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Máster y doctorado

Descomposición primaria de ideales

Dos ecuaciones pueden tener los mismos ceros y conservar distinta información algebraica. El ideal (x³) recuerda que la clase de x se anula al elevarla al cubo; (x) la anula inmediatamente. Vamos a distinguir esa información, calcular radicales y construir descomposiciones primarias comprobando cada paso, incluidas las componentes que no se ven en un dibujo de los ceros.

1. El cociente registra relaciones que el conjunto de ceros no muestra

Un ideal I de R reúne las relaciones que se convierten en cero al pasar a R/I. En k[x]/(x³), cualquier polinomio se reduce a a+bx+cx², porque todos los términos de grado al menos tres desaparecen. La clase de x no es cero, pero su cubo sí: es nilpotente.

La multiplicidad está en el cociente, aunque el conjunto de ceros coincida
El mismo cero: x=0k[x]/(x)x=0Base como k-espacio: {1}k[x]/(x³)x≠0, x²≠0, x³=0Base: {1, x, x²}El radical borra la nilpotencia.Iguales ceros ≠ iguales ideales
El ideal generado por x y el generado por x al cubo tienen el mismo cero. En el primer cociente la clase de x es cero y la base vectorial es uno. En el segundo quedan las clases uno, x y x al cuadrado, y solo el cubo de x es cero. El radical conserva el conjunto de ceros y olvida esa diferencia.

En cambio k[x]/(x) solo conserva constantes. Ambos ideales tienen el mismo cero x=0 en un cuerpo, aunque sus cocientes son diferentes. Un dibujo del soporte ayuda a localizar los ceros, pero no representa toda la información de las relaciones.

Misma evaluación, distintos restos

Comparar x² en los cocientes por (x) y por (x³).

  1. Primer cociente

    x=0, así que x²=0.
  2. Segundo

    El resto de x² al dividir por x³ es x², distinto de cero. Las clases de 1, x, x² son linealmente independientes.

  3. Puntos

    Evaluar en el único cero x=0 da cero en ambos casos, sin detectar esta diferencia.

Resultado

La igualdad de ceros no prueba igualdad de ideales.

Lo comprobamos

x pertenece a (x), pero no pertenece a (x³).

La nilpotencia admite cálculos con términos que no son cero

En k[x]/(x³), calcular (1+x)(1−x+x²).

  1. Expandir

    El producto en k[x] es 1+x³.

  2. Reducir

    La clase de x³ es cero y queda uno.

  3. Lectura

    Uno más x es unidad aunque x sea nilpotente no nulo. Su inversa es 1−x+x².

Resultado

Las relaciones del cociente cambian qué elementos tienen inverso.

Lo comprobamos

La identidad funciona en cualquier característica.

2. El radical pregunta qué elementos llegan al ideal mediante una potencia

Se define √I={f: fⁿ∈I para algún entero n≥1}.

Contiene I. Si fᵐ y gⁿ están en I, cada término de (f+g)ᵐ⁺ⁿ tiene al menos m factores f o n factores g; por eso la suma también está en √I. Los múltiplos y los opuestos se tratan elevando a potencias. Así √I es un ideal.

Además √(√I)=√I: si alguna potencia de f está en √I, una nueva potencia de esa potencia está en I. Los conjuntos de ceros V(I) y V(√I) coinciden sobre cualquier cuerpo. La afirmación inversa que recupera ideales radicales desde ceros necesita las hipótesis del Nullstellensatz, en particular un cuerpo algebraicamente cerrado para el caso usual de polinomios.

Quitar exponentes de los factores primos en Z

Calcular √(18).

  1. Factorizar

    18=2·3².

    Si una potencia de a es divisible por dieciocho, a debe ser divisible por dos y por tres.

  2. Incluir

    Por tanto a es múltiplo de seis.

    Recíprocamente, si a=6b, entonces a²=36b² es divisible por dieciocho.
  3. Igualdad

    Las dos direcciones dan √(18)=(6).
Resultado

Se conserva cada factor primo, aunque cambie el exponente.

