate: 2 este prim în Z, dar nu şi în Z 5 . Aceeaşi observaţie se aplică

noţiunii de element ireductibil.

Fenomenul din exemplul anterior nu apare în GCD-inele:

1.17 Propoziţie. Fie R un GCD-inel. Atunci orice element ireductibil în R este prim în R.

Demonstraţie. Fie p R, ireductibil şi x, y R astfel încît p|xy. Dacă p - x, atunci cmmdc

al elementelor p şi x (care există!) este . Într-adevăr, dacă d|x şi d|p, atunci este imposibil ca

d p (ar rezulta p|x), deci d . În consecinţă, p|xy şi p este prim cu x. Corolarul 1.11 asigură

că p|y.


Noţiunea centrală de divizibilitate poate fi exprimată în termeni de ideale. Această

abordare deschide calea unei serii de extinderi ale unor teoreme clasice de divizibilitate în Z

la inele mult mai generale (de exemplu, rezultate de tipul „descompunere primară”).

1.18 Propoziţie. Fie R un inel integru, n N* şi a, b, x1, ..., xn R. Atunci:

a) a|b dacă şi numai dacă Ra Rb.

b) a b dacă şi numai dacă Ra Rb.

c) a este inversabil dacă şi numai dacă Ra R.

d) a este prim în R dacă şi numai dacă Ra este ideal prim.

e) a este ireductibil în R dacă şi numai dacă Ra este ideal maximal printre idealele

principale proprii ale lui R (mai precis: x R astfel încît Ra Rx, rezultă Ra Rx sau

Rx R).

f ) a este divizor comun al x1, ..., xn dacă şi numai dacă Rx1 ... Rxn Ra.

g) Dacă Rx1 ... Rxn Ra, atunci a (x1, ..., xn).10

h) a este multiplu comun al x1, ..., xn dacă şi numai dacă Rx1 … Rxn Ra.

i) a [x1, ..., xn] dacă şi numai dacă Rx1 … Rxn Ra.

Demonstraţie. a) a|b există c R cu b ca b Ra Rb Ra.

b) Evident, din a).

c) Dacă a este inversabil, atunci există c R cu ca . Deci Ra, adică Ra R.

Reciproc, dacă Ra R, atunci Ra, adică există c R astfel încît ca.

d) Fie x, y R. Avem că xy Ra a|xy. Dacă a este prim, atunci a|x sau a|y, adică x

Ra sau y Ra, ceea ce arată că Ra este prim. Dacă Ra este ideal prim, şi a|xy, avem că xy

Ra, deci x Ra sau y Ra, adică a|x sau a|y.

e) Presupunem că a este ireductibil. Dacă Rx este un ideal principal propriu al lui R astfel

încît Ra Rx, rezultă că x|a. Cum a nu are divizori proprii, x este asociat cu a sau x este o

unitate. Dar x nu poate fi o unitate căci Rx nu coincide cu inelul R. Astfel x a, adică Rx

Ra. Reciproc, dacă Ra e maximal printre idealele principale proprii, iar d R este un divizor

al lui a, atunci Ra Rd, deci Rd Ra sau Rd R. Aceasta înseamnă că d a sau d .

f ) Dacă a este divizor comun al x1, ..., xn, atunci a divide orice element de forma

nn xrxr ...11 , cu r1, ..., rn R, deci orice element al idealului Rx1 ... Rxn. Reciproca e la

fel de simplă.

g) Din proprietatea precedentă rezultă că a este divizor comun al x1, …, xn. Fie d R un alt

divizor comun al lor. Cum a Rx1 … Rxn, există c1, …, cn R cu a c1x1 … cnxn. Din

d|x1, …, d|xn rezultă că d|a.

h), i) sînt propuse ca exerciţiu.

10 Reciproca este falsă în general. Pentru un contraexemplu, a se vedea secţiunea „Inele principale”.


Analizînd proprietăţile aritmetice ale inelului Z, se constată că un rol esenţial în deducerea

multora dintre ele îl are teorema împărţirii cu rest:

Pentru orice a, b Z, cu b 0, există q, r Z, astfel încît a bq r şi |r| |b| sau r 0.

Această teoremă permite demonstrarea altor două proprietăţi fundamentale în studiul

aritmeticii lui Z:

Orice ideal al lui Z este principal (adică de forma nZ, cu n Z).

(„Teorema fundamentală a aritmeticii” sau „Teorema de descompunere unică în factori

primi”): Orice număr întreg nenul şi neinversabil se poate scrie în mod unic ca un produs

finit de numere întregi prime (unicitatea fiind înţeleasă pînă la ordinea factorilor şi la o

asociere a lor în divizibilitate).

Aceste trei proprietăţi ale lui Z stau la baza noţiunilor generale de inel euclidian (inel în

care are loc o proprietate analogă teoremei împărţirii cu rest în Z), inel principal (în care orice

ideal e principal) şi, respectiv, de inel factorial (în care are loc o teoremă de descompunere

unică în factori primi). În continuare vom studia aceste clase de inele.

II.2 Inele euclidiene

2.1 Definiţie. Un inel integru R se numeşte inel euclidian dacă există o funcţie : R* → N

care satisface proprietatea: pentru orice a, b R cu b 0, există q, r R astfel încît:

a bq r şi r 0 sau (r) (b).

Vom spune în acest caz că R este inel euclidian faţă de funcţia .

Proprietatea din definiţie este cunoscută sub numele de „teorema împărţirii cu rest în R”; q

este numit prin tradiţie cît, iar r rest al împărţirii lui a prin b. Evident, definiţia de mai sus e

inspirată din teoremele corespunzătoare din inelul Z (unde rolul funcţiei este jucat de

valoarea absolută pe Z), respectiv din inelele K[X] cu K corp, unde ( f ) grad( f ), pentru

orice polinom f. Aceste inele constituie şi cele mai importante exemple de inele euclidiene.

2.2 Teoremă (Algoritmul lui Euclid). Fie R un inel euclidian şi a, b R, cu b 0. Atunci

există un cmmdc d al elementelor a şi b; d se poate afla prin următorul algoritm:

Algoritm Euclid (a, b, d)

Se dau : a, b R.

Se obţine : d (a,b) R.

Începe

Dacă b 0, atunci d a; Stop.

II.2 Inele euclidiene 23

Pas . Găseşte q, r R cu a bq r şi r 0 sau (r) (b).

Dacă r 0, atunci d b; Stop.

(„Dacă r 0”) Pune a ← b, b ← r. Mergi la Pas .

Sfîrşit

În plus, există (şi se pot determina algoritmic) u, v R astfel încît d au bv.

Demonstraţie. Algoritmul11 de mai sus este o scriere condensată a următorului şir de

împărţiri cu rest efectuate în R:

(1) a bq1 r1 cu r1 0 sau (r1) (b);

(2) b r1q2 r2 cu r2 0 sau (r2) (r1);

(3) r1 r2q3 r3 cu r3 0 sau (r3) (r2);

...

(n 2) rn 4 rn 3qn 2 rn 2 cu rn 2 0 sau (rn 2) (rn 2);

(n 1) rn 3 rn 2 qn 1 rn 1 cu rn 1 0 sau (rn 1) (rn 2);

(n) rn 2 rn 1 qn rn cu rn 0.

Existenţa elementelor qi, ri R cu proprietăţile specificate este asigurată la fiecare pas de

condiţia (ii) din definiţia inelului euclidian. Nu este posibil ca ri 0 pentru orice i N,

întrucît ar rezulta un şir infinit strict descrescător de numere naturale (b), (r1), (r2), ...

(imposibil!). Rezultă că există n N cu rn 0 (algoritmul se termină după un număr finit de

paşi). Avem de demonstrat că rn 1 (ultimul rest nenul) este cmmdc al lui a şi b.

Din relaţia (n) avem rn 1|rn 2. Relaţia (n 1) arată că rn 1| rn 3. Folosind în continuare

egalităţile (n 2), ..., (3), (2), (1), obţinem (prin inducţie) că rn 1|b şi rn 1|a. Fie acum e R

un divizor comun al elementelor a şi b; atunci e va divide şi pe r1 a bq1. Din relaţia (2),

obţinem că e|r2 b r1q2. Procedînd inductiv, rezultă că e|ri pentru orice i n, deci e|rn 1.

Pentru a obţine scrierea lui d rn 1 sub forma au bv, observăm că r a bq; înlocuind

r în (2), obţinem scrierea lui r sub forma au' bv' ş.a.m.d. Următoarea modificare a

algoritmului lui Euclid realizează acest lucru (la fiecare pas variabilele u şi v sînt astfel încît

ultimul rest găsit este au bv) :

Se dau : a, b R.

Se obţin : d (a, b) R şi u, v R astfel încît d au bv.

Începe

11 Sperăm că desfăşurarea algoritmului este clară pentru cititor. Nu am vrut să complicăm lucrurile

introducînd în mod riguros un „pseudo-limbaj de programare”. În altă ordine de idei, algoritmul prezentat are o valoare pur teoretică; de exemplu, „găsirea” elementelor q, r ca la Pasul este doar o scriere a faptului că aceste elemente există, şi nu face referire la vreun procedeu concret de determinare a acestora (astfel de procedee se pot descrie pentru inele concrete ca Z, Q[X] etc.). În plus, implementarea concretă a unui astfel de algoritm necesită reprezentări în calculator ale elementelor lui R, algoritmi de decizie a egalităţilor de tip r 0 în inelul R, algoritmi de calcul în R etc. Nu intrăm în discuţia acestor chestiuni.


Dacă b 0, atunci pune d ← a; u ← 1, v ← 0; Stop.

(„Dacă b 0”) Pune u1 ← 1; v1 ← 0; u ← 0; v ← 1.

Pas . Găseşte q, r R cu a bq r şi r 0 sau (r) (b).

Dacă r 0, atunci pune d ← b; Stop.

(„Dacă r 0”) Pune a ← b; b ← r; u1 ← u1 qu; v1 ← v1 qv;

t ← u; u ← u1; u1 ← t; „aici se schimbă între ele cuplurile (u, v) şi

t ← v; v ← v1; v1 ← t; (u1, v1)”

Mergi la Pas .

Sfîrşit

2.3 Exemple. a) Z este inel euclidian faţă de funcţia „valoarea absolută”. Includem o

demonstraţie a acestui fapt. Mai întîi, fie b Z, strict pozitiv. Vom demonstra (prin inducţie)

că pentru orice a N, există q, r N care să satisfacă condiţiile din definiţia inelului

euclidian. Pentru a b, punem q 0, r a. Dacă a b, presupunem afirmaţia adevărată

pentru orice n a şi demonstrăm pentru a. Cum a b a, putem aplica ipoteza de inducţie:

există q, r N astfel încît a b bq r şi r 0 sau r b. Astfel, a b(q 1) r şi afirmaţia

e dovedită. Dacă a 0, din cazul precedent obţinem că există q, r N astfel încît a bq r

şi r 0 sau r b; deci a b(q) (r), cu r 0 sau |– r| b. Lăsăm cazul b 0 în seama

cititorului.

Pentru două elemente a, b Z, elementele q şi r date de teorema împărţirii cu rest nu sînt

unic determinate: de exemplu, 3 2·1 1 2·2 (1). Dacă impunem ca restul împărţirii să

fie pozitiv, atunci restul (şi cîtul) este unic determinat. La fel, dacă impunem ca restul să fie

element al mulţimii { m 1, m 2, …, 0, …, m} dacă b este par, |b| 2m, cu m N,

respectiv { m, m 1, …, 0, …, m} dacă b este impar, |b| 2m 1, cu m N.

b) Inelul K[X] (al polinoamelor într-o nedeterminată cu coeficienţi în corpul K) este

euclidian faţă de funcţia grad : K[X] \ {0} → N. Demonstraţia este inspirată din algoritmul

elementar de împărţire a polinoamelor. Fie f a0 … an X n şi g b0 … bm X

m

polinoame din K[X], cu g 0 (adică bm 0). Facem o inducţie după n grad f. Dacă n m,

punem q 0, r f. Dacă n m, polinomul h gabf nm are gradul strict mai mic decît n

(termenii de grad n se reduc) şi, din ipoteza de inducţie, putem scrie h gq r, cu grad r m.

Astfel, f rXabqg mnnm 1 . Facem observaţia că polinoamele q şi r furnizate de teorema

împărţirii cu rest în K[X] sînt unic determinate (demonstraţi!).

2.4 Definiţie. Fie n N fixat. Două numere a, b Z se numesc congruente modulo n dacă

n | a b şi notăm aceasta a b (mod n). Se vede imediat că a b (mod n) a şi b dau

acelaşi rest pozitiv la împărţirea cu n. Reamintim că relaţia de congruenţă modulo n este o

II.3 Inele de întregi pătratici, euclidiene faţă de normă 25

relaţie de echivalenţă pe Z şi mulţimea claselor de echivalenţă are o structură de inel (inelul

factor Z/nZ), numit inelul claselor de resturi modulo n.

II.3 Inele de întregi pătratici, euclidiene faţă de normă

În teoria numerelor, un rol important îl joacă inelele de întregi pătratici. În cele ce urmează

vom prezenta o serie de fapte elementare despre aceste inele. Proprietăţile nedemonstrate de

mai jos sînt propuse ca exerciţii (unele în capitolele următoare). (Pentru o tratare sistematică a

teoriei întregilor algebrici, vezi de exemplu ALBU, ION [1984].) Un subcorp al lui C care, văzut ca spaţiu vectorial peste Q, are dimensiunea 2, se numeşte

corp de numere pătratice (sau corp pătratic). Se demonstrează cu mijloace elementare de

extinderi de corpuri că orice corp pătratic este de forma Q[ d ] {a b d |a, b Q}, unde

d este un număr întreg liber de pătrate.

Un element al lui C care este rădăcina unui polinom unitar 12 cu coeficienţi în Z se nu-

meşte întreg peste Z (sau întreg algebric). De exemplu 2 este întreg peste Z, dar 1/2 nu

este. Uneori, pentru a evita confuziile, numerele din Z se numesc întregi raţionali.13

Un element al unui corp pătratic care este întreg peste Z se numeşte întreg pătratic. Se

dovedeşte că: un întreg pătratic este rădăcină a unui polinom unitar de grad 2 cu coeficienţi

întregi.

În continuare fixăm d Z, liber de pătrate. Se definesc aplicaţiile normă N : dQ → Q

şi urmă Tr : dQ → Q,

dba N : a2 db2 , a, b Q.

dba Tr : 2a , a, b Q.

Are loc proprietatea: Un element x dQ este întreg Tr(x) Z şi N(x) Z.

Întregii pătratici din dQ , adică mulţimea

{x a b d | a, b Q, x întreg peste Z}

formează un inel, numit inelul întregilor lui dQ . Un inel de acest tip se numeşte inel de

întregi pătratici (imaginar dacă d 0, respectiv real dacă d 0). Are loc (pentru demon-

straţie, vezi exerciţii):

3.1 Propoziţie. Inelul întregilor lui dQ este Z[ ], unde

12 Un polinom se numeşte unitar (sau monic) dacă are coeficientul termenului de grad maxim egal cu 1. 13 Motivul fiind că orice element întreg peste Z care este şi în Q este cu necesitate în Z. Demonstraţi!


Z[ ] {a b | a, b Z}, cu

d dacă d 2 sau 3 (mod 4) 21 d dacă d 1 (mod 4).

În continuare, pentru d Z, liber de pătrate, prin se înţelege numărul dat de propoziţia

precedentă. Observăm că Q d Q[ ] {a b | a, b Q}. În cazul în care d 1(mod 4),

Z[ ] {a b 21 d | a, b Z} poate fi caracterizat ca fiind mulţimea elementelor de

forma u v d , cu u, v Z de aceeaşi paritate (exerciţiu). Exemple de astfel de inele: Z[i],

251 ,231,2 ZZZ i .

Restricţia lui N la Z[ ] are proprietatea că N() Z, Z[ ], după cum se verifică

uşor folosind forma elementelor din Z[ ]. Se obţine o aplicaţie

|N| : Z[ ] → N, |N|() |N()|, Z[ ].

Un inel de întregi pătratici euclidian faţă de aplicaţia |N| îl vom numi inel euclidian faţă de

normă.

Ne interesează un răspuns la problema:

Pentru ce d Z, liber de pătrate, inelul de întregi pătratici Z[ ] este euclidian faţă de

normă ?

Vom folosi o abordare geometrică, intuitivă şi care simplifică unele calcule.

Aplicaţia normă N : dQ → Q are proprietatea că N(xy) N(x)N(y), x, y dQ

(exerciţiu); deci şi aplicaţia |N| are aceeaşi proprietate.

În cazul în care d 0, reprezentînd geometric elementele inelului Z[ ] (văzut ca o submul-

ţime a planului complex) se obţine o reţea (rectangulară dacă d 2 sau 3 (mod 4) şi oblică

dacă d 1(mod 4)); aplicaţia |N| are interpretarea geometrică următoare (în cazul d 0):

pentru orice x, y dQ , |N|(x y) este distanţa euclidiană dintre punctele de afixe x şi y.

Pentru d 0, Z[ ] este o submulţ ime (densă) a lui R şi nu avem o interpretare geometrică.

3.2 Lemă. Fie d Z, liber de pătrate. Atunci inelul R : Z[ ] este inel euclidian faţă de

normă dacă şi numai dacă pentru orice x dQ , există R astfel încît |N|(x ) 1.

Demonstraţie. „” Observăm că dQ este corpul de fracţii al lui R, adică: x

dQ , R, 0 astfel încît x /. Cum R este euclidian faţă de |N|, există , R

astfel încît , cu |N|( ) |N|() sau 0. Deci

x / /,

cu |N|(x ) |N|( /) |N|( )/|N|() 1.

„” Fie R. Pentru x / dQ , există R cu |N|(x ) 1. Fie x dQ . Avem , cu R şi |N|( ) |N|()|N|( ) 1.

II.3 Inele de întregi pătratici, euclidiene faţă de normă 27

Dacă d 0, întrucît dQ este dens14 în C, lema se reformulează astfel :

Inelul Z[ ] este euclidian faţă de aplicaţia |N| dacă şi numai dacă orice punct din planul

complex este la o distanţă subunitară faţă de un punct din reţea.

3.3 Propoziţie.15 Fie d Z, d 0, liber de pătrate.

a) Dacă d este congruent cu 2 sau 3 modulo 4, inelul dZ este euclidian faţă de normă

dacă şi numai dacă d 1 sau d 2.

b) Dacă d ≡ 1 (mod 4), inelul 21 dZ este euclidian faţă de normă dacă şi numai

dacă d {3, 7, }.

Demonstraţie. a) dZ este euclidian dacă şi numai dacă toate punctele din interiorul

unui dreptunghi al reţelei sînt la o distanţă mai mică decît 1 faţă de un vîrf al dreptunghiului.

Cel mai depărtat punct de vîrfuri este la intersecţia diagonalelor, la distanţa de 21 d de

vîrfuri. Avem 21 d 1 dacă şi numai dacă d 3, adică d 1 sau d 2.

b) Reţeaua este formată din triunghiuri isoscele de bază (orizontală) de lungime 1 şi de

înălţime 2d . Punctele din interiorul triunghiului se găsesc la o distanţă mai mică decît 1

faţă de orice vîrf dacă şi numai dacă cercurile de rază 1 cu centrele in capetele bazei se

intersectează într-un punct situat la distanţă mai mică de 1 faţă de al treilea vîrf. Se vede

imediat că distanţa faţă de al treilea vîrf este de 23 d . Condiţia de euclidianitate se

scrie deci 23 d 1, adică d 34 .

Astfel, sînt euclidiene faţă de normă următoarele inele:

Z[i], 2111 ,271 ,231 ,2 iiii ZZZZ .

14 Adică pentru orice z C şi orice R, 0, există un element x dQ astfel încît |z x| . 15 Acest rezultat a fost stabilit în 1923 şi aparţine lui L. E. Dickson.

d 2 sau 3 (mod 4) d 1 (mod 4)


Este interesant de remarcat că acestea sînt toate inelele de întregi pătratice imaginare

euclidiene (nu neapărat faţă de normă). Cazul d 0 nu se pretează la consideraţii geometrice

şi este considerabil mai dificil. Pentru o discuţie mai aprofundată a acestei tematici, vezi

ALBU şi ION [1984].

II.4 Inele principale

.1 Definiţie. Un inel integru R se numeşte inel principal dacă orice ideal al inelului R este

principal. Cu alte cuvinte, oricare ar fi idealul I al lui R, există a R astfel încît I Ra. În

literatura de limbă engleză, se foloseşte des acronimul PID (Principal Ideal Domain) pentru a

desemna un inel principal.

Orice corp este inel principal. Exemple numeroase de inele principale sînt furnizate de

următoarea propoziţie.

4.2 Teoremă. Orice inel euclidian este inel principal.

Demonstraţie. Fie R un inel euclidian faţă de funcţia şi I un ideal nenul al lui R.

Mulţimea de numere naturale {(x) | x I, x 0} are un element minim, fie acesta (a), cu

a I, a 0 (a poate să nu fie unic determinat). Demonstrăm că a este un generator al

idealului I. Evident, Ra I. Pentru incluziunea inversă, presupunem prin reducere la absurd

că există un element b I \ Ra. Aplicînd teorema împărţirii cu rest în R, obţinem existenţa

elementelor q, r R cu proprietatea că b aq r, r 0 (căci b Ra) şi (r) (a). Cum a,

b I, rezultă că r I. Inegalitatea (r) (a) este însă în contradicţie cu alegerea lui a.

De exemplu, dacă K este corp, inelul K[X] este principal; dat un ideal I 0 în K[X], un ge-

nerator al lui I este un polinom g I de grad minim printre gradele polinoamelor nenule din I.

Inelele principale sînt GCD-inele; oricare ar fi a, b R, există un cmmdc al lor, anume

orice generator al idealului aR bR. Mai precis:

4.3 Propoziţie. Fie R un inel principal şi a, b R. Atunci:

a) Elementul d R este un cmmdc al a şi b dacă şi numai dacă dR aR bR. În

particular, există un cmmdc d al lui a şi b şi există u, v R astfel încît d au bv.

b) Elementul d R este un cmmmc al a şi b dacă şi numai dacă dR aR bR.

Demonstraţie. a) R fiind inel principal, există un generator d al idealului aR bR {ax

by | x, y R}. Atunci a, b dR, deci d|a, d|b. Dacă e R astfel încît e|a, e|b, atunci e|ax

by, x, y R. În particular, e|d. Astfel, d este un cmmdc al a şi b. Reciproc, dacă d este un

II.4 Inele principale 29

cmmdc al a şi b, rezultă că d|a şi d|b, deci dR aR şi dR bR, adică dR aR bR. Fie e un

generator al idealului aR bR. Cum e|a, e|b, rezultă că e|d, adică d eR aR bR.

b) Demonstraţia e asemănătoare cu cea de mai sus şi o lăsăm cititorului.

Facem observaţia că propoziţia de mai sus dă o justificare notaţiei (a, b), folosită atît

pentru cmmdc al elementelor a şi b, cît şi pentru idealul generat de a şi b.

4.4 Exemplu. Fie R un inel integru care nu e corp şi r R, nenul, neinversabil. Atunci

idealul (r, X) al inelului R[X] nu este principal, deci inelul R[X] nu este principal. În

particular, inelele Z[X], K[X, Y] cu K corp nu sînt principale.

Într-adevăr, presupunem că există f R[X] cu ( f ) (r, X). Atunci rezultă că f |r. Trecînd

la grade, obţinem că grad f 0, adică f R. Din f |X, adică g R[X] cu X fg, avem că f

este inversabil în R. Deci cmmdc al lui r şi X este 1. Dar idealul generat de r şi X nu conţine

pe 1, căci altfel ar exista h, q R[X] astfel încît 1 hr qX. Punînd X 0 în această egalitate

de polinoame, rezultă 1 h(0)·r, adică r este inversabil, contradicţie.

Din Propoziţia 1.17 şi din faptul că inelele principale sînt GCD-inele, rezultă:

4.5 Propoziţie. Într-un inel principal, un element este ireductibil dacă şi numai dacă este

prim.

Astfel, inelele care conţin elemente ireductibile care nu sînt prime nu sînt principale. Un

astfel de inel este Z[ 5 ], după cum am văzut în Exemplul 1.16.

4.6 Corolar. Într-un inel principal R, idealele prime nenule sînt ideale maximale. Orice

ideal maximal este de forma pR, unde p este ireductibil în R. Un element p R este

ireductibil dacă şi numai dacă pR este ideal maximal.

Demonstraţie. Este suficient să observăm că orice ideal prim nenul este principal, generat

cu necesitate de un element prim p (Propoziţia 1.18.d)). Elementul p este ireductibil, deci

(Propoziţia 1.18.e)) idealul pR este maximal. Celelalte afirmaţii sînt evidente, ţinînd cont de

propoziţia citată şi de faptul că R este principal.

Cazul particular R Z al Propoziţiei următoare este cunoscut sub numele de „Teorema

fundamentală a aritmeticii”. Reamintim că am notat R° {x R | x este nenul şi nu este

inversabil}.

4.7 Teoremă. Fie R un inel principal. Atunci orice element r R° se poate scrie ca un

produs finit de elemente prime.

Demonstraţie. Presupunem prin reducere la absurd că există r R° astfel încît r nu se

poate scrie ca un produs finit de elemente prime (sau, echivalent, ireductibile, căci R este

principal). În particular, r nu este ireductibil, deci r r1s1, cu r1, s1 R°, neasociate cu r.


Dacă r1 şi s1 sînt produse finite de ireductibile, atunci r este produs de ireductibile, fals. Deci

măcar unul dintre ele (fie acesta r1) nu se scrie ca produs de elemente ireductibile. Înlocuind

în raţionamentul de mai sus pe r cu r1, rezultă că există r2 R°, r2|r1, r2 ¿ r1. Procedînd

inductiv, rezultă existenţa unui şir (rn)n 0 de elemente din R (cu convenţia r0 r), cu

proprietatea că pentru orice n N, rn 1 este un divizor propriu al lui rn. Altfel spus, am

obţinut un şir infinit strict crescător de ideale r0R r1R … rnR rn1R …. Dar acest

lucru este imposibil într-un inel principal, după cum arată lema următoare.

4.8 Lemă. Fie R un inel principal şi (rn)n 0 un şir de elemente din R astfel încît

rnR rn 1R, pentru orice n N. Atunci există m N astfel încît rm R rm i R, pentru orice

i N. (Cu alte cuvinte, orice şir ascendent de ideale este staţionar).

Demonstraţie. Fie I reuniunea idealelor rn R, n N. Demonstrăm că I este ideal în R: dacă

x, y I, atunci există i, j N astfel încît x riR, y rj R. Deci x, y rt R, unde t max(i, j),

adică x y rt R I. Dacă r R, rx ri R I. Cum R este principal, există a R astfel încît

I aR. Întrucît a I, există m N astfel încît a rm R, adică aR rm R. Deci rm R aR I

rm i R, i N.

Un inel R cu proprietatea că orice şir ascendent de ideale I0 I1 … ale lui R este

staţionar (există m N astfel încît Im Im i, i N) se numeşte inel noetherian.16 Deci,

inelele principale sînt noetheriene.

Apare în mod natural problema existenţei unor inele principale care să nu fie euclidiene.

Astfel de exemple nu sînt uşor de construit. În 1894, Dedekind a demonstrat că inelul

Z

2191 i este principal, dar nu este euclidian. O demonstraţie elementară a acestui fapt se

găseşte în ALBU şi ION [1984].

II.5 Inele factoriale

5.1 Definiţie. Un inel integru R cu proprietatea că orice element nenul şi neinversabil se

scrie ca un produs finit 17 de elemente prime se numeşte inel factorial sau inel cu

16 În onoarea matematicianei germane Emmy Noether (1882–1935), supranumită şi „Mama Algebrei

Moderne”. 17 Un astfel de produs se mai numeşte descompunere în factori a elementului respectiv. Produsele pot avea şi

un singur factor.

II.5 Inele factoriale 31

descompunere unică în factori (primi). În literatura anglo-saxonă, astfel de inele sînt numite

Unique Factorization Domains (UFD).

Din teorema 4.7 rezultă că inelele principale (deci şi cele euclidiene) sînt factoriale. Orice

corp este inel factorial, căci nu are elemente nenule şi neinversabile.

5.2 Propoziţie. Într-un inel factorial R orice element ireductibil este prim.

Demonstraţie. Fie p ireductibil. Cum p R°, p este un produs de elemente prime. Dar

acest produs nu poate avea decît un factor, altfel elementul p ar admite divizori proprii. Cu

alte cuvinte, p este el însuşi prim.

Propoziţia următoare justifică şi precizează denumirea de inele cu descompunere unică în

factori primi, care se mai dă inelelor factoriale.

5.3 Propoziţie. Fie R un inel integru şi r R°. Dacă r admite o descompunere în factori

primi, atunci această descompunere este unic determinată pînă la o ordine a factorilor şi

pînă la o asociere a acestora în divizibilitate. Mai precis, dacă r p1…pn q1…qm sînt două

scrieri ale lui r ca produse de elemente prime, atunci m n şi există o permutare a mulţimii

{1, …, n} astfel încît pi să fie asociat în divizibilitate cu q(i), i {1, …, n}.

Demonstraţie. Dacă r p1 … pn este o descompunere a lui r în factori primi, numim

numărul natural n lungimea descompunerii date. Demonstrăm afirmaţia propoziţiei prin

inducţie după n.

Dacă n 1, atunci r p1 q1 … qm, cu p1, q1, …, qm prime. Deci r este prim şi divide

produsul q1 … qm; rezultă că r divide unul din factori, fie acesta (după o eventuală

renumerotare) q1. Întrucît q1 este ireductibil, rezultă de fapt că r q1, adică r q1u, cu u

inversabil. Avem de demonstrat că m 1. Dacă m 2, simplificînd prin q1 în egalitatea

q1u q1 … qm, obţinem că q2 … qm 1, adică q2, …, qm sînt inversabile, contradicţie.

Presupunem că afirmaţia este adevărată pentru orice element x care admite o

descompunere în factori primi de lungime n. Fie r R cu r p1 … pn q1 … qm, cu p1, …, pn, q1, …, qm prime. Din faptul că pn este prim, rezultă că există i {1, …, n} astfel încît

pn|qi. Cum qi este ireductibil, rezultă că pn qi, adică vpn qi, cu v inversabil. Simplificînd

prin pn, obţinem p1 … pn1 vq1 … qi1qi1 … qm. Putem acum aplica ipoteza de inducţie

pentru produsul p1 … pn1 şi se obţine că n m 1 şi p1, …, pn 1 sînt asociate cu q1, …, qi 1, qi 1, …, qm, eventual în altă ordine.

5.4 Teoremă. Fie R un inel integru. Următoarele afirmaţii sînt echivalente:

a) R este inel factorial.

b) Orice element din R° este un produs finit de factori ireductibili şi orice element

ireductibil este prim.


c) Orice element din R° are o descompunere în factori ireductibili, unică pînă la ordinea

factorilor şi pînă la o asociere în divizibilitate a acestora.

d) Orice element din R° are o descompunere în factori ireductibili şi orice două elemente

au un cmmdc.

Demonstraţie. a)b) Evident, din Propoziţia 5.2.

b)c) Rezultă din Propoziţia 5.3.

c)d) Fie a, b R° (dacă a, b sînt nule sau inversabile, este trivial de arătat că există un

cmmdc al lor). Pentru a găsi un cmmdc al elementelor a şi b, se foloseşte în esenţă procedeul

de determinare a cmmdc învăţat în gimnaziu : „se iau factorii primi comuni la puterea cea mai

mică”. Mai precis, fie P un sistem de reprezentanţi ai claselor de echivalenţă (în raport cu

relaţia de asociere în divizibilitate) ale elementelor ireductibile din R. Aceasta înseamnă că

orice element ireductibil din R este asociat cu exact un element din P. Atunci există şi sînt

unic determinate p1, …, pn P, distincte, s1, …, sn, t1, …, tn N, u, v U(R) astfel încît a

upp nsn

s 11 şi b vpp nt

nt 11 . Faptul că aceste elemente sînt unic determinate rezultă imediat

din unicitatea descompunerilor în R. Fie ri min(si, ti) şi definim d nrn

r pp 11 . Se observă că

d|a, d|b. Dacă e|a, e|b, atunci orice factor ireductibil c P care îl divide pe e divide pe a şi pe

b. Aceasta implică c {p1, …, pn}, căci altfel a (sau b) ar avea două descompuneri în factori

ireductibili, dintre care una îl conţine pe c, iar cealaltă nu, ceea ce contrazice „unicitatea”

descompunerilor. Deci e este de forma qpp nwn

w 11 , cu w1, …, wn N, q U(R). Din e|a

rezultă că wi si, iar din e|b rezultă că wi ti, i n,1 . Deci wi ri şi e|d.

d)a) Prop. 1.17 asigură că orice element ireductibil este prim, căci R este GCD-inel.

Implicaţia e acum evidentă.

Observăm că într-un inel factorial R orice două elemente a şi b au un cmmmc, obţinut

„luînd factorii primi comuni şi necomuni la puterea cea mai mare”; cu notaţiile din demon-

straţie, se defineşte qi max(si, ti), iar elementul m nqn

q pp 11 este un cmmmc al lui a şi b.

5.5 Exemple. a) Inelul Z 5 nu este factorial, căci 2 este ireductibil şi nu este prim (cf.

Exemplul 1.16). Cititorul poate de asemenea proba că 6 are două descompuneri în Z 5 :

6 2·3 5151 , în care 2 nu este asociat cu 51 sau cu 51 .

b) Fie S monoidul numerelor raţionale pozitive în raport cu adunarea. Inelul monoidal Q[S]

este un inel integru. Putem identifica elementele din Q[S] cu expresiile formale de tipul ns

ns XaXa 1

1 , unde ai Q, si S, i n,1 , iar X este o „nedeterminată”. În acest inel, X

este un element nenul şi neinversabil şi nu admite o descompunere în factori ireductibili.

5.6 Propoziţie. Fie R un inel factorial, n N* şi a, b1, …, bn R. Dacă a este prim cu

orice bi, 1 i n, atunci a este prim cu produsul b1…bn.

II.5 Inele factoriale 33

Demonstraţie. Vom arăta că nu există nici un element prim p care să dividă atît pe a cît şi

produsul b1…bn. Dacă p este un astfel de element, atunci există j, 1 j n astfel încît p|bj.

Cum p|a, rezultă că p|(a, bj) 1. Deci p este inversabil, contradicţie.

În cele ce urmează, ne vom ocupa de factorialitatea inelelor de polinoame. Vom demonstra

următorul rezultat important, care furnizează o clasă largă de inele factoriale.

5.7 Teoremă. Dacă R este inel factorial, atunci inelul de polinoame R[X] este inel

factorial.

Pentru demonstraţie sînt necesare cîteva noţiuni şi rezultate, care au şi un interes de sine

stătător.

5.8 Definiţie. Fie R un inel factorial şi f a0 a1X … anX n R[X]. Cmmdc al

coeficienţilor a0, a1, …, an este numit conţinutul polinomului f, notat c( f ). Un polinom cu

conţinutul asociat cu 1 se numeşte polinom primitiv. Observăm că f este polinom primitiv

dacă şi numai dacă nu există p prim în R astfel încît p să dividă toţi coeficienţii lui f. Orice

polinom f R[X] se poate scrie sub forma f c( f )·f ', unde f ' este polinom primitiv.

Reciproc, dacă f a·f ', cu a R şi f ' primitiv, atunci a c( f ).

5.9 Propoziţie. a) Fie R un inel integru. Dacă p este un element prim în R, atunci p este

prim şi în R[X].

b) Fie R un inel factorial şi f, g două polinoame primitive cu coeficienţi în R. Atunci şi

produsul fg este polinom primitiv.18

c) Fie R un inel factorial şi f, g R[X]. Atunci c( f g) c( f )·c(g).

Demonstraţie. a) Remarcăm mai întîi că p divide un polinom în R[X] dacă şi numai dacă p

divide toţi coeficienţii polinomului. Fie f a0 a1X … anX n, g b0 b1X … bmX m

R[X] astfel încît p - f şi p - g. Să demonstrăm că p - fg. Din p - f rezultă că există i, 0 i n,

astfel încît p - ai . Alegem i minim cu această proprietate. La fel, fie j minim astfel încît p - bj.

Atunci coeficientul lui X i j în produsul fg este

jilk

lkba

În această sumă, aibj nu este divizibil cu p, iar ceilalţi termeni sînt divizibili cu p, fiind

produse de doi factori dintre care măcar unul este divizibil cu p. Deci coeficientul lui X i j nu

este divizibil cu p şi nici polinomul fg nu este.

b) Dacă fg nu ar fi polinom primitiv, atunci ar exista p R, prim, astfel încît p| fg. Din

punctul precedent obţinem că p| f sau p|g, contradicţie.

18 Acest rezultat este cunoscut ca „Lema lui Gauss”.


c) Fie f c( f )·f ', g c(g)·g', unde f ' şi g' sînt polinoame primitive. Atunci

fg c( f )c(g)·f '·g',

cu f 'g' polinom primitiv din b). Este clar acum că c( fg) c( f )c(g).

5.10 Propoziţie. Fie R un inel factorial, K corpul său de fracţii şi f R[X], grad f 1.

Atunci f este ireductibil în R[X] dacă şi numai dacă f este primitiv şi este ireductibil în K[X].

