Varistoista ja ideaaleista

Transkriptio

1 TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma Riikka Salo Varistoista ja ideaaleista Luonnontieteiden laitos Matematiikka 2018

2 Sisältö 1 Johdanto 3 2 Tärkeitä käsitteitä Polynomi Ideaalit Affiinit varistot Varistojen parametrisoinnista Hilbertin kantalause ja Gröbnerin kanta Gröbnerin kanta Variston ideaali Ideaalin varisto Eliminaatio- ja laajennuslause Resultantit ja laajennuslause Polynomien jaottomuudesta Resultantin ominaisuuksia Resultantit polynomirenkaassa Geometrinen laajennuslause Hilbertin nollakohtalauseen todistus 33 7 Radikaalit ideaalit ja vahva nollakohtalause Hilbertin vastaavuus Ideaalien laskuoperaatiot Ideaalien summa Ideaalien tulo Ideaalien leikkauksista Zariskin sulkeuma ja ideaalien osamäärä Jaottomat varistot ja alkuideaalit Taulukko Lähteet 57 2

3 1 Johdanto Tässä työssä tutustutaan algebralliseen geometriaan ja erityisesti Hilbertin nollakohtalauseeseen. Algebrallinen geometria tutkii geometriaa abstraktin algebran avulla. Työssä käydään läpi yksi todistus Hilbertin nollakohtalauseelle. Luvuissa 2 ja 3 esitellään Gröbnerin kanta, Hilbertin kantalause, resultantit polynomirenkaassa ja eliminaatio- ja laajennuslauseet, joita tarvitaan nollakohtalauseen todistuksessa. Nollakohtalauseesta todistetaan edelleen vahva nollakohtalause ja tarkastellaan radikaaleja ideaaleja sekä varistojen ja ideaalien yhteyttä. Nollakohtalauseen merkittävin seuraus on ns. Hilbertin vastaavuus, minkä merkitykseen tutustutaan hieman luvun lopussa. Luvussa 8 tarkastellaan ideaaliteoriaa polynomirenkaassa, eli laskutoimituksia ideaaleilla, sekä erilaisten ideaali- ja varistotyyppien yhteyksiä. Lukijalta edellytetään joidenkin algebran peruskäsitteiden tuntemista, mutta kaikkein olennaisimpia peruskäsitteitä käydään läpi työn aluksi. Myös joitain kommutatiivisen algebran, eli vaihdannaisia renkaita tutkivan algebran, peruskäsitteitä tarvitaan, sillä algebrallinen geometria perustuu pitkälti siihen. Pääasiallinen lähdeteos on ollut Coxin, Littlen ja O Shean teosta Ideals, Varieties, and Algorithms. 3

4 2 Tärkeitä käsitteitä 2.1 Polynomi Määritelmä 2.1 (Kunta). (Ks. [s. 5][7].) Vaihdannaista rengasta(k, +, ) nimitetään kunnaksi jos 01ja pari (k \{0}, ) muodostaa vaihdannaisen ryhmän. Algebran käsitteet rengas ja kunta ovat tärkeitä algebrallisessa geometriassa. Kunta on tärkeä mm. sen vuoksi, että lineaarialgebran perustulokset pätevät minkä tahansa kunnan yli (Ks. [1, s. 1]). Tässä työssä rengas on polynomirengas. Määritelmä 2.2. Polynomit ovat äärellisiä jonoja f : Z n 0 k, jotka voidaan tulkita formaaleina summina, missä monomin x α potenssi ilmaisee kertoimen a α paikan jonossa f. Merkitään polynomien joukkoa { } k[x 1,..., x n ]= a α x α a α k,α Z n 0. α Koska jonot ovat äärellisiä jokaista polynomia p k[x 1,..., x n ] vastaa tietenkin N, siten että a α = 0, kun α >N. Varustettuna polynomien normaaleilla yhteenja kertolaskuilla k[x 1,..., x n ] muodostaa polynomirenkaan, jolle käytetään jatkossa samaa merkintää k[x 1,..., x n ]. Määritelmä 2.3. (Ks. [1, s. 3].) Polynomi f= x α k[x 1,..., x n ], joka on muotoa missäα Z n 0 sanotaan monomiksi. x α = x α 1 1 xα n n, Huomautus 2.4. (Ks.[1, s. 2].) Olkoon f = α a α x α,α = (α 1,...,α n ) Z n 0 polynomi renkaassa k[x 1,..., x n ]. (i) Monomin x α vakiokerroin on a α k. (ii) Jos a α 0, niin polynomin f indeksiinα liittyvä termi on a α x α. (iii) Polynomin p k[x 1,..., x n ] aste on suurin luku α =α 1 +α 2 + +α n, jolla a α 0. Huomataan, että useampi termi voi olla asteeltaan suurin, minkä vuoksi myöhemmin määritellään monomien suuruusjärjestys. Esimerkki 2.5. Esimerkiksi polynomi p=2xy+ 5y 2 on polynomi p: Z 2 0 R jolle p(1, 1)=2, p(0, 2)=5ja p(i, j)=0muulloin. 4

5 Tässä jonomerkinnässä muuttuja/monomi x=x 1 y 0 on f(1, 0)=1 ja muuttuja y=x 0 y 1 on f(0, 1)=1. Tästä lähtien polynomit kirjoitetaan aina formaaleina summina f = α a α x α, missä monomin x potenssi ilmaisee polynomin/jonon arvon indeksillä α. Sanotaan, että kunta k on algebrallisesti suljettu, jos jokaisella polynomilla f k[x], joka ei ole vakiopolynomi, on juuri kunnassa k. Tässä työssä käsittelemme polynomeja yli äärettömien kuntien. Lause 2.6. Olkoon k algebrallisesti suljettu kunta, tällöin kunta k on ääretön. Todistus. Tehdään vastaoletus, eli oletetaan, että F on äärellinen ja olkoon F = {a 1,..., a p }. Määritelmän 2.1 mukaan sen täytyy olla muotoa k= {0, 1,..., a p }, sillä kuntaan täytyy aina kuulua 0 ja 1-alkiot. Olkoon f(x)=1+ x(x 1)... (x a p ). Tällä ei ole juuria joukossa F, joten F ei voi olla suljettu. 2.2 Ideaalit Määritelmä 2.7. (Ks. [1, s. 30].) Polynomirenkaan k[x 1,..., x n ] osajoukko I k[x 1,..., x n ] on ideaali, kun (1) 0 I. (2) Kaikilla f,g I pätee f+g I ja (3) kaikilla f I ja h k[x 1,..., x n ] pätee f h I. Esimerkki 2.8. (Vrt. [6, s. 127].) Olkoon rengas kokonaislukujen joukko Z. Sen ideaaleja ovat esimerkiksi parilliset kokonaisluvut, joukko 2Z, sillä (1) 0 2Z. (2) Jos a 2Z ja b 2Z, niin a+b 2Z, sillä parillisten lukujen summa on aina parillinen. (3) Jos a 2Z ja h Z, niin a=2k, jolloin ah=2kh kaikilla h Z. Tämä sama pätee myös kaikilla muillakin kokonaisluvuilla n: joukko nz on renkaan Z ideaali, samoin perustein. Määritelmä 2.9. (Ks. [1, s. 30].) Olkoon f 1,..., f s polynomeja renkaassa k[x 1,..., x n ]. Tällöin joukkoa { s } f 1,..., f s = h i f i : h 1,..., h s k[x 1,..., x n ] i=1 sanotaan polynomien f i generoimaksi ideaaliksi. 5