Lo comprobamos

No se calcula la raíz cuadrada real de dieciocho.

Un radical no conserva el exponente original

En k[x], I=(x²).

  1. Detectar

    x² está en I, así que x pertenece a √I.

  2. Diferencia

    x no está en I porque ningún polinomio multiplicado por x² tiene grado uno.

  3. Radical

    Si fⁿ es divisible por x², f tiene término constante cero y es divisible por x.

    Por tanto √I=(x).
Resultado

El ideal (x²) no es radical.

Lo comprobamos

El argumento del término constante funciona sobre cualquier cuerpo.

3. Primario permite que un factor entre al ideal después de elevarlo

Un ideal propio Q es primario si ab∈Q y a∉Q implican bⁿ∈Q para algún n≥1.

Primo exige ya b∈Q.

Por tanto todo primo es primario, pero un primario puede conservar nilpotencia.

En R/Q, la condición equivale a que todo divisor de cero sea nilpotente. Su radical es primo: si ab∈√Q, entonces aᵐbᵐ∈Q; si a∉√Q, aᵐ∉Q y la condición primaria obliga a una potencia de b a entrar en Q. Exigimos Q propio, igual que al definir primo.

Primario y no primo

Q=(9) en Z.

  1. No primo

    3·3 está en Q, pero ninguno de los factores pertenece a Q.

  2. Primario

    Si nueve divide ab y no divide a, b debe tener al menos un factor tres. Entonces b² es divisible por nueve.

  3. Radical

    Los enteros cuya potencia entra en Q son exactamente los múltiplos de tres: √Q=(3).

Resultado

(9) es primario con radical primo (3).

Lo comprobamos

La conclusión primaria permite una potencia; no exige que b mismo sea múltiplo de nueve.

Un producto cero puede impedir la condición primaria

Q=(6) en Z.

  1. Producto

    2·3=6 pertenece a Q y dos no pertenece.
  2. Potencias

    Ninguna potencia de tres es divisible por dos, así que ninguna pertenece a (6).

  3. Cociente

    En Z/6Z, tres es divisor de cero y no es nilpotente. Ambos criterios detectan el mismo fallo.

Resultado

(6) no es primario.

Lo comprobamos

Tener radical no maximal o varios factores distintos exige cuidado.

4. En un dominio principal, las potencias de irreducibles dan las componentes

En Z o k[x], para un irreducible π, el ideal (πᵐ) es primario. Si ab contiene al menos m factores π y a no los contiene todos, b contiene alguno; elevar b a m garantiza suficientes. El radical es (π).

Irreducibles distintos generan ideales comaximales y lo mismo ocurre con sus potencias. Así la factorización de un elemento da una intersección de ideales primarios. Esta conclusión usa el dominio principal; no se aplica sin más a cualquier potencia de cualquier ideal primo.

Separar dos potencias coprimas

(72) en Z.

  1. Factores

    72=2³·3²=8·9.
  2. Componentes

    (8) es (2)-primario y (9) es (3)-primario.

    Son comaximales porque 9−8=1.
  3. Intersección

    Un entero divisible por ocho y por nueve es divisible por setenta y dos.

    Así (72)=(8)∩(9).
Resultado

La intersección reúne las dos condiciones de divisibilidad.

Lo comprobamos

Las componentes son ideales, no los factores numéricos aislados.

En polinomios también se conserva la multiplicidad

I=(x²(x−1)³) en k[x].

  1. Distintos

    x y x−1 son irreducibles distintos porque sus ceros cero y uno son diferentes en cualquier cuerpo.

  2. Componentes

    (x²) tiene radical (x), y ((x−1)³) tiene radical (x−1).

  3. Igualdad

    Las potencias son coprimas; la intersección exige ambas divisibilidades y es I.

Resultado

Las dos componentes recuerdan exponentes distintos.

