Luận văn Thạc sĩ Toán học: Cơ sở Gröbner trong vành đa thức

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

143
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Toán học: Cơ sở Gröbner trong vành đa thức giới thiệu tới các bạn những nội dung về ideal đơn thức; ideal khởi đầu; cơ sở Gröbner; vai trò của cơ sở Gröbner trong việc xác định phần tử của ideal; thuật toán Buchberger.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Toán học: Cơ sở Gröbner trong vành đa thức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Đỗ Thị Phương Thanh CƠ SỞ GRöBNER TRONG VÀNH ĐA THỨC LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC Thành phố Hồ Chí Minh - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Đỗ Thị Phương Thanh CƠ SỞ GRöBNER TRONG VÀNH ĐA THỨC Chuyên ngành: Đại số và lí thuyết số Mã số: 60 46 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN HUYÊN Thành phố Hồ Chí Minh - 2014
Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của nhiều thầy cô giáo, gia đình và bạn bè. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Trần Huyên, người thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn tới các thầy cô khoa Toán trường Đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền thụ kiến thức cho tôi trong quá trình học tập tại trường. Cuối cùng, tôi xin gởi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên, khuyến khích và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. TP. Hồ Chí Minh – Tháng 9 năm 2014 Đỗ Thị Phương Thanh.
MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Bảng kí hiệu Lời nói đầu ...................................................................................................................... 1 Chương 1. KIẾN THỨC CHUẨN BỊ ........................................................................... 3 §1: VÀNH ĐA THỨC ............................................................................................... 3 §2: MODULE .......................................................................................................... 10 Chương 2. CƠ SỞ GRöBNER .................................................................................... 13 §1: IDEAL ĐƠN THỨC ......................................................................................... 13 §2: IDEAL KHỞI ĐẦU ........................................................................................... 23 §3: CƠ SỞ GRöBNER ............................................................................................. 30 §4: VAI TRÒ CỦA CƠ SỞ GRöBNER TRONG VIỆC XÁC ĐỊNH PHẦN TỬ CỦA IDEAL ................................................................................... 34 §5: THUẬT TOÁN BUCHBERGER ..................................................................... 39 Kết luận ......................................................................................................................... 48 Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 49