Demonstraţie. Fie f ireductibil în R[X]. Atunci e clar că f este primitiv. Rămîne să arătăm

că f este ireductibil în K[X]. Dacă f gh, cu g, h K[X], atunci, înmulţind cu cmmmc al

numitorilor coeficienţilor polinoamelor g şi h, obţinem o relaţie de forma af g1h1, cu g1, h1

R[X], a R. Trecînd la conţinutul polinoamelor, avem a c(g1)c(h1), căci c( f ) 1. Putem

scrie g1 c(g1)·g2, h1 c(h1)·h2, unde g2, h2 R[X] sînt primitive. Deci, af c(g1)·c(h1)·g2·h2;

simplificînd prin a, obţinem f g2h2. Ireductibilitatea lui f în R[X] implică grad g2 0 sau

grad h2 0. Cum grad g grad g1 grad g2 şi la fel pentru h, rezultă grad g 0 sau grad h

0, ceea ce trebuia demonstrat.

Reciproc, dacă f este ireductibil în K[X], nu are divizori proprii (de grad 1) în K[X]; cu

atît mai mult nu are divizori proprii în R[X]. Cum f este primitiv, nu are nici factori de grad 0

neinversabili.

Propoziţia precedentă are şi o importanţă practică: pentru a demonstra ireductibilitatea unui

polinom în K[X], este suficient să demonstrăm ireductibilitatea lui f în R[X], lucru adesea mai

uşor de realizat.

Sîntem acum în măsură să dăm demonstraţia teoremei 5.7. Vom folosi caracterizarea din

Teorema 5.4.b). Fie deci R un inel factorial, K corpul său de fracţii şi f R[X], ireductibil. Să

demonstrăm că f este prim. Dacă f |gh, cu g, h R[X], din faptul că f este ireductibil în K[X]

(deci şi prim în K[X]) rezultă că f |g sau f |h în K[X]. Pentru a face o alegere, presupunem că

f |g în K[X]; există deci a R, q R[X] astfel încît ag fq. Trecînd la conţinutul

polinoamelor în această egalitate, avem a·c(g) c(q). Scriind că q c(q)·q', g c(g)·g', cu q',

g' primitive în R[X], obţinem ac(g)·g' f·c(q)·q'; simplificînd prin c(q), rezultă g' fq', adică

f |g în R[X].

Rămîne de arătat că orice polinom nenul şi neinversabil din R[X] este un produs de

polinoame ireductibile. Vom demonstra aceasta prin inducţie după gradul polinomului. Dacă f

R[X], grad f 0 şi f este neinversabil, atunci f R° şi deci are o descompunere în factori

ireductibili în R, care rămîn ireductibili în R[X]. Dacă grad f 0, putem scrie f c(�f )f ', cu f '

primitiv şi este suficient să probăm existenţa descompunerii pentru f '. Dacă f ' este ireductibil,

am terminat; dacă nu, f ' are un divizor propriu în R[X], care nu poate fi decît un polinom de

grad strict mai mic decît grad f ( f ' nu are divizori proprii în R, căci este primitiv). În

II.6 Aritmetică în inele de polinoame 35

concluzie, f ' gh, cu g, h R[X], de grade strict mai mici decît grad f. Aplicînd ipoteza de

inducţie pentru g şi h, conchidem că f ' este un produs de factori ireductibili în R[X].

Astfel, inelele Z[X], Z[X1, …, Xn], K[X1, …, Xn] cu K corp sînt inele factoriale. Remarcăm

că are un rezultat analog pentru inele noetheriene: dacă R este inel comutativ noetherian,

atunci R[X] este noetherian. (Teorema bazei -Basissatz- a lui D. Hilbert).

II.6 Aritmetică în inele de polinoame

Reamintim că R° desemnează mulţimea elementelor nenule şi neinversabile din inelul R.

6.1 Propoziţie. Fie R un inel integru. Atunci

U(R[X]) U(R) şi R[X]° R° {f R[X] | grad f 1}.

În particular, pentru K corp, U(K[X]) K* şi K[X]° {f K[X] | grad f 1}.

Demonstraţie. Incluziunea U(R) U(R[X]) este evidentă. Dacă f este inversabil în R[X],

există g astfel încît fg 1. R fiind integru, avem atunci grad f grad g 0, deci

grad f 0 grad g, adică f, g R. Din fg 1 deducem că f U(R).

A doua egalitate din enunţ rezultă din prima.

Fiind dat un inel R, problema deciderii ireductibilităţii unui polinom în inelul de polinoame

R[X] este de o deosebită importanţă şi adesea nebanală. De aici rezultă utilitatea cunoaşterii

unui arsenal cît mai bogat de criterii de ireductibilitate.

6.2 Observaţie. Problema ireductibilităţii unui f R[X] (R inel integru, cu corp de fracţii

K) se poate aborda astfel:

- dacă grad f 0, atunci f R. În acest caz, f este ireductibil în R[X] dacă şi numai dacă f

este ireductibil în R. Dacă R K (adică R e corp), f este inversabil, deci nu e ireductibil.

- dacă grad f n 0, atunci f este ireductibil în R[X] dacă şi numai dacă f nu are divizori

neinversabili de grad 0 şi nu există o descompunere de forma f gh, cu g, h R[X] şi

1 grad g, grad h n.

Faptul că f nu are divizori neinversabili de grad 0 este echivalent cu a spune că cmmdc al

coeficienţilor lui f există şi este 1. În practică, inelul R este factorial, caz în care această

condiţie înseamnă că f este primitiv. Reamintim că avem atunci şi echivalenţa „f este

ireductibil în R[X]” „f primitiv şi f ireductibil în K[X]” .

Dacă R este inel care nu e corp, am văzut că inelul R[X] nu este principal, deci cu atît mai

mult nu are loc teorema împărţirii cu rest în R[X]. Totuşi, se observă că, dacă f, g R[X], iar g


are coeficientul dominant inversabil în R, argumentul demonstraţiei teoremei împărţirii cu rest

pentru cazul cînd R este corp este încă valabil. Propunem deci cititorului să demonstreze

următorul rezultat:

6.3 Propoziţie. (teorema împărţirii întregi) Fie R un inel şi f, g R[X]. Dacă coeficientul

dominant al lui g este inversabil în R, atunci există q, r R[X] astfel încît f gq r, cu r 0

sau grad r grad g .

O consecinţă importantă este aşa-numita teoremă a lui Bézout, familiară elevilor de liceu

(cel puţin pentru cazul R R sau C).

6.4 Propoziţie. Fie R un inel integru, f R[X] şi a R. Următoarele afirmaţii sînt

echivalente:

a) a este rădăcină a lui f.

b) Polinomul X a îl divide pe f în R[X].

Demonstraţie. Există q, r R[X] astfel încît f (X a)q r, unde grad r 0 sau r 0.

Observăm că X a îl divide pe f dacă şi numai dacă r 0. Din egalitatea

f (a) (a a)q(a) r(a) r, deducem că f (a) 0 echivalează cu r 0.

Această propoziţie permite următoarea generalizare a noţiunii de rădăcină: dacă R este un

inel şi f R[X], spunem că a R este rădăcină multiplă de ordin m a lui f dacă (X a) m| f şi

(X a) m 1- f ; numărul natural m se numeşte multiplicitatea (sau ordinul de multiplicitate) al

rădăcinii a. O rădăcină a lui f care este de multiplicitate 1 se numeşte rădăcină simplă.

6.5 Corolar. Fie R un inel şi f R[X], grad f 1. Dacă polinomul f are o rădăcină a R,

atunci f este reductibil în R[X] ( fiind divizibil cu X a).

Reciproca afirmaţiei de mai sus este falsă: polinomul (X 2 1)2 nu are rădăcini în Q, dar

este evident reductibil în Q[X]. Cu toate acestea, are loc o reciprocă „parţială”:

6.6 Propoziţie. Fie K un corp. Atunci un polinom f de grad 2 sau 3 din K[X] este

ireductibil dacă şi numai dacă nu are rădăcini în K. În particular, dacă R este inel factorial,

un polinom primitiv de grad 2 sau 3 din R[X] este ireductibil în R[X] dacă şi numai dacă nu

are rădăcini în K.

Demonstraţie. În condiţiile date, ireductibilitatea lui f în K[X] implică faptul că f nu are

rădăcini în K. Reciproc, dacă f este reductibil şi are grad 2 sau 3, atunci, din examinarea

gradelor într-o descompunere a lui f, rezultă că are un factor de grad 1, care are o rădăcină în

K. Restul rezultă din echivalenţa „ f este ireductibil în R[X] dacă şi numai dacă f este primitiv

şi ireductibil în K[X]”.


Criteriul de mai sus trebuie aplicat cu precauţie pentru stabilirea ireductibilităţii

polinoamelor cu coeficienţi într-un inel integru (mai ales dacă nu e factorial):

6.7 Exemple. a) Polinomul f (2X 1)2 este evident reductibil în Z[X], dar nu are rădăcini

în Z. Însă f are rădăcini în corpul de fracţii al lui Z, Q.

b) Fie R {a 2bi | a, b Z}. Se verifică imediat că R este subinel integru al lui Z[i].

Polinomul X 2 1 este ireductibil în R[X] (demonstraţi!), dar are rădăcinile i, i în corpul de

fracţii al lui R, Q[i]. Aceasta arată că existenţa rădăcinilor unui polinom de grad 2 sau 3 din

R[X] în corpul de fracţii al lui R nu implică în general reductibilitatea polinomului în R[X].

Pentru găsirea rădăcinilor unui polinom este util următorul criteriu (vezi şi Exerc. 27).

6.8 Propoziţie. Fie R un inel factorial, K corpul său de fracţii şi f a0 a1X …

anX n R[X]. Dacă p/q K este o rădăcină a lui f, cu p, q R, ( p, q) 1, atunci p|a0 şi q|an.

Demonstraţie. Scriind că p/q este rădăcină a lui f şi înmulţind cu q n, avem

a0q n a1 pq n … an p

n,

deci p|a0q n. Cum ( p, q) 1, avem şi ( p, q n) 1 (R este factorial) şi deci p|a0. Analog se

demonstrează că q|an.

6.9 Exemplu. Fie f X 3 X 2 Z[X]. Dacă p/q Q este rădăcină a lui f, (p, q) 1,

atunci p|2 şi q|1. Rădăcinile raţionale ale lui f (dacă există) se găsesc aşadar printre elementele

mulţimii {1, 1, 2, 2}. Prin testare directă, obţinem că nici unul din aceste elemente nu este

rădăcină. Deci f nu are rădăcini raţionale. Cum f este de grad 3, rezultă că este ireductibil în

Q[X] (şi în Z[X], fiind primitiv).

Propoziţia următoare colectează cîteva criterii generale de ireductibilitate.

6.10 Propoziţie. Fie R un inel integru, K corpul său de fracţii şi f a0 a1X … anX n

un polinom nenul cu coeficienţi în R.

a) Fie c, d R, cu c inversabil în R. Atunci f este ireductibil dacă şi numai dacă f (cX d)

este ireductibil.

b) Presupunem că a0 0. Atunci f este ireductibil dacă şi numai dacă polinomul

r( f ) an an 1X … a0X n,

numit „polinomul reciproc al lui f” este ireductibil.

c) Presupunem că f nu are divizori neinversabili de grad 0. Dacă S este un inel comutativ

şi : R → S este un morfism de inele astfel încît (an) 0 şi polinomul (a0) (a1)X …

(an)X n este ireductibil în S[X], atunci f este ireductibil în R[X].


d) (Criteriul lui Eisenstein) Fie R un inel factorial. Dacă există un element prim p R

astfel încît p|ai, i n, p - an , p2-a0, atunci f este ireductibil în K[X] (deci f ireductibil şi în

R[X] dacă este primitiv).

Demonstraţie. a) Fie : R[X] → R[X] unicul morfism de R-algebre cu proprietatea că

(X) cX d. Altfel spus, ( f ) se obţine înlocuind nedeterminata X în polinomul f cu cX d.

Elementul c este inversabil dacă şi numai dacă este izomorfism de R-algebre (morfismul de

R-algebre : R[X] → R[X] care duce X în c X c d este inversul lui ). Avem aşadar

f gh ( f ) (g)(h), g, h R[X]. Observînd că păstrează gradele şi că |R idR, se

obţine imediat că f este ireductibil dacă şi numai dacă ( f ) este ireductibil.

b) Dacă g şi h sînt polinoame din R[X], cu termenul liber nenul, atunci r(gh) r(g)r(h).

Într-adevăr, observăm că

XfXfr n (pentru rigurozitatea argumentului se consideră

egalităţile în K(X), corpul de fracţii al lui K[X]). Deci, dacă grad g m, grad h p, avem

hrgrX

hXX

gXX

ghXghr pmpm

.

Concluzia rezultă observînd că r păstrează gradele şi că, pentru orice d R, avem d | f

d | r( f ).

c) Fie : R[X] → S[X] unicul morfism de R-algebre (adică este morfism de inele şi

|R ) astfel încît (X) X. Avem de demonstrat că ( f ) ireductibil implică f ireductibil.

Presupunem că f gh, cu g, h R[X]. Atunci ( f ) (g)(h); condiţia (an) 0 asigură că

grad(g) grad(h) grad( f ) n. Cum grad(q) grad q, q R[X], obţinem că

grad(g) grad g şi grad(h) grad h. Din ireductibilitatea lui ( f ) deducem că ( f )

(pentru a face o alegere) este inversabil, deci are grad 0. Astfel, 0 grad(g) grad g. Cum f

nu are divizori neinversabili de grad 0, g U(R).

d) Scriind f c( f )·f ', cu f ' primitiv, avem că f şi f ' sînt asociate în K[X]. Înlocuind

polinomul f cu f ', putem presupune că f este primitiv. Este suficient acum să demonstrăm că f

este ireductibil în R[X]. Dacă f ar fi reductibil, atunci:

f a0 a1X … anX n (b0 b1X … bmX m) (c0 c1X … cpX

p),

unde m 0, p 0, b0, b1, …, bm, c0, c1, …, cp R, bm 0, cp 0. Avem b0c0 a0, deci p | b0c0

şi p2 - b0c0 ; de aici rezultă că p divide exact unul din elementele b0 şi c0. Presupunem că p | b0

şi p - c0. Întrucît p - an, p nu divide toţi coeficienţii bi; există aşadar un i minim, 1 i m,

astfel încît p - bi (şi deci p | bj, j i ). Atunci p - bic0 şi deci elementul

ai bic0

i

jjijcb

nu se divide cu p, contradicţie cu ipoteza.


6.11 Observaţie. Dacă R este inel integru şi f R[X] este un polinom unitar reductibil,

atunci există o descompunere a lui f de forma f gh, cu g, h R[X] unitare, de grade 1.

Demonstraţia e propusă ca exerciţiu. Această observaţie simplă este utilă în investigarea

reductibilităţii polinoamelor.

Cîteva instanţe de aplicare a criteriilor de mai sus pe cazuri concrete vor da o idee asupra

strategiilor posibile de abordare a problemei ireductibilităţii unui polinom. Există algoritmi de

decizie a ireductibilităţii pentru polinoame din Z[X] (deci şi pentru cele din Q[X]), un

asemenea algoritm (datorat lui Kronecker) fiind descris în exerciţiul 32. O aplicare repetată a

unui astfel de algoritm conduce la un algoritm de factorizare (de descompunere în factori

ireductibili) a oricărui polinom din Q[X]. Programele moderne de calcul simbolic (Maple,

Mathematica, Macaulay, Axiom, etc.) au implementate rutine puternice de decizie a

ireductibilităţii, inclusiv pentru polinoame de mai multe variabile şi pentru polinoame cu

coeficienţi în extinderi algebrice ale lui Q sau într-un corp finit. Se poate demonstra că, dacă

există un algoritm de factorizare pentru K[X], cu K un corp, atunci există unul şi pentru L[X],

oricare ar fi L o extindere finit generată a lui K. Pentru mai multe detalii privind algoritmii de

factorizare, vezi de ex. ALBU şi ION [1997], SPINDLER [1994].

6.12 Exemple. a) Polinomul 6X 9 13X 2 26 este ireductibil în Q[X] (şi în Z[X], căci este

primitiv), conform criteriului lui Eisenstein aplicat cu p 13.

b) Pentru orice număr prim p şi orice n N*, X n p este ireductibil în Q[X] şi în Z[X] (tot

cu criteriul lui Eisenstein).

c) Fie p un număr prim şi f X p1 X

p2 … X 1 Z[X]. Criteriul lui Eisenstein nu

este aplicabil direct lui f. Considerînd însă polinomul

g

p

i

iip

p

XCX

XXf

1

1

11

111 ,

observăm că lui g i se poate aplica criteriul lui Eisenstein, căci p divide toţi coeficienţii

binomiali ipC cu 1 i p. Deci g este ireductibil şi astfel, conform punctului a) al propoziţiei

de mai sus, f este ireductibil.

d) Polinomul f Y 9 X 9Y 7 3X 2Y 2X este ireductibil în Z[X, Y]. Pentru demonstraţie,

considerăm f ca polinom în Y cu coeficienţi în inelul factorial Z[X]. Aplicăm acum criteriul lui

Eisenstein cu p X (X este element ireductibil în Z[X]). Remarcăm că inelul Z putea fi

înlocuit cu orice inel factorial de caracteristică diferită de 2.

e) Considerăm polinomul f X 5 X 2 1 Z2[X]. Polinomul f nu are rădăcini în Z2, deci

divizorii proprii ai lui f nu pot fi de grad 1 (sînt de grad 2 sau 3). O descompunere a lui f poate

fi doar de forma:

X 5 X 2 1 (X 3 aX 2 bX 1)(X 2 cX 1),


cu a, b, c Z2. Identificînd coeficienţii, se obţine un sistem de ecuaţii în a, b, c, despre care

se vede imediat că nu are soluţii în Z2. Aşadar, f este ireductibil în Z2[X].

f) O aplicare tipică a criteriului 6.10.c) la un polinom f cu coeficienţi întregi constă în a

„reduce coeficienţii modulo n”. Mai precis, pentru un n N convenabil ales, se consideră

unicul morfism de inele : Z → Zn şi se cercetează ireductibilitatea polinomului „ f redus

modulo n” (notat cu ( f ) în demonstraţie). Fie, de exemplu, polinomul

f 7X 5 4X 3 X 2 X 9 Z[X]. Redusul modulo 2 al lui f este X 5 X 2 1 Z2[X],

despre care am văzut că este ireductibil. Condiţiile de la 6.10.c) sînt îndeplinite, deci f este

ireductibil în Z[X] (deci şi în Q[X], fiind primitiv).

g) Polinomul 10X 7 5X 2 2 este ireductibil în Z[X], căci reciprocul său este

2X 7 5X 5 10, căruia i se poate aplica criteriul lui Eisenstein cu p 5.

Exerciţii

În exerciţii, R este un inel integru şi K este corpul său de fracţii (dacă nu se specifică

altfel). 1. Fie R un inel comutativ unitar care nu e integru şi a R un divizor al lui 0. Dacă

b R \ {0} nu este divizor al lui 0, demonstraţi că ecuaţia ax b 0 nu are soluţii în nici un

inel S care include R ca subinel.

2. Fie R un inel integru finit. Demonstraţi că R este corp.

3. Fie R un inel unitar infinit care nu este corp. Demonstraţi că mulţimea R° a elementelor

nenule şi neinversabile este infinită. (Ind. Dacă R° este finită, atunci U(R) este infinită. Fie

S(R°) mulţimea bijecţiilor de la R° la R°. Aplicaţia : U(R) → S(R°) x x, x(a) xa,

a R°, este injectivă, contradicţie.) 4. Fie R un inel integru în care orice două elemente au cmmdc. Atunci orice element din K se

poate scrie sub forma a/b, (b 0), cu a, b R, prime între ele („fracţia a/b este ireductibilă”).

Ce se poate spune despre unicitatea unei astfel de scrieri?

5. Arătaţi că un inel comutativ R este integru dacă şi numai dacă R[X] este integru.

6. Fie p R°. Demonstraţi că idealul generat de p în R[X], pR[X], este prim dacă şi numai

dacă p este element prim în R. (Ind.: Arătaţi că R[X]/(pR[X]) (R/pR)[X]). Deduceţi o nouă

demonstraţie pentru 5.9.a).

7. Elementele 6 şi 2 5 nu au cmmdc (şi deci nici cmmmc) în inelul Z[ 5 ].


8. Fie d un număr întreg negativ, liber de pătrate. Să se determine grupul elementelor

inversabile în inelul Z[ d ].

9. Un număr prim p Z este prim şi în inelul Z[i] dacă şi numai dacă p 3 (mod 4).

10. Fie R un inel, I R şi f R[X]. Notăm R R/I. Pentru orice g R[X], notăm

g g (mod I) R[X] polinomul obţinut prin înlocuirea coeficienţilor lui g cu clasele lor

modulo I. Atunci:

[ ] [ ]

,

R X R X

I f f

11. Fie d Z, liber de pătrate şi p Z, prim. a) Demonstraţi că Z[ d ] 2X X d .

b) Demonstraţi că p este prim în Z[ d ] ⇔ X 2 d este ireductibil în Zp[X].

12. Să se arate că inelul Z[ 2 ] este euclidian. (Ind. Folosiţi 3.2.)

13. Fie 251 . Să se arate că norma N : Z[ ] → Z este dată de formula

N(a b) a2 ab b2, a, b Z. Demonstraţi că inelul 251Z este euclidian. (Ind.

Folosiţi 3.2 şi faptul că Q[ 5 ] Q[ ]).

14. Fie 231 i . Scrieţi o formulă pentru aplicaţia normă N : Z[ ] → Z şi determinaţi

grupul unităţilor lui Z[ ].

15. Fie d Z, liber de pătrate.

a) Orice element din dQ are o scriere unică sub forma a b d , a, b Q.

b) Presupunem cunoscut că un întreg pătratic este rădăcină a unui polinom unitar de grad 2

cu coeficienţi întregi. Arătaţi că un element x a b d dQ (a, b Q) este întreg

pătratic Tr(x) 2a Z şi N(x) a 2 db 2 Z.

c) Arătaţi că x a b d (cu a, b Q) este întreg pătratic 2a Z, 2b Z şi

4a 2 4b 2d 0 (mod 4). d) Arătaţi că R : { dQ | întreg pătratic} este un subinel al lui dQ şi că

R Z[ ], unde este dat de Propoziţia 3.1. e) Pentru d 0, determinaţi explicit grupul unităţilor lui R.

16. Fie R un subinel unitar al unui inel comutativ S. Un element al lui S se numeşte întreg

peste R dacă este rădăcină a unui polinom unitar nenul din R[X]. Demonstraţi că, dacă R este

GCD-inel şi x K este întreg peste R, atunci x R. (Un inel integru cu această proprietate se

numeşte întreg închis).

17. Fie R un inel principal şi S un sistem multiplicativ închis în R. Atunci inelul de fracţii

S 1R este principal.

18. Fie R un inel euclidian faţă de funcţia şi S un sistem multiplicativ închis în R. Atunci

inelul de fracţii S 1R este euclidian. (Ind. Se poate lua S saturat. Folosiţi exerc. 4.)


19. Fie R un inel factorial şi S un sistem multiplicativ închis în R. Atunci inelul de fracţii S 1R

este factorial.

20. Proprietatea unui inel R de a fi euclidian (respectiv principal, factorial) se transmite şi la

subinelele unitare ale lui R?

21. Fie R un inel euclidian faţă de funcţia . Atunci există u R nenul şi neinversabil cu

proprietatea: x R, q R astfel încît x qu este inversabil sau 0. Cît este u pentru R Z,

K[X] ? (Ind. min {(v) | v R°} (u) pentru un u R°.) 22. Fie d 13, d liber de pătrate şi R inelul întregilor lui dQ (deci R Z[ ], cu dat de

propoziţia 3.1). Arătaţi că U(R) { 1, 1}. Arătaţi că R nu este euclidian. Este acest rezultat

un caz particular al Propoziţiei 3.3? (Ind. Dacă R este euclidian, fie u R dat de ex.

precedent. Atunci x R, are loc u|x sau u|x 1. Luaţi x 2 pentru a deduce că u Z şi

u 2 sau 3. Apoi găsiţi y R astfel încît să nu aibă loc u|y sau u|y 1).

23. Fie d un întreg liber de pătrate, d 1 (mod 4). Atunci inelul Z[ d ] nu este GCD-inel.

(Ind. 2 este ireductibil şi nu este prim.)

24. Să se arate că în Z există o infinitate de elemente prime neasociate în divizibilitate.

25. Fie R un inel factorial care nu este corp, astfel încît grupul unităţilor U(R) este finit.

Atunci în R există o infinitate de elemente prime neasociate în divizibilitate. (Ind. Dacă

p1, …, pn sînt toate elementele prime pînă la asociere, atunci există m 1 astfel încît

1 (p1…pn)m R°.)

26. Fie R un inel factorial şi p R un element prim. Folosind morfismul canonic

: R → R/pR şi prelungirea sa la un morfism : R[X] → (R/pR)[X], daţi o nouă demonstraţie

criteriului lui Eisenstein. (Ind. Dacă f a0 a1 X … an X n satisface ipotezele criteriului şi

f gh, atunci ( f ) (an)X n (g)(h). Dacă grad g, grad h 1, atunci termenii liberi ai

lui g şi h sînt multipli de p.)

27. Fie R un inel factorial şi f a0 a1 X … an X n R[X].

a) Dacă p/q K este o rădăcină a lui f, unde p, q R şi ( p, q) 1, atunci p|a0, q|an şi

(p qr)| f (r), r R. Ce devin relaţiile pentru an 1?

b) Fie g nnn

nn

nn XXaXaaaa

1

112

01 . Atunci XagXfa n

nn 1 . Descrieţi

legătura dintre rădăcinile lui g şi cele ale lui f.

c) Determinaţi rădăcinile raţionale ale polinoamelor 2X 3 5X 2 9X 15 şi

4X 3 7X 2 7X 15.

28. Fie K un corp. Demonstraţi că orice polinom nenul f K[X] are cel mult grad f rădăcini în

K (fiecare fiind numărată cu multiplicitatea sa).

29. Fie R un inel. Demonstraţi echivalenţa următoarelor afirmaţii:


a) Orice polinom nenul f R[X] are cel mult grad f rădăcini în R (fiecare fiind numărată cu

multiplicitatea sa).

b) Orice polinom de grad 1 are cel mult o rădăcină în R.

c) R este inel integru.

(Ind. Consideraţi corpul de fracţii al lui R şi folosiţi problema precedentă).

30. Fie R un inel. Dacă f R[X], i se asociază funcţia polinomială f~

: R → R unde, x R,

f~

(x) f (x) (valoarea polinomului f în x). Demonstraţi că, dacă R este integru infinit, atunci

funcţia : R[X] → RR, ( f ) f~

, f R[X], este injectivă. Rămîne valabilă concluzia dacă se

renunţă la ipoteza R infinit?

31. (Polinomul de interpolare Lagrange) Fie K un corp, n 1, x0, …, xn K, (n 1 elemente

distincte) şi y0, …, yn K. Demonstraţi că există un unic polinom L K[X] de grad cel mult n

astfel încît L(xi) yi, 0 i n.

32. Fie p Z[X], primitiv, grad p n şi m cel mai mare întreg n/2.

a) Arătaţi că p reductibil în Z[X] p are un factor de grad cuprins între 1 şi m.

b) Fie (x0, …, xm) Z m 1, cu xi distincte două cîte două. Arătaţi că următorul algoritm se

termină într-un număr finit de paşi şi furnizează un factor neconstant al lui p de grad m sau

demonstrează ireductibilitatea lui p:

1. Dacă i cu p(xi) 0, atunci X xi este un factor al lui p şi am terminat. Dacă nu, treci

la 2.

2. Fie D {d (d0, …, dm) Z m 1 | di| p(xi), i}. D este o mulţime finită.

Pentru orice d D, fie Ld Q[X] polinomul (de interpolare Lagrange) cu proprietăţile

Ld(xi) di, i, şi grad Ld m. Dacă există d D cu Ld Z[X] şi Ld | p, atunci Ld este

un factor al lui p şi am terminat. Dacă nu, atunci p este ireductibil.

c) Deduceţi un algoritm de decizie a ireductibilităţii pentru polinoame din Q[X].

d) Presupunem că m 2. Ce alegere pentru (x0, …, xm) propuneţi?

e) Presupunem că în inelul factorial R există un algoritm de factorizare (de descompunere a

oricărui element din R° în factori primi). Ce proprietăţi trebuie să aibă R pentru a putea

generaliza la R[X] algoritmul de mai sus?

f) Presupunem că R este factorial şi că în R[X] există un algoritm de factorizare. Atunci

există un algoritm de factorizare în K[X].

33. Decideţi ireductibilitatea polinomului X 4 X 2 2X 1 din Z[X].

34. Să se arate că polinomul a0 a1 X … an X n Z2[X] (an 0) nu are rădăcini în Z2 dacă

şi numai dacă a0(a0 a1 … an) 0.

35. Plecînd de la egalitatea (în Z2[X]): X 5 X 1 (X 3 X 2 1)( X 2 X 1), să se demon-

streze că X 5 X 1 Q[X] este ireductibil.

36. Fie R un inel integru.


a) Fie f R[X], grad f m. Dacă f are cel puţin m 1 rădăcini în R, atunci f 0.

b) Fie g R[X1,…, Xn], cu R infinit. Dacă g(a1, …, an) 0, (a1, …, an) R n, atunci g

este polinomul nul. (Ind. Inducţie după n.) Deduceţi că două polinoame din R[X1,…, Xn] sînt

egale dacă şi numai dacă funcţiile polinomiale asociate sînt egale.

c) Daţi exemplu de corp finit K şi de polinoame distincte din K[X] care au aceeaşi funcţie

polinomială asociată.

d) Mai general, fie R infinit şi g R[X1,…, Xn], cu grad(g, Xi) mi. 19 Presupunem că sînt

date submulţimi ale lui R astfel încît: S R cu |S| m1; a1 S, S(a1) R cu |S(a1)| m2;

a1 S, a2 S(a1), S(a1, a2) R cu |S(a1, a2)| m3 ş.a.m.d. Dacă g(a1, …, an) 0,

a1 S, a2 S(a1), a3 S(a1, a2), …, an S(a1, …, an), atunci g este polinomul nul.

37. Fie R un inel comutativ. Un polinom de n nedeterminate p R[X1,…, Xn] : R[ X ] se

numeşte omogen de grad q dacă toate monoamele lui p sînt de grad total q (vezi şi Anexe).

Arătaţi că:

a) Orice p R[ X ] se scrie unic sub forma:

p p0 p1 … pm, cu pi R[ X ], omogen de grad i.

b) Produsul a două polinoame omogene de grade m, respectiv n, este omogen de grad

m n.

c) p R[ X ] este omogen de grad q p(TX1,…, TXn) T qp(X1,…, Xn) (egalitate în inelul

R[X1,…, Xn, T] R[X1,…, Xn][ T ]).

d) Fie p R[ X ] omogen. Atunci orice divizor al său în R[ X ] este omogen.

d) Dacă R este inel integru infinit şi p R[ X ], atunci p este omogen de grad q

p(tx1,…, txn) t qp(x1,…, xn), t, x1,…, xn R.

e) Este adevărat că orice polinom simetric din R[ X ] are numai divizori polinoame

simetrice din R[ X ]?

38. Fie K un corp de caracteristică diferită de 2 (adică 1 1 0 în K) şi p un polinom omogen

de grad 2 în K[X, Y], adică p aX 2 bXY cY 2, cu a, b, c K. Demonstraţi că p este

reductibil în K[X, Y] b 2 4ac este un pătrat în K b 2 4ac 0 sau există K, (,

) (0, 0), cu p(, ) 0.

39. Fie K un corp şi p a0Y n a1 Y

n 1X … an X n K[X, Y] un polinom omogen de grad

n şi p(X, 1) a0 a1 X … an X n K[X]. Demonstraţi că, g K[X, Y], g | p în K[X, Y]

dacă şi numai dacă g(X, 1) | p(X, 1) în K[X].

40. Fie K un corp şi p K[X, Y] un polinom omogen. Demonstraţi că p este ireductibil în

K[X, Y] p(X, 1) este ireductibil în K[X].

19 Am notat cu grad(g, Xi) gradul lui g în nedeterminata Xi.


41. Să se descompună în factori ireductibili polinomul X13 X2

3 K[X1, X2]. Discuţie după

caracteristica lui K.

42. Fie K un corp de caracteristică diferită de 3 şi f X13 … Xn

3 K[X1,…, Xn]. Arătaţi că

f este ireductibil dacă şi numai dacă n 3. Generalizare. (Ind. Pentru n 3, folosiţi criteriul

Eisenstein pentru f K[X1, X2][X3]. Se face apoi o inducţie după n.) 43. Fie n 2 nedeterminate Xij, 1 i, j n şi matricea A (Xij)1 i, j n Mn(Z[Xij;1 i, j n]).

Atunci polinomul det A {X1(1)�… Xn(n) | Sn} este ireductibil în Z[Xij;1 i, j n].

44. Să se arate că un inel comutativ R este noetherian dacă şi numai dacă orice ideal al său

este finit generat.

46

III. Module

Teoria modulelor poate fi văzută ca o generalizare a algebrei liniare clasice (care studiază

spaţiile vectoriale peste un corp oarecare1). Aplicaţiile teoriei se regăsesc în multe domenii

matematice: teoria algebrică a numerelor, teoria reprezentărilor de grupuri, teoremele de

structură ale algebrelor, algebra omologică etc. Pe de altă parte, teoria modulelor este o bună

ilustrare a unor concepte de teoria categoriilor (vom folosi unele noţiuni elementare de

categorii în acest capitol, care se pot găsi în anexe). În algebra modernă este practic

indispensabil limbajul teoriei modulelor.

III.1 Module, submodule, morfisme

Noţiunea de modul peste un inel este o generalizare directă a noţiunii de spaţiu vectorial

peste un corp.

1.1 Definiţie. Fie R un inel unitar (nu neapărat comutativ) şi (M, ) un grup abelian.

Spunem că M are o structură de R-modul stîng (sau modul la stînga peste R) dacă este definită

o „operaţie externă pe M cu operatori în R”2, adică o funcţie

: R M → M (notăm (r, x) : rx, r R, x M),

care satisface axiomele:

i) r(x y) rx ry;

ii) (r s)x rx sx;

iii) (rs)x r(sx);

iv) 1x x,

1 Deşi volumul "Algèbre linéaire" (1961) din celebra suită de tratate Bourbaki începe chiar cu definiţia …

modulului. 2 Numită şi „înmulţire a elementelor din M cu scalari din R”.


47

oricare ar fi r, s R şi x, y M.

Se observă că, formal, axiomele de mai sus coincid cu cele din definiţia unui spaţiu

vectorial (cu deosebirea că se consideră un inel în locul unui corp).

Dacă axioma iii) este înlocuită cu axioma:

iii') (rs)x s(rx), r, s R, x M,

spunem că M este un R-modul drept. Notaţia obişnuită pentru operaţia externă în cazul

R-modulelor drepte este „cu scalarii la dreapta”: : M R → M, (x, r) xr, r R,

x M. Scrierea axiomelor R-modulului drept, folosind această convenţie, este aşadar

următoarea:

i') (x y)r xr yr;

ii') x(r s) xr xs;

iii') x(rs) (xr)s;

iv') x1 x,

oricare ar fi r, s R şi x, y M.

Notăm faptul că M este R-modul stîng cu R M, iar faptul că M este R-modul drept cu MR.

Grupul abelian (M, ) se numeşte grupul abelian subiacent al modulului M.

Observăm că, dacă inelul R este comutativ, atunci noţiunile de R-modul stîng şi R-modul

drept coincid. De asemenea, dacă R este inel oarecare, iar M este R-modul drept, atunci M

devine Rop-modul stîng, unde am notat cu (Rop, , *) opusul inelului R (Rop are acelaşi grup

abelian subiacent ca şi R, iar înmulţirea este definită prin r*s sr, r, s R). Astfel, un

rezultat care are loc pentru orice inel R şi orice R-modul drept, are loc şi pentru orice R-modul

stîng; şi reciproc. La fel, se pot transporta toate definiţiile pentru module stîngi în cazul

modulelor drepte.

1.2 Exemple. a) Dacă K este un corp, un K-modul nu este altceva decît un K-spaţiu

vectorial.

b) Dacă R este un inel unitar, R are o structură (numită canonică) de R-modul stîng (notată

R R): (R, ) este grup abelian, iar „operaţia externă” R R → R este chiar înmulţirea inelului:

(r, s) rs, r, s R. Analog, R este în mod canonic R-modul drept, notat RR.

c) Orice grup abelian (A, ) este în mod canonic un Z-modul. Dacă n Z şi a A, atunci

definim na ca „multiplul” lui a în grupul aditiv A. (dacă n N, na a … a (n termeni);

dacă n 0, na (a) … (a) (n termeni)). De altfel, aceasta este singura operaţie externă

în raport cu care A devine un Z-modul. Teoria grupurilor abeliene este, din acest punct de

vedere, un caz particular al teoriei modulelor.