Lo comprobamos

El radical total es (x(x−1)), que ya no recuerda dos y tres.

5. Fuera del caso principal, una potencia de un primo puede no ser primaria

Para ver por qué la hipótesis anterior importa, trabajemos en R=k[x, y, z]/(xy−z²). Las letras designan sus clases.

P=(x, z) es primo porque R/P≅k[y], un dominio.
Su cuadrado P²=(x², xz, z²) contiene xy, pues xy=z².
Sin embargo x no pertenece a P² y y no pertenece a √(P²)=P.

Esto contradice exactamente la condición primaria.

Justificar que x no está en el cuadrado

Enviar x, y, z a t en k[t].

  1. Aplicación válida

    La relación xy−z² llega a t²−t²=0, así que la sustitución define un homomorfismo desde R.

  2. Imagen del ideal

    Los tres generadores de P² llegan a t². Su imagen queda en (t²).

  3. Obstrucción

    La imagen de x es t, que no pertenece a (t²). Por tanto x no podía pertenecer a P².

Resultado

Una aplicación sencilla demuestra la no pertenencia.

Lo comprobamos

No basta mirar los nombres de los generadores; se usa una imagen que conserva las relaciones.

Comprobar el fallo de la condición primaria

Tomar a=x y b=y.

  1. Producto

    ab=xy=z² pertenece a P².
  2. Primer factor

    El ejemplo anterior probó x∉P².
  3. Segundo factor

    Módulo P, y sigue siendo la variable y de k[y]; ninguna potencia positiva suya es cero. Por tanto ninguna potencia de y pertenece a P, ni a P².

Resultado

P² no es primario, aunque P sí sea primo.

Lo comprobamos

La prueba vale sobre cualquier cuerpo y no depende de un dibujo.

6. Intersección y producto se igualan bajo comaximalidad

Siempre IJ⊆I∩J: cada producto de un elemento de I y uno de J está en ambos, y lo mismo sus sumas.

Para la vuelta, supongamos I+J=R y escribamos 1=a+b con a∈I y b∈J.
Si z está en ambos, z=za+zb está en IJ.

Por tanto comaximalidad es una condición suficiente para I∩J=IJ. No es una condición necesaria en todos los anillos y no se elimina sin comprobar el caso. En Z, la intersección usa el mínimo común múltiplo y el producto multiplica generadores.

Una pareja no comaximal distingue las operaciones

I=(4), J=(6) en Z.

  1. Intersección

    Un múltiplo común es divisible por mcm(4,6)=12; todos los múltiplos de doce sirven.

  2. Producto

    Las sumas de productos (4a)(6b) generan (24).

  3. Diferencia

    Doce está en la intersección y no en el producto.

    Además I+J=(2), que no contiene uno.
Resultado

(4)∩(6)=(12) y (4)(6)=(24).

Lo comprobamos

La inclusión general del producto en la intersección sigue cumpliéndose.

La comaximalidad permite construir cada elemento del producto

I=(8), J=(9), con 1=9−8.

  1. Elemento común

    Sea z divisible por ocho y por nueve.

  2. Descomponer

    z=9z−8z.
    El primer término usa z∈(8) y 9∈(9); el segundo usa z∈(9) y 8∈(8).
  3. Resultado

    Ambos términos están en IJ, así que toda la intersección está en el producto.

Resultado

La identidad de Bézout prueba la inclusión que faltaba.

Lo comprobamos

No se deduce la igualdad solo de ver algunos múltiplos.

7. Noether garantiza existencia finita; no una factorización única de elementos

El teorema de Lasker–Noether afirma que todo ideal propio de un anillo conmutativo noetheriano admite una intersección finita de ideales primarios. Es un teorema de existencia; aquí lo enunciamos y desarrollamos ejemplos verificables, sin presentar las cuentas como una prueba general.

Una descomposición mínima tiene componentes irredundantes y radicales distintos. Irredundante significa que quitar cualquiera cambia la intersección. Mínima no significa que cada ideal primario sea el menor de todos los posibles.

