Эндоморфизм Фробениуса

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В коммутативной алгебре и теории поля ( эндоморфизм Фробениуса в честь Фердинанда Георга Фробениуса ) — специальный эндоморфизм коммутативных колец с простой характеристикой p важный класс, включающий конечные поля . Эндоморфизм отображает каждый элемент в его p -ю степень. В определенных контекстах это автоморфизм , но в целом это неверно.

Определение [ править ]

Пусть R — коммутативное кольцо с простой характеристикой p ( область целостности например, положительной характеристики всегда имеет простую характеристику). Эндоморфизм Фробениуса F определяется формулой

для r в R. всех Он соблюдает умножение R :

и F (1) также равно 1. Более того, он также учитывает добавление R . Выражение ( r + s ) п может быть расширено с помощью биномиальной теоремы . Поскольку p простое, оно делит p ! но не любой вопрос ! для q < p ; поэтому он разделит числитель , но не знаменатель явной формулы биномиальных коэффициентов

если 1 ≤ k п - 1 . Следовательно, коэффициенты всех слагаемых, кроме r п и с п делятся на p и, следовательно, обращаются в нуль. [1] Таким образом

Это показывает, что F кольцевой гомоморфизм .

Если φ : R S — гомоморфизм колец характеристики p , то

Если FR и FS S эндоморфизмы Фробениуса R и , то это можно переписать как:

Это означает, что эндоморфизм Фробениуса является естественным преобразованием тождественного функтора в категории характеристических p -колец в самого себя.

Если кольцо R является кольцом без нильпотентных элементов, то эндоморфизм Фробениуса инъективен : F ( r ) = 0 означает r п = 0 , что по определению означает, что r нильпотент порядка не выше p . На самом деле это необходимо и достаточно, поскольку если r — любой нильпотент, то одна из его степеней будет нильпотентна порядка не выше p . В частности, если R — поле, то эндоморфизм Фробениуса инъективен.

Морфизм Фробениуса не обязательно сюръективен , даже если R — поле. Например, пусть K = Fp ( элементов вместе с t ) — конечное поле из p одним трансцендентным элементом ; эквивалентно, K — поле рациональных функций с коэффициентами из F p . Тогда образ F не содержит t . Если бы это было так, то существовала бы рациональная функция q ( t )/ r ( t ) которой , p -я степень q ( t ) п / р ( т ) п будет равно т . Но степень этой p -й степени (разница между степенями ее числителя и знаменателя) равна p deg( q ) − p deg( r ) , что кратно p . В частности, оно не может быть равно 1, что является степенью t . Это противоречие; так что не в образе F. t

Поле K называется совершенным , если оно имеет нулевую характеристику или положительную характеристику и его эндоморфизм Фробениуса является автоморфизмом. Например, все конечные поля совершенны.

эндоморфизма Фробениуса точки Неподвижные

конечное поле Fp . Рассмотрим По малой теореме Ферма каждый элемент x из F p удовлетворяет x п = х . Эквивалентно, это корень многочлена X п - Х. ​ Следовательно, элементы F p определяют p корней этого уравнения, и поскольку это уравнение имеет степень p, оно имеет не более p корней в любом расширении . В частности, если K — алгебраическое расширение F p (такое как алгебраическое замыкание или другое конечное поле), то F p — фиксированное поле автоморфизма Фробениуса K .

Пусть R — кольцо характеристики p > 0 . Если R — область целостности, то по тем же соображениям неподвижные точки Фробениуса являются элементами простого поля. Однако если R не является доменом, то X п X может иметь более p корней; например, это происходит, если R = F p × F p .

Аналогичным свойством обладает и конечное поле й n- итерацией автоморфизма Фробениуса: каждый элемент является корнем , поэтому, если K является алгебраическим расширением и F — автоморфизм Фробениуса K , то фиксированное поле F н является . Если R — это домен, который является -алгебры, то неподвижные точки n- й итерации Фробениуса являются элементами образа .

Итерация карты Фробениуса дает последовательность элементов в R :

Эта последовательность итераций используется для определения замыкания Фробениуса и точного замыкания идеала.