6 Tärkein seuraus tästä on, että f 1,..., f s on ideaali. Lause (Vrt. [1, s. 30].) Jos f 1,..., f s ideaali renkaassa k[x 1,..., x n ]. k[x 1,..., x n ], niin f 1,..., f s on Todistus. Koska 0= s i=1 0 f i = 0, niin 0 f 1,..., f s. Olkoon nyt f= s i=1 p i f i f 1,..., f s jag= s i=1 q j f i f 1,..., f s ja olkoon h k[x 1,..., x n ]. Nyt nähdään, että s f+g= (p i + q j ) f i ja h f= i=1 s (hp i ) f i. i=1 Määritelmän 2.7 nojalla f 1,..., f s on siis ideaali. Lause (Vrt. [1, s. 36].) Olkoon I k[x 1,..., x n ] ideaali ja olkoon f 1,..., f s k[x 1,..., x n ]. Tällöin seuraavat väittämät ovat yhtäpitäviä (i) f 1,..., f s I (ii) f 1,..., f s I. Todistus. Oletetaan ensin, että f 1,..., f s I. Tällöin polynomit generoivat määritelmän 2.9 ideaalin f 1,..., f s = { si=1 h i f i : h 1,..., h s k[x 1,..., x n ] }, joillain h 1,..., h s k[x 1,..., x n ]. Määritelmän 2.7 nojalla tämä summa sisältyy myös ideaaliin, eli toinen osa seuraa ensimmäisestä. Oletetaan sitten, että f 1,..., f s I. Tällöin määritelmän 2.9 oletusten nojalla polynomit f 1,..., f s I, joten toisesta väittämästä seuraa ensimmäinen. Edellistä lausetta voidaan hyödyntää, kun osoitetaan että jokin ideaali sisältyy toiseen ja että ideaalit ovat samat, vaikka niitä generoivat eri polynomit. Esimerkki (a.) Osoitetaan, että x+y, x y = x,y pätee joukossar 2. Osoitetaan ensin, että x,y x+y, x y, eli että polynomit x,y x+y, x y. Valitaan, että h 1 = h 2 = 1 2, jolloin h 1(x+y)+ h 2 (x y)= x. Jos valitaan, että h 1 = 1 2 ja h 2= 1 2, niin h 1(x+y)+ h 2 (x y)= y. Tällöin edellisen lauseen perusteella, koska polynomit sisältyvät oikeanpuoleiseen ideaaliin, niin myös niiden generoima ideaali sisältyy toiseen ideaaliin. Osoitetaan toiseen suuntaan, eli että x+y, x y x,y. Tällöin siis h 1 x+h 2 y=x+y, kun valitaan h 1 = 1= h 2, joten x+y x,y. Jos valitaan h 1 = 1 ja h 2 = 1, niin h 1 x+h 2 y=x y, joten x y x,y. Näin ollen siis ideaalit ovat samat. 6

7 (b.) Osoitetaan, että x+xy,y+xy, x 2,y 2 = x,y. Osoitetaan ensin, että x+ xy,y+xy, x 2,y 2 x,y. Huomataan ensin, että h 1 x+h 2 y=x+xy, kun h 1 = 1 ja h 2 = x. Jos valitaan h 1 = x, h 2 = 0, niin h 1 x+h 2 y = x 2. Jos h 1 = 0, h 2 = y on h 1 x+h 2 y=y 2 ja vastaavasti kun h 1 = y, h 2 = 1, niin y x+ 1 y=xy+y, joten polynomit x+xy,y+xy, x 2,y 2 x,y. Osoitetaan sitten, että x,y x+xy,y+xy, x 2,y 2. Nyt voidaan valita h 1 (x+xy)+h 2 (y+xy)+h 3 x 2 +h 4 y 2 = 1(x+xy)+1(y+xy)+ 1 x x2 +0 y 2 = x, kun h 1 = 1, h 2 = 1, h 3 = 1 x, h 4=0 ja jos valitaan h 1 = 1, h 2 = 1, h 3 = 0, h 4 = 1 y niin h 1 (x+xy)+h 2 (y+xy)+h 3 x 2 +h 4 y 2 = 1(x+xy)+1(y+xy)+0 x y y2 = y. Nyt siis lauseen 2.11 nojalla ideaalit ovat samat. (c.) Osoitetaan vielä 2x 2 + 3y 2 11, x 2 y 2 3 = x 2 4,y 2 1. Osoitetaan ensin, että 2x 2 + 3y 2 11, x 2 y 2 3 x 2 4,y 2 1. Jos h 1 = 2 ja h 2 = 3, niin 2(x 2 4)+3(y 2 1)=2x 2 + 3y Asettamalla h 1 = 1 ja h 2 = 1 saadaan 1(x 2 4)+( 1)(y 2 1)= x 2 y 2 3. Osoitetaan sitten samalla tavalla, että x 2 4,y 2 1 2x 2 +3y 2 11, x 2 y 2 3. Jos taas h 1 = 1 5 ja h 2= 2 5, niin 1 5 (2x2 + 3y 2 11)+ 3 5 (x2 y 2 3)= x 2 4. eli väite pätee. 1 5 (2x2 + 3y 2 11)+ 2 5 (x2 y 2 3)= y 2 1, 2.3 Affiinit varistot Algebrallisessa geometriassa tarkastellaan affiineja varistoja, tai lyhyemmin vain varistoja, mitkä ovat esimerkiksi kaaria, pintoja tai useampiulotteisia objekteja, jotka voidaan määritellä polynomien nollakohtien joukkona. Määritelmä Olkoon p k[x 1,..., x n ] polynomi ja c k n. Sijoitushomomorfismi on rengashomomorfismi s : k[x 1,..., x n ] k, s(p)= a α c α joka toteuttaa luonnollisesti rengashomomorfismilta vaaditut ominaisuudet, s(p + g)= s(p)+ s(g), s(pg)= s(p)s(g) ja s(1)=1. α 7