Una repetición es redundante

(12)=(4)∩(3)∩(3).

  1. Igualdad

    Repetir (3) no cambia quién pertenece a todos los ideales.

  2. Reducir

    Se elimina una copia y queda (4)∩(3).

  3. Mínima

    Los radicales (2) y (3) son distintos, y quitar cualquiera permite nuevos enteros.

Resultado

La igualdad puede ser correcta y aun así no estar en forma mínima.

Lo comprobamos

Tres pertenece a (3) pero no a (12); cuatro pertenece a (4) pero no a (12).

No se necesita factorizar elementos de forma única para enunciar el teorema

I=(x², xy) en k[x, y].

  1. Varios generadores

    El ideal no se presenta como una única potencia de un polinomio.

  2. Propuesta

    Podemos buscar una intersección (x)∩(x², y), en lugar de factorizar un único elemento.

  3. Trabajo pendiente

    Hay que probar que cada componente es primaria y que la intersección es exactamente I. Eso haremos a continuación.

Resultado

El lenguaje de ideales abarca más que la factorización de un número.

Lo comprobamos

Que R sea noetheriano garantiza existencia, pero no verifica una propuesta particular.

8. La parte aislada es única; una componente embebida puede variar

En una descomposición primaria mínima, los radicales son los primos asociados de R/I. Los mínimos entre ellos son los primos mínimos sobre I y sus componentes primarias son únicas. Los demás se llaman embebidos; sus componentes pueden cambiar.

Un primo embebido puede quedar oculto en el mismo conjunto de puntos
I=(x², xy) en k[x, y]xyx=0Componente mínima: (x)Primo embebido: (x, y)El origen ya estaba en la recta.
Esquema real del soporte del ideal x al cuadrado y x por y: la recta x igual a cero. El origen marcado pertenece ya a esa recta y no añade otra componente al conjunto de ceros. Sin embargo, el cociente tiene el primo asociado embebido generado por x e y. El dibujo del soporte no basta para recuperar esa estructura.
Consideremos Q₁=(x², y) y Q₂=(x², y−x) en k[x, y].

Ambos cocientes son isomorfos a k[ε]/(ε²): en el primero y=0; en el segundo y=x. En los números duales, a+bε es unidad si a≠0, con inversa a⁻¹−ba⁻²ε; si a=0 es nilpotente. Por el criterio del cociente, ambos Q son primarios con radical (x, y).

Las dos componentes embebidas son diferentes

Comparar Q₁ y Q₂.

  1. En Q₁

    y es uno de sus generadores y pertenece.

  2. En Q₂

    La imagen de y es ε, que no es cero en k[ε]/(ε²). Así y no pertenece a Q₂.

  3. Radicales

    En ambos casos x e y son nilpotentes módulo Q; sus radicales son el mismo maximal (x, y).

Resultado

Igual radical y condición primaria no obligan a igualdad de ideales.

Lo comprobamos

Los cocientes tienen dimensión vectorial dos, con ε no nulo.

El componente mínimo no cambia

Tomar I=(x², xy).

  1. Radical

    I⊆(x), y como x²∈I también x∈√I.
    Luego √I=(x).
  2. Mínimo

    (x) es el único primo mínimo sobre I.

  3. Embebido

    El primo (x, y) contiene estrictamente a (x). Añade estructura algebraica en el origen, sin añadir otro componente al conjunto de ceros.

Resultado

La recta del soporte no cuenta por sí sola toda la descomposición.

Lo comprobamos

Un esquema de la recta sirve para ubicar el origen, no para sustituir el cálculo de ideales.

9. Comprobar la intersección exige una inclusión en cada dirección

Para I=(x², xy), cada generador pertenece a (x) y a Q₁=(x², y), así que I⊆(x)∩Q₁. Para la vuelta, un elemento de (x) es xh. Módulo Q₁ queda ε·h(0,0), pues todo término de h con x o y se anula al multiplicarlo por ε.