III. Module 48

d) Fie R un inel oarecare şi n N*. Mulţimea R n {(x1, …, xn) | xi R, 1 i n} este

grup abelian faţă de adunarea pe componente şi devine un R-modul faţă de operaţia de

înmulţire cu scalari dată de r(x1, …, xn) (rx1, …, rxn), r R, (x1, …, xn) R n.

e) Fie R un inel şi m, n N*. Mulţimea Mm, n(R) a matricelor de tip mn cu elemente în R

este grup abelian faţă de adunarea uzuală a matricelor şi devine un R-modul faţă de operaţia

de „înmulţire a matricelor cu scalari”: dacă r R, (aij) Mm, n(R), r(aij) : (raij) (se înmulţeşte

fiecare element al matricei cu r).

f) Fie R : M2(Z) (inelul matricelor de tip 22 cu elemente în Z) şi M : M2, 1(Z)

(mulţimea matricelor de tip 21 cu elemente în Z). M este grup abelian faţă de adunarea

uzuală a matricelor şi are o structură naturală de R-modul stîng: A M2(Z) R,

U M2, 1(Z) M, AU M este produsul uzual de matrice. Axiomele modulului decurg din

proprietăţile cunoscute ale operaţiilor cu matrice. Puteţi generaliza acest exemplu? Se poate

înzestra M cu o structură naturală de R-modul drept?

g) Fie : R → S un morfism de inele. Dacă M este un S-modul stîng, atunci M are o

structură de R-modul stîng prin „restricţia scalarilor”: r R, x M, rx : (r)x. În

particular, S devine un R-modul stîng (şi totodată un R-modul drept). Acest exemplu

generalizează o situaţie întîlnită adesea la extinderi de corpuri: orice corp S este spaţiu

vectorial peste orice subcorp R al său.

1.3 Observaţii. a) Notaţia pentru operaţia de adunare în inelul R coincide cu notaţia pentru

adunarea din M. La fel, elementul neutru faţă de adunare în R este notat cu 0, la fel ca

elementul neutru al adunării din M. Se poate deduce din context despre ce operaţii sau

elemente este vorba; sperăm ca această simplificare (de altfel tradiţională) a notaţiei să nu

provoace confuzii cititorului.

b) Fiind dat un inel R şi un grup abelian M, a da o structură de R-modul stîng pe M este

echivalent cu a da un morfism unitar de inele : R → End(M), unde (End(M), ,◦) este inelul

endomorfismelor 3 de grup abelian ale lui M; „+” este adunarea morfismelor, adică u,

v End(M), (u v)(x) : u(x) v(x), x M, iar „◦” este compunerea uzuală a aplicaţiilor:

u, v End(M), (u◦v)(x) u(v(x)), x M. Într-adevăr, dacă M este R-modul stîng, definim

: R → End(M) prin (r)(x) rx, r R, x M. Invers, dacă este dat morfismul

: R → End(M), definim operaţia externă R M → M, (r, x) rx :(r)(x), r R,

3 Uneori acest inel este numit inelul endomorfismelor stîngi ale lui M, subliniindu-se faptul că scrierea

funcţiilor se face la stînga argumentului, adică u(x); aceasta implică şi definirea compunerii în maniera „uzuală” descrisă mai sus. Dacă însă se scrie (x)u pentru valoarea în x a lui u, atunci compunerea lui u cu v se defineşte -natural- ca (x)(uv) ((x)u)v. Cu această înmulţire, End(M) se numeşte inelul endomorfismelor drepte ale lui M şi este opusul inelului endomorfismelor stîngi ale lui M.


49

x M. Lăsăm cititorului verificarea în detaliu a acestor afirmaţii. Ce corespunde unei

structuri de R-modul drept a lui M?

Vom presupune în continuare pe parcursul acestei secţiuni că R este un inel unitar, fără a

mai specifica această notaţie de fiecare dată. Toate modulele pe care le considerăm sînt

R-module stîngi (dacă nu se menţionează expres altfel).

1.4 Propoziţie. Fie M un R-modul. Atunci, oricare ar fi x M şi r R, au loc:

a) 0x r0 0.

b) r(x) (r)x (rx).

Demonstraţie. a) Are loc 0x (0 0)x 0x 0x. Cum M este grup, rezultă prin

simplificare că 0x 0. La fel se arată că r0 0.

b) Avem 0 r0 r(x (x)) rx r(x). Deci (rx), opusul lui rx în grupul (M, ), este

egal cu r(x). Egalitatea (r)x (rx) este propusă că exerciţiu.

Ca şi la celelalte structuri algebrice, în teoria modulelor există noţiunea naturală de

submodul:

1.5 Definiţie. a) Fie M un R-modul stîng. O submulţime nevidă L a lui M se numeşte

R-submodul stîng al lui M dacă

i) L este subgrup în grupul (M, ): x, y L, rezultă x y L;

ii) r R, x L, rezultă rx L.

Se spune mai pe scurt submodul al lui M dacă nu sînt posibile confuzii. Notăm aceasta

prin L R M (sau L M dacă nu sînt posibile confuzii). Facem observaţia că faptul că L este

R-submodul drept al lui M se scrie L MR.

Se observă că definiţia de mai sus este generalizarea naturală a noţiunii de subspaţiu

vectorial.

1.6 Propoziţie. Fie M un R-modul şi L o submulţime nevidă a lui M. Atunci sînt

echivalente afirmaţiile:

a) L este submodul al lui M: r R, x, y L, rezultă că x y L şi rx L.

b) Pentru orice r, s R şi x, y L, rezultă că rx sy L.

c) Pentru orice n N*, r1,…, rn R, x1,…, xn L, rezultă r1x1 … rnxn L.

Demonstraţie. a) b) Dacă r, s R şi x, y L, atunci a) asigură că rx şi (s)y L, deci

tot în L este şi rx (s)y rx (sy) rx sy.

b)a) Dacă r R şi x, y L, atunci rx 0y rx L şi 1x ( 1)y x y L.

b)c) Prin inducţie după n (exerciţiu).

III. Module 50

Un element de forma r1x1 … rnxn, cu r1, …, rn R şi x1, …, xn M, se numeşte

combinaţie liniară a elementelor x1, …, xn (iar r1, …, rn se numesc coeficienţii combinaţiei

liniare). Deci, L R M dacă şi numai dacă orice combinaţie liniară de elemente din L este tot

în L.

Din faptul că orice submodul L al unui modul M este subgrup al grupului aditiv subiacent

(M, ) rezultă că 0 L. De asemenea, dacă L este submodul al modulului M, atunci L are o

structură de R-modul (numită indusă de cea a lui M); adunarea este restricţia la L L a

adunării lui M, iar operaţia externă este restricţia la R L a operaţiei externe a modulului M.

1.7 Exemple. a) Dacă M este R-modul, {0} este R-submodul în M, notat cu 0. De

asemenea, M este R-submodul al lui M. Un submodul al lui M, diferit de M, se numeşte

submodul propriu al lui M. Orice submodul al lui M, fiind subgrup al grupului abelian

subiacent, conţine pe 0.

b) Submodulele stîngi ale R-modulului R R nu sînt altceva decît idealele stîngi ale inelului

R. Notaţia I R R înseamnă aşadar „I este ideal stîng al lui R”.

c) Dacă M este un grup abelian ( un Z-modul), un Z-submodul al lui M este acelaşi lucru

cu un subgrup al lui M.

1.8 Propoziţie. Fie (Mi)iI o familie de submodule ale R-modulului M. Atunci intersecţia

acestei familii, iI Mi , este submodul al lui M.

Rezultatul precedent, cu demonstraţie simplă, permite definirea noţiunii de submodul

generat de o submulţime:

1.9 Definiţie. a) Fie M un R-modul şi X o submulţime a lui M. Intersecţia familiei

submodulelor lui M care includ pe X este un submodul al lui M, numit submodulul generat de

X, notat cu R X > (sau, mai simplu, < X >). Dacă L R M şi < X > L, se mai spune că X este

sistem de generatori pentru L (sau că X generează L).

b) Fie M un R-modul şi X o submulţime a lui M. Definim mulţimea combinaţilor liniare de

elemente din X cu coeficienţi în R ca fiind mulţimea

RX : {r1x1 … rnxn| n N, r1, …, rn R, x1, …, xn X}.

Dacă X , definim R {0}.

1.10 Propoziţie. Fie M un R-modul şi X M. Atunci:

a) Submodulul generat de X este cel mai mic (în sensul incluziunii) submodul al lui M care

include pe X.

b) < X > RX, adică submodulul generat de X coincide cu mulţimea combinaţiilor liniare

de elemente din X cu coeficienţi în R.


51

Demonstraţie. a) Evident, < X > este submodul şi include pe X. Dacă L este un submodul

în M care include pe X, atunci < X > L pentru că L face parte din familia de submodule a

căror intersecţie este L.

b) Arătăm că X RX şi că RX este cel mai mic submodul care include pe X. Cazul X

este trivial. Dacă X şi x X, atunci x se scrie ca şi combinaţia liniară 1x RX. Deci

X RX. Se vede uşor că diferenţa a două combinaţii liniare din RX şi produsul unui r R cu

o combinaţie liniară sînt tot în RX. Deci RX este submodul. Dacă L este un submodul care

include pe X, din 1.6.c) rezultă că RX L.

1.11 Definiţie. Dacă a este un element al R-modulului M, submodulul generat de {a} este

Ra {ra | r R} şi se numeşte submodulul ciclic generat de a. Modulul M se numeşte finit

generat (sau de tip finit) dacă are o mulţime finită de generatori: există o submulţime finită F

a lui M astfel încît < F > M.

Am văzut că intersecţia oricărei familii de submodule este submodul; în general însă,

reuniunea unei familii de submodule nu este submodul.

1.12 Definiţie. Fie M un R-modul şi E, F submodule în M. Submodulul generat de

reuniunea E F se numeşte suma submodulelor E şi F, notat E F. Mai general, pentru o

familie oarecare (Ei)iI de submodule ale lui M, numim submodulul generat de iI Ei suma

familiei de submodule (Ei)iI, care se notează iI Ei sau I Ei.

Suma unei familii finite de submodule E1, …, En se notează E1 … En sau

n

iiE

1

.

Ca o consecinţă imediată a definiţiei, suma familiei de submodule (Ei)iI este cel mai mic

submodul al lui M care include toate submodulele Ei.

Pentru formularea comodă a unor rezultate, introducem următoarea terminologie: fie I o

mulţime (văzută ca mulţime de indici) şi R M un R-modul. Familia de elemente4 (ei)iI, cu

ei M, i I, se numeşte familie de suport finit dacă mulţimea {i I | ei 0} este finită.

Mulţimea {i I | ei 0} se numeşte suportul familiei (ei)iI şi se notează Supp((ei)iI). Pentru

orice familie de elemente de suport finit J I este bine definită suma sa iI ei : iJ ej.

Dacă (ei)iI este o familie de suport finit, se mai spune că (ei)iI sînt aproape toţi nuli.

1.13 Propoziţie. Fie M un R-modul şi (Ei)iI o familie de submodule ale lui M. Atunci

4 A da o familie (ei)i I de elemente ale lui M este echivalent cu a da o funcţie f : I → M (notînd f (i) ei,

i I ).

III. Module 52

finitsuport de ,, IiiiiIi

iIi i eIiEeeE

nnn iiiinii EeEeIiinee ,,,,,,

111 1 N .

În particular, dacă E, F sînt submodule ale lui M, atunci

E F {e f | e E, f F},

iar dacă E1, …, En sînt submodule ale lui M, atunci

E1 … En {e1 … en | e1 E1, …, en En}.

Demonstraţie. Fie S

finitsuport de ,, Iiiii

Iii eIiEee .

Arătăm că S este submodul: dacă r R, iar e Ii

ie S, cu ei Ei, i I, (ei)iI de suport

finit, atunci re Ii

ire S, căci fiecare Ei este submodul. La fel, dacă e, f S, atunci

e f S. Pe de altă parte, este clar că Ei S, i I. Dacă L este un alt submodul al lui M care include toate submodulele Ei, atunci S L. Deci S este submodulul generat de iI Ei.

1.14 Observaţie. Mulţimea LR(M) a tuturor submodulelor unui R-modul M este ordonată

în raport cu incluziunea; mai mult, (LR(M), ) este o latice completă: 5 pentru orice

submulţime F a lui LR(M) (adică orice familie de submodule ale lui M), sup F este

submodulul sumă a familiei F, iar inf F este intersecţia familiei F.

1.15 Exemplu. Suma a două submodule I, J ale modulului stîng canonic R R coincide cu

suma idealelor stîngi I şi J. Dacă inelul R este corp, noţiunea de sumă de submodule ale unui

R-modul este acelaşi lucru cu noţiunea de sumă de R-subspaţii vectoriale.

Laticea LR(M) a submodulelor unui R-modul M are întotdeauna un cel mai mare element

(M însuşi!) şi un cel mai mic element (submodulul 0). De aceea, în cazul modulelor, noţiunile

de submodul maximal şi submodul minimal au o semnificaţie specială.

1.16 Definiţie. Submodulul L al R-modulului M se numeşte submodul maximal dacă L este

maximal printre submodulele diferite de M, adică:

E R M cu E M, din L E rezultă L E.

Submodulul L al R-modulului M se numeşte submodul minimal dacă L este minimal printre

submodulele diferite de 0, adică:

E R M cu E 0, din E L rezultă E L.

Teorema următoare furnizează o clasă importantă de module care au submodule maximale.

5 O mulţime ordonată A se numeşte latice completă dacă, pentru orice submulţime B a lui A, există sup B (cel

mai mic majorant al lui B) şi inf B (cel mai mare minorant al lui B) în A.


53

1.17 Teoremă. Fie M un R-modul nenul finit generat. Atunci orice submodul propriu al lui

M este inclus într-un submodul maximal. În particular, M are un submodul maximal.

Demonstraţie. Fie L R M, L M şi {x1, …, xn} o mulţime finită de generatori ai lui M.

Notăm cu P mulţimea submodulelor proprii ale lui M, care includ pe L. P este o mulţime

ordonată cu incluziunea; elementele ei maximale (dacă există!) sînt exact submodulele

maximale ale lui M, care includ pe L. Vom folosi lema lui Zorn pentru a demonstra existenţa

elementelor maximale în P. Fie deci un lanţ (Ei)iI, cu Ei P, i I. Acest lanţ de

submodule are un majorant în P, anume iI Ei : E. Într-adevăr, E este submodul6: dacă x,

y E, atunci există i, j I cu x Ei, y Ej; cum (Ei)iI este lanţ, rezultă că Ei Ej sau

Ej Ei. Deci x y Ej (căci Ej R M) sau x y Ei. În orice caz, x y E. La fel se

demonstrează că r R, x E, rezultă rx E. Deci E este submodul în M, care include

evident pe L.

Trebuie să demonstrăm şi că E M. Dacă, prin absurd, E M, atunci {x1, …, xn} E

iI Ei. Aşadar, t {1, …, n}, există it I astfel încît xt ti

E . Cum (Ei)iI este total

ordonată, există j {i1, …, in} cu ti

E Ej, t {1, …, n}. Deci {x1, …, xn} Ej. Însă

aceasta implică M x1, …, xn Ej, contradicţie cu Ej P.

Din lema lui Zorn rezultă că există un element maximal al lui P.

Luînd L 0, se obţine existenţa unui submodul maximal în M.

1.18 Corolar (Lema lui Krull 7) Fie R un inel unitar. Atunci orice ideal stîng propriu al lui

R este inclus într-un ideal stîng maximal. În particular, R are ideale stîngi maximale.

Demonstraţie. R-modulul stîng canonic R R este finit generat (de {1}).

1.19 Definiţie. Fie M şi N două R-module stîngi. O aplicaţie : M → N se numeşte

morfism de R-module stîngi (morfism de module, mai pe scurt) sau R-morfism dacă:

(x y) (x) (y), x, y M;

(rx) r(x), x M, r R.

Un morfism de R-module mai este numit aplicaţie R-liniară, transformare liniară 8 sau

homomorfism de R-module. Un morfism de R-module : M → M se numeşte endomorfism al

lui M.

6 Iată un caz (singular) în care reuniunea unei familii de submodule este submodul. 7 Wolfgang Adolf Ludwig Helmuth Krull (1899-1971), matematician german cu importante contribuţii în

algebră. 8 Denumire provenind din geometrie, folosită mai ales în cazul spaţiilor vectoriale.

III. Module 54

Prima condiţie din definiţia morfismului de module : M → N înseamnă că este

morfism între grupurile abeliene subiacente. Rezultă că

(0) 0

(am notat cu 0 atît elementul neutru la adunare al lui M, cît şi al lui N ) şi

( x) x, x M.

1.20 Observaţie. Fie L o submulţime a R-modulului M. Dacă pe L este definită o structură

de R-modul astfel încît incluziunea canonică : L → M este morfism de module, atunci L este

submodul al lui M. Reciproc, dacă L M, atunci incluziunea canonică : L → M este morfism

de module (structura de modul a lui L fiind indusă de cea a lui M).

1.21 Exemple. a) Pentru orice două R-module M şi N, aplicaţia 0 : M → N, 0(x) 0,

x M, este un morfism de R-module, numit morfismul nul (sau zero). La fel, aplicaţia

identică idM : M → M, idM(x) x, x M, este morfism de R-module, numit morfismul

identic al lui M.

b) Dacă M este un R-modul şi x M, aplicaţia rx : R R → M, rx(a) ax, a R, este

morfism de module. Într-adevăr,

rx(a b) (a b)x ax bx rx(a) rx(b); rx(ba) (ba)x b(ax) brx(a), a, b R.

c) Dacă inelul R este comutativ, M este un R-modul şi r R, atunci aplicaţia r : M → M,

r(x) rx, x M, este un morfism de R-module 9 : aditivitatea este imediată, iar

r(ax) r(ax) (ra)x (ar)x a(rx) ar(x), x M, a R. Se observă că s-a folosit

efectiv comutativitatea inelului R.

1.22 Definiţie. Dacă M, N sînt două R-module, notăm

HomR(M, N) : { | : M → N, morfism de R-module};

EndR(M) : HomR(M, M) { | : M → M, morfism de R-module}.

Dacă nu este clar din context dacă este vorba de module (şi morfisme de module) stîngi sau

drepte, vom nota:

Hom(R M, N), respectiv End(R M), în cazul modulelor stîngi;

Hom(MR, N), respectiv End(MR), în cazul modulelor drepte.

1.23 Observaţie. HomR(M, N) este întotdeauna o mulţime nevidă, căci conţine măcar

morfismul nul 0 : M → N, 0(x) 0, x M. Mai mult, HomR(M, N) este grup abelian faţă de

operaţia de adunare a morfismelor:

9 Aplicaţia r astfel definită se numeşte omotetia de raport r a lui M.


55

1.24 Propoziţie. a) Fie E, F două R-module şi : E → F, : E → F morfisme de

R-module. Atunci suma lor : E → F, definită prin:

( )(x) : (x) (x), x E,

este tot morfism de R-module. Mai mult, HomR(E, F) este grup abelian faţă de operaţia de

adunare a morfismelor; elementul neutru este morfismul 0, iar opusul lui este morfismul

(), dat de relaţia ()(x) (x), x E.

b) Fie E, F, G trei R-module şi : E → F, : F → G morfisme de R-module. Atunci

compunerea lor ◦: E → G este tot morfism de R-module. În plus, (EndR(E), , ◦) este inel,

elementul unitate fiind morfismul identic idE.

c) Fie E un submodul al R-modulului F şi : F → G un morfism de R-module. Atunci

restricţia lui la E,|E : E → G, este tot morfism de R-module.

Un morfism este perfect determinat de valorile sale pe o mulţime de generatori:

1.25 Propoziţie. Fie E, F două R-module, S un sistem de generatori al lui E şi

: E → F două morfisme de module. Atunci dacă şi numai dacă |S |S.

Demonstraţie. Presupunem că |S |S. Dacă x E, există x1, …, xn S şi r1, …, rn R

astfel încît x r1x1 … rnxn. Deci (x) (r1x1 … rnxn) r1(x1) … rn(xn)

r1(x1) … rn(xn) (x).

1.26 Definiţie. Un morfism de R-module : E → F se numeşte izomorfism de R-module

dacă există un morfism : F → E astfel încît ◦ idF şi ◦ idE. R-modulele E şi F se

numesc izomorfe dacă există un izomorfism de R-module : E → F. Scriem în acest caz

E R F (sau E F dacă este clar că e vorba de izomorfism de R-module). Un izomorfism

: E → E se numeşte automorfism al lui E.

1.27 Propoziţie. Un morfism de R-module este izomorfism dacă şi numai dacă este

bijectiv.

Demonstraţie. Fie : E → F un morfism. Dacă este izomorfism, atunci în particular

este aplicaţie inversabilă, deci este bijecţie. Presupunem că este morfism bijectiv. Atunci

există inversa aplicaţiei , fie aceasta : F → E. Rămîne să demonstrăm că este morfism.

Reamintim că, y F, (y) x, unde x este unicul element din E cu (x) y. Fie y1, y2 F

şi x1, x2 E astfel încît (y1) x1 şi (y2) x2. Avem (y1 y2) x1 x2, căci (x1 x2)

(x1) (x2) y1 y2. Deci (y1 y2) x1 x2 (y1) (y2). La fel se arată că r R,

y F, (ry) r(y).

1.28 Definiţie. Fie : M → N un morfism de R-module. Submulţimea lui M

Ker : {x M |(x) 0} 1(0)

III. Module 56

se numeşte nucleul morfismului . Notăm cu Im imaginea lui , adică

Im : {y N| x M astfel încît y (x)} {(x)| x M}.

1.29 Propoziţie. Dacă : M → N este un morfism de R-module, M' M şi N' N atunci

1(N') este un submodul al lui M, iar (M) este submodul al lui N. În particular, Ker este

submodul al lui M, iar Im este submodul al lui N.

Demonstraţie. Fie x, y 1(N'). Atunci (x y) (x) (y) N', deci x y 1(N').

Dacă r R, atunci (rx) r(x) N', deci rx 1(N')

Fie z, t (M') şi r R. Atunci există x, y M' astfel încît z (x), t (y). Avem

z t (x) (y) (x y) (M'), iar rz r(x) (rx) (M').

1.30 Propoziţie. Fie : M → N un morfism de R-module. Atunci:

a) este injectiv dacă şi numai dacă Ker 0.

b) este surjectiv dacă şi numai dacă Im N.

Demonstraţie. Se aplică propoziţiile corespunzătoare pentru grupuri ( este morfism între

grupurile abeliene subiacente). Propunem cititorului să dea o demonstraţie directă, folosind

definiţia.

Exerciţii

1. Demonstraţi că proprietatea de comutativitate a adunării unui modul este o consecinţă a

celorlalte axiome ale modulului.

2. Fie K un corp comutativ. Precizaţi care din următoarele submulţimi ale K-modulului K[X]

este un submodul:

a) Mulţimea polinoamelor de grad 7.

b) Mulţimea polinoamelor de grad cel mult 7.

c) Mulţimea polinoamelor unitare.

d) Mulţimea polinoamelor care au rădăcina 1.

e) Mulţimea polinoamelor de grad par.

Care din submulţimile de mai sus este K[X]-submodul?

3. Fie E şi F submodule ale unui R-modul M. Arătaţi că E F este submodul al lui M dacă şi

numai dacă E F sau F E.

4. Fie M un R-modul. Cercetaţi proprietăţile operaţiilor şi pe LR(M ).


57

5. Fie M un R-modul şi A, B, C M. Dacă B A, atunci A(B C) B AC (cu alte

cuvinte, laticea submodulelor lui M este modulară).

6. Determinaţi toate submodulele R-modulului R2.

7. Daţi exemplu de un modul M şi A, B, C M astfel încît A(B C) AB AC (adică

laticea submodulelor lui M să nu fie distributivă).

8. Fie (G, ) un grup abelian ş i n N* astfel încît na 0, a G. Arătaţi că atunci G are o

structură canonică de Zn-modul. Reciproca este adevărată? Generalizare.

9. Identificăm planul cu R2, văzut ca R-spaţiu vectorial. Care din următoarele transformări ale

planului este transformare liniară (morfism de R-module) de la R2 la R2?

a) Rotaţia de unghi în jurul punctului (0, 0).

b) Rotaţia de unghi în jurul punctului (0, 1).

c) Translaţia de vector v (x, y).

d) Simetria faţă de o dreaptă.

e) Proiecţia pe o dreaptă.

10. Fie R un inel, S o mulţime şi F { : S → R} R S. Definiţi o structură de R-modul stîng

şi una de R-modul drept pe F. Mai general, fie M un R-modul stîng şi S o mulţime. Definiţi o

structură de R-modul stîng pe M S { : S → M}.

11. Fie R un inel. Arătaţi că, pentru orice R M, R M', HomR(M, M') HomZ(M, M'). Daţi

exemplu de R, M, M' pentru care incluziunea să fie strictă.

12. Fie u : M → M' un morfism de R-module, A, B R M şi A', B' R M'. Studiaţi validitatea

afirmaţiilor:

a) u(A B) u(A) u(B).

b) u(A B) u(A) u(B).

c) u 1(A' B') u 1(A') u 1(B').

d) u 1(A' B') u 1(A') u 1(B').

13. Fie R un inel comutativ. Arătaţi că EndR(R) R. Mai general, pentru orice R M,

HomR(R, M) M.

14. Arătaţi că orice modul factor al unui modul finit generat este finit generat.

15. Fie R un inel comutativ. Arătaţi că R[X] nu este R-modul finit generat.

16. Fie K un corp, n N* şi v1, …, vn K n, unde vi (vi1, …, vin). Găsiţi o condiţie necesară

şi suficientă ca {v1, …, vn} să fie un sistem de generatori al K-modulului K n.

17. Scrieţi 4 morfisme distincte de la R-modulul R2 la R. Care este forma generală a unui

astfel de morfism? Generalizare.

III. Module 58

18. Fie A un R-modul. Demonstraţi că A 0 [HomR(A, B) 0, RB] [HomR(B, A) 0,

RB].

19. Z-modulul Q are submodule minimale?

20. Fie V un K-spaţiu vectorial de dimensiune finită şi u EndK(V). Atunci u este

monomorfism u este epimorfism u este izomorfism.

21. Daţi exemplu de R-modul M şi de endomorfism : M → M care :

a) să fie injectiv, dar să nu fie surjectiv.

b) să fie surjectiv, dar să nu fie injectiv.

III.2 Module factor şi teoreme de izomorfism

Tehnica folosită în construcţia inelului factor (plecînd de la un inel şi un ideal al său) se

poate aplica şi în cazul modulelor, cu modificări minore.

Fie M un R-modul stîng şi L un submodul al său. Considerînd numai structura subiacentă

de grup abelian, L este subgrup al grupului abelian M, deci putem construi grupul abelian

factor M/L. Vom înzestra grupul abelian M/L cu o structură de R-modul, „moştenită” de la

structura de R-modul a lui M.

Facem o paranteză pentru a schiţa construcţia grupului abelian factor M/L. Elementele

grupului factor M/L sînt clasele de echivalenţă în raport cu relaţia de „congruenţă modulo L”

pe M, definită astfel:

x, y M, x y (mod L) x y L.

Se demonstrează uşor că aceasta este o relaţie de echivalenţă şi că clasa de echivalenţă a

unui element x M în raport cu relaţia de congruenţă modulo L este x L, unde

x L : {x l |l L}. Operaţia de adunare în grupul M/L este definită prin

(x L) (y L) : (x y) L, x, y M.

Se demonstrează că adunarea este corect definită (nu depinde de reprezentanţi) şi că

(M/L, ) este grup abelian; elementul neutru este 0 L (egal cu l L, l L), iar opusul lui

x L este ( x) L.

Revenind la cazul modulelor, definim o operaţie externă R (M/L) → M/L în modul

următor: r R, x L M/L, punem

r(x L) : rx L.

Această definiţie este corectă: dacă r R şi x, y M, cu x L y L, atunci x y L,

deci r(x y) L (căci L R M), adică rx ry L. Aceasta arată că rx L ry L.


59

Este un exerciţiu de rutină verificarea faptului că grupul abelian M/L, înzestrat cu această

operaţie externă, este un R-modul stîng. De exemplu, r, s R, x M:

(r s)(x L) (r s)x L (rx sx) L (rx L) (sx L) r(x L) s(x L).

2.1 Definiţie. R-modulul M/L definit mai sus se numeşte modulul factor al lui M în raport

cu L. Aplicaţia : M → M/L, definită prin (x) x L, x M, este un morfism surjectiv de

module (verificare trivială), numit morfismul canonic sau surjecţia canonică.

2.2 Exemplu. Dacă L R M şi : M → M/L este morfismul canonic, atunci

Ker {x M | x L 0 L} L şi Im M/L.

Aceasta arată că orice submodul poate fi conceput ca nucleu al unui anumit morfism.

2.3 Propoziţie. Fie M un R-modul şi L un submodul al său. Atunci există o bijecţie

naturală, crescătoare, între laticea submodulelor lui M care includ L şi laticea submodulelor

lui M/L:

: {A R M | L A} → LR(M/L), (A) : {a L | a A}, A R M, L A.

Demonstraţie. Observăm că (A) nu este decît imaginea prin morfismul canonic

: M → M/L a submodulului A. Deci (A) R M/L. Dacă B R M/L, atunci {x M |

x L B} este un submodul al lui M, care include L (verificare standard), a cărui imagine

prin este chiar B. Deci este surjecţie. Lăsăm celelalte afirmaţii în sarcina cititorului.

2.4 Exemplu. Fie n N. Să determinăm submodulele Z-modulului Z/nZ (notat şi cu Zn).

Din propoziţia anterioară, L(Z/nZ) este în bijecţie cu submodulele lui Z care includ nZ, adică

cu {mZ | m N, m|n}. Lui mZ nZ îi corespunde mZ/nZ Z/nZ. Deci

L(Z/nZ) {mZ/nZ | m N, m|n}. Menţionăm că mZ/nZ < m nZ > este unicul

submodul cu n/m elemente al lui Z/nZ, anume {0 nZ, m nZ, …, (n/m 1)m nZ}.

Următoarele definiţii sînt particularizarea la categoria R-Mod a unor concepte generale din

teoria categoriilor:

2.5 Definiţie. Fie : M → N un morfism de R-module.

a) Morfismul se numeşte monomorfism dacă, pentru orice R-modul A şi orice două

morfisme u, v : A → M cu proprietatea că ◦u ◦v, rezultă u v.

b) Morfismul se numeşte epimorfism dacă, pentru orice R-modul A şi orice două

morfisme u, v : N → A cu proprietatea că u◦ v◦, rezultă u v.

2.6 Propoziţie. Fie : M → N un morfism de R-module. Atunci:

a) este monomorfism dacă şi numai dacă este funcţie injectivă.

III. Module 60

b) este epimorfism dacă şi numai dacă este funcţie surjectivă.

Demonstraţie. a) Presupunem injectiv; fie R A şi u, v HomR(A, M) astfel încît

◦u ◦v. Deci, a A, avem (u(a)) (v(a)). Cum este injectiv, rezultă u(a) v(a).

Reciproc, dacă este monomorfism, fie A Ker. Considerăm : Ker → M morfismul

incluziune şi 0 : Ker → M morfismul nul. Avem, a Ker, ◦(a) (a) 0 ◦0(a);

deci 0. Astfel, Ker 0.

b) Fie epimorfism. Considerăm modulul factor N/Im şi morfismele : N → N/Im

(surjecţia canonică) şi 0 : N → N/Im . Avem ◦ (x) (x) Im 0 Im 0 ◦ (x),

x M. Deci ◦ 0◦, adică 0. Aceasta este echivalent cu N/Im 0, adică N Im.

Reciproca o lăsăm cititorului.

2.7 Teoremă. (Teorema fundamentală de izomorfism) Fie : M → N un morfism de

R-module. Atunci Ker

M Im.

Mai precis, există un unic izomorfism : M/Ker → Im astfel încît diagrama

ImKer

M

NM

să fie comutativă, adică ◦ ◦, unde este morfismul incluziune, iar este surjecţia

canonică. Morfismul este dat de (x Ker) (x), x M.Demonstraţie. Aplicaţia : M/Ker → Im este corect definită: dacă x, y M, cu

x Ker y Ker, atunci x y Ker, adică (x y) 0; aceasta echivalează cu

(x) (y). Aşadar, (x Ker) nu depinde de reprezentantul x, ci doar de clasa x Ker.

Verificarea faptului că este morfism este standard.

Morfismul este surjectiv: Im {(x Ker)| x M} {(x)| x M} Im. Pentru

injectivitate, arătăm că Ker {0 Ker} : dacă x M cu (x Ker) 0, atunci (x) 0,

deci x Ker, adică x Ker 0 Ker.

Avem şi ◦ ◦ (x) (x Ker) (x), x M.

Dacă : M/Ker → Im face comutativă diagrama, atunci, x M, (x Ker)

(x) (x), deci .

2.8 Observaţie. Teorema de izomorfism se foloseşte de obicei în modul următor:

presupunem că B R A şi se cere demonstrarea faptului că A/B este izomorf cu un modul C.

Se caută definirea unui morfism surjectiv : A → C, cu Ker B. Atunci teorema de

izomorfism asigură existenţa izomorfismului cerut. Corolarele următoare ilustrează această

tehnică (aplicabilă şi în cazul grupurilor, inelelor, algebrelor…).


61

2.9 Corolar (Teorema I de izomorfism). Fie M un R-modul şi E, F submodule ale lui M astfel încît E F. Atunci F/E este submodul al lui M/E şi:

F

M

EF

EM (izomorfism de R-module).

Demonstraţie. Întrucît F/E {x E | x F}, avem F/E M/E {x E | x M}. Fie

: M/E → M/F, (x E) x F, x M. Aplicaţia este corect definită: dacă x, y M, cu

x E y E, atunci x y E. Deci x y F, adică x F y F. Este imediat faptul că

este morfism surjectiv de module. Ker {x E | x M, x F 0 F} {x E | x M,

x F} F/E. Se aplică acum teorema fundamentală de izomorfism.

2.10 Corolar. (Teorema II de izomorfism). Fie M un R-modul şi E, F R M. Atunci

FE

F

E

FE

.

Demonstraţie. Fie : F → (E F)/E, (x) x E, x F. Aplicaţia este morfism de

module, căci este restricţia morfismului canonic E F → (E F)/E la submodulul F al lui

E F. Mai mult, este surjecţie: (e f ) E (E F)/E, cu e E, f F, avem

(e f ) E f E ( f ).

Avem Ker {x F | x E 0 E} {x F | x E} E F. Aplicînd teorema

fundamentală de izomorfism, rezultă F/(E F) (E F)/E.

Exerciţii

1. Demonstraţi că orice morfism de R-module u : M → N se poate scrie sub forma u v◦w,

unde v este injectiv şi w este surjectiv.

2. Fie M un R-modul finit generat. Arătaţi că există n N şi un morfism surjectiv

: R n → M. Deduceţi că, dacă M este ciclic (generat de 1 element), atunci este izomorf cu un

R-modul de forma R/I, unde I este un ideal stîng al lui R.

3. Fie m, n N*. Demonstraţi că:

a) HomZ(Zn, Z) 0 şi HomZ(Z, Zn) Zn.

b) HomZ(Zm, Zn) Zd, unde d cmmdc(m, n).

4. Fie m, n N. În ce condiţii grupul abelian (Zm, ) are o structură de Zn-modul? Există o

structură de Zn-modul pe (Z, )?

5. Determinaţi toate submodulele modulelor: Z6, Z8, Z24. Generalizare.

III. Module 62

6. Demonstraţi următoarea generalizare a teoremei fundamentale de izomorfism: Fie

: M → N un morfism de R-module şi L R M astfel încît Ker L. Atunci există un

izomorfism canonic L

M

L

M

.

7. Un R-modul se numeşte simplu dacă nu are submodule proprii. Arătaţi că M este simplu

dacă şi numai dacă este izomorf cu un modul de forma R/I, unde I este un ideal stîng maximal

al lui R. Scrieţi toate tipurile de izomorfism de Z-module simple şi de K[X]-module simple,

unde K este un corp.

8. Este adevărat că orice intersecţie de submodule finit generate este un submodul finit

generat? (Ind. Fie K un corp comutativ, S K[Xn; n N] şi T S/I, unde I este idealul lui S

generat de {(X1 X2)Xi | i 3}. Fie 1, 2 imaginile lui X1, X2 în T. Atunci T1T2 nu este

T-modul finit generat.)

III.3 Sume şi produse directe

Produs direct. Fie două R-module M1 şi M2. Pe produsul cartezian M1 M2 {(x1, x2) |

x1 M1, x2 M2} se defineşte operaţia de adunare prin relaţia:

(x1, x2) (y1, y2) :(x1 y1, x2 y2), (x1, x2), (y1, y2) M1 M2.

În raport cu această operaţie, M1 M2 devine grup abelian (este produsul direct al

grupurilor (M1, ) şi (M2, )). Grupul abelian M1 M2 devine R-modul stîng dacă definim

operaţia externă prin:

r(x1, x2) :(rx1, rx2), r R, (x1, x2) M1 M2.

Verificarea axiomelor de R-modul este trivială.

Se pot defini morfismele 1 : M1 M2 → M1 şi 2 : M1 M2 → M2, prin:

1(x1, x2) :x1 şi 2(x1, x2) :x2, (x1, x2) M1 M2.

Construcţia se generalizează uşor la o familie finită de R-module M1, …, Mn. Se obţine

R-modulul M1 … Mn, numit produsul direct al familiei M1, …, Mn. Definiţi operaţiile şi

verificaţi axiomele de modul.

Dacă M1 … Mn M, M … M (de n ori) se notează cu M n.

Construcţia produsului direct poate fi generalizată pentru cazul unei familii oarecare (chiar

infinită) de module. Fie I o mulţime (văzută ca mulţime de indici) şi (Mi)iI o familie de

R-module indexată după I. Reamintim că produsul cartezian al acestei familii este iI Mi


63

{ f : I → iI Mi | f (i) Mi, i I}. Un element f al produsului cartezian iI Mi va fi scris

şi sub forma (xi)iI sau (xi)I (am notat f (i) xi Mi, i I). Definim operaţia de adunare prin

f, g iI Mi, ( f g)(i) : f(i) g(i), i I;

Cu cealaltă notaţie: (xi)I, (yi)I iI Mi, (xi)I (yi)I : (xi yi)I.

iI Mi devine un grup abelian în raport cu această operaţie.