Bảng kí hiệu Kí hiệu Ý nghĩa K ( x) Vành đa thức nhiều biến K [ x1 ,..., xn ] . f1 ,..., f n Ideal sinh bởi f1 ,..., f n . ≤lex Thứ tự từ điển. ≤ glex Thứ tự từ điển phân bậc. ≤ rlex Thứ tự từ điển ngược. G(I ) Tập hợp tất cả các đơn thức sinh tối tiểu I . in ( f ) Từ khởi đầu của đa thức f . lm ( f ) Đơn thức đầu của f . lc ( f ) Hệ số đầu của f . in ( I ) Ideal khởi đầu của ideal I . S ( f ,g) S − đa thức của f và g . IR I là ideal của R .  Tập con thực sự. ⊆ Tập con nhỏ hơn hoặc bằng. ■ Kết thúc một chứng minh
1 Lời nói đầu Một trong các bài toán quan trọng trong vành đa thức R = K [ x1 ,..., xn ] là: Cho f ∈ R và I = f1 ,..., f s  R, xác định xem f có thuộc I hay không?. Điều đó đòi hỏi f phải biểu diễn được dưới dạng f = q1 f1 + ... + qs f s . Để có biểu diễn này, một cách tự nhiên, ta lấy f chia cho f1 ,..., f s . Đối với vành một biến thì R là vành chính nên ideal I sẽ là ideal chính, theo định lí chia đa thức một biến thì đa thức dư là duy nhất. Tuy nhiên, khi mở rộng lên vành đa thức nhiều biến, khi chia theo những cách khác nhau thì đa thức dư cũng khác nhau, hơn nữa một đa thức f ∈ I thì đa thức dư khi áp dụng một thuật toán nào đó chia f cho f1 ,..., f s có thể khác 0. Ví dụ Cho f1 =x 2 y + y, f 2 =xy 2 + x. Ta có f = x 2 y 2 + x 2= xf 2 hay f ∈ f1 , f 2 ( 2 2 ) nhưng f = yf1 + x − y tức đa thức dư của f khi chia cho f1 , f 2 là r = x 2 − y 2 ≠ 0. Vấn đề đặt ra là liệu có một hệ sinh g1 ,..., gt của I mà khi chia f cho g1 ,..., gt theo bất kỳ thuật toán nào thì đa thức dư cũng là duy nhất và do đó nếu f ∈ I thì đa thức dư luôn bằng 0. Điều đó dẫn tới khái niệm cơ sở Gröbner và thuật toán Buchberger giúp ta tìm cơ sở Gröbner từ một hệ sinh. Nội dung của luận văn gồm: Chương 1. Kiến thức chuẩn bị Chương này gồm 2 tiết: Vành đa thức và module. Chương này cung cấp những kiến thức cơ bản của vành đa thức một biến và nhiều biến. Đồng thời đưa
2 ra một số tính chất của một số module đặc biệt: module tự do, module hữu hạn sinh, module Noether. Chương 2. Cơ sở Gröbner Chương này là phần chính của luận văn. Chương này chia làm 5 tiết. Tiết 1: Ideal đơn thức Trình bày định nghĩa và các tính chất cơ bản của ideal đơn thức và một vài lớp ideal đặc biệt trong ideal đơn thức. Tiết 2: Ideal khởi đầu Trình bày định nghĩa ideal khởi đầu và các tính chất cơ bản của ideal khởi đầu. Tiết 3: Cơ sở Gröbner Trình bày định nghĩa cơ sở Gröbner và các loại cơ sở Gröbner. Tiết 4: Vai trò của cơ sở Gröbner trong việc xác định phần tử của ideal Trình bày định lí thuật toán chia và vai trò của cơ sở Gröbner trong việc ổn đinh đa thức dư trong phép chia đa thức. Tiết 5: Thuật toán Buchberger Trình bày khái niệm S − đa thức và thuật toán Buchberger để tìm một cơ sở Gröbner. Luận văn chỉ xét đến vành đa thức trên một trường. Cho nên khi nói đến vành đa thức mà không nói gì thêm thì ta hiểu đó là vành đa thức trên một trường.