Как генератор групп Галуа [ править ]

Группа Галуа расширения конечных полей порождается итерацией автоморфизма Фробениуса. Сначала рассмотрим случай, когда основным полем является простое поле F p . Пусть F q — конечное поле из q элементов, где q = p н . Автоморфизм Фробениуса F группы F q фиксирует простое поле F p , поэтому оно является элементом группы Галуа Gal( F q / F p ) . Фактически, поскольку является циклическим с q − 1 элементами , мы знаем, что группа Галуа циклическая и F — образующая. Порядок F равен n, потому что F дж действует на элемент x , отправляя его в x п дж , и может иметь только много корней, так как мы находимся в поле. Каждый автоморфизм F q является степенью F , а образующие - это степени F я с i взаимно простым с n .

Теперь рассмотрим конечное поле F q ж как расширение F q , где q = p н как указано выше. Если n > 1 , то автоморфизм Фробениуса F функции F q ж фиксирует не основное поле F q , а его n- ю итерацию F н делает. Группа Галуа Gal( F q ж / F q ) является циклическим порядка f и порождается F н . Это подгруппа группы Gal( F q ж / F p ), порожденный F н . Генераторы Gal( F q ж / F q ) — степени F в где я взаимно прост с f .

Автоморфизм Фробениуса не является генератором абсолютной группы Галуа.

потому что эта группа Галуа изоморфна проконечным целым числам

которые не являются циклическими. Однако, поскольку автоморфизм Фробениуса является генератором группы Галуа каждого конечного расширения F q , он является генератором каждого конечного фактора абсолютной группы Галуа. Следовательно, это топологический генератор в обычной топологии Крулля на абсолютной группе Галуа.

Фробениус за схемы [ править ]

Существует несколько различных способов определения морфизма Фробениуса для схемы . Наиболее фундаментальным является абсолютный морфизм Фробениуса. Однако абсолютный морфизм Фробениуса плохо ведет себя в относительной ситуации, поскольку не обращает внимания на базовую схему. Существует несколько различных способов адаптации морфизма Фробениуса к относительной ситуации, каждый из которых полезен в определенных ситуациях.

Пусть φ : X S морфизм схем и обозначаем абсолютные морфизмы Фробениуса S и X через FS и F X соответственно. Определить X ( п ) быть базовой заменой X на F S . Тогда приведенная выше диаграмма коммутирует и квадрат становится декартовым . Морфизм F X / S является относительным Фробениусом.

Абсолютный Фробениуса морфизм

Предположим, что X — схема характеристики p > 0 . Выберите открытое аффинное подмножество U = Spec A of X . Кольцо A является Fp - алгеброй, поэтому оно допускает эндоморфизм Фробениуса. Если V — открытое аффинное подмножество U естественности Фробениуса морфизм Фробениуса на U , ограниченный на V , является морфизмом Фробениуса на V. , то по Следовательно, морфизм Фробениуса склеивается, образуя эндоморфизм X . Этот эндоморфизм называется абсолютным морфизмом Фробениуса X и обозначается F X . По определению, это гомеоморфизм X самого себя. Абсолютный морфизм Фробениуса представляет собой естественное преобразование тождественного функтора на категории F p -схем в самого себя.

Если X S- схема и морфизм Фробениуса S тождественен, то абсолютный морфизм Фробениуса является морфизмом S -схем. Однако в целом это не так. Например, рассмотрим кольцо . Пусть X и S равны Spec A, причем структурная карта X S является тождественной. Морфизм Фробениуса на A переводит a в a п . Это не морфизм -алгебры. Если бы это было так, то умножив на элемент b в коммутировал бы с применением эндоморфизма Фробениуса. Но это неправда, потому что:

Первое — это действие b в -структура алгебры, с которой начинается А , и последняя есть действие индуцированный Фробениусом. Следовательно, морфизм Фробениуса на Spec A не является морфизмом -схемы.

Абсолютный морфизм Фробениуса — это чисто неотделимый морфизм степени p . Его дифференциал равен нулю. что для любых двух схем X и Y Он сохраняет продукты, а это означает , F X × Y = F X × F Y .

скаляров Фробениуса расширение Ограничение и

Предположим, что : X S структурный морфизм S -схемы X. φ Базовая схема S имеет морфизм Фробениуса F S . Соединение φ с FS , приводит к S -схеме X F названной Фробениусом ограничением скаляров . Ограничение скаляров на самом деле является функтором, поскольку S -морфизм X Y индуцирует S -морфизм X F Y F .