Definim operaţia externă: r R, f iI Mi, (rf )(i) : rf (i), i I;

Cu cealaltă notaţie: r R, (xi)I iI Mi, r(xi)I : (rxi)I.

Probarea faptului că aceste date satisfac axiomele de R-modul este o operaţie de rutină: de

exemplu, r R, f, g iI Mi, i I , avem

(r( f g))(i) r·( f g)(i) r( f (i) g(i)) rf (i) rg(i) (rf rg)(i),

ceea ce arată că r( f g) rf rg.

Pentru orice j I, definim morfismele j : iI Mi→ Mj astfel:

j( f ) :f ( j), f iI Mi; cu cealaltă notaţie: j((xi)I) :xj, (xi)I iI Mi.

Perechea formată din R-modulul iI Mi, împreună cu familia de morfisme (i)iI, se

numeşte produsul direct al modulelor (Mi)iI. Morfismele i, i I, se numesc proiecţiile

canonice ale produsului direct. Dacă toate modulele familiei (Mi)iI sînt egale cu un acelaşi

modul M, produsul direct al familiei se notează cu M I (sau M n dacă I este finită, cu n

elemente).

Sumă directă externă. Fie f iI Mi. Numim suport al lui f mulţimea

Supp f : {i I | f (i) 0}. Considerăm submulţimea următoare a lui iI Mi:

iI Mi : {f iI Mi | Supp f este finit}. Dacă f, g iI Mi, atunci Supp( f g) Supp f Supp g, deci f g are suport finit.

Dacă r R, atunci Supp(rf ) Supp f. Aşadar iI Mi este submodul al lui iI Mi.

Identificăm elementul f iI Mi cu „familia de elemente” (xi)iI, unde xi f (i) Mi, i I;

familia de elemente (xi)iI este de suport finit, adică xi 0 pentru o mulţime finită de i I (se

mai spune „xi sînt aproape toţi nuli”).

Definim, j I, j : Mj → iI Mi prin: x Mj, (j(x))(i) :

jix

ji

ădac ,

ădac ,0. Cu alte

cuvinte, dacă notăm j(x) cu (xi)iI, atunci xj x, iar xi 0, i I, i j. Este banal de verificat

că j este morfism, j I. Se observă că (xi)I iI Mi, avem

(xi)I iI i(xi)

(suma este finită, extinzîndu-se doar asupra indicilor i Supp(xi)I).

Modulul iI Mi se mai notează cu iI Mi. Perechea formată din iI Mi şi familia de

morfisme (i)iI se numeşte suma directă a familiei de module (Mi)iI. Morfismele i, i I, se

numesc injecţiile canonice ale sumei directe. Pentru cazul unei familii finite M1, …, Mn,

III. Module 64

notaţia folosită este M1 … Mn sau i

n

iM

1. Dacă toate modulele din familia (Mi)iI sînt egale

cu un acelaşi modul M, modulul sumă directă se notează cu M ( I ). Pentru a elimina confuzia

cu noţiunea de sumă directă internă de submodule (vezi 3.4), iI Mi mai este numit şi sumă

directă externă.

3.1 Observaţie. În cazul în care mulţimea de indici I este finită, modulul sumă directă

iI Mi iI Mi construit mai sus coincide cu modulul produs direct iI Mi. Totuşi, suma

directă (iI Mi, (i)iI) şi produsul direct (iI Mi, (i)iI) sînt obiecte distincte şi în acest

caz.

3.2 Exemplu. Fie R un inel comutativ şi R[X] inelul polinoamelor în nedeterminata X, cu

coeficienţi în R. Ca R-modul, R[X] este izomorf cu suma directă R(N) a unei familii numărabile

de copii ale lui R R.

Sumă directă internă

3.3 Propoziţie. Fie M un R-modul, n N şi L1, …, Ln submodule ale lui M. Notăm cu L

suma lor: L : L1 … Ln. Atunci următoarele afirmaţii sînt echivalente:

a) Pentru orice x L, există şi este unică o familie (x1, …, xn), cu xi Li, i {1, …, n},

astfel încît x x1 … xn.

b) Pentru orice familie (x1, …, xn), cu xi Li, i {1, …, n}, astfel încît x1 … xn 0,

rezultă xi 0, i {1, …, n}.

c) Pentru orice j {1, …, n}, Lj ii j

L

0.

d) L2 L1 0, L3 (L1 L2) 0, …, Ln (L1 … Ln 1) 0.

Demonstraţie. a)b) Fie xi Li, i {1, …, n}, astfel încît x1 … xn 0. Cum

0 0 … 0, iar 0 Li, i {1, …, n}, din unicitatea asigurată de a) obţinem că xi 0,

i {1, …, n}.

b)c) Fie xj Lj ii j

L

. Atunci există xi Li, i {1, …, n} \ {j}, astfel încît

xj i j xi. Trecînd pe xj în membrul drept, se obţine că 0 este suma familiei (yi), cu yi xi,

i j şi yj xj. Din b) rezultă că xi 0, i I. Deci xj 0.

c)d) Evident.

b)a) Fie x L L1 … Ln. Din definiţia sumei de submodule, există xi Li,

i {1, …, n}, astfel încît x x1 … xn. Presupunem că x se mai scrie şi ca y1 … yn, cu

yi Li,i. Atunci avem (x1 y1) … (xn yn) 0, cu xi yi Li, i. Condiţia b) asigură că

xi yi 0, i.


65

d)b) Fie xi Li, i {1, …, n}, astfel încît x1 … xn 0. Presupunem prin reducere

la absurd că există un k astfel încît xk 0. Luăm k maxim cu această proprietate. Atunci x1 … xn x1 … xk 0. Deci xk (x1 … xk 1) Lk (L1 … Lk 1) {0}. Deci

xk 0, contradicţie.

3.4 Definiţie. Fie L1, …, Ln o familie de submodule ale unui R-modul M. Spunem că suma

familiei L1, …, Ln este sumă directă (internă) dacă îndeplineşte una din afirmaţiile echivalente

ale propoziţiei precedente. Scriem în acest caz

L1 … Ln L1 … Ln

Se mai spune în această situaţie că familia de submodule (Li)iI este independentă. Un

submodul A al lui M se numeşte sumand direct al lui M dacă există B R M astfel încît

M A B (un submodul B cu această proprietate se mai numeşte complement al lui A).

3.5 Exerciţiu. Fie L1, …, Ln o familie de submodule ale unui R-modul M astfel încît

M L1 … Ln. Demonstraţi că există un izomorfism canonic L1 … Ln L1 … Ln.

3.6 Corolar. Fie M un R-modul şi A, B R M. Următoarele afirmaţii sînt echivalente:

a) M A B.

b) M A B şi A B 0.

c) x M, există o unică pereche (a, b) A B astfel încît x a b.

3.7 Observaţie. Dacă M A B, se defineşte proiecţia canonică pe A de-a lungul lui B,

pA : M → A, astfel: x M, există o unică pereche (a, b) A B astfel încît x a b.

Definim atunci pA(x) b. Demonstraţi că pA este corect definit, este morfism surjectiv şi că

pA◦pA pA.

3.8 Exemple. a) Dacă V este un K-spaţiu vectorial, atunci orice subspaţiu vectorial U al lui

V este sumand direct în V.

b) Dacă R este inel comutativ integru, atunci R R nu are nici un submodul propriu care să

fie sumand direct. Într-adevăr, oricare ar fi submodulele nenule A şi B ale lui R R, avem

A B 0: există 0 a A şi 0 b B şi deci 0 ab A B.

Există o legătură strînsă între sumanzii direcţi ai unui R-modul M şi proiectori, adică

elementele idempotente ale inelului EndR(M). (Un element e al unui inel S se numeşte

idempotent dacă e 2 e). Denumirea de proiector este justificată de propoziţia următoare.

III. Module 66

3.9 Propoziţie. Fie M un R-modul. Dacă M A B, atunci p : iA◦pA (unde pA : M → A

este proiecţia canonică şi iA : A → M injecţia canonică) este un idempotent al inelului

EndR(M) şi Im p A, Ker p B.

Reciproc, fie p EndR(M) un proiector. Atunci M Im p Ker p.

Demonstraţie. Pentru orice x M, ! a A, b B, astfel încît x a b. Atunci p(x) a.

Avem p(p(x)) p(a) a p(x). Deci p◦p p2 p. Are loc p(x) 0 dacă şi numai dacă

x 0 b, cu b B, adică Ker p B. Evident, Im p A.

Reciproc, dacă p EndR(M) şi p2 p, atunci, x M, avem x p(x) (x p(x)). În

această scriere, p(x) Im p şi p(x p(x)) p(x) p2(x) 0, deci x p(x) Ker p. Am arătat

că M Im p Ker p. Dacă x Im p Ker p, atunci p(x) 0 şi x p(y), cu y M. Aşadar,

x p(y) p2(y) p(x) 0 şi Im p Ker p 0, adică suma e directă.

3.10 Propoziţie. Fie R-modulele M şi N şi morfismele u : M → N şi v : N → M astfel încît

v◦u idM. Atunci N Im u Ker v. În particular, M este izomorf cu un sumand direct al lui

N.

Demonstraţie. Fie p u◦v : N → N. Avem p2 u◦v◦u◦v u◦id◦v u◦v p. Din 3.9,

N Im p Ker p. Cum v este surjectiv, Im u◦v Im u. Avem şi Ker u◦v

{x N | u(v(x)) 0} {x N | v(x) 0} Ker v, căci u este injectiv.

Exerciţii

1. Fie A şi B două R-module. Demonstraţi că există un izomorfism (canonic) AB BA.

Generalizare.

2. Fie R un inel şi I un ideal stîng al lui R. Pentru orice modul R A, definim submodulul lui A:

IA : ia | i I, a A.

a) Demonstraţi că IA {i1a1 … inan | n N, i1, …, in I, a1, …, an A}.

b) Dacă A sS As (sumă directă internă), atunci IA sS IAs. 3. Daţi exemplu de un R-modul M şi de un sumand direct S al lui M care să aibă o infinitate de

complemenţi.

III.4 Module libere

67

III.4 Module libere

Multe din proprietăţile spaţiilor vectoriale sînt consecinţe ale faptului că orice spaţiu

vectorial posedă o bază. Lucrul acesta nu este adevărat în general pentru module, ceea ce şi

face mai dificil studiul modulelor în comparaţie cu cel al spaţiilor vectoriale. Este naturală

definirea şi studierea clasei modulelor care „au o bază”. În această secţiune R este un inel

unitar, iar modulele sînt R-module stîngi.

4.1. Definiţie. Fie M un R-modul, n N* şi x1, …, xn o familie de n elemente din M.

Spunem că familia {x1, …, xn} este liniar independentă (peste R)10 dacă, pentru orice familie

r1, …, rn R, cu r1x1 … rnxn 0, rezultă r1 … rn 0. Cu alte cuvinte, o combinaţie

liniară de elementele x1, …, xn este 0 dacă şi numai dacă toţi coeficienţii combinaţiei liniare

sînt 0.

O familie de elemente din M care nu este liniar independentă se numeşte liniar

dependentă. O relaţie de forma r1x1 … rnxn 0, cu r1, …, rn R, nu toţi nuli, se numeşte

relaţie de dependenţă liniară a familiei {x1, …, xn}.

4.2. Observaţii. a) Dacă există i j cu xi xj, atunci familia {x1, …, xn} este liniar

dependentă: combinaţia liniară xi xj este 0. Deci, în studiul liniar independenţei putem

presupune că elementele x1, …, xn sînt distincte. Pe de altă parte, este clar că noţiunea de

liniar independenţă nu depinde de indexarea elementelor x1, …, xn. Din aceste motive, putem

vorbi despre noţiunea de mulţime finită liniar independentă de elemente din M.

b) Faptul că mulţimea {x} (cu un singur element x M ) este liniar independentă înseamnă

că r R, din rx 0 rezultă r 0. Mai general, pentru x M se defineşte anulatorul lui x în

R, AnnR(x) : {r R | rx 0} (notat şi cu lR(x)). Întrucît AnnR(x) este chiar nucleul

morfismului de R-module x : R → M, x(r) rx, r R, avem AnnR(x) R R şi din teorema

de izomorfism rezultă că submodulul Rx Imx este izomorf ca R-modul stîng cu R/AnnR(x).

Aşadar, {x} este liniar independentă dacă şi numai dacă AnnR(x) 0, adică x este un

izomorfism între R şi Rx.

4.3. Definiţie. Fie X o submulţime oarecare a R-modulului M. Spunem că X este liniar

independentă peste R (sau liberă peste R) dacă orice submulţime finită a lui X este liniar

independentă peste R în sensul observaţiei de mai sus. Dacă X nu este liniar independentă, se

10 Referirea la inelul R va fi adesea omisă, dacă nu sînt posibile confuzii.

III. Module 68

spune că X este liniar dependentă peste R (sau legată peste R). Aşadar, X este liniar

dependentă dacă şi numai dacă există o submulţime finită liniar dependentă a lui X.

4.4. Observaţii. a) Submulţimea vidă a lui M este liniar independentă.

b) Fie {xi}iI o familie oarecare de elemente din R-modulul M. Familia {xi}iI este liniar

independentă dacă şi numai dacă pentru orice familie de suport11 finit {ri}iI de elemente din

R, din iI rixi 0 rezultă ri 0, i I. Rezultă că suma familiei de submodule {Rxi}iI este

directă (vezi 3.4). Reciproc, dacă suma familiei {Rxi}iI este directă şi AnnR(xi) 0, i I,

atunci {xi}iI este liniar independentă (demonstraţi!).

c) Orice submulţime a unei mulţimi liniar independente este liniar independentă.

4.5. Exemple. a) Mulţimea {1} formată din elementul unitate al inelului R (văzut ca

R-modul stîng) este liniar independentă. Mai general, r R, {r} este liniar dependentă

r este divizor al lui zero la dreapta (s R, s 0 astfel încît sr 0).

b) În Z-modulul Z3 (clasele de resturi modulo 3) nu există submulţimi liniar independente

peste Z: pentru orice x Z3, avem 3x 0̂ . Puteţi generaliza? În schimb, mulţimea {1̂} este

liniar independentă peste Z3, după cum am văzut la a).

c) Dacă R este inel comutativ, în R-modulul R[X] mulţimea {X n| n N} este liniar inde-

pendentă. Această afirmaţie este echivalentă cu faptul că un polinom de forma a0 a1X

… an X n (a0, a1, …, an R) este 0 dacă şi numai dacă a0 … an 0. Mai general, dacă

{fn | n N} este o familie de polinoame astfel încît grad fn grad fm dacă m n şi coeficienţii

dominanţi ai polinoamelor fn sînt nondivizori ai lui zero, atunci familia {fn | n N} este liniar

independentă.

4.6. Definiţie. O submulţime B a unui R-modul M se numeşte bază a lui M dacă este

simultan liniar independentă şi sistem de generatori pentru M. Modulul M se numeşte modul

liber dacă are o bază.

4.7 Propoziţie. Fie M un R-modul şi B o submulţime a lui M. Atunci B este bază a lui M

dacă şi numai dacă orice element x M se scrie în mod unic ca o combinaţie liniară de

elementele lui B.

Demonstraţie. Fie B {ei}iI o bază a lui R M şi x M. Cum B generează pe M, există o

familie de suport finit {ri}iI de elemente din R, astfel încît x iI riei. Dacă {si}iI este o altă

familie de elemente din R, cu x iI siei, atunci iI (si ri)ei 0. Din liniara independenţă a

lui B rezultă că si ri, i I.

11 Suportul Supp({ri}iI) este mulţimea {i I | ri 0}.

III.4 Module libere

69

Reciproc, dacă orice element din M se scrie în mod unic ca o combinaţie liniară de

elementele lui B, atunci B este sistem de generatori ai lui M. Scriind faptul că 0 are o scriere

unică sub forma unei combinaţii liniare de elementele lui B, rezultă că B este liniar

independentă.

Cu notaţiile de mai sus, pentru x M, elementele {ri}iI din R cu proprietatea că

x iI riei se numesc coordonatele lui x în baza B {ei}iI.

4.8. Exemple. a) Submulţimea este bază a modulului {0}.

b) {1} este bază a lui R R. Mai general, {r} este bază a lui R R dacă şi numai dacă r este

inversabil la dreapta în R (demonstraţi!).

c) R-modulul R( I ) (suma directă a | I | copii ale lui R) este liber, de bază {ei}iI, unde

ei i(1). Această bază este numită baza canonică a lui R( I ); R( I ) este numit şi R-modulul

liber peste mulţimea I (sau de bază I). Dacă I {1, …, n}, elementele bazei canonice a

R-modulului liber R n sînt aşadar e1 (1, 0,…, 0), e2 (0, 1,…, 0), …, en (0, 0,…, 1).

Am văzut că un morfism de module este determinat de valorile sale pe o mulţime de

generatori. Dar, pentru un sistem de generatori oarecare, poate să nu existe nici un morfism

care să ia valori prescrise pe elementele sistemului de generatori. În cazul privilegiat al

modulelor libere, pentru o alegere arbitrară a valorilor pe elementele unei baze, există un unic

morfism care să ia valorile respective pe elementele bazei:

4.9 Propoziţie. Fie L un R-modul liber de bază B şi i : B → L aplicaţia incluziune. Cuplul

(L, i) are următoarea „proprietate de universalitate”:

Pentru orice cuplu (M, u), unde M este un R-modul şi u : B → M este o aplicaţie, există un

unic morfism v : L → M care „prelungeşte pe u la L”, adică v◦i u.

În plus, au loc echivalenţele:

a) v este injectiv u(B) este liniar independentă.

b) v este surjectiv u(B) este sistem de generatori pentru M.

c) v este izomorfism u(B) este bază.

Demonstraţie. Dacă B (ei)iI, afirmaţia din enunţ se poate reformula astfel:

„Oricare ar fi o familie (yi)iI de elemente din M, există un unic morfism v : L → M astfel

încît v(ei) yi, i I.”

Demonstrăm unicitatea: presupunem că v, w HomR(L, M) satisfac condiţia

v(ei) yi w(ei), i I. Fie x L; cum (ei)iI este o bază, există o unică familie (ri)iI de

elemente din R astfel încît x iI riei. Avem v(iI riei) iI riv(ei) iI riyi. Acelaşi

lucru se obţine pentru w. Pentru existenţă, rămîne să demonstrăm că relaţia

v(x) : iI riyi, dacă x iI riei, cu (ri)iI familie de suport finit de elemente din R,

III. Module 70

defineşte un morfism de module. Întrucît pentru orice x L există o unică familie (ri)iI de

elemente din R astfel încît x iI riei, v este bine definită. Fie x iI riei şi y iI siei

două elemente din L, cu (ri)iI, (si)iI familii de elemente din R. Dacă a, b R, avem:

v(ax by) v(iI ariei iI bsiei) v(iI (ari bsi)ei) iI (ari bsi)yi

iI ariyi iI bsiyi av(x) bv(y).

Demonstrăm a): Avem Ker v {iI riei | (ri)iI R( I ), iI riyi 0}. Se vede acum clar că

Ker v 0 (yi)iI este liniar independentă.

Lăsăm restul demonstraţiei în sarcina cititorului.

R-modulele de forma R( I ) sînt „toate” R-modulele libere:

4.10 Propoziţie. Fie L un R-modul liber şi (xi)iI o bază a sa. Atunci R L R R( I ).

Demonstraţie. Fie (ei)iI baza canonică în R( I ). Conform propoziţiei de mai sus, există un

unic morfism u : L → R( I ), cu u(xi) : ei, i I. Întrucît submodulul Im u include {ei}iI, care

este un sistem de generatori pentru R( I ), rezultă că u este surjectiv. Dacă x iI rixi Ker u

(cu (ri)iI familie de elemente din R), atunci 0 u(x) iI riei. Cum {ei}iI este bază, rezultă

ri 0, i I, deci x 0.

O sumă directă de module libere este tot modul liber:

4.11 Propoziţie. Fie (Mi)iI o familie de R-module libere. Atunci suma lor directă externă

iI Mi este modul liber.

Demonstraţie. Fie M : iI Mi. Pentru j I, notăm cu j : Mj → M injecţia canonică şi cu

Bj o bază a lui Mj. Vom arăta că iI i(Bi) este o bază a lui M. Din 3.2 ştim că M este suma

directă (internă) a familiei de submodule (Im i)iI. Cum i(Bi) generează pe Im i, i I,

rezultă că iI i(Bi) generează pe M. Liniara independenţă rezultă uşor (complicate sînt doar

notaţiile): fie Bi (eit)tTi baza din Mi şi fie yit i(eit). Dacă {rit | i I, t Ti} este o familie

de suport finit de elemente din R, cu iItTi rityit 0, atunci, k I, avem că

tTk rktykt iI \{k}tTi rityit. Însă Mk (iI \{k} Mi) 0, deci tTk rktykt 0. Dar (ykt)tTk

este bază în Mk, deci rkt 0, k I, t Tk.

Observăm că acest rezultat furnizează o altă demonstraţie a faptului că R( I ) este R-modul

liber: se ia Mi R R, i I, în propoziţia de mai sus.

4.12 Propoziţie. Orice modul este (izomorf cu) un modul factor al unui modul liber. Mai

precis, dacă M este un R-modul, iar S este un sistem de generatori al lui M, atunci există un

epimorfism : R(S) → M, adică M R(S)/Ker.

Demonstraţie. Fie (es)sS baza în R(S). Definim : R(S) → M prin (es) s, s S (vezi

4.9). Întrucît submodulul Im include S, care generează M, rezultă că Im M.

III.4 Module libere

71

Acest rezultat simplu este important: dacă se cunoaşte structura submodulelor şi a

modulelor factor ale modulelor libere, se obţin informaţii asupra structurii unui modul

oarecare. Această metodă va fi folosită în cazul modulelor finit generate peste un inel

principal. Un alt exemplu de aplicaţie este următorul:

Într-un spaţiu vectorial are loc proprietatea importantă că orice două baze au acelaşi

cardinal. În cazul unui modul liber peste un inel oarecare, acest fapt nu este garantat.

Modulele libere peste un inel comutativ au însă această proprietate; de altfel, demonstraţia

propoziţiei următoare reduce problema la cazul spaţiilor vectoriale.

4.13 Propoziţie. Fie R un inel comutativ şi M un R-modul liber care are o bază finită.

Atunci orice două baze ale lui M sînt finite şi au acelaşi cardinal.

Demonstraţie. Fie I un ideal maximal al inelului R (vezi 1.18). Inelul R/I este corp. Fie

IM : {a1x1 … anxn | n N, ai I, xi M, i 1, …, n}. Se verifică imediat că IM este

R-submodul al lui M şi că modulul factor M/IM devine un R/I-modul în raport cu operaţia

definită de:

(r I)(x IM) : rx IM, r R, x M.

Fie : M → M/IM surjecţia canonică, (x) x IM, x M. Vom demonstra următoarele

fapte, din care decurge concluzia propoziţiei:

I. Dacă {e1, …, en} este o bază în R M, atunci {(e1), …, (en)} este liniar independentă în

R/I-spaţiul vectorial M/IM.

II. Dacă {e1, …, en} este sistem de generatori în R M, atunci {(e1), …, (en)} este sistem de

generatori în R/I-spaţiul vectorial M/IM.

Într-adevăr, dacă presupunem I şi II demonstrate, luînd o bază finită {e1, …, en} a lui R M, rezultă că {(e1), …, (en)} este bază în R/I-spaţiul vectorial M/IM (care este deci de

dimensiune n). Dacă {sj | j J} este o altă bază a lui R M, atunci ea este cu necesitate finită.

Într-adevăr, pentru orice i I, ei este combinaţie liniară finită de {sj | j J}, deci există o mulţime finită Ji J şi rij R (j Ji) cu proprietatea că ei

iij jj J

r s . Atunci J' i I Ji

este finită şi {sj | j J'} este sistem de generatori (deci J' J). Luînd acum o altă bază finită {s1, …, sm} a lui R M, obţinem că {(s1), …, (sm)} este bază în spaţiul vectorial M/IM (de

dimensiune n), deci m n.

Să demonstrăm I. Fie r1 I, …, rn I R/I (cu r1, …, rn R) astfel încît

(r1 I)(e1 IM) … (rn I)(en IM) 0 IM, adică r1e1 … rnen IM.

Dacă x a1x1 … amxm IM, cu ai I, xi M, i 1, …, m, atunci, scriind fiecare xi

ca o combinaţie liniară de {e1, …, en}, rezultă că x este de forma b1e1 … bnen, unde bi I

(căci ai I şi I este ideal). Deci r1e1 … rnen IM implică existenţa elementelor b1,

III. Module 72

…, bn I, astfel încît r1e1 … rnen b1e1 … bnen. Dar {e1, …, en} este bază, deci

ri bi I, i {1, …, n}. Astfel, r1 I … rn I 0 I.

Afirmaţia II este propusă ca exerciţiu cititorului.

4.14 Definiţie. Fie R un inel comutativ şi L un R-modul liber finit generat. Cardinalul (cu

necesitate finit) al unei baze a lui R L se numeşte rangul lui L şi se notează rangR L (sau rang L

dacă inelul R este subînţeles). Propoziţia precedentă asigură că definiţia este corectă (nu

depinde de alegerea unei baze a lui R L). Dacă R este corp, rangul unui spaţiu vectorial finit

generat coincide cu dimensiunea lui.

În continuare ne vom ocupa de studiul morfismelor între module libere de rang finit. Ideea

este aceeaşi ca la spaţii vectoriale: odată fixate două baze în cele două module, oricărui

morfism i se asociază o matrice; prin această asociere (bijectivă), operaţiile cu morfisme de

module devin operaţii cu matricele asociate. Pentru simplitate presupunem că inelul R este

comutativ, deşi unele din rezultate au loc pentru orice inel unitar.

4.15 Definiţie. Fie E şi F două R-module libere, : E → F un morfism şi e (e1, …, em) o

bază în E, iar f (f1, …, fn) o bază12 în F. Pentru orice i {1, …, m}, există şi sînt unic

determinate elementele aij R, ( j {1, …, n}) astfel încît

(ei) ai1 f1 … ain fn.

Matricea (aij)1im, 1jn Mm, n(R) este notată cu Me, f() şi se numeşte matricea asociată

morfismului în perechea de baze (e, f). Cu alte cuvinte, pe linia i a matricei Me, f() se

găsesc „coordonatele” ai1, …, ain ale lui (ei) în baza f. Dacă E F, se ia de obicei e f şi

Me, f() se notează mai simplu Me().

4.16 Observaţie. Aceasta este convenţia „algebrică” de scriere „pe linii” a matricei

Me, f(). Evident, se poate adopta convenţia („geometrică”) de scriere a coordonatelor lui

(ei) în baza f pe coloana i a matricei asociate lui (ceea ce revine la considerarea matricii

transpuse tMe,f()). Alegerea scrierii pe coloane conduce la regula „matricea compunerii a

două morfisme este produsul matricelor morfismelor, în aceeaşi ordine”, adică proprietatea b)

din propoziţia următoare devine tMe, f( ◦ ) tMf, g( )·tMe, f( ).

4.17 Propoziţie. a) Cu notaţiile de mai sus, aplicaţia

Me, f : HomR(E, F) → Mm, n(R),

care asociază oricărui morfism HomR(E, F) matricea sa Me, f() în perechea de baze

(e, f), este un izomorfism de R-module.

12 Vom considera că bazele sînt ordonate (contează „locul” elementelor în bază).

III.4 Module libere

73

b) Dacă G este un R-modul liber, de bază g {g1,…, gp}, iar : F → G este un morfism

de R-module, atunci Me, g( ◦) Me, f()·Mf, g().

c) Aplicaţia Me : EndR(E) → Mm(R) este un antiizomorfism de R-algebre (adică

Me : EndR(E)op → Mm(R) este izomorfism de R-algebre).

Demonstraţie. a) Fie : E → F un alt morfism şi (bij)1im, 1jn Me, f(). Atunci

( )(ei) (ei) (ei) j aij fj j bij fj j (aij bij) fj

Deci Me, f( ) (aij bij)1jn, 1im Me, f() Me, f(), adică Me, f´ este morfism de

grupuri abeliene. Dacă Me, f() 0 (matricea 0 Mm, n(R)), atunci (ei) 0, 1 i m. Cum

(ei)1im este bază în E, rezultă 0; aceasta arată că Me, f este injectiv. Pentru surjectivitate,

fie A (aij) Mm, n(R). Din proprietatea de universalitate a modulelor libere, există un unic

morfism HomR(E, F) astfel încît (ei) ai1 f1 … ain fn, adică Me, f() A. Dacă r R

şi HomR(E, F), un calcul simplu arată că Me, f(r) rMe, f().

b) Fie Mf, g() (bjk)1jn, 1kp. Avem

( ◦)(ei) (j aij fj ) j aij( fj ) j aijk bjk gk k ( j aijbjk) gk.

Deci Me, g( ◦) Me, f()·Mf, g().

c) Afirmaţia este o consecinţă a celor demonstrate: din a) rezultă că Me este morfism de

R-module şi din b) rezultă că Me : EndR(E)op → Mm(R) este morfism de inele.

În aceleaşi ipoteze de mai sus, dacă e {e1,…, en} şi f {f1,…, fn} sînt două baze ale

modulului liber E, fiecare element al bazei f se scrie în mod unic ca o combinaţie liniară de

elementele bazei e:

n

jjiji esf

1

Se obţine o matrice Te, f (sij) Mn(R), numită matricea de trecere de la baza e la baza f.

Dacă g este o altă bază în E, atunci are loc relaţia

Te, g Tf, g·Te, f

În particular, In Te, e Te, f ·Tf, e, adică matricea de trecere dintr-o bază în alta este

inversabilă în Mn(R). Cînd o matrice din Mn(R) este inversabilă?

Folosim proprietăţile determinanţilor studiate în liceu: dacă A Mn(R), iar A* este adjuncta

matricei A (elementul de pe locul (i, j) al lui A* este (1)ijdet(Aji), unde Aji este matricea din

Mn1(R) obţinută prin suprimarea liniei j şi coloanei i ale matricei A), atunci

A·A* A*·A det(A)·In. Aceasta arată că, dacă det(A) este un element inversabil în R, atunci A

este inversabilă în Mn(R) şi A1 (det A)1A*. Reciproc, dacă A este inversabilă, din relaţia

A·A1 In, trecînd la determinanţi, rezultă că det(A·A1) det(A)det(A1) 1, adică

det(A) U(R). Sumarizăm discuţia de mai sus în:

4.18 Propoziţie. Fie R un inel comutativ şi n N*.

III. Module 74

a) O matrice S Mn(R) este inversabilă în Mn(R) dacă şi numai dacă det(S) este un

element inversabil al lui R.

b) Fie E un R-modul liber de rang n, e {e1,…, en} şi f, g trei baze în E. Atunci:

Te, g Tf, g·Te, f

În particular, matricea de trecere Te, f este inversabilă. Reciproc, dacă S (sij) este matrice

inversabilă în Mn(R) şi

n

jjiji esf

1

, 1 i n, atunci {f1,…, fn} este bază în E.

Afirmaţiile nedemonstrate din propoziţia de mai sus se demonstrează exact ca la spaţii

vectoriale şi sînt lăsate cititorului.

Grupul multiplicativ al matricelor inversabile de tip nn cu elemente din R,

U(Mn(R)) {S Mn(R) | T Mn(R) astfel încît ST TS I}

se mai notează GL(n, R) sau GLn(R) şi se numeşte grupul liniar general de grad n peste R.

Este utilă introducerea următorului formalism, care generalizează operaţiile cunoscute cu

vectori şi matrice. Fie R un inel comutativ şi E un R-modul stîng. Dacă m, n, p sînt numere

naturale nenule, notăm Mn, p(E) mulţimea matricelor de tip np cu elemente din E. Este

evident că Mn, p(E) formează un grup abelian faţă de operaţia de adunare a matricelor. Pentru

orice A (aij) Mm, n(R) şi X (xjk) Mn, p(E), definim produsul AX (yik) Mm, p(E), unde

yik

n

jjkij xa

1

, i {1, …, m}, k {1, …, p},

unde aijxjk este produsul dat de structura de R-modul a lui E.

Se obţine o „operaţie externă” · : Mm, n(R)Mn, p(E) → Mm, p(E), care are următoarele

proprietăţi (cu demonstraţie analoagă celei din cazul clasic al matricelor):

(A B)X AX BX, A(X Y) AX AY, A, B Mm, n(R), X, Y Mn, p(E).

În plus, dacă q N*, pentru orice A Mq, m(R), B Mm, n(R), X Mn, p(E) are loc:

(AB)X A(BX).

Dacă I este matricea unitate din Mn(R), atunci IX X, X Mn, p(E). Se obţine astfel că

Mn, p(E) este un modul stîng peste inelul Mn(R).

Ca o aplicaţie, să vedem cum se schimbă matricea unui morfism de module libere cînd se

schimbă bazele în cele două module.

4.19 Propoziţie. Fie E şi F două R-module libere de rang n, respectiv m şi e (e1, …, en),

e' (e'1, …, e'n) baze în E, f ( f1, …, fm), f' mff ,1 baze în F. Notăm cu

S (sij) Mn(R) matricea de trecere de la baza e la baza e' şi cu T (tij) Mm(R) matricea

de trecere de la baza f la baza f'. Dacă : E → F este un morfism de R-module, atunci are

loc relaţia

Me', f'() S·Me, f()·T 1.

Demonstraţie. Notăm Me, f() cu A (aij) Mn, m(R). Astfel:

III.4 Module libere

75

(ei) j aij fj, i {1, …, n}.

Interpretăm e t(e1, …, en) ca fiind o matrice coloană (de tip n1): e Mn, 1(E) şi, la fel,

f Mm, 1(F). Putem scrie relaţiile de mai sus sub forma (e) A·f, unde (e) t((e1), …,

(en)). La fel dacă B Me', f'(), atunci (e') B·f'. Pe de altă parte, putem scrie e' S·e şi

f' T·f, adică f T 1·f'. Întrucît este morfism de R-module, un calcul uşor arată că

(S·e) S·(e). Astfel:

(e') (S·e) S·(e) S·(A·f) (SA)·f (SA)·(T 1·f') (SAT 1)·f',

adică matricea lui in bazele e' şi f' este SAT 1.

Exerciţii

1. a) Fie R un inel integru şi g1, …, gn R[X], de grade distincte două cîte două. Atunci g1,

…, gn sînt liniar independente în R-modulul R[X].

b) Fie K un corp de caracteristică 0 (n·1 0, n N*) şi a K. Atunci {1, X a, (X a) 2,

…, (X a) n, …} este o bază în K-spaţiul vectorial K[X]. Dacă p K[X], care sînt

coordonatele lui p în această bază?

2. Demonstraţi că în Z-modulul Q orice submulţime cu cel puţin două elemente este liniar

dependentă şi că Z À ZQ. Deduceţi că ZQ nu este liber.

3. Fie G un grup abelian finit. Este posibil ca G să fie un Z-modul liber?

4. În ce condiţii un ideal I al inelului R este un R-modul stîng liber?

5. Daţi exemplu de grup abelian infinit care nu este liber.

6. Dacă M este R-modul liber, cu o bază B, exprimaţi |M| în funcţie de |R| şi |B|.

7. Fie M un R-modul cu proprietatea că există o submulţime B a lui M astfel încît, pentru orice

R N şi orice aplicaţie : B → N, există un unic R-morfism : M → N care prelungeşte pe .

Atunci M este liber şi B este o bază a lui M (reciproca Propoziţiei 4.9).

8. Fie R un inel comutativ şi I, J ideale în R. Se consideră afirmaţiile:

(i) I J (ca R-module). (ii) R/I R/J (ca R-module). (iii) R/I R/J (ca inele). Cercetaţi care sînt implicaţiile valabile dintre aceste afirmaţii.

9. Fie W un K-spaţiu vectorial de dimensiune finită şi U, V KW.

a) Arătaţi că dim(W/U) dim W dim U.

III. Module 76

a) Folosind teoremele de izomorfism, demonstraţi că

dim(U V) dim U dim V dim(U V).

77

IV. Module finit generate peste inele principale

În cazul modulelor finit generate peste inele principale se pot da teoreme de structură

foarte precise. Aplicînd aceste teoreme la cazul inelului principal Z, se obţine descrierea

completă a grupurilor abeliene finit generate. O altă aplicaţie importantă este studierea

subspaţiilor invariante ale unui endomorfism al unui spaţiu vectorial finit dimensional peste

un corp oarecare K; se obţine existenţa unei baze în care endomorfismul dat are cea mai

„simplă” matrice (aşa-numita formă canonică Jordan).

IV.1 Submodulele unui modul liber de rang finit

Întrucît orice modul este un modul factor al unui modul liber (deci de forma E/F, cu F

submodul al modulului liber E) este natural să începem studiul cu submodulele unui modul

liber. Reamintim că, dacă inelul R este comutativ, atunci orice R-modul liber finit generat E

are proprietatea că orice două baze au acelaşi cardinal (numit rangul lui E). În acest paragraf,

dacă nu se specifică altfel, R desemnează un inel principal.

1.1 Teoremă. Fie E un R-modul liber de rang n şi F un submodul al său. Atunci F este

liber, de rang n.

Demonstraţie. Evident, putem presupune că F 0.