3 Chương 1. KIẾN THỨC CHUẨN BỊ Chương này trình bày một số tính chất cơ bản nhất của vành đa thức để làm tiền đề nghiên cứu chương sau. §1: VÀNH ĐA THỨC 1. Vành đa thức một biến Cho R là một vành và x là biến. Ta gọi đa thức là một tổng có dạng: n a0 + a1 x + a2 x 2 + ... + an x n =∑ ai xi . i =0 trong đó các ai , i = 0,..., n, là những số thực. Nếu a0= 1, a1= ...= an= 0 thì đa thức được kí hiệu là 1. n m Hai đa thức f ( x ) = ∑ ai x và g ( x ) = ∑ b j x j i ( ai ≠ 0, bi ≠ 0 ) được xem là bằng nhau i =0 j =0 nếu m = n và ai = a j với i = j. Phép cộng đa thức được định nghĩa như sau:  n i  m j  m k   ∑ i   ∑ j   ∑ ( ak + bk ) x  . ( giả sử m > n. ) a x + b x = = i 0=  j 0=  k 1  Phép nhân đa thức được định nghĩa như sau:  n i  j  n+ m k  m  ∑ i   ∑ j   ∑ ck x  . với ck = ∑ ai b j a x . b x = = i 0= j0 =  k 0  i+ j=k Định nghĩa 1.1.1: Với hai phép toán cộng đa thức và nhân đa thức nêu trên có thể kiểm tra tập tất cả đa thức lập thành vành giao hoán có phần tử đơn vị là đa thức 1. Tập này được kí hiệu là vành K [ x ]. Sau khi định nghĩa được đa thức một biến, việc sắp thứ tự các số hạng trong đơn thức là cần thiết nên liền xuất hiện khái niệm bậc đa thức: Định nghĩa 1.1.2: Bậc của đa thức khác 0
4 f ( x= ) a0 x0 + ... + an−1 x n−1 + an x n Như vậy ta chỉ định nghĩa bậc của đa thức khác 0. Đối với đa thức không ta bảo nó không có bậc. Định lí 1.1.3: Giả sử f ( x ) và g ( x ) là hai đa thức khác 0. (i) Nếu bậc của f ( x ) khác bậc g ( x ) , thì ta có: f ( x ) + g ( x ) ≠ 0 và bậc ( f ( x ) + g ( x )) = max (bậc f ( x ) , bậc g ( x ) ). Nếu bậc f ( x ) = bậc g ( x ) , và nếu thêm nữa f ( x ) + g ( x ) ≠ 0, thì ta có: Bậc ( f ( x ) + g ( x )) ≤ max (bậc f ( x ) , bậc g ( x ) ). (ii) Nếu f ( x ) g ( x ) ≠ 0,thì ta có bậc ( f ( x ) g ( x ) ) ≤ bậc f ( x ) + bậc g ( x ) ). Định lí 1.1.4: Nếu K là một miền nguyên f ( x ) và g ( x ) là hai đa thức khác 0 của vành K [ x ] , thì f ( x ) g ( x ) ≠ 0 và bậc ( f ( x ) g ( x ) ) = bậc f ( x ) + bậc g ( x ) . Hệ quả 1.1.5: Nếu K là miền nguyên, thì K [ x ] cũng là miền nguyên. Để giải quyết vấn đề đặt ra: một đa thức f có thuộc một ideal I sinh bởi một hệ đa thức { f1 ,..., f n }. Trong trường hợp đặc biệt, vành K [ x ] là vành một biến, K là trường, khi đó K [ x ] là vành chính thì I là ideal chính sinh bởi một đa thức g ( x ) . Nếu f ( x ) ∈ I thì f ( x ) phải được biểu diễn f ( x ) = q ( x ) .g ( x ) . Để có biểu diễn này ta phải lấy f ( x ) chia cho g ( x ) , để đảm bảo có phép chia, ta có định lí chia đa thức: Định lí 1.1.6: Giả sử K là một trường, f ( x ) và g ( x ) ≠ 0 của vành K [ x ] ; thế thì bao giờ cũng có hai đa thức duy nhất q ( x ) và r ( x ) thuộc K [ x ] sao cho f ( x ) g ( x ) q ( x ) + r ( x, ) với bậc r ( x ) < bậc g ( x ) nếu r ( x ) ≠ 0. = Do đa thức dư và đa thức thương duy nhất nên điều kiện cần và đủ để f thuộc I là dư của phép chia f ( x ) cho g ( x ) bằng 0.