Por tanto xh está en Q₁ si y solo si h(0,0)=0, es decir, h∈(x, y).
Entonces xh∈x(x, y)=I.
Con Q₂ la sustitución y=x da la misma condición, ya que εh(ε, ε)=εh(0,0).

Así ambas intersecciones son exactamente I.

Distinguir pertenencia de un ejemplo y prueba de igualdad

f=x³+xy.

  1. Escritura en I

    f=x·x²+1·xy, por tanto pertenece.
  2. En las componentes

    Es múltiplo de x y se anula tanto con x²=0, y=0 como con x²=0, y=x.

  3. Alcance

    Esta cuenta comprueba un elemento. La prueba para todos usa xh y su término constante, como arriba.

Resultado

La comprobación individual coincide con el argumento general.

Lo comprobamos

La misma expresión satisface las dos parejas de relaciones.

Probar irredundancia de ambas descomposiciones

I=(x)∩Q_j, j=1,2.

  1. Quitar Q_j

    Queda (x), que contiene x. Pero x no está en I, cuyos términos tienen al menos grado dos.

  2. Quitar (x)

    Con Q₁ queda y, que no es múltiplo de x. Con Q₂ queda y−x, que tampoco lo es.

  3. Radicales

    (x) y (x, y) son distintos, así que cada descomposición es mínima.

Resultado

Las componentes embebidas varían en dos descomposiciones mínimas del mismo ideal.

Lo comprobamos

Ninguna componente puede eliminarse sin cambiar el ideal.

10. Los anuladores permiten ver los dos primos asociados sin adivinarlos

El anulador de una clase m∈R/I es el ideal de r tales que rm=0. Un primo asociado aparece como anulador de alguna clase no nula. Para I=(x², xy), las clases de x y de y no son cero y revelan dos comportamientos diferentes.

Para x, anular rx significa rx∈x(x, y), equivalente a r∈(x, y) al cancelar x en k[x, y].

Para y, anular ry obliga a x∣r porque x∣ry y x no divide y; si r=xh, entonces ry=xhy pertenece siempre a I, sin otra condición sobre h. Así el anulador de y es exactamente (x).

Anulador de la clase de x

Trabajar en R/I con I=(x², xy).

  1. Productos cero

    x·[x]=0 e y·[x]=0.

    Luego (x, y) está en el anulador.

  2. Recíproca

    Si rx∈I=x(x, y), la igualdad rx=xh con h∈(x, y) permite cancelar x en el dominio k[x, y].
    Así r=h∈(x, y).
  3. No nulidad

    [x]≠0 porque x no pertenece a I.

    Su anulador primo es (x, y).

Resultado

El primo embebido aparece como un anulador concreto.

Lo comprobamos

La cancelación se realiza en el anillo de polinomios, no en el cociente con divisores de cero.

Anulador de la clase de y y localización del componente mínimo

Anular [y] y después localizar en p=(x).

  1. Anulador

    ry∈I implica x∣r, y si r=xh entonces ry=hxy∈I.
    Por tanto ann([y])=(x).
  2. Localizar

    y no pertenece a (x), así que es unidad al localizar.

    El generador xy obliga a que I_p=(x)R_p.
  3. Contraer

    Al volver a k[x, y] se recupera (x), la componente aislada única. Este proceso no aísla la componente embebida: en ella también sobrevive el primo mínimo.

Resultado

Los dos anuladores distinguen mínimo y embebido.

Lo comprobamos

La recuperación por localización se aplica aquí al primo mínimo.

11. Una solución completa comprueba componentes, igualdad y minimalidad por separado

Para proponer I=∩Qᵢ, primero se verifica la condición primaria de cada Qᵢ y su radical. Después se demuestran ambas inclusiones de la igualdad. Si se afirma minimalidad, se comprueba irredundancia y radicales distintos. Estos son requisitos diferentes.

