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Máster y doctorado

Dimensión y teoría de la integralidad

Aquí aparecen dos ideas distintas que terminan conectándose. La dimensión de Krull cuenta cuántas inclusiones estrictas de ideales primos pueden encadenarse. La integralidad controla las potencias de un elemento mediante una ecuación mónica. Primero calcularemos ejemplos de cada una y después veremos por qué una inclusión integral conserva la dimensión.

1. La dimensión de Krull cuenta inclusiones entre primos

Un ideal primo p es propio y cumple que ab∈p implica a∈p o b∈p. Equivale a que R/p sea un dominio. Una cadena p₀⊊…⊊p_d tiene longitud d: se cuentan inclusiones, no ideales. La dimensión de R es el supremo de esas longitudes, que puede ser infinito.

Esta medida no es la dimensión vectorial sobre un cuerpo ni el número de generadores del anillo. Primero se declara qué dimensión se está calculando; después se buscan cadenas y cotas que impidan hacerlas más largas.

Un cuerpo puede ser enorme y tener dimensión de Krull cero

Tomar el cuerpo Q(t).

  1. Ideales

    Cualquier ideal no nulo contiene un elemento invertible y por ello contiene uno. El único ideal propio es (0).

  2. Primalidad

    (0) es primo porque el cuerpo es un dominio.

  3. Longitud

    La única cadena de primos tiene un ideal y ninguna inclusión estricta. La dimensión de Krull es cero, aunque Q(t) tenga dimensión vectorial infinita sobre Q.

Resultado

Las dos dimensiones responden a preguntas diferentes.

Lo comprobamos

Los elementos 1, t, t²,… son independientes sobre Q, sin crear nuevos ideales propios del cuerpo.

Varios primos tampoco obligan a una cadena larga

R=k×k.

  1. Primos

    Los dos primos son k×{0} y {0}×k: sus cocientes son k.

    El ideal cero no es primo, pues (1,0)(0,1)=0.
  2. Comparar

    Ninguno de esos dos primos contiene al otro.

  3. Longitud

    Cada cadena tiene longitud cero, por tanto dim R=0, aunque haya dos primos.

Resultado

La dimensión mide inclusiones, no la cantidad de puntos del espectro.

Lo comprobamos

Los idempotentes de los dos factores hacen visibles las dos componentes.

2. Encontrar una cadena da una cota inferior; la igualdad necesita también una superior

En k[x, y], los cocientes por (0), (x) y (x, y) son dominios: k[x, y], k[y] y k. La cadena correspondiente tiene dos inclusiones estrictas. Eso prueba dimensión al menos dos.

La longitud de una cadena cuenta sus inclusiones estrictas
k[x, y]: una cadena de primos(0)(x)(x, y)⊊⊊Tres ideales; dos inclusionesLa cadena prueba dim≥2.La cota superior requiere otra prueba.
La cadena cero, ideal de x, ideal de x e y en el anillo de polinomios en dos variables tiene tres ideales y dos inclusiones estrictas. Todos son primos porque los cocientes respectivos son dominios. La cadena da una cota inferior de dimensión dos; la igualdad utiliza además el teorema de dimensión del anillo polinómico.

Para la igualdad usamos además el teorema de dimensión: k[x₁,…, x_n] tiene dimensión n. En una variable la cota superior es elemental: k[x] es principal, sus primos no nulos son generados por irreducibles y son maximales. No cabe otro primo entre ellos y uno mayor propio.

Calcular dimensión uno con las dos cotas

R=k[x].

  1. Inferior

    (0)⊊(x) es una cadena estricta de primos, así que dim R≥1.

  2. Superior

    Cada primo no nulo es maximal; dos de ellos distintos no pueden estar encadenados.

  3. Igualdad

    Una cadena tiene como máximo el primo cero y un primo no nulo: a lo sumo una inclusión.

    Luego dim R=1.
Resultado

La cadena alcanza la cota superior demostrada.

Lo comprobamos

La cadena sola habría probado solo la mitad de la afirmación.

Un nilpotente no crea otra cadena de primos

R=k[ε]/(ε²).

  1. Obligación

    Si p es primo, ε²∈p implica ε∈p.
  2. Cociente

    Al imponer ε=0 queda k, que no tiene otro primo propio salvo cero.

  3. Resultado

    El único primo de R es (ε). La dimensión es cero, aunque R sea un espacio vectorial de dimensión dos sobre k.

Resultado

El espesor nilpotente no se cuenta como otra inclusión.

Lo comprobamos

El ideal cero de R no es primo porque ε no es cero y ε²=0.