8 Huomautus Jos esimerkiksi k = R tai k = C niin sijoitushomomorfismi määrittelee näin analyysistä tutun polynomifunktion p: k n k, p(c)= a α c α, c k n. Polynomifunktioiden yhteiset nollakohdat määritellään myöhemmin määritelmässä 2.18 affiinina varistona, mikä on tämän työn tärkeimpiä käsitteitä. Edelleen lauseessa 2.17 osoitetaan, että äärettömissä kunnissa polynomit f,g k[x 1,..., x n ] ovat samat jos ja vain jos niiden määräämät polynomifunktiot f : k n k ja g : k n k ovat samat. Määritelmä (Ks. [1, s. 3].) Määritellään n-ulotteinen affiini avaruus yli kunnan k joukkona k n = {(a 1,..., a n ): a 1,..., a n k}, missä n Z 0. Lause (Ks.[1, s. 3].) Olkoon k ääretön kunta ja olkoon f k[x 1,..., x n ]. Tällöin f= 0 renkaassa k[x 1,..., x n ] jos ja vain jos f : k n k on nollafunktio. Todistus. On siis osoitettava, että nollapolynomi vastaa nollafunktiota äärettömässä kunnassa. Nollapolynomin n a n x n kaikki kertoimet a ovat nollia. Tällöin myös f(a 1,..., a n )=0. Olkoon sitten f nollafunktio, eli f(a 1,..., a n )=0 kaikilla (a 1,..., a n ) k n. Todistetaan tämä induktiolla, missä n on muuttujien määrä. Kun n = 1, niin nollasta poikkeavalla, m-asteisella funktiolla on korkeintaan m juurta. Kuitenkin nollafunktio f(a)=0 kaikilla a k ja k on oletusten mukaan ääretön kunta, eli siinä on äärettömän monta alkiota, joten f :llä on äärettömän monta juurta, eli sen täytyy olla nollapolynomi. Oletetaan nyt väite todistetuksi n 1:lle muuttujalle ja olkoon f polynomi, joka saa arvon nolla kaikilla(a 1,..., a n ) k n. Järjestelemällä termejä x n potenssien mukaan voidaan f kirjoittaa muotoon f= α N g i (x 1,..., x n 1 )xn i, i=0 missäg i k[x 1,..., x n 1 ]. Osoitetaan, että jokaineng i on nollapolynomi, kun muuttujia on n 1 kappaletta, jolloin myös f on nollapolynomi renkaassa k[x 1,..., x n ]. Pisteellä (a 1,..., a n 1 ) k n 1 polynomi f on muotoa f=f(a 1,..., a n 1, x n ) k[x n ]. Oletuksen nojalla tämä polynomi on nolla kaikilla a n k. Jos sijoitetaan ylläoleva summamuoto nyt tähän polynomin f muotoon, niin että yksittäinen g i (a 1,..., a n 1 )= f(a 1,..., a n 1, x n ) huomataan, että jokainen g i = 0. Koska (a 1,..., a n 1 ) k n 1 voi olla mikä tahansa piste menevät kaikki polynomit g i nolliksi ja koska ne ovat induktio-oletuksen mukaan nollapolynomeja on myös f nollapolynomi, mikä todistaa väitteen. Ylläolevat lauseet perustelevat sitä, että voimme tarkastella polynomeja polynomifunktioina. Jatkossa polynomeja tarkastellaan nimenomaan yli äärettömien kuntien. 8

9 Lause (Ks. [1, s. 4].) Olkoon k ääretön kunta ja olkoon f,g k[x 1,..., x n ]. Tällöin f= g renkaassa k[x 1,..., x n ] jos ja vain jos funktiot f : k n k jag : k n k ovat samoja. Todistus. Oletetaan ensin, että polynomit f,g k[x 1,..., x n ] määräävät samat funktiot avaruudessa k n. Oletuksen nojalla polynomi f g katoaa kaikissa avaruuden k n pisteissä. Lauseen 2.16 nojalla f g on nollapolynomi, joten f = g renkaassa k[x 1,..., x n ]. Oletetaan sitten, että f = g k[x 1,..., x n ]. Nyt polynomi f määrää funktion f(x 1,..., x n )=g(x 1,..., x n ). Määritelmä (Ks. [1, s. 5].) Olkoon k kunta ja f 1,, f s polynomeja renkaassa k[x 1,, x n ]. Tällöin joukko V( f 1,, f s )={(a 1,, a n ) k n : f i (a 1,, a n )=0, kaikilla 1 i s} on polynomien f 1,, f s määrittelemä affiini varisto eli varisto. Varisto on siis ratkaisujen joukko yhtälöille f 1 (x 1,..., x n )=...= f s (x 1,..., x n )=0. Jos(a 1,..., a n ) V, niin sanotaan, että f häviää tai katoaa pisteessä(a 1,..., a n ). Esimerkki (i) Koko affiini avaruus on polynomin p=0varistov(p)= k n. (ii) Tyhjä joukko on vakiopolynomien p=a, a0 varistov(a)=. (iii) Yhden pisteen joukot ovat affiineja varistojav(x 1 a 1,..., x n a n )={a}. Eli jokainen k n :n yksittäinen piste on varisto, sillä x i a i = 0, kun x i = a i, kaikilla 0 i n. Esimerkki Tarkastellaan, onko joukko S varisto, kun 1. S 1 = {(cos t, sin t) t [0, 2π]} R 2, 2. S 2 = {(x, y) f(x,y)= y sin(x)=0} R 2. Joukko S 1 on yksikköympyrä, eli varisto V(x 2 + y 2 + 1), sillä merkitsemällä x = cos(t) ja y = sin(t) yksikköympyrä voidaan parametrisoida sini- ja kosinimuodossa ja ympyrän pisteet toteuttavat yhtälön x 2 + y 2 = 1. Joukon S 2 = {(x,y) f(x,y)= y sin(x)=0} määritelmässä f(x,y)=0 on transkendenttinen yhtälö, eikä sitä voi muuttaa polynomiyhtälöiksi, joten S 2 ei ole varisto. Esimerkki Tason x= 0 ja x-akselin yhdiste on varisto V(xy, xz)=v(x) V(y, z), missä xy=xz= 0 määrittää(y, z)-tason ja polynomi y=z= 0 x-akselin. 9