5 Định nghĩa 1.1.7: Ước chung lớn nhất của các đa thức f1 ,..., f n ∈ K [ x ] là đa thức h sao cho: (i) h chia hết f1 ,..., f n , nghĩa = là f1 q= 1h ,..., f n qn h; q1 ,..., qn ∈ K [ x ] (ii) Nếu p là đa thức khác chia hết f1 ,..., f n , thì p chia hết h . Trong trường hợp đó ta viết h = UCLN ( f1 ,..., f n ) . Mệnh đề 1.1.8:Cho f1 ,..., f n ∈ K [ x ] , n ≥ 2. Khi đó: (i) UCLN ( f1 ,..., f n ) tồn tại và duy nhất với sai khác một hằng số khác 0 của K . (ii) ( f1 ,..., f n ) = (UCLN ( f1 ,..., f n ) ) . (iii) Nếu n ≥ 3 thì UCLN ( f1 ,..., f n ) = UCLN (UCLN ( f1 ,..., f n −1 ) , f n ) . Thuật toán 1.1.9: (Thuật toán Euclide) để tìm UCLN ( f , g ) ta thực hiện lần lượt các phép chia đa thức một biến: = f p0 g + s0 , = g p1 s0 + s1 , = s0 p2 s1 + s2 , ......, thì đến một lúc nào đó ta được sm = pm+1sm+1 (ở đây sm+2 = 0 ) và thuật toán dừng với UCLN ( f , g ) = sm+1 2. Vành đa thức nhiều biến Cho R là một vành và x1 ,..., xn ( n ≥ 1) là các biến. Ta gọi đơn thức là một biểu thức có dạng x1a ... xna ,trong đó ( a1 ,..., an ) ∈  được gọi là bộ số mũ của đơn thức. Nếu 1 n n a= 1 = a= .... n 0 , thì đơn thức được kí hiệu là 1 . Phép nhân trên tập các đơn thức được định nghĩa như sau:
6 (xa1 1 ... xnan )( x1b1 ... xnbn ) = x1a1 +b1 ... xnan +bn . Từ là biểu thức có dạng a x1a ... xna ,trong đó α ∈ R được gọi là hệ số của từ. Thông 1 n thường các phần tử của R gọi là phần tử vô hướng. Hai từ khác không a x1a ... xna và 1 n β x1a ... xna là đồng dạng với nhau. Như vậy có thể xem đơn thức là từ với hệ số là 1 , và 1 n phần tử vô hướng α là từ α .1. Để cho tiện ta kí= hiệu x ( x1 ,..., = xn ) , a ( a1 ,..., an ) ∈  n và x a = x1a1 ... xnan . Đa thức n biến x1 ,..., xn trên vành K là một tổng hình thức của các từ: f ( x) = ∑a a xa , a∈ n Trong đó chỉ có một số hữu hạn hệ số a a ≠ 0 . Từ a a x a với a a ≠ 0 được gọi là từ của đa thức và x a là đơn thức của f ( x ) . Hai đa thức f ( x ) = ∑a a x a và g ( x ) = ∑β a x a được xem là bằng nhau, nếu a a = β a a∈ n a∈ n với mọi a ∈  n . Phép cộng đa thức được định nghĩa như sau:  a  a  ∑n a a x  +  ∑n β a x  =∑n (aa + βa ) x a  a∈   a∈  a∈ Phép nhân đa thức được định nghĩa như sau:  a  a  ∑n a a x  .  ∑n β a x  = ∑n γ a x a  a∈   a∈  a∈ trong đó γ a = ∑ ab bc b ,c∈ n ;b + c =a Định nghĩa 1.1.10: Với hai phép toán cộng đa thức và nhân đa thức nêu trên có thể kiểm tra tập tất cả đa thức lập thành vành giao hoán với phần tử đơn vị là đơn thức 1 . Tập này được kí hiệu là vành K [ x1 ,..., xn ] hay K [ x ]