Facem o inducţie după n. Dacă n 1, iar {e} este o bază a lui E, atunci E Re R. În acest

caz, afirmaţia teoremei devine: orice submodul ( ideal) al lui R este liber, de rang 1. Cum

R este inel principal, acest lucru este adevărat: orice ideal nenul al lui R este de forma Ra, cu

a R; deci {a} este o bază a lui Ra.

Presupunem că, pentru orice R-modul liber de rang n 1, orice submodul al său este liber

de rang n 1. Fie R E, liber de rang n, {e1,…, en} o bază în E şi F R E. Fie L : Re2 … Ren şi G : F L. Atunci L este liber, de bază {e2,…, en}, deci de rang n 1,

iar G F L L. Ipoteza de inducţie asigură că G este liber de rang m n 1. Dacă G F,

IV. Module finit generate peste inele principale 78

am încheiat. Dacă nu, observăm că F L R E, deci LE

LLF

FLF

GF . Aşadar,

0 F/G este izomorf cu un submodul al lui E/L. Însă E/L este liber de bază {e1 L}

(verificare uşoară) şi deci F/G este liber de rang 1 (am aplicat cazul n 1, demonstrat). Fie

{f1,…, fm} o bază în G şi {f0 G} o bază în F/G. Afirmăm că B {f0, f1,…, fm} este bază în F

(ceea ce termină demonstraţia).

Într-adevăr, dacă a0, a1,…, am R, cu a0 f0 a1 f1 … am fm 0, atunci a0 f0 G 0 G

(căci a1 f1 … am fm G); cum {f0 G} este o bază în F/G, rezultă că a0 0. Obţinem

astfel a1 f1 … am fm 0, adică f1 … fm 0 (deoarece {f1,…, fm} este bază în G). Aşadar,

B este liniar independentă.

Să arătăm că este sistem de generatori. Fie x F. Atunci x G F/G, deci există a0 R

astfel încît x G a0 f0 G. Aceasta înseamnă că x a0 f0 G, adică este de forma

a1 f1 … am fm, cu ai R. Avem deci x a0 f0 a1 f1 … am fm.

Fie R E şi F R E, ca în enunţul precedent. Dacă {e1,…, en} este o bază a lui E, iar {f1,…,

fm} o bază a lui F, orice fi se scrie în mod unic ca o combinaţie liniară de {e1,…, en}:

fi j aijej, cu aij R. Se obţine astfel o matrice A (aij) Mm, n(R). Se pune întrebarea:

Există o alegere a bazelor astfel încît matricea A să aibă o formă cît mai simplă? (ce răspuns

puteţi da în cazul spaţiilor vectoriale?). Teorema următoare dă un răspuns afirmativ.

1.2 Teoremă. Fie R un inel principal, E un R-modul liber de rang n şi F un submodul al

său. Atunci F este liber, de rang m n. Mai mult, există o bază e (e1,…, en) în E şi o bază

f ( f1,…, fm) în F, astfel încît fi diei, i {1,…, m}, cu d1,…, dm R astfel încît d1|d2|…|dm.

Demonstraţie. Am văzut că, alegînd două baze oarecare, e' (e'1,…, e'n) în E şi

f' mff ,1 în F, există o unică matrice A (aij) Mm, n(R) astfel încît f 'i j aije'j,

i {1, …, m}. Dacă interpretăm e' ca matrice coloană din Mn, 1(E) (vezi discuţia ce precede

4.19) şi f' ca matrice din Mm, 1(R), putem scrie f' Ae'.

Dacă presupunem că am găsit e (e1,…, en) şi f ( f1,…, fm) două baze ca în enunţ,

matricea D (dij) Mm, n(R) astfel încît f De are proprietăţile: dij 0 dacă i j şi

d11|d22|…|dmm. Fie V Mn(R) matricea de trecere de la baza e la baza e' şi

U Mm(R) matricea de trecere de la baza f la baza f'. Avem aşadar e' Ve şi f' Uf.

Egalitatea f' Ae' devine Uf A(Ve) (AV)e; înmulţind cu U 1 rezultă f U 1(AV)e.

Comparînd cu egalitatea f De, rezultă că D U 1AV. Existenţa bazelor e şi f cu proprietatea

cerută este aşadar echivalentă cu existenţa matricelor inversabile U şi V astfel încît U 1AV

(dij) Mm, n(R) să fie o matrice diagonală (i j implică dij 0), cu d11|d22|…|dmm.

Problema găsirii a două baze e şi f ca în enunţ se reduce astfel la o problemă referitoare la

matrice cu elemente în R. Este utilă introducerea următoarelor definiţii:


79

1.3 Definiţii. Fie m, n N*.

a) O matrice D (dij) Mm, n(R) se numeşte matrice diagonală dacă elementele care nu

sînt pe diagonala principală sînt nule: i j implică dij 0. Dacă r min(m,n) şi d1,… , dr R,

vom nota cu diag(d1,… , dr) matricea diagonală (dij) Mm, n(R), cu dii di, i {1, …, r}.

b) Spunem că o matrice D (dij) Mm, n(R) este diagonal canonică dacă D este matrice

diagonală şi, notînd D diag(d1,… , dr), cu r min(m,n), are loc d1|d2|…|dr.

c) Două matrice A, B Mm, n(R) se numesc aritmetic echivalente (notăm aceasta prin

A B) dacă există două matrice inversabile U Mm(R) şi V Mn(R) astfel încît B UAV.

Este clar că aceasta e o relaţie de echivalenţă pe Mm, n(R).

Afirmaţia teoremei precedente va rezulta din teorema următoare, care are şi un interes

intrinsec (demonstraţia furnizează un algoritm efectiv de „aducere a unei matrice la forma

diagonal canonică”):

1.4 Teoremă. Fie R inel principal şi m, n N*. Orice matrice A Mm, n(R) este aritmetic

echivalentă cu o matrice diagonal canonică. Mai mult, dacă D diag(d1,…, dr) şi

D' diag(d'1,…, d'r) sînt diagonal canonice şi aritmetic echivalente cu A, atunci d1 d'1,…,

dr d'r („”semnifică asocierea în divizibilitate).

Matricea diagonal canonică aritmetic echivalentă cu A (unic determinată pînă la o asociere

în divizibilitate a elementelor de pe diagonală) se numeşte forma diagonal canonică sau

forma normală Smith a lui A. Înainte de a trece la demonstraţia propriu-zisă, este necesar să

vedem ce transformări se pot opera asupra matricei A, astfel încît matricea nou obţinută să

fie aritmetic echivalentă cu A. Se va dovedi că, în esenţă, se pot efectua transformările care

intervin în cursul calculului de determinanţi: permutări de linii (coloane), adunarea la o linie

(coloană) a unei alte linii (coloane) înmulţită cu un element.

1.5 Definiţii. Fie m N* şi I matricea unitate a inelului Mm(R). Se numesc matrice

elementare matricele pătratice din Mm(R) care sînt de unul din tipurile următoarele:

- Tip I : Tij(a), unde a R, i, j {1, …, m}, i j. Tij(a) se obţine din I prin adunarea la

linia i a liniei j înmulţită cu a.


j

1 0 … 0

0 1 … 0

Tij(a) i a

0 0 … 1

- Tip II : Pij, unde i, j {1, …, m}, i j. Pij este matricea obţinută din I prin permutarea

liniei i cu linia j.

- Tip III : Di(u), unde i {1, …, m} şi u U(R). Di(u) este matricea care se obţine din I

prin înmulţirea liniei i cu u.

i j

1 0 i

1 0 0

i 0 1 0 1 0

Pij Di(u)

j 1 0 i u

0 1 0 0 0 1

Dacă A Mm, n(R), iar Tij(a), Pij, Di(u) sînt matrice elementare din Mm(R), atunci un calcul

direct arată că:

- Tij(a)A se obţine din A prin adunarea la linia i a liniei j înmulţite cu a.

- Pij A se obţine din A prin permutarea liniei i cu linia j.

- Di(u)A se obţine din A prin înmulţirea liniei i cu u.

Transformările efectuate asupra matricei A, descrise mai sus, poartă numele de

transformări elementare asupra liniilor lui A de tip I, II, respectiv III. Considerînd matrici

elementare din Mn(R) şi efectuînd înmulţiri la dreapta cu aceste matrici, se obţin aşa-numitele

transformări elementare asupra coloanelor lui A de tip I, II, respectiv III, anume:

- ATij(a) se obţine din A prin adunarea la coloana i a coloanei j înmulţite cu a.

- APij se obţine din A prin permutarea coloanei i cu coloana j.

- ADi(u) se obţine din A prin înmulţirea coloanei i cu u.

Este important de observat că toate matricile elementare sînt inversabile. Acest lucru

rezultă din următoarele relaţii, uşor de demonstrat:

Tij(a)Tij(b) Tij(a b), a, b R; deci Tij(a)Tij(a) Tij(0) I.


81

PijPij I;

Dij(u)Dij(v) Dij(uv), u, v U(R); deci Dij(u)Dij(u 1) Dij(1) I.

Cu alte cuvinte, am demonstrat că inversa unei matrici elementare este tot o matrice

elementară (de acelaşi tip).

Ţinînd cont de definiţia relaţiei de echivalenţă aritmetică între matrice, rezultă:

1.6 Propoziţie. Dacă A Mm, n(R), atunci orice matrice obţinută din A prin transformări

elementare de linii şi/sau coloane este aritmetic echivalentă cu A.

Mai avem nevoie de:

1.7 Definiţie. a) Fie R un inel factorial şi a R, a 0. Definim numărul natural l(a), numit

lungimea lui a, în modul următor: dacă a este inversabil, punem l(a) 0; dacă a este nenul şi

neinversabil, l(a) este numărul factorilor primi (nu neapărat distincţi) care apar în

descompunerea în factori primi a lui a. De exemplu, în Z, l(1) 0; l(8) 3; l(24) 4.

Convenim ca l(0) b) Dacă A (aij) Mm, n(R), definim lungimea matricei A ca fiind

l(A) : min{l(aij) | i {1, …, m}, j {1, …, n}}.

Cu aceste pregătiri, putem trece la demonstraţia teoremei 1.4:

Vom face demonstraţia prin inducţie după m. Mai precis, vom arăta că are loc proprietatea

(notată cu P):

P: „Pentru orice m 1 şi orice matrice A Mm, n(R), există d1 R şi o matrice

A' Mm1, n1(R) astfel încît d1 divide toate elementele matricei A' şi A este aritmetic

echivalentă cu matricea (scrisă pe blocuri)

A

d

0

01 .”

Demonstraţia lui P o facem prin inducţie după l(A).

Dacă A 0 (adică l(A) ), A este diagonal canonică.

Caz 1. l(A) 0 ( există un element al matricei A care este inversabil).

Fie aij inversabil. Matricea obţinută din A prin permutarea liniei i cu linia 1, apoi a coloanei

j cu coloana 1 este aritmetic echivalentă cu A şi are pe locul (1,1) pe aij. Putem deci presupune

că a11 este inversabil. Pentru fiecare i, adunăm la linia i linia 1 înmulţită cu (aai1); noua

matrice are acum 0 pe prima coloană (cu excepţia lui a11) şi este aritmetic echivalentă cu A.

Procedînd analog pe coloane, obţinem o matrice care este de forma (scrisă pe blocuri):

B

'0

011

A

a

şi B A. În plus, a11 divide toate elementele matricei A' (este inversabil!).

Caz 2. l(A) 1.


Fie aij elementul matricei A pentru care l(aij) l(A). Ca şi la cazul 1, putem presupune

(după eventuale permutări de linii şi coloane) că l(a11) l(A).

Subcaz 2.1. a11 divide toate elementele matricei A.

Întrucît a11|ai1, bi R astfel încît ai1 a11bi şi putem proceda ca la cazul 1: pentru

2 i m, adunăm la linia i linia 1 înmulţită cu (bi); se obţine astfel o matrice cu 0 pe prima

coloană, cu excepţia lui a11. Este clar că a11 divide toate elementele noii matrice (sînt

combinaţii liniare de elementele matricei A). Procedînd la fel, „anulăm” elementele primei

linii şi se obţine că A este aritmetic echivalentă cu o matrice de forma B, ca la cazul 1.

Subcaz 2.2. a11 nu divide toate elementele matricei A.

Vom arăta în acest caz că există o matrice C Mm, n(R), cu A C şi l(C) l(A), ceea ce

încheie demonstraţia prin inducţie după lungimea matricei.

Putem presupune că a11 nu divide un element de pe prima linie sau prima coloană.

Într-adevăr, dacă nu este aşa, a11 divide toate elementele de pe prima linie şi de pe prima

coloană şi, procedînd ca la subcazul 2.1, obţinem o matrice care are pe a11 singurul element

nenul de pe prima linie şi prima coloană; cum a11 nu divide toate elementele noii matrice,

există un element al matricei, fie acesta aij (cu i şi j 1), nedivizibil prin a11. Adunînd la

coloana 1 coloana j, obţinem un element de pe coloana 1 care nu este divizibil prin a11.

Pentru a fixa ideile, presupunem că a11 nu divide un element de pe prima coloană

(demonstraţia în cazul celălalt se face la fel, înmulţind însă la dreapta cu matrici inversabile -

vezi mai jos). Recurgînd eventual la o permutare de linii, presupunem că a11-a21. Fie

d cmmdc(a11, a21). Nu putem avea d a11, căci ar rezulta a11|a21, fals. Cum d |a11, rezultă că

l(d) l(a11) l(A). Vom construi o matrice C, aritmetic echivalentă cu A, care are pe locul

(1, 1) pe d (deci l(C) l(d) l(A)). Fie a11 da, a21 db. Cum (a, b) 1 şi R este principal,

există u, v R astfel încît au bv 1, deci dau dbv a11u a21v d. Fie matricea (scrisă

pe blocuri): u v 0

-b a 0U 0 0 I

unde I este matricea unitate de tip (m 2)(m 2) (dacă m 2, atunci I nu mai apare, adică U

este de tip 22). Matricea U este inversabilă (determinantul său este ua vb 1), deci

C : UA A. Însă C are pe locul (1, 1) pe ua11 va21 d.

Cu aceasta, demonstraţia părţii de existenţă este încheiată.

Demonstrăm afirmaţia de unicitate din teorema 1.4. Dacă A Mm,n(R) şi 1 k min(m,

n), notăm cu k(A) cmmdc al minorilor de ordin k ai matricei A (reamintim că un minor de

ordin k al lui A este determinantul unei matrice obţinute astfel: se aleg k linii şi k coloane ale

lui A şi se consideră elementele aflate la intersecţia acestor linii şi coloane).


83

Se observă că, dacă U Mm(R), atunci k(A)|k(UA). Într-adevăr, liniile lui UA sînt

combinaţii liniare (cu coeficienţi în R) de liniile lui A şi deci liniile oricărui minor de ordin k

al lui UA sînt combinaţii liniare de k linii lui A. Aplicînd proprietăţile determinanţilor (mai

precis faptul că determinantul unei matrice este o funcţie multiliniară de liniile matricei1) se

obţine că un minor de ordin k al lui UA este o combinaţie liniară de minori de ordin k ai lui A.

De aici rezultă afirmaţia.

Analog, dacă V Mn(R), atunci k(A)|k(AV). Deci, dacă A B, atunci k(A)|k(B) şi, prin

simetrie, k(B)|k(A), adică k(A) k(B). Dacă A D, cu D diag(d1, …, dr), se observă că

k(D) d1…dk. De aici rezultă că d1, …, dr sînt unic determinaţi (pînă la o asociere) de 1(A),

…, r(A) şi avem d1 1(D) 1(A), dk k(A)/k1(A) R pentru k 2. Observăm că aceste

relaţii furnizează şi un mijloc de calcul efectiv (dar laborios dacă m, n sînt mari) al d1, …, dr.

1.8 Observaţie. Din demonstraţia de mai sus (partea de existenţă) se deduce cu uşurinţă şi

un algoritm pentru determinarea matricei diagonal canonice aritmetic echivalente cu o

matrice dată. În practică, inelul R este inel euclidian. În acest caz, se poate înlocui funcţia

lungime definită la 1.7 (al cărei calcul este costisitor, implicînd găsirea descompunerilor în

factori primi ale elementelor matricei) cu funcţia care apare în definiţia inelului euclidian.

Mai precis, se reia demonstraţia de mai sus cuvînt cu cuvînt (înlocuind funcţia l cu ); la

subcazul 2.2, se înlocuieşte matricea U cu matricea T21(q), unde a21 a11q r, cu

(r) (a11) min{(aij)} (adică se scade din linia 2 a matricei A linia 1 înmulţită cu q, cîtul

împărţirii cu rest r a lui a21 la a11). Prin aceasta, pe locul (2, 1) al matricei obţinute se află r şi

se poate aplica o inducţie după (A) min{(aij)}. Invităm cititorul să verifice detaliile şi să

aplice algoritmul ce rezultă din demonstraţie pe cazuri concrete (vezi şi exerciţiile).

Exerciţii

1. Să se găsească matricea diagonal canonică aritmetic echivalentă cu matricea

1260

12105

962

M3(Z).

1 Adică, notînd cu (l1, …, lk) matricea de linii l1, …, lk, are loc det(al1 bl'1, …, lk) adet(l1, …, lk) bdet(l'1,

…, lk), a, b R (şi analog pentru orice linie li).


Dacă L este submodulul lui Z3 generat de v1 (2, 6, 9), v2 (5, 10, 12), v3 (0, 6, 12),

determinaţi o bază a lui L, rangul lui L şi modulul factor Z3/L.

2. Fie a, b R (inel principal). Să se arate că forma diagonal canonică a matricei

b

a

0

0 este

m

d

0

0, unde d cmmdc(a, b), m cmmmc(a, b). (Ind. Folosiţi invarianţii k.) Găsiţi forma

diagonal canonică a unei matrici diagonale diag (a1, …, an) Mn(R).

3. Să se determine toate subgrupurile grupului (ZZ, ).

4. Fie R un inel principal, n N*, x1, …, xn R şi d cmmdc(x1, …, xn). Arătaţi că există

V GL(n, R) astfel încît (x1, …, xn)V (d, 0, …, 0). (Ind. Consideraţi forma diagonal

canonică a matricei (x1, …, xn) şi folosiţi invarianţii k).

5. Fie R inel principal, n N* şi a1, …, an R. Arătaţi că există V GL(n, R) astfel încît

prima linie a lui V să fie (a1, …, an) dacă şi numai dacă cmmdc(a1, …, an) 1.

6. Fie K un corp şi A Mm, n(K). Atunci forma diagonal canonică a lui A este

diag(1,…,1, 0,…, 0), unde 1 apare de r ori (r este rangul matricei A). (Ind.: folosiţi invarianţii

k.)

7. Fie R un inel principal, m, n N* şi : R n → R m un morfism a cărui matrice este

A Mm, n(R) (în bazele canonice). Fie U GL(m, R) şi V GL(n, R) astfel încît UAV este

matricea diagonal canonică diag(d1,…, dr, 0,…, 0) cu r min(m, n) şi d1,…, dr nenule. Să se

arate că o bază în Ker este (vr1, …, vn), unde vi este coloana i a matricei V (vi este interpretat

ca element în R n).

8. Fie R un inel principal, L un R-modul liber de rang n, (e1, …, en) o bază în L şi

{f1, …, fm} L. Arătaţi că o bază în submodulul F < f1, …, fm > se poate obţine astfel:

Fie A (aij) Mm, n(R) astfel încît fi j aijej (1 i n) şi fie U GLm(R), V GLn(R), cu

UAV matrice diagonal canonică. Notăm gi : j uij fj F. Atunci o bază în F este

{gi | 1 i m, gi 0}.

9. Fie R un inel principal, m, n N*, A Mm, n(R) şi b Mm, 1(R). Considerăm ecuaţia

Ax b, x Rn

(„un sistem liniar de m ecuaţii cu n necunoscute”). Fie „matricea extinsă”

A (A, b) Mm, n 1(R) (primele n coloane ale lui A sînt coloanele lui A, ultima coloană este

b). Arătaţi că Ax b are soluţii x în R n dacă şi numai dacă forma diagonal canonică a lui A

este (D, 0), unde D este forma diagonal canonică a lui A şi 0 este coloana zero din Mm, 1(R).

Observaţi că pentru R corp se obţine teorema Kronecker-Capelli. (vezi şi exerciţiul 6.)

IV.2 Structura modulelor finit generate peste un inel principal

85


2.1 Definiţie. Dacă M este modul peste inelul principal R şi x M, AnnR(x) ( {r R |

rx 0}) este un ideal al lui R. Un generator al idealului AnnR(x) se mai numeşte ordin al lui x

şi îl notăm cu o(x). Aşadar, ordinul unui element din M este bine definit pînă la o asociere în

divizibilitate şi AnnR(x) Ro(x); Rx R/Ro(x). Se observă că această noţiune generalizează

conceptul uzual de ordin al unui element dintr-un grup abelian.

2.2 Lemă. Fie R un inel şi M un R-modul stîng astfel încît M este suma directă a unei

familii de submodule (Mi)iI. Dacă Ni R Mi, i I, atunci suma submodulelor (Ni)iI este

directă şi există un izomorfism canonic:

i

i

IiiIi

iIi

N

M

N

M

.

Demonstraţie. Fie j : I Mi → Mj proiecţiile canonice. Definim : M →i

i

Ii N

M ,

(x) (i(x) Ni)iI, x M. Se verifică uşor că este corect definită şi este morfism surjectiv ( este suma directă a familiei de morfisme i◦i : M → Mi/Ni, unde i : Mi → Mi/Ni

este surjecţia canonică). Avem Ker {x M | i(x) Ni, i I}. Cum x iI i(x),

rezultă că Ker iI Ni.

Teorema 1.2 are drept consecinţă următoarea teoremă importantă, care determină practic

structura modulelor finit generate peste inele principale. Reamintim că R° este mulţimea

elementelor nenule şi neinversabile ale inelului R.

2.3 Teoremă. (teorema factorilor invarianţi) Fie R un inel principal şi M un R-modul finit

generat. Atunci există n, m N, cu m n, şi x1, …, xn M astfel încît:

M Rx1 … Rxm Rxm1… Rxn, (D)

iar o(xi) : di R satisfac condiţiile:

di R°, i {1, …, m} şi d1|d2|…|dm ; dm1 … dn 0.

Mai mult, numerele naturale n, m N şi "ordinele" o(xi) R, i 1’ n cu proprietăţile de

mai sus sînt unic determinate, în sensul următor: dacă n', m' N, cu m' n', şi y1, …, yn' M

astfel încît:

M Ry1 … Rym' Rym' 1… Ryn', (D')

iar o(yi) : ei satisfac condiţiile: ei R°, i {1, …, m'} şi e1|e2|…|em' ; em'1 … en' 0,

atunci


m m', n n' şi di ei, i {1, …, n}.2

Demonstraţie. Partea de existenţă rezultă din 1.2: dacă S este un sistem finit de generatori

al lui M, atunci există un izomorfism : R(S)/F → M, unde F este nucleul morfismului , care

pe baza canonică (es)sS a lui R(S) este dat de (es) s, s S. Notînd n |S|, E R(S),

teorema 1.2 furnizează o bază e (e1,…, en) în E şi o bază f f1,…, fm) în F (cu m n) astfel

încît fi diei, cu di R, di 0 şi d1|d2|…|dm. Există k N (0 k m) astfel încît d1,…,

dk U(R), iar dk1,…, dm U(R). Atunci Rfi Rdiei Rei, 1 i k, şi putem scrie (aplicînd

lema precedentă):

M E/F nmm

m

k

k

k

k eReRRf

eR

Rf

eR

eR

eR

eR

eR

11

1

1

1

mk

nmmknm

m

m

k

k

RfRf

eReReReReReR

Rf

eR

Rf

eR

1

111

1

1

Aşadar, în structura lui M intervin doar dk1,…, dm, ek1,…, en, fk1,…, fm. După o eventuală

schimbare de notaţie, putem presupune deci de la început că d1,…, dm sînt neinversabile. Fie

(ei F) xi M, 1 i n.

Avem M Rx1…Rxn : {ei F |1 i n} generează pe E/F, deci {xi |1 i n}

generează pe M. În plus, E/F R(e1 F)…R(en F) deoarece 1 i n ri(ei F) 0 F

si R astfel încît 1 i n riei 1 i m sidiei ri sidi, 1 i m şi ri 0, m 1 i n

ri(ei F) 0 F, 1 i n. Avem şi o(xi) o(ei F) di, dacă 1 i m şi o(xi) 0 dacă

m 1 i n. Într-adevăr, pentru orice r R, rxi 0 rei F si R astfel încît

rei 1 i m sidiei, deci r 0 dacă m 1 i n şi r sidi dacă 1 i m.

Cu aceasta, am încheiat demonstraţia existenţei unei descompuneri (D) a lui M.

Pentru demonstrarea unicităţii, avem nevoie de definirea unor „invarianţi”.

2.4 Definiţii. Fie M un R-modul.

a) Definim t(M) : {x M | r R \{0} cu rx 0} (numit submodulul de torsiune al lui

M). Elementele lui t(M) se numesc elemente de torsiune (sau torsionate). Dacă M t(M),

spunem că M este modul de torsiune; dacă t(M) 0, spunem că M este modul fără torsiune.

b) Fie p R un element prim. Definim tp(M) : {x M | n N cu pnx 0} (numit

submodulul de p-torsiune al lui M sau p-submodulul lui M). Dacă d R şi k N, notaţ ia

pk||d semnifică pk|d şi pk 1-d (în cazul unui inel factorial, pk||d k este exponentul lui p în

descompunerea în factori primi a lui d).

c) Dacă a R, notăm cu za(M) : {x M | ax 0} (anulatorul lui a în M, notat şi cu

AnnM(a) sau rM(a)).

d) AnnR(M) : {r R | rx 0, x M} se numeşte anulatorul modulului M.

2 Elementele o(xi) cu proprietăţile din enunţ se numesc factorii invarianţi ai modulului M.


87

Următoarele trei propoziţii colectează proprietăţile de bază ale acestor invarianţi.

2.5 Propoziţie. Fie R inel comutativ integru şi M un R-modul.

a) t(M) este submodul al lui M şi t(M/t(M)) 0; dacă M R N, atunci t(M) t(N).

b) Dacă M iI Mi, atunci t(iI Mi) iI t(Mi).

c) Fie R inel principal. Dacă M este finit generat, atunci t(M) este sumand direct în M şi

există L R M, liber, astfel încît M t(M)L. În particular, un modul finit generat şi fără

torsiune este liber.

Demonstraţie. a) Fie x, y t(M) şi r, s R. Atunci există a, b R, nenule, astfel încît

ax by 0. Avem ab 0 şi ab(rx sy) 0, deci rx sy t(M).

Fie acum x t(M) t(M/t(M)): există 0 a R cu ax t(M). Atunci există 0 b R cu

bax 0, adică x t(M) (căci ba 0). În concluzie, x t(M) 0 t(M).

b) Fie (xi)iI de suport finit, cu xi Mi, i I, astfel încît iI xi : x t(M). Atunci există

0 a R astfel încît ax iI axi 0. Din M iI Mi rezultă că axi 0, adică xi t(Mi),

i I. Deci t(M) iI t(Mi).

Dacă xi t(Mi) astfel încît J : supp((xi)iI) este finită, există (rj)jJ, cu 0 rj R şi rjxj 0,

j J. Fie r : jJ rj (produsul are sens, căci J este finită). Avem evident r 0 şi

riI xi 0. Astfel, am arătat că iI t(Mi) t(M).

c) Fie o descompunere (D) a lui M. Arătăm că t(M) Rx1…Rxm. Evident, x1,…

xm t(M) căci dixi 0 şi di 0, aşadar Rx1…Rxm t(M). Dacă x t(M), atunci există

0 a R şi r1,…, rn R astfel încît x r1x1 … rmxm … rnxn şi ax ar1x1 …

armxm … arnxn 0. Din faptul că suma submodulelor Rxi este directă rezultă că arixi 0,

i 1’ n . Dacă i m, atunci ari AnnR(xi) 0, adică ri 0. Deducem că x Rx1…Rxm.

Este clar acum că, notînd L i m Rxi, avem M t(M)L.

2.6 Propoziţie. Fie R un inel principal, M un R-modul şi p R un element prim.

a) tp(M) este submodul în M şi tp(M/tp(M)) 0; dacă M R N, atunci tp(M) tp(N).

b) Dacă M iI Mi, atunci tp(iI Mi) iI tp(Mi).

c) Fie d R şi k N astfel încît pk||d. Atunci tp(R/Rd) R/Rpk. În particular, dacă x M

şi o(x) d, atunci tp(Rx) R/Rpk; dacă p-d, atunci tp(Rx) 0.

Demonstraţie. a) şi b) se demonstrează la fel ca la 2.5 şi sînt propuse ca exerciţiu.

c) Fie b R astfel încît d pkb. Afirmăm că tp(R/Rd) Rb/Rd. Într-adevăr, fie r Rd

tp(R/Rd). Există s N astfel încît psr Rd, adică psr dc pkbc, cu c R. Deci b| psr şi

(b, p) 1, de unde deducem că b|r. Astfel, r Rb şi tp(R/Rd) Rb/Rd. Incluziunea contrară

este evidentă.

Avem R/Rpk Rb/Rd din teorema de izomorfism aplicată lui : R → Rb/Rd,

(r) rb Rd, r R.


2.7 Propoziţie. Fie M un R-modul şi r R.

a) zr(M) este submodul în M; dacă M R N, atunci zr(M) R zr(N).

b) Dacă M iI Mi , atunci zr(M) iI zr(Mi).

c) Dacă R este principal, p R este element prim şi d R, atunci zp(R/Rd) 0 dacă p-d şi

zp(R/Rd) R/Rp dacă p|d. În particular, dacă x M, atunci zp(Rx) 0 dacă p-o(x) şi

zp(Rx) R/Rp dacă p|o(x).

Demonstraţie. a) Exerciţiu.

b) Fie x iI xi, cu xi Mi, i I. Avem rx 0 iI rxi 0 rxi 0, i I (căci

rxi Mi, iar suma acestora e directă) xi zr(Mi), i I.

c) Fie p - d şi r R. Avem p(r Rd) 0 Rd pr Rd d | pr. Cum (d, p) 1, aceasta

e echivalent cu d | r, adică r Rd 0.

Fie acum p|d şi a R cu d pa. Pentru orice r R, pr Rd Rpa r Ra. Deci

zp(R/Rd) Ra/Rd. Fie morfismul surjectiv : R → Ra/Rd, (r) ra Rd, r R. Are loc

Ker Rp, deci Ra/Rd R/Rp.

Putem trece acum la demonstrarea unicităţii în teorema 2.3. Ideea este de a aplica

invarianţii t, zp, tp celor două descompuneri (D) şi (D') cu proprietăţile din enunţ. Din

t(M) Rx1…Rxm Ry1…Rym' (vezi 2.5.c)) rezultă M/t(M) Rxm1…Rxn

Rym'1…Ryn'. Cum {xm1, …, xn} şi {ym'1, …, yn'} sînt baze în modulul liber M/t(M),

rezultă că au acelaşi cardinal, adică n m n' m'. Rămîne astfel de demonstrat că m m' şi

că di ei, 1 i m. În acest scop, putem presupune în continuare că

M t(M) Rx1…Rxm Ry1…Rym'. Deoarece Rxi R/Rdi, Ryi R/Rei, avem de

demonstrat că, dacă

M R/Rd1…R/Rdm, cu d1|d2|…|dm, di R°, 1 i m, (*)

M R/Re1…R/Rem', cu e1|e2|…|em', ei R°, 1 i m', (**)

atunci m m' şi di ei, 1 i m.

Mai întîi observăm că dm em'. Într-adevăr, AnnR(M) {r R| rx 0, x M} este un

ideal în R; din (*), AnnR(M) Rdm (verificare uşoară). Din (**), avem şi AnnR(M) Rem', de

unde rezultă că dm em'.

Fie p un divizor prim al lui d1. Atunci p|di, 1 i m. Considerăm zp(M). Din 2.7 şi (*)

rezultă izomorfismele de R-module:

zp(M) zp(Rx1…Rxm) zp(Rx1)…zp(Rxm) R/Rp…R/Rp (m termeni).

(am folosit că p|di, 1 i m). Folosim acum (**); notăm cu k numărul acelor indici i, cu

1 i m', pentru care p divide ei. Avem:

zp(M) zp(Ry1)…zp(Rym') R/Rp…R/Rp (k termeni).

Aşadar, (R/Rp)m (R/Rp)k (izomorfism de R-module). Se vede imediat că acesta este şi

izomorfism de R/Rp-module. Dar R/Rp este corp (p este prim şi R este principal), deci m k,


89

căci două R/Rp-spaţii liniare izomorfe au aceeaşi dimensiune. Evident, k m', deci m m'.

Prin simetrie, m' m; astfel am demonstrat că m m'.

Mai avem de arătat că di ei, 1 i m. Fie p un divizor prim oarecare al lui dm şi i

(respectiv i) exponentul lui p în descompunerea lui di (respectiv ei), 1 i m. Din faptul că

d1|d2|…|dm rezultă 1 2 … m (la fel, 1 2 … m). Este suficient să arătăm că

i i, 1 i m. Presupunem prin reducere la absurd că nu este aşa; există deci un j minim,

1 j m, cu proprietatea că j j (şi deci i i dacă i j). Pentru a face o alegere, fie

j j. Aplicăm tp. Din (*) şi 2.6, avem:

tp(M) tp(Rx1)…tp(Rxm) mRpRRpR 1

Din (**), avem tp(M) tp(Ry1)…tp(Rym) mRpRRpR 1 . „Înmulţim” tp(M)

cu jp

(adică considerăm submodulul Mtp pj

). Obţinem din (*):

jmjjmjjj RpRRpRRpRpRpRpMtp p 11

Am folosit proprietăţile (a căror demonstraţie e un exerciţiu de rutină): dacă M iI Mi şi

r R, atunci rM iI rMi ; p(R/Rp) 0 dacă ; p(R/Rp) R/Rp dacă .

Din (**) rezultă analog:

jmjjmjjj RpRRpRRpRpRpRpMtp p 1

Aşadar, jmjjjmjj RpRRpRRpRRpR 1 . Acestea sînt

descompuneri de tip (*), după cum se verifică uşor. Fie k numărul de indici i pentru care

i j (evident, 0 k m j). În membrul stîng al descompunerii de mai sus avem k termeni

nenuli, iar în membrul drept sînt m j 1 termeni nenuli. Din prima parte a demonstraţiei

rezultă k m j 1, contradicţie cu k m j. Rămîne că i i, 1 i m.

2.8 Observaţie. Un R-modul M poate admite mai multe descompuneri de tip (D). Însă

şirul de ideale AnnR(x1) AnnR(x2) … AnnR(xn) este unic determinat. Generatorii (unic

determinaţi pînă la o asociere în divizibilitate) d1, d2, …, dn R ai acestor ideale se numesc

factorii invarianţi ai R-modulului M. Uneori această denumire este dată chiar şirului de ideale

de mai sus. În cazul în care în inelul principal R există o modalitate naturală de alegere a

generatorului unui ideal, factorii invarianţi sînt generatorii „naturali” ai idealelor anulator de

mai sus. De exemplu, în Z se alege generatorul pozitiv, în K[X] (cu K corp) se alege

polinomul unitar care generează idealul respectiv.

2.9 Exemplu. Fie Z2 { 1̂,0̂ }, Z6 { 5 , ,1 ,0 } şi Z-modulul Z2Z6. Avem descompu-

nerile Z2Z6 Zx1Zx2 Zy1Zy2, unde x1 ( 0,1̂ ), x2 ( 1,0̂ ), y1 ( 3,1̂ ), y2 ( 5,0̂ )

(lăsăm verificarea în seama cititorului). Evident, descompunerile sînt distincte, dar

AnnR(x1) AnnR(y1) 2Z şi AnnR(x2) AnnR(y2) 6Z. Factorii invarianţi ai Z-modulului

Z2Z6 sînt deci 2 şi 6.


Exerciţii

1. Daţi exemplu de Z-modul finit generat M cu proprietatea că submodulul său de torsiune

t(M) admite cel puţin doi complemenţi direcţi. (În legătură cu Propoziţia 2.5.)

2. Fie R un inel integru şi u : M → N un morfism de R-module. Atunci u(t(M)) t(N).

Enunţaţi şi demonstraţi o proprietate analoagă pentru tp(M) (R inel principal şi p un element

prim din R) şi zr(M) (cu r R).

3. Fie R un inel integru, M un R-modul şi L R M. Demonstraţi că dacă t(M) L, atunci M/L

este fără torsiune.

4. Acest exerciţiu dă un exemplu de Z-modul M cu proprietatea că t(M) nu este sumand direct

în M. (Din 2.5.c), M nu poate fi finit generat). Fie P {pn |n 1} mulţimea numerelor

naturale prime şi M : pP Zp. Arătaţi că:

a) t(M) pP Zp (adică {(ap)pP | p P, ap Zp şi supp((ap)P) finit}).

b) n Z, n 0, n(M/t(M)) M/t(M).

c) x M, p P astfel încît x pM.

d) Dacă M t(M)S, cu S R M, atunci S M/t(M).

e) t(M) nu este sumand direct în M.

5. Fie p un număr prim pozitiv şi G ZpZp. Demonstraţi că subgrupurile lui G coincid cu

Zp-subspaţiile vectoriale ale lui G. Cîte subspaţii vectoriale de dimensiune 1 are G? În cîte

moduri se poate scrie ZG ca sumă directă de două submodule proprii? (Ind.: suma oricăror

două subspaţii proprii distincte este directă, egală cu G).