3. Una ecuación mónica permite reducir potencias sin dividir

Para una inclusión R⊆S, un elemento b∈S es integral sobre R si satisface b^n+a_{n-1}b^{n-1}+\cdots+a_0=0 con todos los a_i en R y coeficiente principal uno. Eso permite despejar bⁿ y reducir cualquier potencia superior mediante multiplicación y resta.

Una ecuación mónica reduce las potencias con coeficientes del anillo base
α²−α−1=0α²=α+1α³=α(α+1)=α²+α=2α+1α⁴=α(2α+1)=2α²+α=3α+2Todas las potencias: a+bαCon a, b enteros, sin dividir.
Si alfa satisface alfa al cuadrado menos alfa menos uno igual a cero, su cuadrado es alfa más uno. Multiplicando y sustituyendo se obtiene alfa al cubo igual a dos alfa más uno y alfa a la cuarta igual a tres alfa más dos. El proceso expresa cada potencia como combinación entera de uno y alfa; no necesita dividir por un escalar no invertible.

De esta forma R[b] queda generado como R-módulo por 1, b,…, bⁿ⁻¹. No se exige que esa lista sea una base. Recíprocamente, si R[b] es finito como módulo, multiplicar sus generadores por b produce una matriz de relaciones; aplicar su adjunta da un polinomio mónico que anula todo R[b], y en particular a uno.

Así b es integral.

Una raíz irracional puede ser integral

b=√3 sobre Z.

  1. Ecuación

    b²−3=0 procede del polinomio mónico T²−3 de Z[T].
  2. Reducir

    b³=3b y b⁴=9.

    Cada potencia se expresa mediante uno y b.

  3. Anillo

    Z[b] está formado por a+cb con a, c enteros y es finito como módulo, no como conjunto.

Resultado

Integral no significa ser un entero racional.

Lo comprobamos

La palabra siempre se entiende respecto del anillo base.

Una relación no necesita tener forma de potencia igual a constante

α²−α−1=0.

  1. Despejar

    α²=α+1, con coeficientes enteros.
  2. Multiplicar

    α³=α²+α=2α+1 y α⁴=2α²+α=3α+2.
  3. Generación

    Repetir permite reducir cualquier potencia a a+bα. La ecuación mónica es la que permite el paso.

Resultado

Z[α] se genera como módulo por uno y α.

Lo comprobamos

Se verifica la reducción de α⁴ sustituyendo dos veces la relación.

4. Algebraico e integral coinciden sobre un cuerpo; sobre Z no

Sobre un cuerpo, un polinomio no nulo puede dividirse por su coeficiente principal y hacerse mónico. Por eso algebraico implica integral. Sobre Z no se pueden introducir denominadores y seguir afirmando que los coeficientes son enteros.

Si a/b reducido, con b>0, satisface una ecuación mónica entera de grado n, multiplicarla por bⁿ muestra que aⁿ es múltiplo de b.

Al ser coprimos a y b, también lo son aⁿ y b; se obliga a b=1.

Los racionales integrales sobre Z son exactamente los enteros.

Una ecuación no mónica no basta

b=1/2 satisface 2T−1.

  1. Verificar

    2·(1/2)−1=0, así que hay una ecuación con coeficientes enteros.

  2. Coeficiente

    El principal es dos, que no es una unidad de Z.

  3. Descartar otra mónica

    La prueba del denominador obliga a que todo racional integral tenga denominador reducido uno. Un medio no lo tiene.

Resultado

Un medio es algebraico sobre Q y no integral sobre Z.

Lo comprobamos

No basta decir que esta ecuación no sirve; el argumento general descarta todas las mónicas enteras.

Un elemento del propio anillo siempre es integral

r∈R.

  1. Polinomio

    Tomar T−r en R[T].

  2. Mónico

    El coeficiente de T es uno.

  3. Evaluar

    r−r=0.

    La definición queda satisfecha en grado uno.

Resultado

Todo r es integral sobre R.

Lo comprobamos

No se requiere que R sea un dominio ni que r sea invertible.

5. Finitos generadores integrales controlan una extensión finita como módulo

Si b_i satisface una ecuación mónica de grado d_i, los monomios con exponente de b_i menor que d_i generan R[b₁,…, b_r]. Hay a lo sumo el producto de los d_i: cualquier exponente alto se reduce. Toda extensión finita como módulo es integral por el argumento de determinantes.

Esto prueba que las sumas y productos de elementos integrales siguen siendo integrales. También hay transitividad: una ecuación sobre S usa solo finitos coeficientes integrales sobre R; el anillo generado por ellos es finito sobre R y, al adjuntar el elemento, sigue siéndolo. Una extensión integral sin finita generación como álgebra no tiene por qué ser finita como módulo.