7 ( x ) max {a1 + ... + an | a a ≠ 0}. Định nghĩa 1.1.11: Bậc tổng thể của đa thức deg f= Đối với đa thức một biến, bậc tổng thể chính là bậc thông thường. Đôi khi bậc tổng thể của đa thức nhiều biến cũng được gọi tắt là bậc, nếu như không có sự hiểu nhầm nào xảy ra. Để sắp xếp các hạng tử của một đa thức f ( x ) khác không, ta sắp xếp theo các thứ tự của các từ được gọi là thứ tự từ: Định nghĩa 1.1.12: Thứ tự từ ≤ là một thứ tự toàn phần trên tập M tất cả các đơn thức của K [ x ] thỏa mãn các tính chất sau: (i) Với mọi m ∈ M ,1 ≤ m. (ii) Nếu m1 , m2 , m ∈ M mà m1 ≤ m2 thì mm1 ≤ mm2 . Từ định nghĩa trên ta thấy ngay trên vành đa thức một biến chỉ có một thứ tự từ. Đó là thứ tự xác định bởi bậc đơn thức. Dưới đây ta sẽ thấy có nhiều cách định nghĩa thứ tự từ khi số biến từ hai trở lên. Trước hết ta thiết lập một số tính chất chung của thứ tự từ. Mệnh đề 1.1.13: Một thứ tự toàn phần ≤ trên M là thứ tự tốt khi và chỉ khi mọi dãy đơn thức thực sự giảm: m1 > m2 > m3 > ... sẽ dừng (sau hữu hạn phần tử). Mệnh đề 1.1.14: Mọi thứ tự từ là thứ tự tốt. Ngược lại mọi thứ tự tốt trên M thỏa điều kiện (ii) của định nghĩa 1.1.12 là thứ tự từ. Một số thứ tự từ Cho ≤ là một thứ tự từ. Sau khi đổi chỉ số các biến luôn có thể giả thiết: x1 > x2 > ... > xn . Sau đây là một số thứ tự từ quan trọng: Định nghĩa 1.1.15:Thứ tự từ điển là thứ tự ≤ lex xác định như sau: x1α ... xnα < lex x1β ... xnβ 1 n 1 n nếu thành phần đầu tiên khác không kể từ bên trái của vector (α1 − β1 ,..., α n − β n ) là
8 cho α1 β= một số âm. (Nói cách khác, nếu tồn tại 0 ≤ i < n sao = 1 ,..., α i βi , nhưng αi +1 < βi +1 .) Thứ tự từ điển tương tự như cách sắp xếp các từ trong từ điển, và do đó có tên gọi như vậy. Định nghĩa 1.1.16: Thứ tự từ điển phân bậc là thứ tự ≤ glex xác định như sau: x1α1 ... xnαn < glex x1β1 ... xnβn nếu deg ( x1α ... xnα ) < deg ( x1β ... xnβ 1 n 1 n ) hoặc deg ( x1α1 ... xnαn ) = deg ( x1β1 ... xnβn ) và thành phần đầu tiên khác không kể từ bên trái của vector (α1 − β1 ,..., α n − β n ) là một số âm. (Nói cách khác, x1 1 ... xn n < glex x1 1 ... xn n nếu α β α β a1 + ... + an < β1 + ... + β n hoặc a1 + ... + an = β1 + ... + β n và x1α ... xnα βi +1 .) Mệnh đề 1.1.18: Ba thứ tự kể trên là các thứ tự từ. Sau khi sắp xếp được các hạng tử của đa thức, ta sẽ mở rộng phép chia đa thức nhiều biến sẽ xét ở chương sau. Trước tiên, ta thấy vành đa thức nhiều biến cũng có một số tính chất được mở rộng trực tiếp từ vành đa thức một biến. Mệnh đề 1.1.19: Nếu K là miền nguyên thì vành đa thức K [ x ] cũng là miền nguyên. Mệnh đề 1.1.20: Nếu K là miền nguyên, thì với mọi đa thức f ( x ) , g ( x ) ∈ R [ x ] đều có: deg ( f ( x= ) g ( x ) ) deg f ( x ) + deg g ( x ) và
9 deg ( f ( x ) + g ( x ) ) ≤ max {deg f ( x ) ,deg g ( x )} Hơn nữa, ta có bất đẳng thức chặt khi và chỉ khi deg f ( x ) = deg g ( x ) và f deg f ( x ) = − gdeg g ( x ) .