6. Enunţaţi o teoremă de structură a grupurilor abeliene finit generate.

7. Daţi exemplu de grup abelian G care nu este ciclic şi nici sumă directă de grupuri ciclice.

(Ind.: din teorema factorilor invarianţi, G nu poate fi finit generat. Un exemplu este Q).

8. Determinaţi toate grupurile abeliene cu 100 elemente.

9. Fie G un grup abelian finit al cărui ordin este liber de pătrate (nu se divide cu pătratul nici

unui număr prim). Atunci G este ciclic.

10. Dacă G este un grup comutativ finit, iar n este exponentul lui G (cmmmc al ordinelor

elementelor lui G), atunci există în G un element de ordin n. (Ind.: folosiţi teorema factorilor

invarianţi). Daţi exemplu de grup G pentru care n este un divizor propriu al ordinului lui G.

11. Fie G un grup abelian finit. Arătaţi că, pentru orice divizor d al ordinului lui G, există un

subgrup de ordin d al lui G.

12. Pentru n N*, notăm gn numărul tipurilor de izomorfism de grupuri abeliene cu n

elemente. Pentru ce n N* avem gn 1? Determinaţi {n N | n 100, gn 4}.

IV.3 Module indecompozabile finit generate

91

13. Folosind teorema de structură a grupurilor abeliene finite, arătaţi că orice subgrup finit G

al grupului multiplicativ K* (K un corp comutativ) este ciclic. (Ind. Dacă G are cel puţin doi

factori invarianţi, iar d este ultimul factor invariant, atunci orice element al lui G este rădăcină

a polinomului X d 1, iar d |G|).

14. Determinaţi grupurile abeliene finit generate cu proprietatea că laticea subgrupurilor lor

este lanţ (total ordonată în raport cu incluziunea).


Teorema factorilor invarianţi furnizează o descompunere a unui R-modul finit generat dat

în sumă directă de submodule ciclice. Se pune întrebarea dacă o astfel de descompunere poate

fi rafinată, adică (în cazul nostru) dacă un modul ciclic poate fi scris, la rîndul său, ca o sumă

directă de submodule proprii.

3.1 Definiţie. Fie R un inel (nu neapărat comutativ). Un R-modul M, nenul, se numeşte

indecompozabil dacă nu are sumanzi direcţi proprii (nu există L R M, cu L M, L 0, astfel

încît M LN pentru un anumit N R M) şi decompozabil în caz contrar.

3.2 Exemple. a) Z-modulul Z6 este decompozabil: Z6 2Z63Z6.

b) Dacă R M este izomorf cu un produs direct de module de forma AB, cu A, B nenule,

atunci M este decompozabil.

b) Dacă K este un corp, un K-spaţiu vectorial V este indecompozabil dacă şi numai dacă

dim V 1. (Mai mult chiar, orice subspaţiu propriu al unui spaţiu vectorial este sumand

direct).

c) Z-modulul Z2 este indecompozabil (mai mult, nu are submodule proprii).

Rezultatul următor furnizează o clasă largă de module indecompozabile.

3.3 Propoziţie. Dacă laticea submodulelor R-modulului M este lanţ (total ordonată) faţă

de incluziune, atunci M este indecompozabil.

Demonstraţie. Presupunem că M AB, cu A, B R M. Cum laticea submodulelor este

lanţ, avem A B sau B A. Însă A B 0, deci A 0 sau B 0.

3.4 Corolar. Fie R inel principal, p R un element prim şi k N. Atunci modulul ciclic

R/Rpk este indecompozabil.


Demonstraţie. Presupunem k 1. Este suficient să vedem că laticea idealelor lui R care

includ Rpk este lanţ (vezi III.2.3). Dar idealul I include Rpk dacă şi numai dacă I Ra (R este

inel principal), cu a R, a|pk. Deci a este asociat cu pt, cu t k. Cu alte cuvinte, idealele lui R

care includ Rpk sînt Rpk Rpk1 … Rp2 Rp R.

În cazul k 0, avem de demonstrat că R R este modul indecompozabil. Aceasta rezultă din

faptul că intersecţia oricăror două submodule ( ideale) nenule ale lui R este nenulă: idealele

sînt de forma Ra, Rb, cu a, b nenule şi Ra Rb Rab 0.

Dacă R este inel principal, modulele ciclice de tip R/Rpk, cu p prim şi k 0, sînt toate

R-modulele finit generate indecompozabile. Această afirmaţie este o consecinţă a rezultatului

următor, valabil pentru orice inel comutativ.

3.5 Teoremă. (lema chineză a resturilor) Fie R inel comutativ, n 2 şi I1,…, In ideale ale

lui R.

a) Dacă Ii Ij R pentru i j,3 atunci produsul 4 I1·…·In este egal cu intersecţia I1 … In

şi există un izomorfism natural de inele (şi de R-module):

nnn I

R

I

R

II

R

II

R

111

, r I1 … In (r I1, …, r In), r R.

b) Reciproc, dacă morfismul : R →nI

R

I

R

1

, (r) (r I1, …, r In), r R este

surjectiv (inducînd un izomorfism nn I

R

I

R

II

R

11

, ca mai sus), atunci idealele Ii şi

Ij sînt comaximale pentru i j.

Demonstraţie. a) Aplicăm o inducţie după n pentru a demonstra că I1·…·In I1 … In şi

că are loc izomorfismul cerut. Pentru n 2, din I1 I2 R deducem că există x I1, y I2

astfel încît x y 1. Fie z I1 I2. Atunci z z·1 zx zy, cu zx, zy I1·I2, adică

I1 I2 I1I2. Astfel, I1 I2 I1I2.

Fie : R →21 I

R

I

R , (r) (r I1, r I2), r R. E uşor de văzut că este morfism de

inele şi de R-module (este produsul direct al surjecţiilor canonice R → R/Ij). Avem

Ker {r R| (r I1, r I2) (0 I1, 0 I2)} I1 I2; teorema de izomorfism asigură că

R/I1 I2 Im. E suficient aşadar să demonstrăm surjectivitatea lui . Fie (r1 I1,

3 Idealele Ii şi Ij se numesc în acest caz comaximale. De exemplu, idealele Za şi Zb ale lui Z sînt comaximale

dacă şi numai dacă a şi b sînt prime între ele. 4 Reamintim că produsul IJ a două ideale I şi J este idealul generat de mulţimea produselor ij, cu i I, j J.

Se arată uşor că produsul de ideale este asociativ şi că întotdeauna IJ I J.


93

r2 I2) 21 I

R

I

R . Trebuie să găsim r R cu r r1 I1, r r2 I2. Un astfel de element este

r r1 y r2 x. Într-adevăr,

r r1 r1y r2x r1x r1y (r2 r1)x I1.

Analog se arată că r r2 I2.

Presupunem că pentru orice k n şi orice ideale I1,…, Ik, comaximale două cîte două, are

loc I1·…·Ik I1 … Ik şi are loc izomorfismul cerut. Fie n ideale I1,…, In ca în enunţ. Din

Ij In R, 1 j n 1, rezultă că există aj Ij, bj In astfel încît aj bj 1. Înmulţind aceste

n 1 egalităţi membru cu membru obţinem

1

1

n

jjj ba a1·…·an1 b 1, unde b In, a1·…·an1 I1·…·In1.

Deci I1·…·In1 In R. Aplicînd cazul n 2 idealelor comaximale I1·…·In1 şi In, rezultă că

I1·…·In1·In (I1·…·In1) In (I1 … In1) In (am folosit şi ipoteza de inducţie I1·…·In1

I1… In1). Mai rezultă că:

nnnn I

R

II

R

III

R

1111 prin r I1·…·In (r I1…In1, r In), r R.

Folosind ipoteza de inducţie, avem izomorfismul:

1111

nn I

R

I

R

II

R

prin r I1·…·In1 (r I1, …r In1), r R.

Combinînd aceste izomorfisme, obţinem rezultatul din enunţ.

b) Vom demonstra că I1 şi I2 sînt comaximale. Fie (1 I1, 0 I2, …, 0 In) nI

R

I

R

1

.

Există y R astfel încît (y I1, y I2, …, y In) (1 I1, 0 I2, …, 0 In), adică y I2 şi y 1 : x I1. Deci 1 x y I1 I2, adică I1 I2 R.

3.6 Corolar. a)Fie R un inel principal şi a1, …, an R. Dacă (ai, aj) 1, i j, atunci

există izomorfismul

nn Ra

R

Ra

R

aRa

R

11

, r Ra1…an (r Ra1, …, r Ran), r R.

b) Dacă M este un R-modul ciclic de forma Rx (x M), cu o(x) d a1·…·an R° şi

(ai, aj) 1, i j, atunci există xi M, 1 i m, astfel încît o(xi) ai şi

M Rx Rx1…Rxm

c) Orice R-modul ciclic M se poate scrie ca o sumă directă de submodule indecom-

pozabile.

Demonstraţie. a) Dacă a, b R, atunci (a, b) 1 dacă şi numai dacă Ra şi Rb sînt ideale

comaximale. Într-adevăr, R(a, b) Ra Rb. Deci (a, b) 1 Ra Rb R. Se aplică acum

lema chineză a resturilor pentru idealele Ra1, …, Ran.


b) Are loc M R/Rd. Din a) rezultă şi R/Ra1 … R/Ran R/Rd. Deci există un

izomorfism între R/Ra1 … R/Ran şi M. Fie yi :(0 Ra1,…, 1 Rai, …, 0 Ran) şi

xi : (yi). Evident, R/Ra1 … R/Ran Ry1…Ryn, deci (prin izomorfismul )

M Rx1…Rxn. Avem şi o(xi) o(yi) ai, 1 i n.

c) Rezultatul e o consecinţă a punctului b): fie M Rx, cu x M şi fie d o(x). Dacă d 0,

atunci M R este indecompozabil. Dacă d 0, fie tkt

k ppd 11 descompunerea în factori

primi a lui d (unde p1, …, pt sînt elemente prime distincte în R). Clar, ikip şi jk

jp sînt prime

între ele dacă i j; aplicînd punctul precedent, există xi M astfel încît M Rx1…Rxt, cu

o(xi) ikip . Deci Rxi este indecompozabil, fiind izomorf cu ik

iRpR .

3.7 Corolar. Fie R un inel principal şi M un R-modul finit generat. Atunci M este

indecompozabil dacă şi numai dacă M este modul ciclic, izomorf cu R (dacă M este fără

torsiune) sau cu un modul de forma R/Rp k, unde p R este un element prim şi k N* (dacă

M este de torsiune).

Demonstraţie. Am văzut că modulele de forma R/Rp k sînt indecompozabile.

Fie M indecompozabil. Există o descompunere (D) a lui M, ca în teorema 2.3. Păstrînd

notaţiile de acolo, se vede că indecompozabilitatea lui M implică m n 1 sau m 0, n 1.

Dacă m 0, n 1, M este liber de rang 1, deci izomorf cu R.

Dacă m n 1, atunci M Rx, cu o(x) d. Deci M R/Rd. Fie tkt

k ppd 11 des-

compunerea în factori primi a lui d (p1, …, pt sînt elemente prime distincte în R). E suficient

să demonstrăm că t 1. Dacă t 1, ikip şi jk

jp sînt prime între ele dacă i j, deci

R/Rd tkt

k RpRRpR 11 , care este evident decompozabil.

3.8 Propoziţie. Dacă M este de torsiune, finit generat, atunci M este suma directă a

submodulelor sale de p-torsiune. Mai precis, dacă P este un sistem de reprezentanţi ai

claselor de echivalenţă (în raport cu relaţia de asociere în divizibilitate) ale elementelor

prime din R, atunci {p P|tp(M) 0} este finită şi M pP tp(M) (în această sumă directă,

mulţimea submodulelor nenule este finită).

Demonstraţie. Ştim că M este o sumă directă de submodule ciclice: M Rx1…Rxm,

o(xi) di R°. Din 2.6 rezultă că, dacă p P, p-di, 1 i m, atunci tp(M) 0. Deci

{p P | tp(M) 0} {p P | i, p|di}, care este finită.

Dacă p P, atunci tp(M)� ( {tq(M) |q P, q p}) 0. Într-adevăr, dacă x aparţine

acestei intersecţii, atunci pkx 0 pentru un k N; totodată, x qp yq, cu yq tq(M),

q P, q p (yq sînt aproape toţi nuli). Deci, q p pentru care yq 0, kq N astfel încît

qk

yq q 0. Fie 0q

q

yk

qa (produs finit!). Evident, ax aqp yq 0. Avem şi (pk, a) 1,


95

căci p nu este asociat cu nici unul din elementele prime q care apar în descompunerea lui a.

Deci există u, v R astfel încît upk va 1. Atunci x upk vax upkx vax 0.

Fie x M. Faptul că x pP tp(M) rezultă astfel: fie d o(x) R şi tk

tk ppd 11 descompunerea sa în factori primi. Din 3.6.b), Rx Rx1…Rxt, cu o(xi) ik

ip ,

adică xi Mtip .

Teorema factorilor invarianţi, cuplată cu rezultatele de mai sus privind modulele

indecompozabile, furnizează următoarea teoremă de structură:

3.9 Teoremă. Fie R un inel principal şi M un R-modul finit generat. Atunci M se scrie ca o

sumă directă de submodule indecompozabile. Mai mult, această descompunere are

următoarea proprietate de unicitate: dacă

M A1…Am B1…Bn

sînt două descompuneri ale lui M ca sumă directă de submodule indecompozabile, atunci

m n şi există o permutare Sn astfel încît Ai B(i), 1 i m.

Demonstraţie. Existenţa unei scrieri a lui M ca sumă directă de submodule

indecompozabile rezultă imediat: aplicînd teorema 2.3, M se scrie ca o sumă directă de

submodule ciclice, iar 3.6 afirmă că fiecare astfel de submodul se scrie ca o sumă directă de

submodule indecompozabile.

Ca şi la demonstrarea unicităţii în teorema factorilor invarianţi, se observă că rangul

modulului liber M/t(M) este cardinalul mulţimii {i | 1 i m, Ai fără torsiune} (şi la fel, egal

cu {j | 1 j n, Bj fără torsiune}). Putem aşadar presupune că

M t(M) Rx1…Rxm Ry1…Ryn,

cu xi, yj M şi Rxi, Ryj indecompozabile (deci, din 3.7, o(xi), o(yj) sînt puteri de elemente

prime din R). Fie p un element prim în R. Avem tp(Rxi) 0 dacă

p-o(xi) şi tp(Rxi) Rxi dacă o(xi) este o putere a lui p (vezi 2.6). Deci

tp(M) {Rxi | 1 i m, p|o(xi)} {Ryj | 1 j n, p|o(yj)}.

După o eventuală renumerotare, fie {i | 1 i m, p|o(xi)} : {1, …, r} şi {j | 1 j n,

p|o(yj)} : {1, …, s}, astfel încît o(xi) ikp şi o(yj) jlp , cu k1 … kr şi l1 … ls. Atunci

tp(M) Rx1…Rxr Ry1…Rys, iar o(x1)|… |o(xr) şi o(y1)|… |o(ys). Afirmaţia de

unicitate din teorema factorilor invarianţi asigură acum că r s şi o(xi) o(yi) (deci Rxi Ryi),

1 i r. Cum M pP tp(M) (vezi 3.8), se obţine rezultatul enunţat.

3.10 Observaţie. Dacă M este de torsiune şi Rx1…Rxm este o descompunere a lui M ca

sumă directă de submodule indecompozabile, atunci familia de ideale (AnnR(xi))1 i m nu

depinde de descompunerea aleasă, ci numai de M. Familia de elemente (o(xi))1 i m este deci

unic determinată (pînă la o asociere în divizibilitate şi o permutare) de modulul M şi se


numeşte familia5 divizorilor elementari ai lui M. Divizorii elementari sînt puteri de elemente

prime din R, conform 3.7.

3.11 Exemple. a) Divizorii elementari ai Z-modulului Z6Z24 Z2Z3Z8Z3 sînt (2,

23, 3, 3). Factorii săi invarianţi sînt 6 şi 24.

b) Dacă G este un grup abelian cu n elemente, iar d1|…|dm este şirul factorilor săi invarianţi, atunci G

mdd ZZ 1

, deci n d1·…·dm . Rezultă că orice grup abelian cu n

elemente este perfect determinat (pînă la izomorfism) de un m-uplu (d1, …, dm) de numere

naturale (m 1), cu proprietăţile: d1 2, d1·…·dm n şi d1|…|dm. De exemplu, pentru n 60,

alegerile posibile pentru (d1, …, dm) sînt (60), (2, 30). Deci există două tipuri de izomorfism6 de grupuri abeliene cu 60 de elemente: Z60 Z4Z3Z5 (divizorii elementari sînt (22, 3, 5))

şi Z2Z30 Z2Z2Z3Z5 (divizorii elementari sînt (2, 2, 3, 5)).

c) Se poate trece de la familia factorilor invarianţi (d1, …, dm) la familia divizorilor ele-

mentari descompunînd în puteri de elemente prime fiecare di şi scriind toate puterile obţinute,

de cîte ori apar.

Reciproc, dacă avem dată familia divizorilor elementari, factorii invarianţi se obţin astfel:

se scrie un produs în care apar (cîte o singură dată) toţi factorii primi din familia divizorilor

elementari, la puterea cea mai mare. Produsul obţinut este dm (cel mai „mare” - din punct de

vedere al divizibilităţii - factor invariant). Se şterg din familia divizorilor elementari puterile

scrise în produs şi se repetă procedeul cu familia rămasă. Se obţine dm1. Se continuă astfel

pînă se epuizează divizorii elementari.

De exemplu, dacă familia divizorilor elementari ai unui Z-modul este (2, 2, 22, 3, 33, 5),

procedeul de mai sus furnizează succesiv produsele următoare: 22·33·5, 2·3, 2, care sînt

factorii invarianţi ai Z-modulului dat.

5 Am evitat termenul de „mulţime” deoarece într-o mulţime elementele sînt distincte, în timp ce divizorii

elementari se pot repeta. 6 Clasa tuturor grupurilor izomorfe cu un grup dat G se numeşte tipul de izomorfism al grupului G. (Această

definiţie se poate generaliza evident la orice alte structuri algebrice: inele, module, corpuri, mulţimi ordonate…). Pentru un tip de structură algebrică dată, determinarea tuturor tipurilor de izomorfism ale structurii respective este un obiectiv de primă importanţă (şi greu de atins în general), numit clasificare. De exemplu, teorema factorilor invarianţi furnizează o clasificare a grupurilor abeliene finit generate. Clasificarea grupurilor finite simple (fără subgrupuri normale proprii) este unul din marile succese ale teoriei grupurilor, realizat relativ recent.


97

Exerciţii

1. Daţi exemplu de inel R şi de R-modul indecompozabil care are are module factor

decompozabile. 2. Demonstraţi că modulul R M este indecompozabil inelul EndR(M) nu are idempotenţi

diferiţi de 0 şi 1M.

3. Daţi exemplu de inel R şi de R-modul indecompozabil care are submodule decompozabile.

Poate fi inelul R principal? (Ind. Fie K un corp, R K[X, Y], I idealul (XY) XYK[X, Y] al lui

R şi M R/I. Idempotenţii lui EndR(M) sînt 0 şi 1M. (XK[X, Y] YK[X, Y])/I M şi este

decompozabil).

4. Fie R un inel principal, M un R-modul şi x1, …, xn M, cu (o(xi), o(xj)) 1, i j. Atunci

o(x1 … xn) o(x1)·…·o(xn). (Ceea ce generalizează rezultatul cunoscut: dacă a, b G,

grup abelian, şi (ord x, ord y) 1, atunci ord(x y) ord(x)·ord(y)).

5. Fie R un inel principal, M un R-modul cu AnnR(M) Rr, r 0. Atunci o(x)| r, x M.

6. Fie R un inel principal şi M un R-modul (nu neapă rat finit generat) cu AnnR(M) (0).

Scopul exerciţiului este de a demonstra că M este sumă directă de submodule ciclice.

Demonstraţi următoarele afirmaţii:

a) Pentru orice N R M, AnnR(M/N) (0).

b) Există y M astfel încît AnnR(y) AnnR(M). (Ind. Fie AnnR(M) Rr, cu r nan

a pp 11 ,

cu pi prime în R şi ai N*. Fie bi max {b N | x M cu pib|o(x)} (bi ai). Pentru orice i,

există xi M cu o(xi) ibip . Punem y xi. o( xi) o(xi) din ex. 4. Rezultă şi r ib

ip ,

deci bi ai) c) Fie C {C M | C este o sumă directă de ciclice şi satisface condiţia (*)}, unde:

s R, x M, dacă sx C, atunci x0 C cu sx sx0. (*) C este nevidă, inductiv ordonată, deci are un element maximal F.

d) C C, dacă C M, atunci există D C astfel încît C ( D. (Ind. Aplicaţi pct. b) lui

M/C şi obţineţi y M astfel încît AnnR(M/C) AnnR(y) : . Deci y C şi fie y0 C cu

y y0, dat de (*). Atunci D : C R(y y0) este submodulul căutat.) e) F M.


IV.4 Aplicaţie: endomorfismele unui spaţiu vectorial finit dimensional

Fie K un corp comutativ, K[X] inelul polinoamelor în nedeterminata X cu coeficienţi în K,

V un K-spaţiu vectorial de dimensiune finită şi u : V → V un K-endomorfism (transformare

liniară). Păstrăm aceste notaţii pe tot parcursul acestei secţiuni. Vom defini cu ajutorul lui u o

structură de K[X]-modul pe V. Întrucît K[X] este inel principal, putem aplica teorema

factorilor invarianţi pentru a obţine informaţii despre acest K[X]-modul, aşadar despre

endomorfismul u. Aceasta este ideea care stă la baza teoriei pe care o dezvoltăm în

continuare. În plus, ţinînd cont de legătura dintre endomorfisme şi matrice, rezultatele

obţinute se traduc în termeni matriceali.

4.1 Definiţie. Fie u EndK(V). Înzestrăm grupul abelian (V, ) cu o structură de

K[X]-modul (depinzînd de u): f a0 a1X … anX n K[X], v V, definim:

f·v : a0v a1u(v) … anu n(v) V,

unde u n u◦…◦u (de n ori).

Cu alte cuvinte, f·v este imaginea vectorului v prin endomorfismul a0id a1u … an u n,

unde id este automorfismul identic al lui V. Verificarea axiomelor de modul este lăsată

cititorului. Operaţia tocmai definită extinde la K[X] V operaţia externă (definită pe K V) de

K-spaţiu vectorial a lui V.

Notăm cu Vu grupul abelian V dotat cu structura de K[X]-modul definită de endomorfismul

u, ca mai sus.

4.2 Observaţie. Fie u EndK(V). Proprietatea de universalitate a inelului de polinoame

K[X] asigură existenţa unui unic morfism de K-algebre : K[X] → EndK(V) astfel încît

(X) u. Dacă f a0 a1X … anX n K[X], notăm ( f ) cu f (u); avem

f (u) (a0 a1X … anX n) a0idV a1u … anu

n.

Morfismul defineşte o structură de K[X]-modul pe V (vezi observaţia III.1.3) care

coincide cu cea de mai sus.

Se pune întrebarea dacă endomorfisme distincte ale lui V pot defini structuri de

K[X]-modul izomorfe pe V. Propoziţia următoare clarifică această chestiune.

4.3 Propoziţie. Fie u, w EndK(V). K[X]-modulele Vu şi Vw sînt izomorfe dacă şi numai

dacă există un K-automorfism al lui V astfel încît ◦u◦ 1 w.

Demonstraţie. Fie : Vu → Vw un K[X]-izomorfism. Notăm temporar ·u operaţia externă a

K[X]-modulului Vu. Pentru orice v Vu, avem X ·u v u(v) şi, v Vw, X ·w v w(v). Avem

(X ·u v) X ·w (v), deci (u(v)) w((v)), adică ◦u w◦. Este clar că este şi

K-automorfism.


99

Reciproc, dacă : V → V este K-izomorfism cu ◦u w◦, atunci este K[X]-izomorfism

de la Vu la Vw. Într-adevăr, condiţia ◦u w◦ se rescrie (X ·u v) X ·w (v). De aici rezultă

că (X n·u v) X n ·w (v), n N; cum este K-liniară, rezultă că

((a0 a1X … anX n)·u v) a0·w(v) a1X·w(v) … anX

n·w(v),

pentru orice a0 a1X … anX K[X].

4.4 Definiţie. a) Endomorfismele u, w EndK(V) se numesc asemenea dacă există

AutK(V) astfel încît ◦u◦ 1 w. Notaţie: u w.

b) Fie n N şi A, B Mn(K). Spunem că matricele A şi B sînt asemenea (şi notăm aceasta

prin A B) dacă există o matrice inversabilă U astfel încît B UAU 1.

4.5 Observaţie. Fie V finit dimensional şi v (v1, …, vn) o bază a lui V. Endomorfismele

u, w EndK(V) sînt asemenea dacă şi numai dacă matricele Mv(u) şi Mv(w) sînt asemenea.

Pentru demonstraţie, este suficient să ţinem cont de (anti-) izomorfismul dintre inelele

EndK(V) şi Mn(K) dat de u Mv(u). Un exemplu tipic de matrice asemenea este dat de

matricele unui endomorfism în diverse baze ale lui V.

Se vede imediat că relaţia de asemănare pe EndK(V) şi relaţia de asemănare pe Mn(K) sînt

relaţii de echivalenţă.

4.6 Definiţie. Fie u EndK(V) şi W KV. Subspaţiul W al lui V se numeşte invariant faţă

de u (sau u-invariant) dacă u(W) W. Spunem că V este indecompozabil relativ la u dacă V

nu se poate scrie ca o sumă directă de subspaţii u-invariante proprii.

4.7 Propoziţie. Fie W o submulţime nevidă a lui V. W este un subspaţiu invariant faţă de u

w W, X·w W W este un K[X]-submodul al lui Vu.

Demonstraţie. Faptul că u(W) W revine la a spune că w W, avem u(w) W, adică

X·w W. Prin inducţie se demonstrează că X n·w W, n N; cum W este subspaţiu în V,

aceasta implică (a0 a1X … anX n)·w W, ai K. Reciproca e propusă ca exerciţiu.

La fel ca propoziţia precedentă, următoarele afirmaţii (propuse spre demonstraţie) sînt

exemple de trecere de la limbajul spaţiilor vectoriale la cel al K[X]-modulelor.

„V este suma directă a subspaţiilor u-invariante V1, …, Vm” „K[X]Vu este suma directă a

K[X]-submodulelor V1, …, Vm”.

„Există v V astfel încît V este generat de {ui(v) | i N}” „Vu este K[X]-modul ciclic

(generat de v).” (În acest caz, se mai zice că u este endomorfism ciclic).

„V este indecompozabil relativ la u” „Vu este K[X]-modul indecompozabil”.

4.8 Propoziţie. Dacă spaţiul vectorial KV este de dimensiune finită, atunci:


a) K[X]-modulul Vu este modul finit generat, de torsiune.

b) V este indecompozabil relativ la u dacă şi numai dacă există v Vu astfel încît

Vu K[X]v, cu o(v) pk, unde p este un polinom ireductibil din K[X] şi k N*.

Demonstraţie. a) Dacă presupunem dimKV n N*, atunci, v V, vectorii v, u(v), …,

un(v) nu pot fi liniar independenţi. Există aşadar a0, a1, …, an K, nu toţi nuli, astfel încît

a0v a1u(v) … anu n(v) 0, adică (a0 a1X … anX

n)·v 0. Pe de altă parte, este

evident că orice sistem de generatori pentru K V generează şi K[X]-modulul Vu, deci Vu este

finit generat.

b) V este indecompozabil relativ la u dacă şi numai dacă Vu este K[X]-modul

indecompozabil. Cum Vu este K[X]-modul de torsiune, finit generat, concluzia rezultă aplicînd

Propoziţia IV.3.7.

Aplicînd K[X]-modulului Vu teoremele de structură de la IV.2 şi IV.3, se obţine:

4.9 Propoziţie. Dacă dimK V n N*, atunci există m N* şi v1, …, vm Vu, astfel încît

Vu se scrie ca o sumă directă de subspaţii u-invariante

Vu K[X]v1…K[X]vm, cu o(v1)|…|o(vm).

Numărul natural m şi polinoamele unitare o(v1),…, o(vm) K[X] cu proprietăţile de mai sus

sînt unic determinate (sînt factorii invarianţi ai K[X]-modulului Vu).

Vu se scrie şi ca o sumă directă de submodule indecompozabile:

Vu K[X]w1…K[X]wt ,

cu wi Vu şi o(wi) puteri de polinoame ireductibile din K[X], 1 i t. Numărul natural t şi

polinoamele unitare o(w1),…, o(wt) K[X] cu proprietăţile de mai sus sînt unic determinate

(sînt divizorii elementari ai K[X]-modulului Vu).

4.10 Definiţie. Dacă dimKV n şi u EndK(V), polinomul unitar care generează

AnnK[X](Vu) se numeşte polinomul minimal al endomorfismului u (notat u). Polinoamele

unitare care sînt factorii invarianţi (respectiv divizorii elementari) ai K[X]-modulului Vu se

numesc factorii invarianţi (respectiv divizorii elementari) ai endomorfismului u. Aceeaşi

terminologie se foloseşte pentru matrice: alegînd o bază v în V, factorii invarianţi ai unei

matrice A Mn(K) sînt factorii invarianţi ai unicului endomorfism u cu proprietatea că

Mv(u) A (analog pentru polinomul minimal, divizorii elementari).

4.11 Propoziţie. Două endomorfisme (matrice) sînt asemenea dacă şi numai dacă au

aceiaşi factori invarianţi (echivalent, aceiaşi divizori elementari).

Demonstraţie. Fie u, w EndK(V). Avem echivalenţele: Mv(u) Mv(w) u w

Vu K[X]Vw (din 4.3) Vu şi Vw au aceiaşi factori invarianţi Vu şi Vw au aceiaşi divizori

elementari.


101

4.12 Observaţie. Cu notaţiile de la 4.9, u este o(vm), „ultimul” factor invariant al lui u.

Dacă f K[X] este un polinom unitar, următoarele proprietăţi sînt echivalente:

a) f u.

b) f (u) 0 şi g K[X] cu g(u) 0, avem f |g.

c) f (u) 0 şi g K[X], g 0, cu g(u) 0, avem grad f grad g.

Demonstraţiile acestor echivalenţe sînt uşoare, pe baza definiţiilor. Spre deosebire de

polinomul minimal al unui element algebric dintr-o extindere de corpuri, polinomul minimal

al unui endomorfism nu este neapărat ireductibil.

4.13 Propoziţie. a) Fie K V de dimensiune finită şi V V1…Vm, cu V1, …, Vm subspaţii

invariante faţă de u. Dacă vi este bază în Vi, 1 i m, atunci v1…vm : v este o bază7 în

V, iar matricea lui u în baza v este (scrisă pe blocuri):

Mv(u)

mA

A

0

01

,

unde Ai este matricea în baza vi a restricţiei lui u la Vi, 1 i m.

b) Reciproc, dacă matricea lui u într-o bază v este de forma de mai sus, atunci liniile

blocului Ai corespund unor vectori din baza v care generează un subspaţiu u-invariant Vi

(1 i m) şi V V1…Vm.

Demonstraţie. a) Este clar că v este bază în V. Pentru a nu complica notaţiile, presupunem

că m 2 şi v1 (e1, …, ep), v2 ( f1, …, fq), p q n dimV. Atunci v (e1, …, ep, f1, …, fq).

Cum V1, V2 sînt u-invariante, u(ei) este combinaţie liniară de e1, …, ep, iar u(�fj) este

combinaţie liniară de f1, …, fq. Scriind matricea lui u în baza v, rezultă imediat că

Mv(u)

2

1

0

0

A

A.

b) Lăsăm cititorului sarcina precizării enunţului şi a demonstraţiei.

Dorim să găsim o bază în care u să aibă o matrice cît mai „simplă”. Ştiind că Vu se scrie ca

o sumă directă de submodule indecompozabile (teorema IV.3.9) şi ţinînd cont de rezultatul

anterior, este suficient să studiem restricţia lui u la fiecare din subspaţiile invariante în care se

descompune V. Cercetăm mai întîi cazul în care Vu este indecompozabil, adică Vu este de

forma K[X]v, cu o(v) pk, p ireductibil în K[X], k N*.

7 Ordonarea vectorilor în baza v o facem, natural, punînd „unele după altele” elementele bazelor v1, …, vm, în

această ordine.


4.14 Definiţie. Pentru p K[X], p X r ar 1 X r 1 … a1 X a0, fie matricele:

Cp

1210

1000

0100

0010

raaaa

Mr(K), N

0001

0000

0000

0000

Mr(K).

Matricea Cp se numeşte companionul matriceal al polinomului p. Fie matricea (scrisă pe

blocuri de tip rr):

Cp N 0 … 0 0

0 Cp N … 0 0

J( pk)

Mrk(K

)

0 0 0 … Cp N

0 0 0 … 0 Cp

J( p k) se numeşte celula Jordan 8 asociată polinomului p k. O matrice (scrisă pe blocuri)

care are pe diagonală celule Jordan (şi în rest 0), adică este de forma

tkt

k

k

pJ

pJ

pJ

0

02

1

2

1

,

unde p1, …, pt sînt polinoame unitare ireductibile în K[X], se numeşte matrice canonică

Jordan 9 peste K.

4.15 Propoziţie. Fie u EndK(V), cu dimKV n N*.

a) Presupunem că Vu este K[X]-modul indecompozabil, iar v Vu este astfel încît

Vu K[X]v, cu o(v) u pk, unde p X r ar1X r1 … a1X a0 K[X] este ireductibil de

grad r şi k N*. Atunci dimKV rk şi există o bază a lui KV în care matricea lui u este celula

Jordan J(pk) asociată polinomului pk.

b) În cazul general, fie tkt

k pp ,,11 divizorii elementari ai lui u, cu p1, …, pt polinoame

ireductibile unitare în K[X]. Atunci există o bază a lui V în care matricea lui u este matricea

canonică Jordan

8 Numită astfel în onoarea lui Camille Jordan (1838-1922), matematician francez. 9 Uneori matricea astfel definită se numeşte matrice canonică raţională, denumirea de matrice canonică

Jordan fiind dată doar în cazul în care pi sînt polinoame de gradul 1.


103

J

tkt

k

k

pJ

pJ

pJ

0

02

1

2

1

.

Demonstraţie. a) Baza în care u are matricea J( pk) este următoarea:

e0 v; e1 X·v u(e0); … ; er1 X r1·v u(er2); (0)

er p·v; er1 Xp·v u(er); … ; e2r1 X r1p·v u(e2r2); (1)

…

e(k 1)r pk 1·v; e(k 1)r1 Xpk 1·v u(e(k 1)r); … ; ekr1 X r1pk 1·v u(ekr2). (k1)

Faptul că e (e0, …, ekr1) este bază rezultă din lema următoare:

Lemă. Dacă u EndK(V) este un endomorfism astfel încît Vu K[X]v pentru un anumit

v V, iar f o(v), cu grad f n, atunci, oricare ar fi g0, …, gn1 K[X], cu grad gi i,

1 i n, elementele g0·v, …, gn1·v formează o bază a lui V.

Demonstraţia lemei. Vu K[X]/(f ) (izomorfism de K[X]-module, deci şi de K-spaţii

vectoriale), deci dimKV dimK K[X]/(f ) grad f n. Elementele g0·v, …, gn1·v sînt liniar

independente: dacă a0g0·v … an1gn1·v 0, cu ai K, atunci h·v 0, unde h a0g0

… an1gn1. Cum o(v) f, iar grad h n, rezultă că f |h, deci h 0. Însă polinoamele g0,

…, gn1 sînt liniar independente în K-spaţiul vectorial K[X], fiind de grade distincte. Mulţimea

de n elemente g0·v, …, gn1·v este liniar independentă în V, spaţiu de dimensiune n, adică este

o bază.

Revenim la demonstraţia faptului că Me(u) J( pk). Dacă 1 i k, avem:

u(eir1) X(X r1p i1·v) X rp i1·v (p a0 a1X … ar1X r1)pi1·v pi·v a0p

i1·v

a1Xp i1·v … ar1X r1p i1·v eir a0e(i 1)r a1e(i 1)r1 … ar1e(i 1)rr1

Dacă i k, u(ekr1) a0e(k 1)r a1e(k 1)r1 … ar1e(k1)rr1, căci pk·v 0.

Aceste egalităţi, împreună cu relaţiile (0), …, (k 1), demonstrează afirmaţia.

b) Considerăm descompunerea lui Vu în subspaţii indecompozabile relativ la u (vezi 4.9).

Din a), fiecare din aceste subspaţii posedă o bază în care restricţia lui u are matricea de forma

J( pk), cu pk divizor elementar al lui u. Aplicăm apoi Propoziţia 4.13.

4.16 Corolar. Orice matrice A Mn(K) este asemenea cu o matrice canonică Jordan.

Dacă divizorii elementari ai lui A sînt tkt

k pp ,,11 , atunci A J, unde J este matricea de la

4.15.b).

Pentru a găsi efectiv factorii invarianţi ai unui endomorfism u, teorema următoare arată că

se poate folosi matricea XI A, unde A este matricea lui u într-o bază oarecare.


4.17 Teoremă. Fie KV de dimensiune n, u EndK(V), v (v1, …, vn) o bază în V astfel

încît Mv(u) : A (aij) Mn(K). Atunci factorii invarianţi ai lui u (ai matricei A) sînt polinoa-

mele neinversabile de pe diagonala principală a matricei diagonal canonice D Mn(K[X]),

aritmetic echivalentă cu matricea

XI A

nnnn

n

n

aXaa

aaXa

aaaX

21

22221

11211

Mn(K[X]).