10 Esimerkki Kokonaislukujen joukko Z R ei ole varisto, sillä ainoa polynomifunktio, joka katoaa kaikilla kokonaisluvuilla on nollapolynomi ja sen varisto on koko R. Esimerkki Polynomifunktioiden kuvaajat y = f(x) muodostavat variston V(y f(x)). Esimerkiksi paraabelin kuvaaja y=x 2 on varistov(y x 2 ). Seurauslause (Ks. [1, s. 11].) Jos V ja W ovat varistoja, niin myös V W ja V W ovat varistoja. Todistus. Olkoon V= V( f 1,..., f s ) ja W= V(g 1,...,g t ). Tällöin väitetään, että (i) V W= V( f 1,..., f s,g 1,...,g t ) (ii) V W= V( f i g j : 1 i s, 1 j t). Ensimmäisen osan todistamiseksi oletetaan, että jos piste(a 1,..., a n ) V( f 1,..., f s,g 1,...,g t ), niin tällöin f katoaa kaikissa varistojen V ja W pisteissä, joten se katoaa myös niiden yhteisissä pisteissä, eli (a 1,..., a n ) V W. Oletetaan sitten, että(a 1,..., a n ) V W. Tällöin(a 1,..., a n ) V ja(a 1,..., a n ) W joillakin indekseillä a i, joten(a 1,..., a n ) V( f 1,..., f s,g 1,...,g t ). Toinen puoli todistuksesta: Jos(a 1,..., a n ) V, niin kaikki polynomit f i katoavat tässä pisteessä, eli ovat arvoltaan nollia tässä pisteessä, mistä seuraa, että kaikki termit f i g j katoavat myös pisteessä (a 1,..., a n ). Siten molemmat V V( f i g j ) ja W V( f i g j ) pätevät yhtälailla, mikä osoittaa, että V W V( f i g j ). Todistetaan inkluusio toiseen suuntaan valitsemalla ensin(a 1,..., a n ) V( f i g j ). Jos tämä piste sisältyy varistoon V, väite pätee ja ellei sisälly, niin f i0 (a 1,..., a n )0 jollain i 0. Koska f i g j häviää pisteessä(a 1,..., a n ) kaikilla j:n arvoilla, täytyy kaikkien polynomieng j hävitä tässä pisteessä, mistä seuraa, että(a 1,..., a n ) W. Näin ollen V( f i g j ) V W. Tällaisesta yhdisteestä jo mainittiin yksi esimerkki V(x) V(y, z) = V(xy, xz). Seurauslauseesta voidaan todistaa edelleen, että äärelliset leikkaukset ja yhdistelmät ovat myös varistoja. Esimerkki Varistojen V i äärelliset leikkaukset ja yhdisteet ovat varistoja. Todistus. (1) Olkoon V 1, V 2,..., V s varistoja. Yhdiste V 1 V 2 on lauseen 2.24 nojalla varisto. (2) Tehdään induktio-oletus, että yhdiste s i=s V i on varisto. (3) Nyt yhdiste s+1 V i = i=s s V i V s+1. i=s 10

11 Induktio-oletuksen ja lauseen 2.24 nojalla tämäkin on kahden variston yhdiste, eli varisto, joten väite pätee. Sama päättely voidaan tehdä samalla tavalla äärellisille leikkauksille, jolloin on myös varisto. s+1 V i = i=s s V i V s+1 i s Esimerkki Olkoon V ja W varistoja. Varistojen erotus, V W, ei välttämättä ole varisto. Todistus. Olkoon V= R ja W= 0. Tällöin V(V W)={a R: a0}. Tämä on ääretön joukko ja kaikilla muilla polynomeilla on äärellinen määrä ratkaisuja, paitsi nollapolynomilla, joten joukko ei voi olla varisto. Esimerkki Varistojen karteesinen tulo on varisto. Todistus. Olkoon V k n = V( f 1,..., f s ) ja W k m = V(g 1,...,g t ), missä g i,g i k[x 1,..., x n ], 1 i, j s, t. Olkoon nyt y 1,...,y n k[x 1,..., x m ] uusia muuttujia ja ĝ=g j [y 1,...,y m ]. Nyt on osoitettava, että V W= V( f 1,..., f s,ĝ 1,...,ĝ t ) k n+m. Olkoon(a, b) V W, jolloin f(a, b)= f i (a)=0 jaĝ j (a, b)=ĝ j (b)=0, sillä a V ja b W. Näin ollen siis(a, b) V( f 1,..., f s,ĝ 1,...,ĝ t ). Oletetaan sitten, että(a, b) V( f 1,..., f s,ĝ 1,...,ĝ t ). Tällöin f i (a)=0, kun 1 i s ja g j (b)=0, kun 1 j t, joten a V ja b W, mikä todistaa väitteen. 2.4 Varistojen parametrisoinnista Varisto V( f 1,..., f n ) on polynomien f 1 = = f n = 0 ratkaisujen joukko. Esimerkiksi yhtälöryhmä (2.1) x+y+z= 1, x+ 2y z= 3, on geometrisesti avaruuden R 3 suora, joka on tasojen x+y+z=1ja x+ 2y z= 3 leikkaus. Ratkaisujen joukon määrittämiseksi voidaan alkuperäisistä yhtälöistä muokata 2.1 matriisien rivioperaatioilla yhtälöt (2.2) x+ 3z= 1, y 2z= 2. Kun nyt merkitään z = t, niin yhtälöiden 2.1 ratkaisut saadaan yhtälöistä (2.3) x= 1 3t, y=2+2t, z=t, 11

12 missä t R. Muuttuja t on nyt parametri, jonka avulla yhtälöt 2.1 on parametrisoitu. Yksikköympyrä x 2 + y 2 = 1 voidaan parametrisoida trigonometrisilla funktioilla (2.4) x= cos(t), y= sin(t). Esimerkki (Ks. [1, s. 18].) Yksikköympyrä, eli varisto V(x 2 + y 2 1), voidaan määritellä myös geometriaa apuna käyttäen. Yksikköympyrän kehän pisteestä ( 1, 0) voidaan piirtää suora jokaiseen kehän pisteeseen x, y. Kehän pisteet voidaan määritellä pisteinä, missä suora leikkaa pisteen x 2 + y 2 1. Jokainen näistä suorista leikkaa y-akselin pisteessä (0, t). Näillä suorilla on äärellinen kulmakerroin, joka voidaan määrittää kahdella tavalla; pisteen ( 1, 0) ja kehän pisteen (x, y) suhteen, tai pisteiden ( 1, 0) ja (0, t) suhteen. Parametrisaatio saadaan, kun t käy läpi kaikki y- akselin arvot. Muodostetaan yhtälöt kirjoittamalla edellä kuvatun suoran kulmakerroin kahdella tavalla. Saadaan yhtälö t 0 0 ( 1) = y 0 x ( 1), mikä sieventyy muotoon t= y x+ 1. Samoin voidaan tehdä, kun y = t(x + 1). Sijoitetaan tämä yksikköympyrän yhtälöön ja saadaan x 2 + t 2 (x+ 1) 2 = 1. Kun yhdistetään termit muuttujan x 2 suhteen saadaan toisen asteen yhtälö (1+t 2 )x 2 + 2t 2 x+ t 2 1=0. Tämän yhtälön avulla voidaan selvittää, missä suora leikkaa ympyrän. Niillä on kaksi leikkauspistettä, joista toinen on 1, joten x +1 on yhtälön toinen tekijä. Toinen tekijä on koordinaatti x= 1 t2 1+t 2. Nyt yhtälö voidaan täydentää muotoon (x+ 1)((1+t 2 )x (1 t 2 ))=0. Sijoittamalla koordinaatti x= 1 t2 2t yhtälööny= t(x+1) saadaany= 1+t2 1+t2. Nämä koordinaatit ovat siis yksikköympyrän, poislukien pisteen( 1, 0), parametrisaatio. 12