10 §2: MODULE Với định nghĩa module và các tính chất cơ bản của module đã học ở đại số đồng điều, tiết này ta xem xét một vài module đặc biệt. 1. Module tự do và module hữu hạn sinh Định nghĩa 1.2.1: Cho S ⊆ M . Tập các phần tử {r1s1 + ... + rn sn | n ∈ }, r1 ,..., rn ∈ R; s1 ,..., sn ∈ S } lập thành module con của M gọi là module con sinh bởi S và kí hiệu là S . Tập con ∅ ≠ S ⊆ M được gọi là tập sinh hay hệ sinh của M nếu M = S . Tập được gọi là tập sinh tối tiểu (hay hệ sinh tối tiểu) nếu nó không thực sự chứa một hệ sinh khác của M . Ta gọi M là module hữu hạn sinh nếu nó có một hệ sinh hữu hạn. Định nghĩa 1.2.2: Họ phần tử S = {ei }i∈I được gọi là cơ sở của R − module M nếu nó là tập sinh của M và mỗi phần tử m ∈ M có thể biểu diễn duy nhất dưới dạng: m = ∑ re i i i∈I trong đó ri ∈ R và ri = 0 trừ một số hữu hạn chỉ số i ∈ I . Khác với không gian vector, không phải module nào cũng có cơ sở. Một module có cơ sở là module tự do. Nếu e ∈ F là một phần tử của cơ sở của module tự do F thì module con Re ≅ R . Khi đó ta có ngay: Mệnh đề 1.2.3: F là R − module tự do với cơ sở {ei }i∈I khi và chỉ khi F đẳng cấu với tổng trực tiếp ⊕i∈I Ri ,trong đó Ri = R với mọi i ∈ I . Module tự do có cơ sở hữu hạn thì số phần tử của một cơ sở là không thay đổi:
11 Mệnh đề 1.2.4: Cho R là vành không tầm thường và F là mdule tự do với cơ sở hữu hạn. Khi đó mọi cơ sở của F cũng hữu hạn và hai cơ sở tùy ý của F có số phần tử như nhau. Hệ quả 1.2.5: Mọi module hữu hạn sinh đều đẳng cấu với module thương của module R n , n ≥ 0 nào đó. Định lí 1.2.6: Giả sử R là vành chỉ có một ideal cực đại duy nhất M và M là R − module hữu hạn sinh. Khi đó x1 ,..., xn là tập sinh của M khi và chỉ khi ảnh x1 ,..., xn là tập sinh của không gian vector M = M / MM trên R / M . Do vậy mọi tập sinh tối tiểu của M có số phần tử như nhau. 2. Module Noether Định nghĩa 1.2.7: Cho R là một vành và M là module trên R . Các điều kiện sau là tương đương: (i) Mọi tập khác rỗng các module con của M đều có phần tử cực đại (đối với quan hệ bao hàm thức). (ii) Mọi dây chuyền tăng các module con của M M 1 ⊆ M 2 ⊆ ... ⊆ M n ⊆ M n +1 ⊆ ..., đều dừng sau hữu hạn bước, tức là tồn tại k để = = Mk M k +1 ... . (iii) Mọi module con của M đều hữu hạn sinh. Module thỏa mãn một trong ba điều kiện trên được gọi là module Noether. Từ định nghĩa ta suy ra ngay: R là vành Noether nếu và chỉ nếu nó là module Noether trên chính nó. Mệnh đề 1.2.8: Cho M là module trên vành R và N là module con. M là module Noether khi và chỉ khi cả hai module N và M / N là R − module Noether. Định lí 1.2.9: R − module M là Noether khi và chỉ khi M là hữu hạn sinh và R / Ann ( M ) là Noether. Từ bổ đề và định lí suy ra: nếu R là vành Noether thì mọi vành thương của nó cũng là Noether.
12 Định lí Hilbert về cơ sở: Cho K là vành Noether và x là tập n biến. Khi đó vành K [ x ] cũng là vành Noether. Khi đó ta có ngay hệ quả: Mọi ideal của vành đa thức K [ x ] trên trường K là hữu hạn sinh. Định nghĩa 1.2.10: Một ideal I của một vành R được gọi là có sự phân tích nguyên sơ nếu có hữu hạn ideal Q1 ,..., Qn của R sao cho: i) Q1 ,..., Qn là các ideal nguyên sơ. ii) I = Q1 ∩ ... ∩ Qn . ` Định lý 1.2.11 (Lasker-Noether): Trong một vành Noether mọi ideal thực sự đều có sự phân tích nguyên sơ. Định nghĩa 1.2.12: Một ideal thực sự của một vành R được gọi là bất khả quy nếu nó không phải là giao của 2 ideal chứa nó thực sự. Nói cách khác ideal I của R là bất khả quy khi và chỉ khi I ≠ R và với mọi ideal M , N nếu = I M ∩ N thì I = M hay I = N . Mệnh đề 1.2.13: Mỗi ideal thực sự của một vành nơte R là giao của một số hữu hạn ideal bất khả quy. Mệnh đề 1.2.14: (i) Nếu ideal 0 trong vành Noether là bất khả quy thì nó là ideal nguyên sơ. (ii) Mỗi ideal bất khả quy trong vành Noether là nguyên sơ.