Demonstraţie. Folosim metoda din demonstraţia teoremei factorilor invarianţi (2.3):

întrucît (v1, …, vn) este un sistem de generatori pentru K[X]Vu, se ia un K[X]-modul E, liber de

bază e (e1, …, en) şi K[X]-morfismul : E → Vu, (ei) vi, 1 i n. Morfismul este

surjectiv, Ker : F este submodul liber în E şi E/F Vu. Cum Vu este de torsiune, rezultă că

rang F n şi există două baze (1, …, n) în E şi (1, …, n) în F, astfel încît i dii,

di K[X], d1|d2|…|dn. Factorii invarianţi ai lui Vu sînt deci (vezi demonstraţia teoremei 2.3)

polinoamele neinversabile din familia d1, d2,…, dn. Dacă găsim o bază f în F şi o matrice

B Mn(K[X]) astfel încît f Be (f şi e sînt interpretaţi ca vectori coloană), atunci matricea

diagonal canonică D Mn(K[X]), aritmetic echivalentă cu B, va fi chiar D diag (d1, d2,…,

dn). Fie

fi : Xei (ai1e1 ai2e2 … ainen) E, 1 i n.

Lemă. f : ( f1, f2,…, fn) este o bază în F.

Demonstraţia lemei. Avem, pentru 1 i n, u(vi) ai1v1 ai2v2 … ainvn, deci:

(fi) Xvi (ai1v1 ai2v2 … ainvn) u(vi) (ai1v1 ai2v2 … ainvn) 0.

Aceasta arată că fi Ker F. Să arătăm că f este sistem de generatori pentru F.

Observăm că

Xei fi ai1e1 ai2e2 … ainen, 1 i n. (*)

Deci X 2ei Xfi ai1 Xe1 ai2 Xe2 … ain Xen. Folosind (*), obţinem o scriere de forma:

X 2ei j qj fj i rjej, cu qj K[X], rj K, 1 j n. Prin inducţie se arată uşor că, m N*,

X mei se scrie sub forma

X mei j qj fj i rjej, cu qj K[X], rj K, 1 j n. (**)

Din (**) rezultă că, g K[X], gei are o scriere de aceeaşi formă. Deci, dacă

y i giei F, cu gi K[X], 1 i n, atunci

y i giei i qi fi r,

unde qj K[X], iar r E este de forma i ciei, cu ci K. Dar r y i qi fi F, deci

(r) (i ciei) i civi 0. Cum v este bază în V, rezultă ci 0, 1 i n, adică r 0.

Rămîne că y i qi fi.

Presupunem acum că i gi fi 0, cu gi K[X], 1 i n. Din (*) rezultă

i gi Xei i gi ( j aij ej). Cum (e1, …, en) este bază, obţinem că


105

gi X j aji gj, 1 i n.

Dacă, prin absurd, există un polinom gi 0, atunci există unul de grad maxim, fie acesta

g1. Deci grad gi grad g1, 1 i n. Însă, în egalitatea g1 X j aj1 gj, avem

grad(j aj1 gj) max j (grad(aj1 gj)) max j (grad gj) 1 grad g1 grad g1 X,

contradicţie. Aceasta arată că ( f1, f2,…, fn) este sistem liniar independent.

Revenim la demonstraţia teoremei. Relaţiile fi Xei (ai1e1 ai2e2 … ainen) arată că

f (XI A)e. Dacă XI A D diag(d1, d2,…, dn), cu d1|d2|…|dn, atunci factorii invarianţi ai

lui Vu (ai endomorfismului u) sînt dk, dk 1, …, dn, unde k min{i|di neinversabil}.

4.18 Definiţie. Fie A Mn(K). Polinomul fA : det(XI A) K[X] se numeşte polinomul

caracteristic al matricei A. Dacă u este un endomorfism al K-spaţiului vectorial V şi A este

matricea lui u (într-o bază oarecare), atunci polinomul caracteristic fu al lui u este prin

definiţie fA. Două matrice asemenea A şi B au acelaşi polinom caracteristic: avem B SAS 1,

cu S GLn(K), deci

fB det(XI SAS 1) det(S·(XI A)S 1) det(S)·det(XI A)·det(S 1) fA,

unde s-a folosit că matricea XI comută cu orice matrice din Mn(K[X]). Cum matricele unui

endomorfism în două baze sînt asemenea, polinomul caracteristic al unui endomorfism nu

depinde de baza aleasă (definiţia e corectă).

4.19 Observaţie. Fie A (aij) Mn(K) şi

fA det(XI A) X n c1 X n 1 c2 X

n 2 … ( 1) ncn, cu c1, …, cn K.

Examinînd, în scrierea det(XI A), coeficienţii c1, …, cn, se observă că:

c1 a11 a22 … ann : Tr(A) (numit urma matricei A),

cn det(A).

Mai general, ck (1 k n) este suma minorilor de ordin k ai lui A de pe diagonala

principală (adică obţinuţi prin selectarea a k linii {i1, …, ik} şi a coloanelor cu aceiaşi indici

{i1, …, ik} ale matricei A). Sînt knC astfel de minori, cîte unul pentru fiecare alegere a unei

submulţimi de k indici din {1, 2, …, n}.

Pentru un endomorfism u al unui spaţiu vectorial de dimensiune n, de matrice A (într-o

bază oarecare) şi polinom caracteristic fu fA, sînt bine definiţi coeficienţii c1, …, cn, ca mai

sus. Dintre aceştia, c1 : Tr(u) Tr(A) se numeşte urma lui u şi cn : det(u) det(A) se

numeşte determinantul lui u.

4.20 Propoziţie. Fie A, B Mn(K). Atunci A şi B sînt asemenea dacă şi numai dacă XI A

şi XI B sînt matrice aritmetic echivalente în K[X].

Demonstraţie. Dacă A B, atunci există S GL(n, K) astfel încît B S AS. Atunci

XI B S (XI A)S, deci XI A ~ XI B, căci evident S GL(n, K[X]).


Fie acum XI A ~ XI B şi D Mn(K[X]) matricea diagonal canonică cu

D ~ XI A ~ XI B. Deci A şi B au aceiaşi factorii invarianţi: polinoamele de grad > 0 de pe

diagonala lui D, conform lui 4.17. Astfel, A şi B au aceiaşi divizori elementari. Din 4.15, A şi

B sînt asemenea cu o (aceeaşi) matrice canonică Jordan.

Fie n N*. Următoarele rezultate se referă la matrice din Mn(K), dar sînt evident valabile

şi pentru endomorfismele unui K-spaţiu liniar de dimensiune n.

4.21 Propoziţie. Polinomul caracteristic al unei matrice A este egal cu produsul factorilor

invarianţi ai lui A (şi egal cu produsul divizorilor elementari ai lui A).

Demonstraţie. Matricea XI A este aritmetic echivalentă cu matricea diagonal canonică

D diag(1, …, 1, d1, …, dm) Mn(K[X]), unde d1, …, dm sînt factorii invarianţi ai lui A.

Există S, T U(Mn(K[X])) (adică detS, detT K*) astfel încît XI A SDT. Avem

d1·…·dm detD det(S(XI A)T) detS·fA·detT, adică polinoamele unitare d1·…·dm şi fA

diferă prin factorul detS·detT K*, ceea ce arată că sînt egale. Pe de altă parte, este clar că

produsul divizorilor elementari este egal cu produsul factorilor invarianţi.

4.22 Corolar. a) (Teorema lui Cayley-Hamilton)10 Orice matrice A Mn(K) este rădăcină

a polinomului său caracteristic: fA(A) 0.

b) (Teorema lui Frobenius)11 Polinomul caracteristic şi polinomul minimal al unei matrice

A Mn(K) au aceiaşi factori ireductibili în K[X].

Demonstraţie. Fie d1, …, dm K[X] factorii invarianţi ai lui A.

a) Am văzut că polinomul minimal al lui A este dm (ultimul factor invariant al lui A). Deci

dm(A) 0 şi dm| fA, de unde concluzia.

b) Rezultă din faptul că d1·…·dm fA şi d1|…|dm.

Se pune problema unicităţii matricei canonice Jordan care este asemenea cu o matrice dată.

Evident, pentru ordonări diferite ale divizorilor elementari, se obţin diverse matrice canonice

Jordan. Propoziţia următoare arată că toate matricele canonice Jordan asemenea cu matricea

dată se obţin în acest mod.

4.23 Propoziţie. a) Celula Jordan J( p k) (p K[X], unitar şi ireductibil, k N*) are un

singur divizor elementar, anume p k.

b) Fie A o matrice canonică Jordan care are pe diagonală celulele Jordan ikipJ , cu

pi K[X], unitare şi ireductibile, 1 i t. Atunci divizorii elementari ai lui A sînt ikip ,

1 i t.

10 Arthur Cayley (1821-1895) şi Sir William Rowan Hamilton (1805-1865), matematicieni britanici. 11 Ferdinand Georg Frobenius (1849-1917), matematician german.


107

c) Fie A, B Mn(K) matrice canonice Jordan astfel încît A B. Atunci A şi B sînt formate

din aceleaşi celule Jordan, eventual în altă ordine.

Demonstraţie. a) Fie V : K[X]/( pk). V este K[X]-modul (ca modul factor al lui K[X]) şi

K-spaţiu vectorial de dimensiune k·grad p n. Fie u EndK(V), dat de: u(y) X·y, y V

(este vorba de operaţia externă de K[X]-modul a lui V). Endomorfismul u defineşte pe V o

structură de K[X]-modul Vu ca în definiţia 4.1. Se vede uşor că cele două structuri de

K[X]-modul coincid şi că V K[X]v, unde v : 1 ( pk) V. Deci V Vu este un K[X]-modul

indecompozabil, iar unicul său divizor elementar este o(v) pk (verificare imediată). Există o

bază (cea din 4.15) în care u are matricea J( pk). Deci J( pk) are aceiaşi divizori elementari ca

şi Vu, adică doar pe pk.

b) Există KV şi u EndK(V), de matrice A (într-o anumită bază). Atunci V se scrie ca o

sumă directă de subspaţii u-invariante: Vu V1…Vt, Vi fiind subspaţiul invariant

corespunzător celulei Jordan ikipJ . Fie ui restricţia lui u la Vi, 1 i t. Matricea lui ui este

chiar ikipJ şi din prima parte a demonstraţiei rezultă că ik

ip este singurul divizor elementar

al lui ui. Divizorii elementari ai lui u se obţin scriind toţi divizorii elementari ai restricţiilor ui,

1 i t, deci sînt ikip , 1 i t.

c) Dacă A B, atunci A şi B au aceiaşi divizori elementari (4.11). Din b) rezultă că A şi B

au aceleaşi celule Jordan.

4.24 Definiţie. Dacă A Mn(K) şi J este o matrice canonică Jordan, asemenea cu A, atunci

J se numeşte forma canonică Jordan a lui A. Deci forma canonică Jordan a lui A este unic

determinată pînă la o ordine a celulelor Jordan de pe diagonală.

Noţiunile clasice de vector propriu şi valoare proprie ale unui endomorfism sînt în legătură

strînsă cu subspaţiile sale invariante de dimensiune 1.

4.25 Definiţie. Dacă u EndK(V), un element K se numeşte valoare proprie a

endomorfismului u dacă există un vector nenul v V astfel încît

u(v) v.

Orice vector nenul v, cu proprietatea că există K astfel încît u(v) v, se numeşte

vector propriu al lui u (corespunzător valorii proprii K).

4.26 Propoziţie. Fie v V, u EndK(V) şi K. Următoarele afirmaţii sînt echivalente:

a) v este vector propriu al lui u, corespunzător valorii proprii .

b) Considerînd v K[X]Vu, o(v) X K[X].

c) dimK (K[X]v) 1 (submodulul lui Vu generat de v are K-dimensiunea 1).


Demonstraţie. a)b) Avem u(v) v. În limbajul K[X]-modulului Vu, aceasta înseamnă

X·v v, adică (X )·v 0. Deci o(v)| X , care este ireductibil, de unde rezultă că

o(v) X . (o(v) 1 ar implica v 0).

b)a) o(v) X implică u(v) v.

b)c) Rezultă din egalitatea dimK K[X]v grad o(v).

4.27 Propoziţie. Fie u EndK(V), dimV n N*. Atunci K este valoare proprie a lui

u dacă şi numai dacă este rădăcină a polinomului caracteristic al lui u, fu.

Demonstraţie. Presupunem că este valoare proprie corespunzătoare vectorului propriu

v V. Atunci o(v) X ; cum polinomul minimal u al lui u se găseşte în

AnnK[X](v) (X ), avem X |u. Avem şi u | fu, deci X | fu, adică este rădăcină a lui

fu. Reciproc, dacă fu() 0, avem X | fu. Cum fu şi u au aceiaşi factori ireductibili, rezultă

X |u, deci există g K[X] ai u (X )g. Din 4.9, există v V astfel încît o(v) u.

Atunci o(g·v) X , adică g·v V este vector propriu corespunzător valorii proprii .

Propunem cititorului să dea o demonstraţie rezultatului de mai sus folosind considerente de

teoria sistemelor de ecuaţii liniare.

Se observă că dacă fu nu are rădăcini în K, atunci u nu are valori şi vectori proprii.

În continuare vom descrie celulele Jordan în cazurile importante K C şi K R.

Dacă K este corp algebric închis (în particular, K C), atunci polinoamele ireductibile

unitare din K[X] sînt de forma X a, a K . Deci celula Jordan J((X a)k) este:

a 1 0 … 0 0

0 a 1 … 0 0

J((X a)k)

Mk(K)

.

0 0 0 … a 1

0 0 0 … 0 a

În cazul K R, polinoamele ireductibile unitare din R[X] sînt de forma X a, a R (şi

celula Jordan J((X a)k) este ca mai sus), sau de forma X 2 bX c, cu b, c R şi

b2 4c 0, caz în care celula Jordan J((X 2 bX c)k) este:


109

J((X 2 bX c)k)

bc

bc

bc

bc

100

01

0010

01

0010

001

0010

M2k(R).

Exerciţii

În exerciţii, K este un corp comutativ, V este un K-spaţiu vectorial finit dimensional şi u un

endomorfism al lui KV.

1. Fie u EndK(V). Demonstraţi că vectorii proprii corespunzători unor valori proprii

distincte ale lui u formează un sistem liniar independent.

2. Daţi exemplu de trei matrice din M3(Q) care să aibă unica valoare proprie 2 şi să nu fie

asemenea două cîte două. Există patru astfel de matrice? Generalizare.

3. Determinaţi endomorfismele u EndK(V) care au polinomul minimal de grad 1.

4. Daţi exemplu de matrice care au acelaşi polinom minimal şi acelaşi polinom caracteristic,

dar nu sînt asemenea.

5. Fie A Mn(K) astfel încît polinomul caracteristic al lui A se descompune în factori de grad

1 în K[X] (se mai spune că A are toate valorile proprii în K). Atunci A este asemenea cu o

matrice T (tij) Mn(K), triunghiulară superior (adică tij 0 dacă i j). În acest caz, A se

numeşte trigonalizabilă. Reciproca este adevărată?

6. Fie A Mn(K) şi p K[X]. Dacă A are toate valorile proprii 1, …, n în K, atunci p(A) are

valorile proprii p(1), …, p(n). (Ind. Fie A T, cu T triunghiulară superior. Pe diagonala lui T

sînt 1, …, n. Calculaţi p(T).) 7. Calculaţi polinomul caracteristic şi polinomul minimal pentru matricele următoare:


1000

0110

1010

0101

,

426

7921

337

,

2000

0011

0010

2101

8. Fie A Mn(K). Atunci tA este asemenea cu A. Mai mult, există U GL(n, K), simetrică,

astfel încît tA U 1AU.

9. Fie R un inel comutativ unitar şi n N*. Generalizaţi noţiunile relevante şi demonstraţi

teorema Cayley-Hamilton: dacă E este un R-modul liber de rang n şi u EndR(E), atunci u

este rădăcină a polinomului său caracteristic: fu(u) 0. (Ind.: fie A matricea lui u într-o bază

(e1, …, en) şi XI A B (bij) Mn(R[X]); fu det B. În R[X]-modulul Eu au loc egalităţile

j bijej 0, i. Fie Bik R[X] complementul algebric al lui bik în matricea B. Pentru k fixat,

înmulţind egalitatea i cu Bik şi sumînd după i, se obţine fu(X)·ek 0 fu(u)(ek).) 10. Fie R un inel comutativ unitar şi A U(Mn(R)) o matrice inversabilă. Atunci A este o

combinaţie liniară cu elemente din R de I, A, …, A n 1. (Ind. Folosiţi teorema Cayley-

Hamilton.) 11. Fie u EndK(V). Atunci V nu are subspaţii u-invariante proprii K[X]-modulul Vu este

simplu polinomul caracteristic al lui u este ireductibil în K[X].

12. Fie u EndK(V) un endomorfism care are valoarea proprie 0. Atunci V U W, cu U, W

subspaţii invariante faţă de u şi dim U 1.

13. Fie u EndK(V) un endomorfism nilpotent (r 1 astfel încît u r 0). Atunci Tr u k 0,

k 1. Reciproc, dacă caracteristica lui K este 0 şi Tr u k 0, k 1, atunci u este nilpotent.

(Ind. Fie f polinomul caracteristic al lui u; în relaţia f(u) 0 se aplică Tr şi deduceţi că 0 este

valoare proprie pentru u. Deci u are un subspaţiu invariant de dimensiune dim V 1.)

14. Fie V U W (sumă directă de subspaţii). Atunci orice v V se scrie unic sub forma

v u w, cu u U, w W. Definim aplicaţiile , : V → V prin: u U, w W,

(u w) u ( se numeşte proiecţia pe U paralelă cu W) şi (u w) u w, ( se numeşte

simetria faţă de U paralelă cu W).

Arătaţi că şi sînt K-endomorfisme ale lui V şi găsiţi polinoamele lor minimale.

111

Anexe

Anexele ce urmează prezintă o parte a bagajului de concepte şi rezultate necesar par-

curgerii cărţii. Anexele pot fi consultate în momentul în care se simte nevoia unei clarificări

(sau a unei definiţii, a unui rezultat ajutător …) în cursul parcurgerii textului principal.

1. Algebre. Algebre monoidale şi algebre polinomiale

Fie (R, +, ·) un inel comutativ unitar, fixat pe tot cuprinsul acestui paragraf.

1.1 Definiţie. Se numeşte R-algebră un inel (A, , ·) (nu neapărat asociativ sau unitar),

înzestrat cu o structură de R-modul, astfel încît să aibă loc condiţiile:

r(ab) (ra)b a(rb), r R, a, b A.

R-algebra A se numeşte asociativă (respectiv unitară, comutativă) dacă inelul A are

proprietatea corespunzătoare.

Vom fi interesaţi de R-algebrele asociative şi unitare. Pentru acest tip de algebre există

următoarea caracterizare (care poate fi luată drept definiţie):

1.2 Propoziţie. a) Fie A o R-algebră asociativă şi unitară şi e elementul său unitate.

Atunci aplicaţia : R → A definită de

(r) : re, r R

este un morfism unitar de inele cu proprietatea că (r)a a(r), r R, a A (adică

(R) Cen(A) {a A |ab ba, b A}).

b) Reciproc, dacă A este un inel asociativ şi unitar, iar : R → A este un morfism unitar

de inele cu (R) Cen(A), atunci A devine o R-algebră definind operaţia de R-modul prin

ra : (r)a, r R, a A.

Demonstraţie. a) Dacă r, s R, atunci, folosind definiţia R-algebrei, avem:

Anexe

112

(r s) (r s)e re se (r) (s)

(r)(s) (re)(se) r(e(se)) r(se) (rs)e (rs).

Avem (1) 1e e (căci A este R-modul). Astfel, este morfism unitar de inele. Dacă

r R, a A, (r)a (re)a r(ea) ra r(ae) a(re) a(r).

b) Propunem demonstraţia ca exerciţiu.

1.3 Observaţie. Morfismul : R → A dat de teorema de mai sus se numeşte morfismul

structural al R-algebrei asociative şi unitare A. Evident, un inel A poate avea mai multe

structuri de R-algebră.

1.4 Exemple. a) Inelul de matrici pătratice Mn(R) este o R-algebră asociativă şi unitară

(necomutativă dacă n 2). Morfismul structural asociază lui r R matricea cu r pe diagonala

principală şi 0 în rest.

b) Inelul de polinoame R[X] este o R-algebră comutativă. Dacă K L este o extindere de

corpuri, L este o K-algebră. Care sînt morfismele structurale (echivalent, care este structura de

modul) pentru aceste exemple?

1.5 Definiţie. Fie A şi B două R-algebre. Un morfism de inele : A → B care este şi

morfism de R-module se numeşte morfism de R-algebre. Se observă că, dacă A şi B sînt

asociative şi unitare, de morfisme structurale , respectiv , un morfism unitar de inele

: A → B este morfism de R-algebre dacă şi numai dacă ◦ .

În continuare ne vom referi exclusiv la algebre unitare şi asociative.

O submulţime C a R-algebrei A se numeşte R-subalgebră a lui A dacă C este subinel în A şi

r R, a C, rezultă ra C. Se verifică imediat că intersecţia unei familii de subalgebre

ale lui A este tot o subalgebră a lui A (vezi proprietatea corespunzătoare de la inele sau de la

module). Astfel, pentru o submulţime oarecare S a lui A, se poate defini subalgebra generată

de S ca fiind intersecţia tuturor subalgebrelor lui A care includ S. Pentru R-algebre comutative

unitare, subalgebra generată de S se notează R[S] şi este mulţimea expresiilor polinomiale în

elementele lui S, cu coeficienţi în R.

Dacă : A → B este morfism de R-algebre, atunci (A) este o subalgebră a lui B. Un ideal

I al inelului A se mai numeşte ideal al R-algebrei A. Se vede imediat că, dacă I este ideal al

R-algebrei A, atunci inelul factor A/I este o R-algebră, de morfism structural ◦, unde

: A → A/I este proiecţia canonică. Această algebră se numeşte algebra factor a lui A relativ

la idealul I.

Acest paragraf descrie construcţia algebrei monoidale peste inelul R. Se obţin drept

cazuri particulare inelele de polinoame de o mulţime oarecare de nedeterminate. Ideea ce stă


113

la baza construcţiei este următoarea: fiind date un inel comutativ R şi un monoid (G, ·), pe

R (G) (R-modulul liber peste mulţimea G) se defineşte o operaţie de înmulţire asociativă, care

pentru elementele lui G să coincidă cu înmulţirea din G. Orice element din R (G) se scrie ca o

sumă finită

Gg

g ga

, (cu ag R, g G).

Produsul dintre g, h G (văzute ca elemente în baza lui R (G)) este gh (vă zut ca element

în baza lui R (G)); acest produs se extinde prin linearitate la orice element al lui R (G), de forma

de mai sus. Construcţia riguroasă este descrisă în continuare.

Fie deci (G, ·) un monoid (G este o mulţime nevidă înzestrată cu o operaţie „·”, asociativă

şi cu element neutru e). Definim suportul unei aplicaţii : G → R ca fiind mulţimea

supp() : {g G | (g) 0}. Fie R[G] { : G → R | supp() este finit}. O funcţie din R[G]

se numeşte funcţie de suport finit. Pe mulţimea R[G] definim următoarele legi de compoziţie

internă: R[G], g G, punem

( )(g) : (g) (g)

( ·)(g) :

guv

GGvu

vu,

.

Din prima definiţie este clar că este funcţie de la G la R; trebuie arătat că şi este

corect definită, adică suma din definiţia lui · are un număr finit de termeni nenuli. Într-

adevăr, mulţimea perechilor (u,v) GG cu proprietatea că (u)(v) 0 este inclusă în

supp()supp(), care este finită.

Trebuie să arătăm că sînt funcţii de suport finit. Se observă că supp( )

supp() supp(), care e finită. Pentru , dacă g G \ {uv |u supp() şi v supp()},

atunci ()(g) este 0, căci toţi termenii din suma din definiţie sînt nuli. Deci supp() este

inclus în {uv | u supp() şi v supp()}, care este finită.

Aşadar, „” şi „ · ” sînt corect definite şi sînt legi de compoziţie internă pe R[G]. Se poate

defini şi o operaţie externă „·” : R R[G] → R[G], prin

(r)(g) : r(g), r R, R[G], g G.

În raport cu această operaţie, R[G] devine un R-modul, care nu este altceva decît

R-modulul liber de bază G (dacă se face abstracţie de operaţia de înmulţire în R[G]).

1.6 Propoziţie. (R[G], , ·) este inel asociativ unitar.

Demonstraţie. Probăm asociativitatea înmulţirii. Fie , , R[G] şi g G.

guvGvu

vug2,

gstvGvts

guvGvu

ustGts

vtsvts32 2 ,,, ,

.

Anexe

114

Calculînd (())(g), se obţine acelaşi lucru, deci () ().

Existenţa elementelor neutre pentru adunare şi înmulţire este demonstrată mai jos.

Verificarea celorlalte axiome este propusă ca exerciţiu.

Este necesar să facem legătura cu inelele de polinoame clasice şi să arătăm că această

construcţie satisface cerinţele de la începutul paragrafului. Pentru aceasta, introducem

următoarele elemente din R[G]:

g G, definim g : G → R prin

gh

ghhg ă dac ,1

ădac ,0 , h G;

r R, definim r : G → R prin

ehr

ehhr ădac ,

ădac ,0 , h G.

Este evident că g, r R[G], g G,r R. Au loc următoarele proprietăţi:

1.7 Propoziţie. a) Aplicaţia i : R → R[G], dată prin i(r) r, r R, este un morfism

injectiv de inele. În plus, Im i este inclusă în centrul lui R[G] (adică R[G] este o R-algebră de

morfism structural i). De aceea, vom scrie r în loc de r (identificînd pe r R cu imaginea sa

r R[G]).

b) Aplicaţia j : G → (R[G], ·), j(g) g, g G, este un morfism injectiv de monoizi. Vom

scrie g în loc de g (identificînd pe g G cu imaginea sa g R[G]).

c) Pentru orice g, h G şi r R, avem (r·g)(h)

ghr

gh

ădac ,

ădac ,0.

d) Orice element din R[G] se scrie sub forma unei sume finite:

supp supp gg

ggg ga ,

unde, în a doua sumă, am notat (g) cu ag, am identificat pe g cu g şi am identificat (g) cu

ag (g),g G. Aplicaţia definită pe G cu valori în R, g ag, este de suport finit. Scrierea lui este unică: dacă

Ggg

Ggg gbga

, pentru două aplicaţii de suport finit

g ag şi g bg de la G la R, atunci ag bg, g G.

e) Elementul neutru pentru adunare este 0 (scris ca sumă de tipul Gg

g ga

sub forma

sumei cu un termen 0e). Elementul neutru la înmulţire este e 1e.

Demonstraţie. a) Este evident că r s r s, r, s R. Calculînd r·s, obţinem r·s(g)

guvsr vu . Dacă g e, atunci, pentru orice cuplu (u, v) cu proprietatea că uv

g, avem că u e sau v e, deci vu sr 0. Aşadar, dacă g e, atunci r·s(g) 0. La fel

se observă că (r·s)(e) r(e)·s(e) rs. În concluzie, avem r·s rs. Injectivitatea este

clară.


115

b) Injectivitatea este uşor de demonstrat. Probăm că gh gh, g, h G. Pentru x G, x gh, avem că (gh)(x)

xuvhg vu 0, căci din uv x gh rezultă că u g sau

v h. Pe de altă parte, (gh)(gh) 1 (verificare uşoară).

c) Exerciţiu.

d) Avem, h G,

hhh

hhhga

ggg

gg

supp ădac ,

supp ădac ,0

suppsupp

.

Am folosit în ultima egalitate faptul că

ghg

ghhgg ădac ,

ădac ,0

, după cum s-a

văzut la punctul c).

Unicitatea rezultă din faptul că hGg

g ahga

, h G.

e) Demonstrăm că e este unitatea inelului R[G]. Pentru orice g G, avem

ge ge g eg (am aplicat punctul c). Cazul general rezultă folosind scrierea de la d)

şi distributivitatea.

1.8 Observaţii. a) Din construcţie, rezultă că R[G] este izomorf cu R-modulul liber de

bază G. Putem interpreta elementele lui R[G] ca fiind sume „formale” finite de forma

gG agg, unde (ag)gG este o familie de suport finit de elemente din R, indexată după

elementele lui G. Observăm că putem identifica a R cu „suma” cu un termen a·e; la fel,

putem identifica g G cu 1·g. Adunarea se face după regula

gG agg gG bgg gG (ag bg)g, iar înmulţirea satisface distributivitatea la stînga şi la

dreapta faţă de adunare şi regula (1·g)·(1·h) 1·(gh). Avem :

Gg guvvu

Ggg

Ggg gbagbga

.

Astfel, R[G] satisface condiţiile de la începutul acestui paragraf. Orice element al lui R[G]

se scrie în mod unic sub forma gG agg, subînţelegîndu-se că este vorba de sume finite. În

particular, gG agg 0 ag 0, g G.

b) Dacă G este monoid comutativ, atunci şi R[G] este inel comutativ. Dacă G nu este

comutativ, atunci R[G] nu este comutativ, după cum arată punctul b) al propoziţiei

precedente.

Pentru (G, ·) (N, se obţine construcţia uzuală a inelului de polinoame într-o

nedeterminată cu coeficienţi în R. Într-adevăr, R[N] este format din funcţiile : N → R de

suport finit (adică şiruri finite de elemente din R). Notînd (i) : ai, i N, forma generală a

Anexe

116

unui element f din R[N] este f N i

iia . Ţinînd cont că ij i j, pentru orice i, j N, avem

că i (1)i, i N. Notînd 1 cu X, se obţine scrierea uzuală f iN ai X

i (sumă finită).

La fel, considerînd monoidul comutativ (N n, (pentru n N* fixat), unde adunarea este

definită pe componente, se obţine construcţia inelului R[N n], numit inelul de polinoame în n

nedeterminate 43. Un element din R[N n] se numeşte polinom (în n nedeterminate). Pentru a

face legătura cu scrierea clasică a polinoamelor, fie ei : (0,…,1,…,0) N n (1 pe locul i, 0 în

rest), pentru fiecare i {1, …, n}. Se vede uşor că orice element din N n se scrie în mod unic -

pînă la o ordine a termenilor- ca o sumă de ei (cu alte cuvinte, ei generează monoidul N n).

Notăm elementul ie cu Xi şi îl numim nedeterminată. Un produs de nedeterminate (de forma

nin

i XX 11 ) se numeşte term. Orice polinom g din R[N n] se scrie în mod unic sub forma unei

sume finite:

g

nn

n

nii

in

iii XXa

N,,1

1

1

1

,

unde n

nn iiiiaN,,11 este o familie de suport finit de elemente din R. Deci g este o

combinaţie liniară cu coeficienţi în R de termi. Orice termen al sumei din membrul drept (de

forma n

n

in

iii XXa

1

1 1 , cu niia 1 R, nenul) se numeşte monom al lui g.

Invităm cititorul să verifice detaliile. R[N n] se notează de obicei cu R[X1,…, Xn].

Construim acum inelul de polinoame de S nedeterminate, unde S este o mulţime nevidă oarecare. Se consideră mulţimea N(S) a funcţiilor de suport finit definite pe S cu valori în N.

Interpretăm elementele lui N(S) ca „multiindici” şi le notăm cu i, j,… . Înzestrăm N(S) cu o

operaţie notată aditiv: dacă i, j N(S), punem (i j)(s) i(s) j(s), s S. Se vede imediat

că se obţine o structură de monoid comutativ. Inelul R[N(S)] se numeşte inelul de polinoame

de S nedeterminate cu coeficienţi în R. Pentru orice s S, considerăm funcţia es N(S), dată

prin

ts

tsts dacă

dacă

,1

,0e , t S şi notăm cu Xs elementul

se R[N(S)]. Orice element i din

N(S) se scrie în mod unic sub forma i Ss

ssm e , unde (ms)sS este o familie de suport finit de

numere naturale 44 indexată după S. Aşadar,

i

isupps

ms

sX . În consecinţă, un polinom

43 Se mai spune „polinom de n nedeterminate”. Se mai foloseşte terminologia „necunoscută” sau „variabilă”

în loc de „nedeterminată”. 44 Evident, înmulţirea dintre m N şi i R[N(S)] este dată de (mi)(s) : m·i(s), s S.


117

oarecare f din R[N(S)] se scrie sub forma f F

ai

ii , cu F o submulţime finită a lui N(S); dacă

notăm iF supp(i) cu {s1, …, sn} (este o submulţime finită a lui S), atunci avem o scriere

f

n

n

n

nnmm

ms

msmm XXa

N,,1

1

11

,

unde suma este finită, adică familia n

nn mmmmaN,,11 este de suport finit.

Se observă că orice polinom de S nedeterminate este polinom de un număr finit de

nedeterminate din S. Inelul R[N(S)] se notează cu R[(Xs)sS] sau R[Xs]sS sau R[X; S].

1.9 Teoremă. (Proprietatea de universalitate a algebrei monoidale) Fie R un inel

comutativ, (G, ·) un monoid şi i : R → R[G], j : G → R[G] aplicaţiile canonice definite la 1.7.

Tripletul format din algebra monoidală R[G] împreună cu aplicaţiile i şi j are următoarea

proprietate de universalitate: pentru orice R-algebră T de morfism structural : R → T şi

orice morfism de monoizi : G → (T, ·), există un unic morfism de R-algebre : R[G] → T

astfel încît ◦i şi ◦j .

Demonstraţie. Presupunem că este un morfism cu proprietăţile din enunţ. Aşadar,

(r) (r), r R şi (g) (g), g G. Dacă gG agg este un element oarecare din R[G],

atunci

Ggg

Ggg gaga

Gg

g ga

, ceea ce arată că este unic determinat de

şi . Un calcul direct arată că dat de egalitatea de mai sus este morfism de inele şi

satisface condiţiile cerute.

Proprietatea de universalitate a algebrei monoidale determină această algebră pînă la un

(unic) izomorfism: dacă tripletul (A, , ) (cu A o R-algebră de morfism structural : R → A şi

cu : G → (A, ·) un morfism de monoizi) satisface aceeaşi proprietate de universalitate ca

tripletul (R[G], i, j), atunci există un unic izomorfism de R-algebre : R[G] → A astfel încît

i şi j .

Particularizînd această teoremă la cazurile clasice de inele de polinoame se obţine

următoarea teoremă importantă :

1.10 Teoremă. Fie R un inel comutativ şi A o R-algebră.

GRjG

T

Anexe

118

a) (Proprietatea de universalitate a algebrei de polinoame R[X]) Pentru orice a A există

un unic morfism de R-algebre va : R[X] → A cu proprietatea că va(X) a.

b) (Proprietatea de universalitate a algebrei de polinoame R[X1,…, Xn]) Fie n N* fixat.

Pentru orice n-uplu a (a1,…,an) A n există un unic morfism de R-algebre

va : R[X1,…, Xn] → A astfel încît va(Xi) ai, i {1,…, n}.

c) (Proprietatea de universalitate a inelului de polinoame R[X; S]) Fie S o mulţime nevidă.

Pentru orice aplicaţie : S → A există un unic morfism de R-algebre v : R[X; S] → A astfel

încît v(Xs) (s), s S.

Demonstraţie. Punctul a) este un caz particular al lui b), care se obţine la rîndul său din c)

punînd S {1, …, n}. Pentru a demonstra c), observăm că induce un morfism de monoizi

: N(S) → (A, ·), (i)

s

s

s i

i

supp

, i N(S)

Aplicînd proprietatea de universalitate a algebrei monoidale R[N(S)] R[X; S], rezultă

existenţa unui morfism de R-algebre v : R[X; S] → A astfel încît v ◦j , unde j : N(S)→ R[X; S] este aplicaţia canonică; în cazul nostru j(es) Xs, s S. Deci

v (Xs) (es) (s). Unicitatea lui v rezultă astfel: dacă v : R[N(S)] → A este un morfism de R-algebre cu

v(Xs) (s), atunci v◦j , unde este morfismul definit mai sus. Din partea de unicitate a

proprietăţii de universalitate a algebrei monoidale rezultă că v v.

Morfismul va (respectiv va) care apare la punctele a) şi b) se numeşte morfismul de

evaluare; dacă a (a1, …, an) A n şi f R[X1, …, Xn], atunci va( f ) se notează prin tradiţie

f (a1, …, an) şi se numeşte valoarea polinomului f în (a1, …, an). Aşadar:

f

n

i

ii Xb

0

R[X], a A, avem va( f ) f (a)

n

i

iiab

0

;

f

nn

n

nii

in

iii XXb

N,,1

1

1

1

R[X1,…, Xn], a (a1, …, an) A n, avem

va( f )

n

n

n

nii

in

iiin aabaaf

N,,11

1

1

1,,

.

Teorema de mai sus formalizează şi dă un sens precis expresiei „se dau valorile a1, …, an

nedeterminatelor X1, …, Xn”.

O proprietate utilă a R-algebrelor R[X1,…, Xn] (uneori folosită pentru a le defini prin

inducţie după n) este:

1.11 Teoremă. Fie n 1. Atunci există un izomorfism canonic de R-algebre:

R[X1,…, Xn] R[X1,…, Xn1][Xn] .


119

Demonstraţie. Folosim 1.10.b): ! : R[X1,…, Xn] → R[X1,…, Xn1][Xn], morfism de

R-algebre, cu (Xi) Xi, 1 i n. Fie A : R[X1,…, Xn1].