Obtener una ecuación para una suma

α=√2+√3.

  1. Cuadrado

    α²=5+2√6.
  2. Eliminar la raíz

    (α²−5)²=24.
    Expandir da α⁴−10α²+1=0.
  3. Mónica

    El polinomio T⁴−10T²+1 está en Z[T] y prueba integralidad. También Z[√2,√3] se genera por 1,√2,√3,√6.

Resultado

La suma tiene una ecuación mónica, aunque no se adivine a primera vista.

Lo comprobamos

La afirmación de generación no necesita probar aquí independencia de esos cuatro elementos.

Finita como álgebra y finita como módulo son distintas

S=Z[1/2].

  1. Álgebra

    Un elemento, un medio, genera S como Z-álgebra.

  2. Supuestos generadores de módulo

    Una lista finita de fracciones tendría denominadores que dividen una potencia fija 2ᴺ; toda combinación entera mantendría esa cota.

  3. Obstrucción

    1/2ᴺ⁺¹ queda fuera de su generación. S no es finito como Z-módulo ni integral sobre Z, pues contiene un medio.

Resultado

La palabra finita exige decir qué tipo de generación se usa.

Lo comprobamos

Una clausura algebraica de Q es otro límite: integral sobre Q, pero de grado infinito.

6. Existencia y ascenso permiten levantar cadenas de primos

Para una inclusión integral R⊆S, existencia asegura un primo q de S sobre cada primo p de R: su contracción q∩R es p. Ascenso asegura que, si p⊆p′ y q está sobre p, puede elegirse q′⊇q sobre p′. Son teoremas que aquí enunciamos con sus hipótesis.

Así una cadena finita de R se levanta a S. Las inclusiones levantadas son estrictas porque sus contracciones son distintas.

Esto prueba dim S≥dim R.

Puede haber varios primos sobre uno mismo: existencia no es unicidad.

Un primo puede tener dos primos encima

Z⊆Z[i], con i²+1=0.

  1. Integralidad

    i satisface un polinomio mónico y la extensión está generada por uno e i como módulo.

  2. Sobre cinco

    Las evaluaciones i↦2 e i↦−2 en F₅ respetan i²+1=0.

    Sus núcleos son (5, i−2) y (5, i+2).

  3. Distintos

    Dos y menos dos son residuos distintos módulo cinco. Ambos núcleos son primos maximales y contraen a (5).

Resultado

Una misma contracción no identifica los primos.

Lo comprobamos

Los cocientes son F₅, por lo que los núcleos son propios y primos.

Sobre otro primo puede no haber desdoblamiento

La misma extensión, sobre tres.

  1. Reducir

    Z[i]/3Z[i]≅F₃[T]/(T²+1).

  2. Raíces

    En F₃, los cuadrados son cero y uno. Ninguno sumado a uno da cero.

  3. Irreducible

    El polinomio cuadrático no tiene raíz y es irreducible. El cociente es un cuerpo de nueve elementos, así que (3)Z[i] es el único primo sobre (3).

Resultado

El número de primos encima puede cambiar de un primo a otro.

Lo comprobamos

Ser integral no obliga a una correspondencia uno a uno de espectros.

7. Incomparabilidad da la otra cota; una inclusión integral conserva la dimensión

Incomparabilidad afirma que dos primos comparables de S con la misma contracción en una extensión integral son iguales. Por ello una cadena estricta de S se contrae a una cadena estricta de R.

Se obtiene dim S≤dim R.

Junto con existencia y ascenso resulta dim S=dim R para una inclusión integral. Para un homomorfismo no inyectivo se compara con su imagen R/ker f, no necesariamente con todo R. Un cociente puede disminuir la dimensión aun siendo finito como módulo.

Dos primos sobre cinco no pueden formar un escalón extra

q₁=(5, i−2), q₂=(5, i+2) en Z[i].

  1. Misma contracción

    Ambos contraen a (5).

  2. Distintos

    La evaluación de i los diferencia.

  3. Incomparables

    Si uno estuviera contenido en el otro, incomparabilidad obligaría a que coincidieran. No producen una cadena más larga.

Resultado

dim Z[i]=dim Z=1.

Lo comprobamos

La igualdad usa los teoremas de cadenas, no contar cuántos primos hay.

Una aplicación integral con núcleo no conserva la dimensión original

Z→F₅.

  1. Finita

    F₅ está generado por uno como Z-módulo y el mapa es integral.

  2. Dimensiones

    Z tiene dimensión uno; F₅ es un cuerpo y tiene dimensión cero.