13 Chương 2. CƠ SỞ GRöBNER Chương này chủ yếu giải quyết bài toán đặt ra trên vành đa thức nhiều biến. Để có khái niệm cơ sở Gröbner, ta cần nghiên cứu ideal đơn thức, ideal khởi đầu. Sau khi có khái niệm cơ sở Gröbner, ta sẽ tìm hiểu vai trò của nó trong việc xác định phần tử của một ideal. Từ đó, ta có thuật toán tìm cơ sở Gröbner để giải quyết hoàn toàn bài toán đặt ra. §1: IDEAL ĐƠN THỨC Trong các lớp ideal của vành đa thức nhiều biến, có một lớp ideal rất quan trọng là ideal đơn thức, là cơ sở giúp ta đưa ra các khái niệm ideal khởi đầu hay cơ sở Gröbner được trình bày trong các mục sau. Định nghĩa 2.1.1: Ideal I được gọi là ideal đơn thức nếu nó sinh bởi các đơn thức. = Như vậy một ideal đơn thức có dạng I x a ; a ∈ A ,trong đó A ⊆  n . Chú ý rằng trong định nghĩa này không yêu cầu tập A hữu hạn. Tuy nhiên các kết quả sau đây cho ta các thông tin chính xác hơn về số phần tử của tập sinh của nó. 1. Tập sinh của ideal đơn thức Nghiên cứu một đơn thức thì dễ dàng và đơn giản hơn đa thức. Chẳng hạn, xét quan hệ chia hết của hai đa thức ta cần làm phép chia đa thức, đối với đơn thức ta chỉ cần xét số mũ của các biến và giữa hai đa thức có thể không tồn tại ướcchung lớn nhất nhưng đối với đơn thức thì luôn có ước chung lớn nhất. Cụ thể ta có: Mệnh đề 2.1.2: Đơn thức x chia hết cho đơn thức x khi và chỉ khi b1 ≥ a1 ,..., bn ≥ an . b a (i) UCLN ( x a , xb ) = x1 min{a1 ,b1} min{an ,bn } (ii) ...xn . BCNN ( x a , xb ) = x1 max{a1 ,b1} max{an ,bn } (iii) ...xn . Chứng minh:
14 (i) Đơn thức x chia hết cho đơn thức x khi và chỉ khi tồn tại đơn thức x sao cho b a c x b = x a .x c ⇔ x b = x a + c ⇔ x1b ...x bn = x1a + c ...x na + c . Suy ra: 1 n 1 1 n n b1 =a1 + c1 b1 ≥ a1   ... ⇔ ... b = b ≥ a  n an + cn  n n c a b ( ) (ii) Gọi x = UCLN x , x . Khi đó x c | x a và x c | xb , suy ra a1 ≥ c1 ,...,a n ≥ cn và b1 ≥ c1 ,..., b n ≥ cn . Mặt khác nếu x d | x a và x d | xb thì x d | x c nghĩa là nếu a1 ≥ d1 ,...,a n ≥ d n và b1 ≥ d1 ,..., b n ≥ d n thì c1 ≥ d1 ,...,c n ≥ d n .Vậy = = c1 min {a1 , b1} ,..., cn min {an , bn } . (iii) Tương tự (ii) ta có điều phải chứng minh. ■ = Mệnh đề 2.1.3: Cho I x a ; a ∈ A là ideal đơn thức. Đơn thức x b ∈ I khi và chỉ khi x b chia hết cho một đơn thức x a với a ∈ A nào đó. Chứng minh: Rõ ràng xb ∈ I nếu xb chia hết cho một đơn thức x a với a ∈ A . Ngược lại nếu xb ∈ I