形式陈述
设 为交换含幺环、 为理想, 为 -模。-adic 完备化定义为
作为逆极限公理库极限与余极限Limit and colimit用锥的终对象或余锥的始对象统一积、等化子、拉回及其对偶。的相容族模型, 的元素是序列 ,其中 ,并满足 降到模 后等于 。环完备化的各层是商环公理库商环Quotient ring按理想的陪集构造的环。,模完备化的各层则是商模公理库商模Quotient module按子模诱导的陪集等价关系取商并继承模运算的结构。;过渡映射都把模 的信息降到模 。模的加法与标量作用逐层进行,环的乘法也逐层进行。
自然映射 把一个元素送到全部余类,其核为
若该映射是同构,称 为 -adic 完备;这包含分离条件,即上述交为零。本文不把“每个兼容序列都有提升”与“提升唯一”混成同一件事。
直觉
模 只观察最粗的一层,模 再多一层精度,依此类推。完备化保留所有相容的有限精度观测。相容性要求高精度答案投影后与低精度答案一致,不能把各层任意选一个余类就称为完备元素。
这里的接近由差是否落入高次理想决定,不由普通绝对值决定。例如 在 -adic 意义下趋向零,与把 代入某个实数后幂是否收敛无关。
例子与边界
从多项式到形式幂级数
取 、。模 的余类有唯一代表
兼容性意味着升高 时旧系数不变,只增加新系数。因此
这里的形式幂级数公理库形式幂级数Formal power series以系数序列为本体并按 Cauchy 卷积运算、不预设解析收敛的无穷级数。不是任意无限求和的分析极限,而是每个有限截断都已确定的代数对象。
例如 相容,因为从 阶降到 阶只丢掉 。每层满足 ,于是完备环中
原多项式环中 不是单位,完备后成为单位,说明完备化会改变一些全局代数性质。
逐阶求出 在 中的逆
对 的完备化是 。模 有 。把下一层写成 ,要求
得到 ,所以逆元模 为 。再写成 ,要求 ,得 ,所以模 为 。
三个答案满足 、,因此给出同一完备元素的前三级信息。继续这个过程,每次解一个模 线性方程,得到唯一兼容逆元。有限精度算法始终保持的不变量,就是 。
自然映射不一定单射
令 、。由于 ,所有商环都为 ,所以 ,自然映射把整个第一因子消去。即使 Noether,也不能对任意理想宣称自然映射把原环嵌入完备化。
若 Noether 局部、 有限生成且 ,Krull 交定理才保证 。若再去掉理想有限生成等条件,逆极限得到的对象甚至未必对其扩张理想再次完备;熟悉的良好性质需要逐项保留假设。
推论与应用
在 Noether 环公理库Noether 环Noetherian ring每个理想有限生成,等价地理想升链最终稳定的环。上,-adic 完备化对有限生成模的短正合列保持正合,且可用张量积公理库张量积Tensor product把双线性映射统一因子化为线性映射,并可在交换环上的模中以平衡关系构造的张量积。表示为
证明的关键是 Artin–Rees 引理公理库Artin–Rees 引理Artin-Rees lemma有限模子模的交截滤过经过固定滞后后稳定受控;用 Rees 分次模证明公式,并给出有限生成性不能省略的反例。:子模自身的 -adic 滤过与从大模继承的滤过虽然不逐项相等,却定义同一个完备化。由此可证明 是平坦 $R$-模公理库平坦模Flat module · Flatness张量后保留所有单射的模;以整数短正合列和局部化证明有理数模平坦但不投射。。
若 还包含在 的全部极大理想之交,即 Jacobson 根中,该映射忠实平坦;特别地,Noether 局部环的极大理想完备化忠实平坦。有限维代数的 Jacobson 根公理库有限维代数的 Jacobson 根Jacobson radical of a finite-dimensional algebra将所有单模看不见的操作组成Jacobson根,用组成列证明幂零性,并在上三角代数中逐次计算其幂。具有额外的幂零性;这里的一般交换环不受该有限维结论约束,例如 的根 就不幂零。
对 Noether 局部环及其极大理想完备化,两者具有相同维数、相同深度,并同时正则或同时 CM。有限模上的局部性质因此可以转到较方便的形式幂级数环境检查。
“平坦”仍不自动等于“忠实”。对 的 -adic 完备化,非零有限模 的完成为零,因为 在这个模上已经可逆,。它说明完成集中在所选理想附近,可能丢掉远离该区域的分支。
参考资料