13 3 Hilbertin kantalause ja Gröbnerin kanta Määritelmä 3.1 (Monomijärjestys). (Ks. [4, s.11].) Renkaassa k[x 1,..., x n ] voidaan määritellä monomijärjestys >, eli monomit ovat hyvin järjestetty, kun seuraavat ehdot täyttyvät. 1. Jos x α > x β niin silloin kaikillaα,β,γ pätee x αγ > x βγ, missäγ Z n 0 2. Satunnaisessa monomijoukossa {x α } α Z n 0 on pienin alkio monomijärjestyksen suhteen. Tässä työssä käytetään aakkosellista monomijärjestystä, joka määritellään seuraavasti. Määritelmä 3.2. (Ks. [1, s. 56].) Olkoonα=(α 1,...,α n ),β= (β 1,...,β n ) Z n 0. Merkitäänα>β, jos vektorierotuksenα β Z n ensimmäinen nollasta poikkeava tulos on positiivinen. Merkitään x α > x β, josα>β. Muuttujat x 1,..., x n järjestetään yleensä x 1 > x 2 >...> x n. Kun muuttujia on vähemmän merkitään yleensä x > y > z. Tällöin suuruusjärjestys on aakkosellinen ja samoin määritelty kuin edellä. Lause 3.3. (Ks. [1, s. 41].) Jos k on kunta, niin jokainen ideaali renkaassa k[x] voidaan kirjoittaa muotoon f jollain f k[x]. Todistus. (Vrt. [1, s. 41].) Olkoon I k[x] ideaali. Jos I= {0}, niin väite pätee, sillä I= 0. Oletetaan sitten, että ideaaliin kuuluu polynomi f 0, jonka aste on pienin mahdollinen ideaalissa I. Väite voidaan nyt kirjoittaa muotoon I = f. Ideaalin määritelmän nojalla f I. Todistetaan sitten, että I f. Olkoon g I. Myöhemmin, lauseessa 3.13 osoitetaan, että polynomit voidaan kirjoittaa g = q f+ r, missä joko r = 0 tai deg(r)<deg( f). Ideaalin määritelmän nojalla q f I ja siis r= g q f I. Jos r ei ole nolla, niin deg(r)<deg( f), mikä on ristiriidassa f :n oletusten kanssa. Jos r= 0, niin g=q f f, mikä todistaa, että I= f. Yhden alkion generoimia ideaaleja sanotaan pääideaaleiksi tai alkuideaaleiksi. Edellisen lauseen nojalla k[x] on pääideaalialue (engl. principal ideal domain). Määritelmä 3.4. (Ks. [1, s. 41].) Polynomien f,g k[x] suurin yhteinen tekijä, lyhennetään GCD (engl. greatest common divisor), h on polynomi, jolle pätee seuraavat väitteet. (i) Polynomi h on polynomien( f 1,..., f s ) k[x] tekijä, (ii) ja jos polynomi p on polynomien( f 1,..., f s ) k[x] tekijä, niin p on h:n tekijä. 13

14 Määritelmä 3.5. Rengas on Noetherin rengas, eli lyhyemmin vain Noether, jos sen kaikki jonot toisiinsa sisältyviä ideaaleja I 0 I 1 I 2 I 3 I n stabiloituvat, eli jollain n 0 Z 0 pätee I n0 +k= I n0 kaikilla k 0. Lause 3.6. Toinen tapa määritellä Noetherin rengas on todeta, että sen kaikki ideaalit ovat äärellisesti generoituja (ks. [8, s.19].) Todistus. (Ks. [4, s. 20].) Osoitetaan, että määritelmät ovat yhtenevät. Oletetaan, että renkaan jokainen ideaali on äärellisesti generoitu ja olkoon I 0 I 1 I 2 I 3 I i jono toisiinsa sisältyviä ideaaleja ja määritellään Osoitetaan ensin, että I on ideaali. I = I i. i 1. koska 0 I i i Z 0 niin 0 I 2. Olkoon sitten f,g I eli f I i ja g I j joillekin i, j Z 0. Oletetaan sitten, että i j jolloin I i I j I, mistä seuraa f+g I j I eli f+g I. 3. Jos sitten h k[x 1,..., x n ] ja g I niin g I i jollakin i Z 0 jolloin hg I i I eli hg I. Kohtien (1) - (3) perusteella I on siis ideaali. Olkoon g 1,...,g r I generaattoreita, joista jokainen g i I ni vastaa jotain n i. Jos N= max(n 1,..., n r ), niin I = I N. Oletetaan sitten, että jokainen nouseva ideaaliketju stabiloituu. Olkoon I ideaali ja merkitään I= f α,α A. Tehdään vastaoletus, että I ei ole generoitu äärellisellä määrällä α. Tällöin muodostuu ääretön jono f α(1), f α(2),, jolle I r = f α(1),..., f α(r) I r+1 = f α(1),..., f α(r+1) jokaisella r, mikä on ristiriita. Määritelmä 3.7. (Ks.[1, s. 75].) Olkoon I k[x 1,..., x n ] ideaali, joka ei ole nollaideaali. (i) Määritellään LT(I) johtavien termien joukoksi ideaalissa I. Eli LT(I)={cx α : löytyy sellainen f I, jolla LT( f)=cx α }. 14

15 (ii) Merkitään LT(I) :llä ideaalin I johtavien termien generoimaa ideaalia. Lause 3.8. (Ks. [1, s. 75].) Olkoon I k[x 1,..., x n ] ideaali. (i) LT(I) on monomiaalinen ideaali. (ii) Voidaan löytää polynomitg 1,...,g t I, joilla LT(I) = LT(g 1 ),..., LT(g t ). Todistus. Ohitetaan, ei ole työn pääasiallista aluetta, Ks. [1, s. 75]. Lause 3.9 (Hilbertin kantalause). (Ks. [1, s. 76].) Jokainen ideaali I k[x 1,..., x n ] on äärellisesti generoitu, eli I= g 1,...,g t, joillaing 1,...,g t k[x 1,..., x n ]. Todistus. (Ks. [1, s. 76].) Jos ideaali on nollaideaali, niin generoiva joukko on {0}, joka on äärellinen. Lauseen 3.8 mukaan voidaan löytää polynomit g 1,...,g t I, joilla LT(I) = LT(g 1 ),..., LT(g t ). Väitetään, että I= g 1,...,g t. oletusten nojallag i I, joten g 1,...,g t I. Olkoon f I mielivaltainen polynomi. Jaollisuuslauseen, eli lause 3.13, nojalla voidaan jakaa f polynomeillag 1,...,g t, jolloin saadaan f= a 1 g a t g t + r, missä r ei ole jaollinen millään LT(g 1 ),..., LT(g t ). Väitetään nyt, että r= 0. Huomataan, että edellisestä yhtälöstä saadaan r= f a 1 g 1... a t g t I. Jos r 0, niin lauseen 3.11 nojalla sen johtava termi LT(r) on jaollinen jollain LT(g i ), mikä taas on ristiriita jakojäännöksen määritelmän nojalla, joten r= 0. Nyt siis f= a 1 g a t g t + 0 g 1,...g t, jolloin I g 1,...g t, mikä todistaa väitteen. 3.1 Gröbnerin kanta Määritelmä (Ks. [1, s. 70].) Ideaali I on monomiaalinen-ideaali, kun se on monomien generoima. Tällöin on joukko A Z n 0, jolla I sisältää kaikki polynomit, jotka ovat äärellisiä summia, muotoa α A h α x α, missä h α k[x 1,..., x n ]. Merkitään I= x α :α A. Lause (Ks. [1, s. 70].) Olkoon I = x α :α A monomiaalinen ideaali. Monomi x β sisältyy ideaaliin I jos ja vain jos x β on jaollinen termillä x α, jollain α A. Todistus. Jos x β on moninkerta monomista x α, jollainα, niin x β I ideaalin määritelmän nojalla. Toisaalta, jos x β I, niin x β = s i=1 h i x α(i), missä h i k[x 1,..., x n ] jaα(i) A. Jos jokainen h i jaetaan monomien lineaarikombinaatioiksi, nähdään että oikean puolen jokainen termi on jaollinen jollain termillä x α(i). Näin ollen vasemman puolen termillä x β täytyy olla tämä sama ominaisuus. 15