thì tồn tại hi ∈ K [x ] và a ( i ) ∈ A , i = 1,..., s sao cho: s x b = ∑ hi .x a(i ) . i =1 Xem hi như tổng hữu hạn của các từ và khai triển vế phải của đẳng thức trên ta thấy a(i ) mỗi từ của nó phải chia hết cho x nào đó. Sau khi giản ước, một trong số đó còn lại a(i ) và phải bằng x b . Vậy xb phải có tính chất của những từ đó, tức là chia hết cho x nào đó. ■ Mệnh đề 2.1.4: Cho I là ideal đơn thức và f ∈ K [ x ]. Các điều kiện sau là tương đương: (a) f ∈ I (b) Mọi từ của f thuộc I . (c) f là tổ hợp tuyến tính trên K của các đơn thức thuộc I .
15 Chứng minh: Hiển nhiên có ( c ) ⇒ ( b ) ⇒ ( a ) . Đối với ( a ) ⇒ ( c ) nhận xét rằng tương tự như chứng minh mệnh đề trên ta có mỗi từ của f phải chia hết cho x a với a ∈ A nào đó. Mà mọi đơn thức chia hết cho x a lại thuộc I . Do đó mỗi từ của f là tích của một đơn thức I và một phần tử từ K , tức là có ( c ) . ■ Hệ quả 2.1.5: Hai ideal đơn thức trong một vành đơn thức bằng nhau nếu chúng chứa cùng một tập đơn thức. Mệnh đề 2.1.6: Ideal I là ideal đơn thức khi và chỉ khi với mọi f ∈ I , các từ của f đều thuộc I . Chứng minh: Điều kiện cần suy ra từ mệnh đề 2.1.4. Từ giả thiết suy tập các đơn thức của các đa thức trong I sẽ sinh ra I . Do đó điều kiện đủ được chứng minh. ■ Theo định nghĩa, ideal đơn thức được sinh bởi các đơn thức, nhưng tập này có thể không hữu hạn. Nhưng định lí Hibert về cơ sở đã cho ta một kết quả đẹp là mọi ideal của vành đa thức K [ x ] với K là trường đều hữu hạn sinh. Vậy một ideal đơn thức là hữu hạn sinh. Điều đó được phát biểu dưới dạng một bổ đề sau: = Mệnh đề 2.1.7: (Bổ đề Dickson) Mọi ideal đơn thức I x a ; a ∈ A bao giờ cũng viết được dưới dạng I = x a(1) ,..., x a( s ) , trong đó a (1) ,..., a ( s ) ∈ A. Nói riêng I là hữu hạn sinh. Chứng minh: (ta sẽ chứng minh trực tiếp bổ đề Dickson) Chứng minh bằng quy nạp theo số biến n . Khi n = 1 ta có A ⊆ . Chọn b ∈ A là số nhỏ nhất. Khi đó x1b chia hết cho mọi đơn thức x1a với a ∈ A . Từ đó có ngay I = xb . Giả sử bổ đề đã được chứng minh đối với ≤ n − 1 biến. Kí hiệu x ' = ( x1 ,..., xn −1 ) n−1 Như vậy mỗi đơn thức trong K [ x ] có thể viết dưới dạng x 'α xnq , trong đó α ∈  và q ∈ . Gọi J là ideal của vành K [ x '] sinh ra bởi các đơn thức x 'α sao cho tồn tại xnm x 'α ∈ I . Theo giả thiết qui nap, J sinh ra bởi hữu hạn đơn thức như vậy, tức là (1) 'αα ' (s) J= x ,..., x .