  3. Comparación correcta

    El núcleo es (5), y la imagen Z/(5) sí tiene la misma dimensión cero que F₅.

Resultado

La hipótesis de inclusión no se omite.

Lo comprobamos

No contradice el teorema para R⊆S.

8. La clausura integral se toma dentro de un cuerpo declarado

Un dominio R es íntegramente cerrado si todo elemento de su cuerpo de fracciones integral sobre R ya pertenece a R. No prohíbe elementos integrales en cuerpos mayores. La clausura integral añade, dentro del cuerpo elegido, los elementos integrales que faltan.

Para R=k[t², t³]⊆k[t], el elemento t pertenece al cuerpo de fracciones de R porque t=t³/t². Es integral, pues satisface T²−t²=0 con coeficientes en R, pero no está en R: los exponentes generados por dos y tres no incluyen uno. La normalización añade ese elemento y elimina este defecto, conservando dimensión.

Estar cerrado en el propio cuerpo no impide extensiones

Z dentro de Q y dentro de Q(√2).

  1. En Q

    La prueba de denominadores muestra que todo racional integral sobre Z es entero: Z es íntegramente cerrado en Q.

  2. Fuera de Q

    √2 es integral sobre Z, pero no es racional.

  3. Alcance

    No contradice la clausura en el cuerpo de fracciones, porque ese cuerpo era Q.

Resultado

El cuerpo donde se busca forma parte de la afirmación.

Lo comprobamos

No se confunde un entero algebraico con un entero racional.

La parametrización de una cúspide revela el elemento que falta

R=k[t², t³], S=k[t].

  1. Finitud

    Cada potencia par de t está en R y cada impar mayor que uno también.

    S=R+Rt, así que es finito sobre R.
  2. Mismo cuerpo

    Ambos tienen cuerpo de fracciones k(t); t es el cociente t³/t².

  3. Normalizar

    k[t] es principal e íntegramente cerrado. Si un elemento de k(t) es integral sobre R, también lo es sobre k[t] y está en k[t]. Por tanto S es la clausura integral de R y ambos tienen dimensión uno.

Resultado

Añadir un elemento integral puede corregir el anillo sin cambiar su dimensión.

Lo comprobamos

La finitud de la extensión y la igualdad de cuerpos se comprobaron separadamente.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un entero algebraico

Prueba que √2 es integral sobre Z.

  1. Declarar la base

    Se pide integralidad sobre Z; los coeficientes deben ser enteros.

  2. Elegir polinomio

    Tomamos f(T)=T²−2 en Z[T].
  3. Mónico

    El coeficiente principal es uno, exactamente la condición requerida.

  4. Evaluar

    f(√2)=(√2)²−2=2−2=0.
  5. Aplicar definición

    Existe una ecuación mónica entera que anula √2: es integral sobre Z.

  6. Comprobar alcance

    No se afirma que √2 sea un entero racional, sino un entero algebraico.

Resultado

√2 es integral sobre Z.

Lo comprobamos

La verificación es (√2)²−2=0.

EJEMPLO RESUELTO 2

Dimensión de k[x]

Calcula dim k[x] para un cuerpo k.

  1. Buscar cadena

    (0)⊊(x) es una cadena de ideales propios de k[x].

  2. Comprobar primos

    k[x] es dominio y k[x]/(x)≅k es cuerpo; los dos ideales son primos.

  3. Cota inferior

    La cadena tiene una inclusión estricta, así que la dimensión es al menos uno.

  4. Estructura

    Como k[x] es principal, sus primos no nulos son generados por irreducibles.

  5. Cota superior

    Un irreducible genera un maximal. No caben dos primos no nulos distintos en una cadena estricta.

  6. Igualdad

    La dimensión es uno: la cadena encontrada alcanza la cota superior.

Resultado

La dimensión es 1.

Lo comprobamos

La cadena (0)⊊(x) alcanza la cota.

Los símbolos que hemos usado

dim R
Supremo de longitudes de cadenas estrictas de ideales primos de R.
p₀⊊⋯⊊p_d
Cadena de longitud d: se cuentan inclusiones estrictas, no términos.
b integral sobre R
b satisface un polinomio mónico con coeficientes en R.
R⊆S integral
Cada elemento de S es integral sobre R; la inclusión se supone inyectiva.
R[b]
Subanillo generado por R y b, formado por polinomios en b con coeficientes de R.
q∩R
Contracción a R de un ideal q de S cuando R⊆S.
Extensión finita
S es finitamente generado como R-módulo; distinto de finitamente generado como álgebra.
Clausura integral
Elementos de una extensión que son integrales sobre el anillo base.

Ahora te toca a ti.

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

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