16 Määritelmä (Ks. [1, s. 77]) Määritellään jokin monomijärjestys. Nyt ideaalin I äärellinen osajoukko G={g 1,...,g t } on ideaalin Gröbnerin kanta, jos LT(g 1 ),..., LT(g t ) = LT(I). Gröbnerin kannalla on käyttökelpoisia, toivottavia ominaisuuksia, mitä kaikilla kannoilla ei ole. Voidaan osoittaa, että kaikilla ideaaleilla, jotka eivät ole nollaideaaleja on Gröbnerin kanta. Gröbnerin kanta ei kuitenkaan ole yksikäsitteinen. Seuraavan lauseen mukaan jakojäännös on yksikäsitteisesti määritelty, kun jaetaan Gröbnerin kannalla. Muilla kannoilla jakamalla näin ei välttämättä ole. Lause 3.13 (Jaollisuuslause polynomirenkaassa). (Ks. [1, s. 64].) Valitaan jokin monomijärjestys> ja olkoon F= ( f 1,..., f s ) järjestetty joukko polynomirenkaasta k[x 1,..., x n ]. Tällöin jokainen f k[x 1,..., x n ] voidaan kirjoittaa muotoon f= a 1 f 1 + +a s f s + r, missä a i, r k[x 1,..., x n ] ja joko r= 0 tai r on sellaisten monomien lineaarikombinaatio kunnassa k, joista mikään ei ole jaollinen millään termillä LT( f 1 ),..., LT( f s ). Todistus. Ohitetaan, ei ole työn pääasiallista sisältöä. (Ks. [1, s. 64].) Lause (Ks. [1, s. 82].) Olkoon G={g 1,...,g t } Gröbnerin kanta ideaalille I k[x 1,..., x n ] ja olkoon f k[x 1,..., x n ]. Tällöin on olemassa yksikäsitteinen jakojäännös r k[x 1,..., x n ], jolla on seuraavat kaksi ominaisuutta. (i) Mikään r:n termi ei ole jaollinen millään termeillä LT(g 1 ),..., LT(g t ). (ii) On sellainen funktiog I, jolla f= g+ r. Erityisesti r on polynomien f jakojäännös, kun jaetaan joukolla G olipa G:n alkiot järjestetty miten hyvänsä. Todistus. Lauseen 3.13 mukaan f = a 1 g a t g t + r, missä r toteuttaa ehdon (i). Myös kohta(ii) todistetaan sillä, kun valitaan, että g=a 1 g a t g t, jolloin on todistettu, että r on olemassa. Todistetaan yksikäsitteisyys olettamalla, että f = g+ r= g +r toteuttaa kohdat (i) ja (ii). Tällöin r r =g g I, joten jos r r, niin tällöin LT(r r ) LT(I) = LT(g 1 ),..., LT(g t ). Monomi-ideaaleja koskevan lauseen nojalla (Ks. [1, s. 70]) monomi kuuluu ideaaliin, jos ja vain jos se on jaollinen jollain ideaalin termillä, joten LT(r r ) on oltava jaollinen jollain LT(g i ). Tämä on ristiriita, sillä kumpikaan jakojäännöksistä r, r ei ole jaollinen termeillä LT(g i ). Siispä jakojäännöksen on oltava yksikäsitteinen r= r. Seuraavaa lausetta voidaan pitää myös Gröbnerin kannan määritelmänä. Lause (Ks.[1, s. 82].) Olkoon G= g 1,...,g t Gröbnerin kanta ideaalille I k[x 1,..., x n ] ja olkoon f k[x 1,..., x n ]. Tällöin f I jos ja vain jos f :n jakojäännös G:llä jaettuna on nolla. 16

17 Todistus. Seuraa lauseesta 3.14 ja erityisesti sen todistuksen loppuosasta. Määritelmä (Ks. [1, s. 83].) Merkitään polynomin f jakojäännöstä f F, kun se jaetaan järjestetyllä joukolla F= ( f 1,..., f s ). Jos F on Gröbnerin kanta polynomeille f 1,..., f s, niin lauseen 3.14 nojalla joukon F järjestyksellä ei ole väliä. Gröbnerin kantoja ideaaleille voidaan määrittää laskemalla ideaalin generaattoreille S-polynomit. Määritelmä (Ks. [1, s. 59].) Olkoon f = α a α x α polynomi, jolle f 0 ja f k[x 1,..., x n ] ja olkoon>monomijärjestys. Polynomin f (i) multideg( f)=max(α Z n a α 0), (ii) johtava kerroin LC( f)=a multideg( f) k ja (iii) johtava monomi LM( f)= x multideg( f). Määritelmä (Ks. [1, s. 83].) Olkoon f,g k[x 1,..., x n ] polynomeja ja f,g 0. (i) Olkoon polynomien multideg( f) = α ja multideg(g) = β. Olkoon tällöin γ=γ 1,...,γ n, missäγ i = max(α,β) kaikilla i ja LM( f):n ja LM(g):n pienin yhteinen jaettava LCM(LM( f), LM(g))= x γ. (ii) Polynomien f ja g S-polynomi on S( f,g)= xγ LT( f) f xγ LT(g) g. Lause 3.19 (Buchbergerin kriteerilause). (Ks. [1, s. 85].) Olkoon I polynomi-ideaali. Tällöin ideaalin I kanta G={g 1,...,g t } on Gröbnerin kanta ideaalille I jos ja vain jos kaikilla indeksipareilla i j pätee, että S(g i,g j ) jaettuna G:llä, jonkin monomijärjestyksen suhteen, jakojäännös on nolla. Todistus. Todistus ohitetaan, ei työn pääasiallista sisältöä. (Ks.[1, s. 85].) Seurauslause (Ks. [1, s. 91].) Olkoon G Gröbnerin kanta polynomi-ideaalille I. Olkoon p G sellainen polynomi, jolla LT(p) LT(G {p}). Tällöin myös G {p} on Gröbnerin kanta. Todistus. Gröbnerin kannan määritelmän nojalla LT(G) = LT(I). Jos LT(p) LT(G {p}), niin tällöin pätee LT(G {p}) = LT(G). Määritelmästä seuraa, että tällöin G {p} on Gröbnerin kanta. 17