Calcular solo √I o dibujar V(I) no resuelve la descomposición: esas operaciones olvidan nilpotencia. Los ejemplos de enteros sirven para practicar divisibilidad; el de k[x, y] muestra por qué en varias variables aparece información adicional.

La misma figura puede ocultar varias respuestas distintas

Comparar (x), (x²) y (x², xy) en k[x, y].

  1. Ceros

    Todos tienen soporte la recta x=0.
  2. Relaciones

    El primero anula x; el segundo solo x²; el tercero anula x² y también xy.

  3. Distinguir

    xy no pertenece a (x²), mientras sí pertenece a (x², xy). Por tanto ni el soporte ni una sola potencia describen el mismo ideal.

Resultado

Hay que calcular dentro del anillo, además de mirar la figura.

Lo comprobamos

La diferencia de pertenencia da un test concreto.

Los primos mínimos de un ideal entero salen de su radical

I=(30) en Z.

  1. Factores

    Treinta tiene los factores primos dos, tres y cinco.

  2. Radical

    √(30)=(30), porque no hay potencias repetidas.
    También (30)=(2)∩(3)∩(5).
  3. Primos mínimos

    Los primos que contienen (30) son (2),(3),(5), y son sus tres primos mínimos. El ideal cero no contiene treinta.

Resultado

Se cuentan tres primos mínimos, sin afirmar que (30) sea primo.

Lo comprobamos

2·15 pertenece a (30) sin que ninguno de esos factores pertenezca.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Descomposición de un ideal entero

Descompón (12) en ideales primarios de Z.

  1. Factorizar

    12=2²·3.
  2. Componentes

    Proponemos (4) y (3), cuyas radicales son (2) y (3).

  3. Primariedad

    (4) es una potencia de un primo en Z y es primario; (3) ya es primo.

  4. Una inclusión

    Cada múltiplo de doce es múltiplo de cuatro y de tres.

  5. La otra

    Si n es múltiplo de cuatro y de tres, al ser coprimos estos factores, n es múltiplo de doce.

  6. Comprobar

    (12)=(4)∩(3).

    Los radicales son distintos y quitar una componente cambia la intersección.

Resultado

(12)=(4)∩(3).

Lo comprobamos

Un entero es divisible por 12 si y solo si lo es por 4 y por 3.

EJEMPLO RESUELTO 2

Radical y multiplicidad

Calcula el radical de (x³) en k[x].

  1. Definir

    Un polinomio f pertenece a √(x³) si alguna potencia fⁿ es divisible por x³.

  2. Una inclusión

    Si f=xg, entonces f³=x³g³ pertenece a (x³); así (x)⊆√(x³).
  3. Evaluar

    Si fⁿ es divisible por x³, evaluar en cero da f(0)ⁿ=0.
  4. Usar el cuerpo

    En k no hay nilpotentes no nulos: f(0)=0.
  5. La otra inclusión

    Término constante cero implica que f es múltiplo de x.

    Así √(x³)⊆(x).
  6. Conclusión

    El radical es (x). Conserva el cero y elimina la multiplicidad tres.

Resultado

√(x³)=(x).

Lo comprobamos

El radical conserva el cero x=0 y pierde la multiplicidad 3.

Los símbolos que hemos usado

√I
Radical de I: elementos f tales que alguna potencia positiva fⁿ pertenece a I.
Q primario
Ideal propio: ab∈Q y a∉Q implican bⁿ∈Q para algún n≥1.
p primo
Ideal propio: ab∈p implica a∈p o b∈p.
Q p-primario
Q es primario y su radical es el primo p.
I+J=R
I y J son comaximales; existen a∈I y b∈J con a+b=1.
Primo mínimo
Ideal primo minimal entre los que contienen I.
Primo asociado
Anulador primo de algún elemento no nulo del módulo R/I.
Componente embebida
Componente primaria cuyo radical es un primo asociado no mínimo.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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