Invers, din 1.10.b) aplicat lui R[X1,…, Xn1], ! : R[X1,…, Xn1] → R[X1,…, Xn], mor-

fism de R-algebre, cu (Xi) Xi, 1 i n 1. Astfel, R[X1,…, Xn] devine o A-algebră de

morfism structural . Proprietatea de universalitate a A-algebrei de polinoame A[Xn] arată că

există un unic : A[Xn] → R[X1,…, Xn], morfism de A-algebre şi (Xn) Xn. Evident, este

şi morfism de R-algebre.

Arătăm că id. : R[X1,…, Xn] → R[X1,…, Xn] este morfism de R-algebre cu

(Xi) Xi, 1 i n, iar id : R[X1,…, Xn] → R[X1,…, Xn] are aceleaşi proprietăţi. Partea de

unicitate de la 1.10.b) arată că id. La fel, id, deci este izomorfism.

În continuare, facem cîteva consideraţii asupra noţiunii de grad al unui polinom.

Dacă aX n este un monom în R[X] (cu a 0), n se numeşte gradul lui aX n. Punem

grad 0 .

Dacă g R[X], g a0 a1X … anX n, cu an 0, numărul natural n se numeşte gradul

lui g, notat grad g (sau deg g) 45. Deci gradul lui g este cel mai mare grad al monoamelor lui g.

Elementele a0, …, an R se numesc coeficienţii polinomului g, iar an se numeşte coeficientul

dominant al lui g.

Dacă nin

i XaX 11 este un monom în R[X1,…, Xn] (cu a 0), şi 1 k n, definim gradul în

Xk: kin

i XXaX n ,grad 11 : ik (exponentul lui Xk în monom). Pentru un polinom

g R[X1,…, Xn], grad (g, Xk) este cel mai mare grad în Xk al monoamelor lui g. Dacă R este

inel integru, atunci gradul este aditiv: g, h R[X1,…, Xn],

grad (gh, Xk) grad (g, Xk) grad (h, Xk).

Avem şi:

grad (g h, Xk) max(grad (g, Xk), grad (h, Xk)).

Este utilă şi noţiunea de grad total: gradul total al monomului nin

i XaX 11 este i1 … in;

gradul total al unui polinom g este cel mai mare grad total al monoamelor sale. În general,

cînd se vorbeşte fără alte precizări de „gradul” unui polinom în mai multe nedeterminate, este

vorba de gradul său total. Un polinom care are toate monoamele de acelaşi grad se numeşte

polinom omogen sau formă. Şi gradul total este aditiv, dacă R este integru.

45 De la englezescul degree (sau francezul degré).

Anexe

120

2. Inele şi module de fracţii

Procedeul de construcţie a corpului Q plecînd de la inelul integru Z are o generalizare

naturală la orice inel unitar şi comutativ R (deşi în general nu se va obţine un corp). În Q,

toate elementele nenule din Z devin inversabile. În unele cazuri, nu avem nevoie ca toate

elementele nenule dintr-un inel R să devină inversabile într-o „extindere” a sa, ci numai o

parte din ele. În acest sens, este naturală definirea unui concept care să corespundă noţiunii de

„mulţime de numitori”. În continuare, toate inelele sînt unitare şi comutative; R desemnează

un astfel de inel.

2.1 Definiţie. O submulţime S a lui R se numeşte sistem multiplicativ închis dacă:

a) 1 S.

b) 0 S.

b) s, t S, rezultă st S.

Exemple de sisteme multiplicative închise în Z: Z \ {0}, Z \ 2Z, {2 n | n N}.

Fiind date inelul R şi sistemul multiplicativ închis S R, vom construi un inel T şi un

morfism de inele : R → T, astfel încît imaginile prin ale elementelor din S să fie

inversabile în T (deci T va fi o R-algebră de morfism structural ).

2.2 Definiţie. Pe R S {(a, s) | a R, s S} definim relaţia: (a, s), (b, t) R S,

(a, s) (b, t) u S astfel încît u(ta sb) 0.

2.3 Observaţie. În cazul clasic al construcţiei lui Q s-a luat R Z, S Z* şi s-a folosit

relaţia definită astfel: (a, s), (b, t) R S, (a, s) (b,t) ta sb 0. Se observă că această

definiţie coincide în acest caz cu definiţia 2.2 (sau, mai general, în cazul cînd S nu conţine

divizori ai lui 0). Definiţia 2.2 este adaptată şi cazului cînd sistemul multiplicativ S conţine

divizori ai lui zero.

2.4 Propoziţie. Relaţia " " este o relaţie de echivalenţă pe R S.

Demonstraţie. Probăm tranzitivitatea. Fie (a, s), (b, t), (c, u) R S astfel încît

(a, s) (b,t) şi (b, t) (c,u). Atunci v, w S astfel încît v(ta sb) 0 şi w(ub tc) 0.

Înmulţim prima relaţie cu uw şi a doua cu sv şi le adunăm. Se obţine

uwvta uwvsb svwub svwtc 0 vwt(ua sc) 0.

Cum S este sistem multiplicativ, vwt S, deci (a, s) (c,u).


121

2.5 Definiţie. Fie (a, s) R S. Clasa de echivalenţă a lui (a, s) în raport cu relaţia se

notează cu sa sau a/s şi se numeşte fracţie (de numitor s şi numărător a). Mulţimea

R S/(mulţimea claselor de echivalenţă în raport cu relaţia ) se notează cu S 1R. Deci

S 1R : { a/s | a R, s S}.

Din definiţie, tsta

sa , s,t S, a R.

Definim pe S 1R două operaţii, ghidîndu-ne după regulile uzuale de adunare şi înmulţire a

două fracţii. Oricare ar fi (a, s), (b, t) R S, definim:

stsbta

tb

sa :

stab

tb

sa :

2.6 Propoziţie. Operaţiile şi · pe S 1R sînt bine definite şi înzestrează pe S 1R cu o

structură de inel comutativ şi unitar, elementele 0 şi 1 în S 1R fiind:

s0

100 , s S;

ss

111 , s S.

Aplicaţia : R → S 1R, (a) a/1, a R, este un morfism unitar de inele, numit

morfismul canonic (deci S 1R este o R-algebră).

Demonstraţie. Verificăm doar faptul că adunarea este corect definită. Fie (a, s), (b, t),

(a', s'), (b', t') R S, astfel încît (a, s) (a', s') şi (b, t) (b', t'). Avem de arătat că

(ta sb, st) (t'a' s'b', s't'). Fie u, v S astfel încît u(s'a sa') 0 şi v(t'b tb') 0.

Înmulţim prima egalitate cu tt'v şi a doua cu ss'u şi le adunăm. Obţinem

vu((ta sb)s't' (t'a' s'b')st) 0.

Observăm că orice s S are imaginea prin inversabilă în S 1R: (s) s/1 are inversul

1/s. Morfismul este injectiv S nu conţine divizori ai lui 0. Mai observăm că, dacă 0 S,

atunci S 1R este inelul nul (cu un singur element, 0/1 a/s, a R, s S), motiv pentru

care condiţia 0 S este impusă în definiţia sistemului multiplicativ închis.

2.7 Teoremă. (Proprietatea de universalitate a inelului de fracţii) Fie R un inel unitar,

comutativ şi S un sistem multiplicativ închis în R. Atunci S 1R este un inel comutativ unitar şi

: R → S 1R este un morfism unitar astfel încît (s) este inversabil în S, s S. Mai mult:

Pentru orice inel comutativ unitar T şi orice morfism unitar : R → T astfel încît (s) este

inversabil în T, s S, există un unic morfism de inele g : S 1R → T astfel încît g.

Anexe

122

Demonstraţie. Definim g(a/s) (a)((s)) 1, a R, s S. Lăsăm cititorului

verificarea faptului că definiţia lui g este corectă, că g este morfism şi că este unicul astfel

încît g.

După cum este de aşteptat, proprietatea de universalitate a inelului de fracţii determină

inelul de fracţii pînă la un (unic) izomorfism, adică:

2.8 Teoremă. Fie R un inel unitar, comutativ şi S un sistem multiplicativ închis în R.

Presupunem că B este un inel comutativ unitar şi : R → B este un morfism astfel încît:

Pentru orice inel comutativ unitar T şi orice morfism unitar : R → T astfel încît (s) este

inversabil în T, s S, există un unic morfism de inele g : B → T astfel încît g.

Atunci există un unic izomorfism unitar de inele h : S 1R → B astfel încît h .

Construcţia descrisă se poate aplica unui R-modul M, cu modificări minore. Astfel, fiind

date sistemul multiplicativ închis S R şi R-modulul M, definim pe M S relaţia de

echivalenţă: (a, s), (b, t) M S, (a, s) (b, t) u S astfel încît u(ta sb) 0 (exact

ca la 2.2). Următoarea propoziţie se demonstrează la fel ca în cazul lui S 1R:

2.9 Propoziţie. Fie M un R-modul şi S un sistem multiplicativ închis în R. Atunci relaţia

" " definită mai înainte este o relaţie de echivalenţă pe M S. Notînd cu sx clasa lui

(x, s) M S şi S 1M :

SsMx

sx , , S 1M devine un grup abelian cu adunarea

definită de: x, y M, s, t S,

stsytx

ty

sx : .

Mai mult, S 1M este un S 1R modul cu înmulţirea definită de: a R,x M, s, t S,

stax

tx

sa : .

S 1R-modulul S 1M se numeşte modulul de fracţii al lui M în raport cu sistemul

multiplicativ S. Morfismul M : M → S 1M, M(x) x/1, x M, se numeşte morfismul

canonic.

Legătura dintre idealele lui R şi cele ale inelului de fracţii este strînsă. O proprietate

imediată este dată de:

2.10 Propoziţie. Fie I un ideal în inelul R. Atunci S 1I : {a/s | a I, s S} este ideal în

S 1R. Mai mult, orice ideal din S 1R este de forma S 1I, cu I ideal în R.


123

Demonstraţie. Se verifică imediat că S 1I S 1R dacă I R. Dacă acum J S 1R, fie

I 1(J) (ideal în R). Avem chiar a/1 J s S astfel încît a/s J. Deci

1(J) {a R | s S astfel încît a/s J}. Atunci S 1I {a/s | a I, s S} J.

O legătură asemănătoare există între submodulele lui M şi cele ale lui S 1M (o puteţi

enunţa?).

2.11 Definiţie. Un sistem multiplicativ închis S R se numeşte saturat dacă toţi divizorii

elementelor din S aparţin lui S: s S, d, r R cu dr s, rezultă d S şi r S. Dacă S este

un sistem multiplicativ închis oarecare, notăm

S' : {d R | r R, s S astfel încît dr s}.

S' se numeşte saturatul sistemului multiplicativ închis S. Evident, S este saturat S S'.

Este utilă următoarea proprietate, care exprimă faptul că în construirea inelelor de fracţii ne

putem limita la sisteme multiplicative închise saturate.

2.12 Propoziţie. Fie S un sistem multiplicativ închis în inelul R. Atunci:

a) S' este sistem multiplicativ închis saturat în R.

b) Are loc un izomorfism canonic S 1R S' 1R.

Demonstraţie. a) Se verifică definiţiile.

b) Notăm relaţia de echivalenţă pe S' R (definită ca la 2.2) cu , iar clasa de echivalenţă a

perechii (a, s) din R S' cu a//s S' 1R (pentru a o distinge de fracţia a/s din S 1R). Definim

: S 1R → S' 1R, (a/s) a//s, a/s S 1R. Definiţia nu depinde de alegerea

reprezentanţilor a şi s: dacă (a, s) (b, t), atunci (a, s) (b, t). Se vede imediat că este

morfism de inele. Avem Ker {a/s S 1R | a//s 0//1}. Dar a//s 0//1 u S' astfel

încît ua 0. Deci r R astfel încît ur S şi avem ura 0, adică a/s 0/1. Astfel,

Ker {0/1}. Avem şi surjectiv: dacă a//d S' 1R, cu a R, d S', atunci există r R

astfel încît dr S. E clar atunci că r S', deci a//d ar//dr (ar/dr).

Un exemplu important de sistem multiplicativ închis şi de inel de fracţii corespunzător este

următorul:

2.13 Propoziţie. Fie P un ideal prim în inelul R. Atunci S : R \ P este un sistem

multiplicativ închis în R şi inelul de fracţii S 1R are un unic ideal maximal (este inel local).

Demonstraţie. Condiţia de ideal prim este: dacă a, b P, atunci ab P, ceea ce arată că S

este sistem multiplicativ închis. Dacă I R, I S , atunci S 1I S 1R. Într-adevăr, dacă

s I S, atunci s/1 S 1I şi este inversabil, deci S 1I R. Aşadar, idealele proprii în S 1R

sînt de forma J S 1I, cu I S ( I P), adică J S 1P. Dar S 1P este ideal propriu:

Anexe

124

dacă 1/1 p/s, cu p P, s S, atunci u S astfel încît u(s p) 0 us P u P sau

s P, contradicţie cu S R \ P. Astfel, S 1P este unicul ideal maximal în S 1R.

Tehnica trecerii la inelele de fracţii se mai numeşte şi localizare, denumire care provine

din Geometria Algebrică. Dacă S R \ P, cu P ideal prim, inelul de fracţii S 1R se notează de

obicei prin RP şi se numeşte localizatul în P al lui R; dacă M este un R-modul, modulul S 1R

se notează cu MP (numit, de asemenea localizatul lui M în P). De exemplu, dacă R este

integru, atunci (0) este ideal prim şi R(0) este corpul de fracţii al lui R.

Unele detalii şi dezvoltări privind localizarea se pot găsi în ALBU, RAIANU [1984].

Menţionăm că această tehnică are generalizări şi în cazul necomutativ. O tratare a inelelor de

fracţii în cazul necomutativ este dată în NĂSTĂSESCU [1976].

3. Polinoame simetrice

Fie R un inel comutativ unitar, fixat. Fie n N* şi Sn (grupul permutărilor de n

obiecte). Există un unic morfism de R-algebre : R[X1,…, Xn] → R[X1,…, Xn] astfel încît

(Xi) X(i), i 1,…, n (am folosit 1.10 proprietatea de universalitate a R-algebrei de

polinoame R[X1,…, Xn]). Dacă g R[X1,…, Xn], atunci

(g) g(X(1),…, X(n)).

Dacă R este integru, de corp de fracţii K, considerăm K(X1,…, Xn) (corpul de fracţii al

inelului integru R[X1,…, Xn], numit corpul fracţiilor raţionale în nedeterminatele X1,…, Xn cu

coeficienţi în K). Atunci se prelungeşte la un unic morfism de corpuri (notat tot cu )

: K(X1,…, Xn) → K(X1,…, Xn); are loc, g, h R[X1,…, Xn], h 0: (g/h) (g)/(h).

3.1 Definiţie. Fie R un inel comutativ unitar şi g R[X1,…, Xn]. Spunem că g este polinom

simetric în R[X1,…, Xn] dacă, Sn, are loc (g) g.

Dacă R este integru, de corp de fracţii K, o fracţie raţională g/h din corpul K(X1,…, Xn) se

numeşte simetrică dacă, Sn, are loc (g/h) g/h.

3.2 Exemple. În R[X1, X2, X3], polinoamele următoare sînt simetrice: X1 X2 X3,

X1 X2 X3, 2231

233

221

223

212

21 XXXXXXXXXXXX . Polinomul X1 X2 nu este

simetric în R[X1, X2, X3] (dar este simetric în R[X1, X2]).


125

3.3 Observaţii. a) Fie S {g R[X1,…, Xn]|(g) g, Sn} mulţimea polinoamelor

simetrice. S este o subalgebră a lui R[X1,…, Xn]: dacă g, h S, atunci

(g h) (g) (h) g h, Sn. Analog se verifică celelalte condiţii.

La fel, fracţiile raţionale simetrice din K(X1,…, Xn) formează un subcorp.

b) Dacă nin

i XaX 11 este monom al polinomului simetric g, atunci

nin

i XaX 11 este

monom al lui g.

3.4 Definiţie. Fie n N* şi 0 k n. Se numeşte polinom simetric fundamental (sau

elementar) de grad k în R[X1,…, Xn] polinomul

sk : {iI Xi | I {1, …, n}, |I| k}.

Cu alte cuvinte, sk este suma tuturor produselor de k nedeterminate distincte alese din

{X1,…, Xn}; deci sk are knC monoame. Prin convenţie, s0 1 şi sk 0 pentru k n. Polinomul

sk este omogen de grad k (toate monoamele sale au gradul k). Întrucît sk depinde şi de numărul

nedeterminatelor, uneori vom nota sk(X1,…, Xn) pentru a evita confuziile. De exemplu, pentru

n 4:

s0 1

s1 X1 X2 X3 X4

s2 X1 X2 X1 X3 X1 X4 X2 X3 X2 X4 X3 X4

s3 X1 X2 X3 X1 X2 X4 X1 X3 X4 X2 X3 X4

s4 X1 X2 X3 X4

Polinoamele simetrice fundamentale apar în relaţiile dintre coeficienţii şi rădăcinile unui

polinom.

3.5 Teoremă. a) Fie n N* şi sk skX1, …, Xn). În R[X1,…, Xn][X] are loc relaţia:

(X X1)…(X Xn) X n s1 X n1 s2 X

n2 … (1)nsn.

b) Dacă R este subinel al inelului integru S şi g a0 a1X … anX n R[X] are

rădăcinile x1, …, xn S, atunci anskx1, …, xn) (–1) kan k.

Demonstraţie. a) Inducţie după n (exerciţiu).

b) Există un unic morfism de R-algebre : R[X1,…, Xn][X] → S[X] astfel încît (Xi) xi şi

(X) X. Avem, din a):

(an(X X1)…(X Xn)) an(X x1)…(X xn) an(X n s1 X

n1 s2 X n2 … (1)nsn).

Pe de altă parte, an(X x1)…(X xn) g (în corpul de fracţii K al lui S, au aceleaşi rădăcini

şi acelaşi coeficient dominant). Se identifică acum coeficienţii.

3.6 Teoremă. (teorema fundamentală a polinoamelor simetrice) Fie R un inel comutativ

unitar şi g un polinom simetric din R[X1,…, Xn]. Atunci există un unic polinom

h R[X1,…, Xn] astfel încît g h(s1, …, sn).

Anexe

126

Cu alte cuvinte, notînd cu S subalgebra polinoamelor simetrice din R[X1,…, Xn], unicul

morfism de R-algebre : R[X1,…, Xn] → S cu proprietatea că (Xi) si (pentru 1 i n)

este un izomorfism.

Demonstraţie. Notăm cu T : 11 1, ,nii n

n nX X i i mulţimea termilor din

R[X1,…, Xn]. Definim o relaţie de ordine pe T (ordinea lexicografică): ordonăm total

{X1,…, Xn} (de exemplu X1 X2 … Xn) şi definim nn kn

kin

i XXXX 1111 r, 1 r n,

astfel încît it kt, t r şi ir kr. De exemplu, avem 2211

232

731 XXXXXX . Această

relaţie de ordine este totală46 şi compatibilă cu înmulţirea, adică, , , T, din

rezultă (este chiar singura ordine pe T, compatibilă cu înmulţirea, care satisface

X1 X2 … Xn).

Ordinea lexicografică induce o relaţie de preordine 47 , notată tot „ ”, pe mulţimea

{a | T, a R, a 0} a monoamelor din R[X1,…, Xn], prin a b .

Demonstrarea afirmaţiilor precedente este un exerciţiu de rutină. Dacă p R[X1,…, Xn],

există un unic monom care este cel mai mare monom al lui p (faţă de preordinea

lexicografică), numit monom dominant al lui p. Îl notăm cu hm(p). Are loc următoarea

proprietate:

Dacă p, q R[X1,…, Xn], astfel încît hm(p) a, hm(q) b, unde T, a, b R şi

ab 0, atunci hm(pq) hm(p)hm(q) ab.

Într-adevăr, orice monom al lui pq este o sumă de monoame de forma r·s, unde r este

monom al lui p, s este monom al lui q. Dar şi , deci . Astfel,

ab hm(pq).

Fie deci g un polinom simetric şi fie hm(g) nin

i XaX 11 . Atunci i1 i2 … in (dacă k

astfel încît ik ik1, atunci nkk in

ik

ik

i XXXaX 1111

este monom în g, strict mai mare decît

hm(g)). Căutăm un polinom p de forma njn

j sas 11 astfel încît hm(p) să fie hm(g). Din

proprietatea de mai sus, nn jn

jjjn

j XXXXaXsashm 12111211 . Acest monom este

egal cu hm(g) dacă şi numai dacă j1 … jn i1, j2 … jn i2, …, jn in. Rezultă jn in,

jk ik ik 1 pentru 1 k n. Polinomul

g1 : g njn

j sas 11

este simetric şi are hm(g1) hm(g). Dacă hm(g1) 0, avem g1 0 şi am terminat. Dacă

hm(g1) 0, aplicăm acelaşi procedeu pentru g1. Algoritmul se termină după un număr finit de

46 Mai mult, T este o mulţime bine ordonată de ordinea lexicografică (orice submulţime nevidă a lui T are un

prim element). Se pot face deci demonstraţii prin inducţie după această ordine (cum este demonstraţia de faţă). 47 Adică o relaţie reflexivă şi tranzitivă, dar nu neapărat antisimetrică.


127

paşi deoarece nu poate exista un şir infinit strict descrescător de termi, conform lemei

următoare. Aceasta încheie demonstraţia părţii de existenţă.

Arătăm unicitatea (cu alte cuvinte, Ker 0). Presupunem că există un polinom nenul

p R[X1,…, Xn] astfel încît (p) p(s1, …, sn) 0. Afirmăm că există un unic monom nenul

al lui p astfel încît hm((p)) hm((s1, …, sn)). Dacă nin

i XX 11 , nj

nj XX 1

1 T, cu

, atunci:

hm((s1, …, sn)) nnnn jn

jjin

ii XXXX 1111 hm((s1, …, sn)).

Deci ! 0 monom al lui p astfel încît hm((s1, …, sn)) max {hm((s1, …, sn))| monom

al lui p}. Cum p(s1, …, sn) {(s1, …, sn)| monom al lui p}, rezultă că

hm(p(s1, …, sn)) hm((s1, …, sn)) 0, contradicţie cu p(s1, …, sn) 0.

3.7 Lemă. a) Fie (A, ) şi (B, ) două mulţimi bine ordonate. Atunci AB este o mulţime

bine ordonată de ordinea lexicografică dată de (a, b) (a', b') dacă şi numai dacă a a' sau

(a a' şi b b').

b) Într-o mulţime bine ordonată (A, ) nu există şiruri infinite strict descrescătoare.

c) n N, mulţimea Tn a termilor din R[X1,…, Xn] este bine ordonată de ordinea

lexicografică (deci nu există un şir infinit strict descrescător de termi).

Demonstraţie. a) Reamintim că mulţimea ordonată (A, ) se numeşte bine ordonată dacă

S A, S astfel încît a, a S ( este unic cu această proprietate şi se

numeşte primul element al lui S. Deci A este bine ordonată dacă orice submulţime nevidă are

un prim element). Fie S AB, nevidă. Cum S1 : {a A| b B cu (a, b) S} , iar A

este bine ordonată, există primul său element S1 (deci (a, b) S, a). Fie

S2 : {b B| (, b) S}. Există primul element al lui S2. Atunci (, ) este primul element

al lui S: (a, b) S, avem a (deci (, ) (a, b)) sau a, caz în care b S2, deci b.

b) Fie (an)n 1 un şir descrescător de elemente din A. Atunci mulţimea {an | n 1} are un

prim element, fie acesta ak. Pentru n k, avem deci ak an; cum an ak (şirul este descres-

cător), rezultă an ak şi şirul nu este strict descrescător.

c) Inducţie după n. Dacă n 1, T1 {X n | n N} este izomorfă ca mulţime ordonată cu

(N, ), care este bine ordonată. Dacă n 1, Tn cu ordinea lexicografică este izomorfă cu

Tn1 T1 cu ordinea definită ca la punctul a). Din ipoteza de inducţie, Tn1 este bine ordonată

şi din a) rezultă Tn1 T1 bine ordonată.

Teorema 3.6 se extinde uşor şi la fracţii raţionale simetrice.

3.8 Corolar. (Teorema fundamentală a fracţiilor raţionale simetrice) Fie R un inel integru şi K corpul său de fracţii. Dacă p, q R[X1,…, Xn], q 0, astfel încît p/q este o fracţie

raţională simetrică, atunci există polinoamele f, g R[X1,…, Xn] astfel încît

Anexe

128

n

n

ssg

ssf

q

p

,,

,,

1

1

. Cu alte cuvinte, subcorpul fracţiilor raţionale simetrice din corpul

K(X1,…, Xn) este K(s1,…, sn).

Demonstraţie. Dacă q este polinom simetric, atunci p este simetric (ca produs în subcorpul

fracţiilor raţionale simetrice dintre q şi p/q). Din 3.6 rezultă că p, q R[s1,…, sn]. Dacă q nu

este simetric, fie s Sn(q). Atunci s este simetric şi

s

qp

q

p id ,

şi am revenit la primul caz.

Să exprimăm polinomul simetric tm : X m1 … X m

n R[X1,…, Xn] (m N) în funcţie de

polinoamele simetrice s1, …, sn. Identităţile următoare permit un calcul recursiv al tm ca

polinom de s1, …, sn.

3.9 Propoziţie. (Identităţile lui Newton) În R[X1,…, Xn] are loc relaţia:

tm s1 tm 1 s2 tm 2 … (1)m 2sm 1 t1 (1)m 1msm.

Demonstraţie. Dacă m n, atunci convenţia sk 0 pentru k n trunchiază formula de mai

sus (sînt numai n termeni).

Fie r n şi (a1, …, ar) un r-uplu de numere naturale cu a1 a2 … ar. Notăm cu

s(a1, …, ar) unicul polinom simetric g din R[X1,…, Xn] cu monomul dominant

hm(g) rar

aa XXX 2121 (faţă de ordinea lexicografică a termilor).

De exemplu, s(m) X m1 … X m

n tm, s(1, 1) X1 X2 X1 X3 … s2. Pentru a simplifica

notaţia, punem 1i : (1, …, 1) (1 apare de i ori) şi (a, 1i) : (a, 1, …, 1) (1 apare de i ori);

avem deci s(1i) si. Relaţiile următoare se demonstrează uşor:

s1 tm 1 tm s(m 1, 1)

s2 tm 2 s(m 1, 1) s(m 2, 1, 1)

s3 tm 3 s(m 2, 1, 1) s(m 3, 1, 1, 1)

În general, dacă i min{m 1, n},

si tm i s(m i 1,1i) s(m i,1i).

Dacă m n şi i m 1, atunci

sm 1t1 s(2,1m 2) msm.

Dacă m n i, atunci

sn tm n s(m n 1,1n 1).

Identităţile rezultă folosind relaţiile de mai sus în suma 1 i m (1)i1si tmi.

129

Index

algebra

factor, 112

algebră, 111

algoritm de factorizare, 39

Algoritmul lui Euclid, 22

anulator, 67, 86

anulatorul

unui modul, 86

asemenea (endomorfisme), 99

asemenea (matrice), 99

asociere în divizibilitate, 16

bază, 68

bine ordonată (mulţime), 127

cel mai mare divizor comun, 17

cel mai mic multiplu comun, 17

celulă Jordan, 102

cît, 22

cmmdc, 17

cmmmc, 17

coeficient al unui polinom, 119

coeficientul dominant, 119

comaximale, 92

combinaţie liniară, 50

companion matriceal, 102

complement, 65

congruenţă modulo n, 24

corp, 4

corpul fracţiilor raţionale, 124

decompozabil, 91

divizibilitate, 14

divizor al lui zero, 4

divizori elementari, 96

domeniu de integritate, 4, 15

element

întreg, 41

endomorfism, 53

ciclic, 99

epimorfism, 59

factori invarianţi, 89

formă, 119

forma canonică Jordan, 107

forma diagonal canonică, 79

forma normală Smith, 79

fracţie, 121

fracţie raţională

simetrică, 124

130

funcţia polinomială, 43

GCD-inel, 17

grad, 119

total, 119

grupul

liniar general, 74

homomorfism

de module, 53

ideal

generat, 7

maximal, 10

prim, 10

propriu, 7

idempotent, 65

Identităţile lui Newton, 127, 128

imagine, 56

indecompozabil, 91

independentă (familie de submodule), 65

inel, 3

al claselor de resturi modulo n, 25

al întregilor lui Gauss, 15

comutativ, 4

de întregi pătratici, 25

euclidian, 22

euclidian faţă de normă, 26

factorial, 30

integru, 4, 15

întreg închis, 41

noetherian, 30

principal, 28

unitar, 3

inele izomorfe, 6

injecţii canonice, 63

întreg

pătratic, 25

întreg algebric, 25

întreg raţional, 25

ireductibil, 20

izomorfism de inele, 6

lema chineză a resturilor, 92

lexicografică (ordine), 126

liber de pătrate, 15, 25

liniar dependentă, 67, 68

liniar independentă, 67

localizare, 124

localizatul, 124

matrice

aritmetic echivalente, 79

diagonal canonică, 79

elementare, 79

matrice asociată

unui morfism, 72

matrice canonică Jordan, 102

matricea caracteristică, 105

modul, 46

de fracţii, 122

de tip finit, 51

de torsiune, 86

factor, 59

fără torsiune, 86

finit generat, 51

liber, 68

simplu, 62

monom, 116

dominant, 126

131

monomorfism, 59

morfism

de algebre, 112

de inele, 6

de module, 53

unitar de inele, 6

morfism structural (al unei algebre), 112

normă, 25

nucleu, 56

numărător, 121

numitor, 121

omotetie, 54

ordin, 85

PID, 28

polinom

monic, 25

omogen, 119

reciproc, 37

simetric elementar, 125

simetric fundamental, 125

unitar, 25

polinom caracteristic, 105

polinom minimal (al unui endomorfism), 100

polinom simetric, 124

polinomul

de interpolare Lagrange, 43

prim, 20

prim element, 127

prime între ele (elemente), 17

produs direct

de module, 63

produs direct de inele, 5

proiecţii canonice, 63

proiector, 65

proprietatea de universalitate

a algebrei monoidale, 117

a inelului de fracţii, 121

a inelului de polinoame, 118

p-submodul, 86

relativ prime (elemente), 17

rest, 22

restricţia scalarilor, 48

saturatul unui sistem multiplicativ închis, 123

sistem de generatori, 50

sistem multiplicativ închis, 120

saturat, 123

subalgebră, 112

subalgebra generată, 112

subinel, 5

generat, 5

unitar, 5

submodul, 49

ciclic, 51

generat, 50

maximal, 52

minimal, 52

propriu, 50

subspaţiu invariant, 99

sumă de ideale, 8

sumă directă

de submodule, 65

sumand direct, 65

suport, 51, 63, 113

suport al unei familii, 8

surjecţia canonică, 59

teorema

132

factorilor invarianţi, 85

fundamentală de izomorfism, 12, 60

teorema împărţirii cu rest, 22

term, 116

torsiune, 86

transformare liniară, 53

transformări elementare, 80

UFD, 31

urma

unei matrice, 105

unui endomorfism, 105

urmă, 25

valoare proprie, 107

vector propriu, 107

133

Bibliografie

1. ALBU, T., ION, I.D. [1984] Capitole de teoria algebrică a numerelor, Ed. Academiei R.S.R., Bucureşti.

2. ALBU, T., ION, I.D. [1997] Itinerar elementar în algebra superioară, Ed. All, Bucureşti.

3. ALBU, T., MANOLACHE, N. [1987] 19 Lecţii de teoria grupurilor, Ed. Universităţii Bucureşti, Bucureşti.

4. ALBU, T., RAIANU, Ş. [1984] Lecţii de algebră comutativă, Ed. Universităţii Bucureşti, Bucureşti.

5. ANDERSON, F.W., FULLER, K.R. [1974] Rings and categories of modules, Springer-Verlag, New York.

6. BOREVICI, Z.I, ŞAFAREVICI, I.R. [1985], Teoria numerelor, Ed. Ştiinţifică şi Enciclopedică, Bucureşti.

7. BOURBAKI, N. [1958] Eléments de mathématique, Fasc. VII, Livre II: Algèbre, Chapitre 3, Algèbre

multilinéaire, Hermann, Paris.

8. BOURBAKI, N. [1967] Eléments de mathématique, Fasc. VI, Livre II: Algèbre, Chapitre 2, Algèbre

linéaire, Hermann, Paris.

9. BOURBAKI, N. [1981] Algèbre, Chapitres 4 à 7, Masson, Paris.

10. BOURBAKI, N. [1985] Eléments de mathématique: Algèbre commutative, Chapitres 1 à 4, Masson, Paris.

11. GALBURĂ, GH. [1961] Corpuri de funcţii algebrice şi varietăţi algebrice, Ed. Academiei R.P.R.,

Bucureşti.

12. GALBURĂ, GH. [1972] Algebră, Ed. Didactică şi pedagogică, Bucureşti.

13. GUŢAN, M., ŞTEFĂNESCU, M., [1985] Culegere de probleme de Algebră. Inele şi Module, Ed. Universităţii

„Al. I. Cuza”, Iaşi.

14. HALL, M. [1959] The Theory of Groups, Macmillan, New York.

15. HUNGERORD, T.W. [1974], Algebra, Springer-Verlag, New York.

16. ION, I.D., NĂSTĂSESCU, C., NIŢĂ, C. [1984] Complemente de algebră, Ed. Ştiinţifică şi enciclopedică,

Bucureşti.

17. ION, I.D., RADU, N. [1981a] Algebra, Ed. Didactică şi pedagogică, Bucureşti.

18. ION, I.D., RADU, N., NIŢĂ, C., POPESCU, D. [1981b] Probleme de algebră, Ed. Didactică şi pedagogică,

Bucureşti.

19. JACOBSON, N. [1964], Lectures in Abstract Algebra III. Theory of Fields and Galois Theory,

Springer-Verlag, New York.

20. JACOBSON, N. [1974], Basic Algebra I, W.H. Freeman and Co., San Francisco.

134

21. KAPLANSKY, I. [1973], Fields and Rings, The University of Chicago Press, Chicago.

22. LAFON, J.P. [1977] Algèbre commutative. Langages géometrique et algébrique, Hermann, Paris.

23. MACCARTHY, P.J. [1966], Algebraic Extensions of Fields, Blaisdell Publishing, Waltham, Massachusets.

24. MORANDI, P. [1996] Field and Galois Theory, Springer-Verlag, New York.

25. NĂSTĂSESCU, C. [1974] Introducere în teoria mulţimilor, Ed. Didactică şi pedagogică, Bucureşti.

26. NĂSTĂSESCU, C. [1976] Inele. Module. Categorii, Ed. Academiei R.S.R., Bucureşti.

27. NĂSTĂSESCU, C., NIŢĂ, C. [1979] Teoria calitativă a ecuaţiilor algebrice, Ed. Tehnică, Bucureşti.

28. NĂSTĂSESCU, C., NIŢĂ, C., VRACIU, C. [1986] Bazele Algebrei, vol. I, Ed. Academiei R.S.R., Bucureşti.

29. NIŢĂ, C., SPIRCU, T. [1974] Probleme de structuri algebrice, Ed. Tehnică, Bucureşti.

30. PARENT, D.P. [1978] Exercices en théorie des nombres, Gauthier-Villars, Paris.

31. POPESCU, N. [1971] Categorii abeliene, Ed. Academiei R.S.R., Bucureşti.

32. PURDEA, I. [1982] Tratat de algebră modernă, vol II, Ed. Academiei R.S.R., Bucureşti.

33. RADU, GH. [1988] Algebra categoriilor şi functorilor, Ed. Junimea, Iaşi.

34. RADU, N. [1968] Inele locale, vol. I, Ed. Academiei R.S.R., Bucureşti.

35. SAMUEL, P. [1963] Anneaux factoriels, Sociedade de Matemática de São Paulo.

36. SAMUEL, P. [1968] Théorie algébrique des nombres, Hermann, Paris.

37. SCORPAN, A. [1996] Introducere în teoria axiomatică a mulţimilor, Ed. Universităţii Bucureşti, Bucureşti.

38. SPINDLER, K. [1994] Abstract Algebra with Applications, vol. II, M. Dekker, New York.

39. ŞTEFĂNESCU, M., [1993] Introducere în teoria grupurilor, Ed. Universităţii „Al. I. Cuza”, Iaşi.

40. TIGNOL, J.-P. [1987] Galois' Theory of Algebraic Equations, Longman Scientifical and Technical.

41. TOFAN, I. [2000] Capitole speciale de structuri algebrice, Ed Universităţii „Al. I. Cuza”, Iaşi.

42. TOFAN, I. , VOLF, A.C. [2001] Algebră: Inele. Module. Teorie Galois, Ed. Matrix Rom, Bucureşti.

43. VAN DER WAERDEN, B.L. [1967], Algebra II (Fünfte auflage der Modernen Algebra) Springer-Verlag,

Berlin.

44. VAN DER WAERDEN, B.L. [1971], Algebra I (Achte auflage der Modernen Algebra) Springer-Verlag,

Berlin.

45. VAN DERWAERDEN, B.L. [1985], A History of Algebra, Springer-Verlag, Berlin.

46. WALKER, R.J. [1950] Algebraic Curves, Dover Publications, New York.

47. ZARISKI, O., SAMUEL, P. [1958] Commutative Algebra, vol. I, Princeton.

48. ZARISKI, O., SAMUEL, P. [1960] Commutative Algebra, vol. II, Princeton.

aritmetica in inele curs 2020 - facultatea de matematica iasivolf/depozit/aritmetica in...3 i....

Documents