18 Useimmiten Buchbergin algoritmin avulla määritellyt Gröbnerin kannat ovat laajempia, kuin on tarpeen, eli sisältävät ylimääräisiä polynomeja. Ylimääräisiä generaattoreita voidaan vähentää edellisen seurauslauseen tiedon avulla. Saadaan minimaalinen Gröbnerin kanta. Määritelmä (Ks. [1, s. 91].) Minimaalinen Gröbnerin kanta polynomi-ideaalille I on Gröbnerin kanta G I, jolle pätee: (i) LC(P)=1kaikilla p G. (ii) Kaikilla p G, LT(p) (G {p}). Määritelmä (Ks. [1, s. 92].) Redusoitu Gröbnerin kanta polynomi-ideaalille I on sellainen Gröbnerin kanta G I, jolla (i) LC(p)=1, kaikilla p G. (ii) Kaikilla p G pätee, ettei mikään p:n monomi sisälly ideaaliin LT(G {p}). Redusoidulla Gröbnerin kannalla on seuraava, tärkeä ominaisuus. Lause (Ks. [1, s. 92].) Olkoon I 0 polynomi-ideaali. Tällöin, annetulla monomijärjestyksellä, ideaalilla I on yksikäsitteinen redusoitu Gröbnerin kanta. Todistus. Ohitetaan, ei ole työn pääasiallista sisältöä. Ks. [1, s. 92]. 18

19 4 Variston ideaali Määritelmä 4.1. (Ks. [1, s. 32].) Olkoon V k n affiini varisto. Merkitään I(V)= { f k[x 1,..., x n ]: f(a 1,..., a n )=0kaikilla(a 1,..., a n ) V}. Huomataan, että I(V) on ideaali. Seurauslause 4.2. (Ks. [1, s. 32].) Jos V k n on affiini varisto, niin I(V) k[x 1,..., x n ] on ideaali. TällöinI(V) on variston V ideaali. Todistus. Ensinnäkin 0 I(V) pätee kaikkialla joukossa k n ja niin myös joukossa V. Oletetaan sitten, että f,g I(V) ja h k[x 1,..., x n ]. Olkoon (a 1,..., a n ) mikä tahansa piste varistossa V. Tällöin f(a 1,..., a n )+g(a 1,..., a n )=0+0=0, h(a 1,..., a n ) f(a 1,..., a n )= h(a 1,..., a n ) 0=0, joten määritelmän 2.7 nojalla I(V) on ideaali. Esimerkki 4.3. (Ks. [1, s. 11].) Tarkastellaan varistoa{(0, 0)}, eli joukonr 2 origoa esimerkkinä variston ideaalista. Origon ideaali I({(0, 0)}) koostuu polynomeista, jotka katoavat origossa. Väitetään nyt siis, että I({(0, 0)})= x,y. Kaikki A(x,y)x+ B(x,y)y muotoiset polynomit ovat origossa nollia, joten x,y I({(0, 0)}). Todistetaan sitten, että I({(0, 0)}) x,y. Oletetaan, että f = i,j a ij x i y j on nolla origossa. Tällöin a 00 = f(0, 0)=0. Tästä seuraa, että f= a 00 + i,j0,0 mikä todistaa väitteen. a ij x i y j = 0+ a ij x i 1 y j x+ a 0j x i y j 1 y x,y, i,j>0 i,j>0 Esimerkki 4.4. Olkoon varisto nyt V = k n, eli koko affiini avaruus. Tällöin sen ideaali I(k n ) sisältää ne polynomit, jotka katoavat kaikkialla. Kun k on ääretön, niin lauseen 2.16 nojallai(k n )={0}. Esimerkki 4.5. (Ks. [1, s. 12]) OlkoonV R 3 kaari, joka on parametrisoitu muotoon c(t)=(t, t 2, t 4 ). Jos tällöin x= t, niiny x 2 = z x 4 = 0, joten V= V(y x 2, z x 4 ). Sen ideaali oni(v)= y x 2, z x 4. Todistetaan tämä. Oletetaan ensin, että f= x α y β z γ, eli monomimuotoinen. Tällöin binomilauseen nojalla x α y β z γ = x α (x 2 +(y x 2 )) β (x 3 +(z x 3 )) γ = x α (x 2β + termit, joissa tekijöinä y x 2 )(x 3γ + termit, joissa z x 3 ). 19

20 Kertomalla auki yhtälö voidaan saattaa muotoon x α y β z γ = h 1 (y x 2 )+ h 2 (z x 3 )+ x α+2β+3γ joillain polynomeilla h 1, h 2 R[x,y, z]. Nyt polynomi f voidaan kirjoittaa muotoon f= h 1 (y x 2 )+ h 2 (z x 4 )+r, missä h 1, h 2 R[x,y, z] ja r riippuvat vain muuttujasta x. Koska mikä tahansa polynomi voidaan kirjoittaa monomimuodossa väite pätee kaikille f R[x, y, z]. Nyt koska polynomit y x 2, z x 4 muodostavat variston V(y x 2, z x 4 ), niin y x 2, z x 4 I(V) ja ideaalin määritelmän nojalla myös h 1 (y x 2 )+h 2 (z x 4 ) I(V). Näin ollen y x 2, z x 4 I(V). Väitteen todistamiseksi toiseen suuntaan oletetaan, että f I(V) ja f= h 1 (y x 2 )+ h 2 (z x 4 )+r. Polynomi oli parametrisoitu muotoon c(t)=(t, t 2, t 4 ). Koska f on nolla joukossa V, saadaan 0= f(t, t 2, t 4 )=0+0+r(t). Tällöin lauseen 2.16 nojalla r R[x] täytyy olla nollapolynomi. Näin on osoitettu, ettäi(v)= y x 2, z x 4. Lause 4.6. (Ks. [1, s. 34].) Jos polynomit f 1,..., f s k[x 1,..., x n ], niin f 1,..., f s I(V( f 1,..., f s )). Todistus. Olkoon f f 1,..., f s, eli se on muotoa f= s i=1 h i f i, joillain h 1,..., h s k[x 1,..., x n ]. Koska polynomit f 1,..., f s katoavat joukossa V( f 1,..., f s ), niin myös f= s i=1 h i f i. Koska f katoaa joukossa V( f 1,..., f s ) tarkoittaa se, että f I(V( f 1,..., f s )). Esimerkki 4.7. (Ks. [1, s. 35].) Edellistä lausetta ei voida kirjoittaa muodossa f 1,..., f s = I(V( f 1,..., f s )), sillä x 2,y 2 I(V(x 2,y 2 )) ei päde toiseen suuntaan. Määritetään ensin I(V(x 2,y 2 )). Yhtälöstä x 2 = y 2 = 0 seuraa, että V(x 2,y 2 )={(0, 0)}. Esimerkissä 4.3 on kuitenkin todettu, että joukon {(0, 0)} ideaali on x,y, joteni(v(x 2,y 2 ))= x,y. Tämä joukko on suurempi, kuin x 2,y 2. Joukon x 2,y 2 polynomien aste on vähintään kaksi ja sen polynomit ovat muotoa h 1 x 2 + h 2 y 2, joten esimerkiksi x x 2,y 2, sillä xh 1 x 2 + h 2 y 2. Lause 4.8. (Ks. [1, s. 35].) Olkoon V ja W affiineja varistoja renkaassa k n. Tällöin: (i) V W jos ja vain josi(w) I(V). (ii) V= W jos ja vain josi(v)=i(w). 20