Например, рассмотрим кольцо A характеристики p > 0 и конечно определенную алгебру над A :

Действие A на R определяется следующим образом:

где α — мультииндекс. Пусть X = R. Spec Тогда X F — аффинная схема Spec R , но ее структурный морфизм Spec R → Spec A и, следовательно, действие A на R различны:

Поскольку ограничение скаляров Фробениусом представляет собой просто композицию, многие свойства X наследуются X F при соответствующих гипотезах о морфизме Фробениуса. Например, если X и S F тоже оба относятся к конечному типу, то и X F .

Расширение скаляров Фробениусом определяется как:

Проекция на S- фактор делает X ( п ) S - схема. Если S непонятно из контекста, то X ( п ) обозначается X ( п / с ) . Подобно ограничению скаляров, расширение скаляров является функтором: S -морфизм X Y определяет S -морфизм X ( п ) И ( п ) .

Как и раньше, рассмотрим кольцо A и конечно определенную алгебру R над A и снова пусть X = Spec R. , Затем:

Глобальный раздел X ( п ) имеет вид:

где α — мультииндекс, а все a и b i — элемент A . Действие элемента c из A на этом участке:

Следовательно, X ( п ) изоморфен:

где, если:

затем:

Аналогичное описание справедливо для произвольных A -алгебр R .

Поскольку расширение скаляров представляет собой изменение базы, оно сохраняет пределы и сопутствующие произведения. Это подразумевает, в частности, что если X имеет алгебраическую структуру, определенную в терминах конечных пределов (например, групповую схему), то и X имеет то же самое. ( п ) . Более того, изменение базы означает, что расширение скаляров сохраняет такие свойства, как конечный тип, конечное представление, разделенность, аффинность и т. д.

Расширение скаляров корректно относительно замены базы: для морфизма S ′ → S существует естественный изоморфизм:

Относительно Фробениуса [ править ]

Пусть X S -схема со структурным морфизмом φ . Относительный морфизм Фробениуса X - это морфизм:

определяется универсальным свойством обратного образа X ( п ) (см. схему выше):

Поскольку абсолютный морфизм Фробениуса естественен, относительный морфизм Фробениуса является морфизмом S -схем.

Рассмотрим, например, A -алгебру:

У нас есть:

Относительный морфизм Фробениуса — это гомоморфизм R ( п ) R определяется как:

Относительный Фробениус совместим с заменой базы в том смысле, что при естественном изоморфизме X ( п / с ) × S S и ( X × S S ′) ( п / С ′ ) , у нас есть:

Относительный Фробениус — универсальный гомеоморфизм. Если X S — открытое погружение, то оно тождественно. Если X S — замкнутое погружение, определяемое идеальным пучком I группы O S , то X ( п ) определяется идеальным пучком I п а относительный Фробениус — отображение приращения O S / I п О С / И .

X неразветвлено над S тогда и только тогда, когда F X / S неразветвлено и тогда и только тогда, когда F X / S — мономорфизм. X эталь над S тогда и только тогда, когда F X / S этальна и тогда и только тогда, когда F X / S является изоморфизмом.

Арифметика Фробениуса [ править ]

Арифметический морфизм Фробениуса S -схемы X является морфизмом:

определяется:

То есть это изменение FS базы 1 X. на

Опять же, если:

тогда арифметика Фробениуса является гомоморфизмом:

Если мы перепишем R ( п ) как:

тогда этот гомоморфизм:

Геометрический Фробениус [ править ]

Предположим, что абсолютный морфизм Фробениуса группы S обратим с обратным . Позволять обозначим S -схему . Тогда существует расширение скаляров X на :

Если:

затем расширяя скаляры на дает:

Если:

тогда пишем:

и тогда существует изоморфизм:

Геометрический морфизм Фробениуса S -схемы X является морфизмом:

определяется:

Это базовое изменение на 1 Х.

Продолжая наш пример с A и R , приведенный выше, геометрический Фробениус определяется как:

После переписывания Р (1/ п ) с точки зрения , геометрический Фробениус:

Арифметический и геометрический Фробениус Галуа как действия

Предположим, что морфизм Фробениуса группы S является изоморфизмом. Затем он порождает подгруппу группы автоморфизмов S . Если S = ​​Spec k — спектр конечного поля, то его группа автоморфизмов — это группа Галуа поля над простым полем, а морфизм Фробениуса и его обратный являются генераторами группы автоморфизмов. Кроме того, Х ( п ) и Х (1/ п ) может быть отождествлен X. с Арифметические и геометрические морфизмы Фробениуса тогда являются эндоморфизмами X и поэтому приводят к действию группы Галуа k на X .

Рассмотрим множество K -точек X ( K ) . Этот набор имеет действие Галуа: каждая такая точка x соответствует гомоморфизму O X K из структурного пучка в K , который факторизуется через k(x) , поле вычетов в x , а действие Фробениуса на x - это применение морфизма Фробениуса к полю вычетов. Это действие Галуа согласуется с действием арифметики Фробениуса: составной морфизм

то же самое, что составной морфизм:

по определению арифметики Фробениуса. Следовательно, арифметика Фробениуса явно показывает действие группы Галуа на точки как эндоморфизм X .

для полей Фробениус местных

Для неразветвленного конечного расширения L/K локальных полей существует понятие эндоморфизма Фробениуса , которое индуцирует эндоморфизм Фробениуса в соответствующем расширении полей вычетов . [2]

Предположим, что L/K — неразветвленное расширение локальных полей с кольцом целых чисел OK поля K таким , что поле вычетов, целые числа K по модулю их единственного максимального идеала φ , является конечным полем порядка q , где q — степень простого числа. Если Φ — простое число L , лежащее над φ , то, что L/K неразветвлено, по определению означает, что целые числа L по модулю Φ , поле вычетов L , будут конечным полем порядка q. ж расширение поля вычетов K , где f — степень L / K . Мы можем определить отображение Фробениуса для элементов кольца целых чисел O L группы L как автоморфизм s Φ группы L такой, что

Фробениус для глобальных полей [ править ]

В теории алгебраических чисел элементы Фробениуса определяются для расширений L / K глобальных полей , которые являются конечными расширениями Галуа для простых идеалов Φ поля L , неразветвленных в L / K . Поскольку расширение неразветвлено, разложения группа Φ является группой Галуа расширения полей вычетов. Тогда элемент Фробениуса можно определить для элементов кольца целых чисел L , как и в локальном случае, следующим образом:

где q — порядок поля вычетов O K /(Φ ∩ O K ) .

Лифты Фробениуса соответствуют p-выводам .

Примеры [ править ]

Полином

Икс 5 - х - 1

имеет дискриминант

19 × 151 ,

и поэтому неразветвлен в простом числе 3; присоединение его корня ρ к полю 3 чисел Q3 модулю 3. Следовательно , дает неразветвленное расширение Q3 оно также неприводимо по ( ρ ) поля Q3 . - адических Мы можем найти образ ρ при отображении Фробениуса, найдя ближайший к ρ корень. 3 , что мы можем сделать методом Ньютона . получим элемент кольца целых Z 3 [ ρ ] Таким образом ; это многочлен четвертой степени от ρ с коэффициентами в 3 -адических целых числах Z 3 . по модулю 3 8 этот многочлен

.

Это алгебраично над Q и является правильным глобальным образом Фробениуса с точки зрения вложения Q в Q 3 ; при этом коэффициенты алгебраические и результат можно выразить алгебраически. Однако они имеют степень 120, порядок группы Галуа, что иллюстрирует тот факт, что явные вычисления гораздо легче выполнить, если p -адических результатов будет достаточно.

Если L/K является абелевым расширением глобальных полей, мы получаем гораздо более сильное сравнение, поскольку оно зависит только от простого числа в базовом поле K. φ В качестве примера рассмотрим расширение Q ( β ) языка Q , полученное присоединением корня β, удовлетворяющего

к К. ​ Это расширение циклическое пятого порядка с корнями

для целого числа n . Его корни представляют собой полиномы Чебышева от β :

б 2 − 2, б 3 − 3 б , б 5 − 5 б 3 + 5 б

дайте результат отображения Фробениуса для простых чисел 2, 3 и 5 и т. д. для больших простых чисел, не равных 11 или имеющих форму 22 n + 1 (которые расщепляются). Сразу видно, как отображение Фробениуса дает результат, равный модулю p по p -й степени корня β .

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Это известно как мечта первокурсника .
  2. ^ Фрелих, А .; Тейлор, MJ (1991). Алгебраическая теория чисел . Кембриджские исследования в области высшей математики. Том. 27. Издательство Кембриджского университета . п. 144. ИСБН  0-521-36664-Х . Артикул   0744.11001 .