21 Todistus. (Vrt. [1, s. 35, 37].) Oletetaan ensin, että V W. Tällöin mikä tahansa polynomi, joka katoaa varistossa W katoaa myös varistossa V. Tästä seuraa että I(W) I(V). Oletetaan sitten, että I(W) I(V). Tiedetään, että W on joidenkin polynomien g 1,...,g t k[x 1,..., x n ] määrittelemä, eli g 1,...,g t I(W) I(V) eli kaikki polynomitg i, 1 i t, katoavat varistossa V. Koska varistossa W ovat polynomien g i kaikki yhteiset nollakohdat, niin V W. Todistetaan kohta(ii) samoin, kuin kohta(i), mutta vaihdetaan varistojen V ja W paikkaa. Osoitetaan että joukot ovat molemmat toistensa osajoukkoja, jolloin niiden täytyy olla yhtä suuret. Oletetaan ensin, että W V, jolloin jos f V, niin f katoaa myös joukossa W, eli I(V) I(W). Oletetaan sitten, että I(V) I(W). Nyt V on polynomien g 1,...,g t k[x 1,..., x n ] määrittelemä, eli g 1,...,g t I(W) I(V). Nyt kaikki polynomitg i katoavat varistossa V. Varistojen V ja W yhteiset nollakohdat sisältyvät siten varistoon W eli V W. 4.1 Ideaalin varisto Määritelmä 4.9. (Ks. [1, s. 79].) Olkoon I ideaali. Merkitään V(I) joukkoa V(I)={(a 1,..., a n ) k n : f(a 1,..., a n )=0, f I}. Vaikka nollasta poikkeava ideaali sisältää aina äärettömän monta polynomia joukko V(I) voidaan määrittää äärellisellä joukolla polynomeja. Lause (Ks. [1, s. 79]) V(I) on affiini varisto. Erityisesti, jos I= f 1,... f s, niinv(i)= V( f 1,..., f s ). Todistus. Osoitetaan ensin, ettäv(i) V( f 1,..., f s ). Nyt Hilbertin kantalauseen, eli lauseen 3.9, nojalla jollain äärellisesti generoidulla joukolla I= f 1,..., f s. Väitetään siis, ettäv(i)=v( f 1,..., f s ). Huomataan ensin, että f i I, jos f(a 1,..., a n )=0 kaikilla f I, niin f i (a 1,..., a n )=0, jotenv(i) V( f 1,..., f s ). Toisaalta olkoon (a 1,..., a n ) V( f 1,..., f s ) ja olkoon f I. Koska I = f 1,..., f s voidaan kirjoittaa s f= h i f i, i=1 jollain h i k[x 1,..., x n ]. Jolloin pätee, että f(a 1,..., a n )= s h i (a 1,..., a n ) f i (a 1,..., a n )= i=1 s h i (a 1,..., a n ) 0=0. i=1 Joten myösv( f 1,..., f s ) V(I), eli väite pätee. Tärkein seuraus tälle lauseelle on, että varistot voidaan määritellä ideaalien avulla. 21

22 Lause (Ks.[1, s. 32].) Jos f 1,..., f s ja g 1,...,g t ovat saman ideaalin kantoja, niin että f 1,..., f s = g 1,...,g t, niin tällöin myösv( f 1,..., f s )=V(g 1,...,g t.) Todistus. (Vrt. [1, s.36].) Seuraa suoraan lauseen 4.10 jälkimmäisestä osasta. Jos I= f 1..., f s = g 1,...,g t, niinv(i)=v( f 1,..., f s )=V(g 1,...,g t ). Esimerkki Tarkastellaan esimerkiksi varistoa V(2x 2 + 3y 2 11, x 2 y 2 3). Esimerkissä 2.12 on osoitettu, että 2x 2 + 3y 2 11, x 2 y 2 3 = x 2 4,y 2 1. Edellisen lauseen nojalla siis V(2x 2 + 3y 2 11, x 2 y 2 3)=V(x 2 4,y 2 1)= {(±2,±1)}. Näin siis myösv(x xy,y xy, x 2,y 2 )=V( x+y, x y )=V(x,y)={(0, 0)}. Esimerkki Osoitetaan, ettäv(i(v))= V. Olkoon ensin(a 1,..., a n ) V(I(V)), jolloin kaikilla f I(V) pätee, että f(a 1,..., a n )=0. Variston ideaalin määritelmän nojalla f(a 1,..., a n )=0 kaikilla (a 1,..., a n ) V, joten (a 1,..., a n ) V, eli V(I(V)) V. Olkoon sitten(a 1,..., a n ) V. NytI(V)= f 1,..., f s ja f i (a 1,..., a n )=0, kun 1 i s. Tämän ideaalin varisto on joukko pisteitä, joilla f 1 = f 2 = = f s = 0 ja valittu piste(a 1,..., a n ) on sellainen, joten V V(I(V)), mikä todistaa väitteen. 22

23 5 Eliminaatio- ja laajennuslause Yhtälöryhmiä ratkaistessa kahden, kolmen tai neljän muuttujan tapauksissa on voidaan yrittää eliminoida jokin muuttuja ja sijoittaa saatu ratkaisu toisiin yhtälöihin. Tämä voidaan yleistää tomivaksi myös n:n muuttujan yhtälöryhmissä, kun hyödynnetään ideaaleja ja Gröbnerin kantoja. Määritelmä 5.1. (Ks. [1, s. 116].) Ideaalin I = f 1,..., f s k[x 1,..., x n ] l:s eliminaatioideaali renkaassa k[x 1,..., x n ] määritellään I l = I k[x l+1,..., x n ]. Eli eliminaatioideaali I l sisältää ideaalin I polynomit, jotka riippuvat vain muuttujista x l+1,..., x n. Eliminaatioideaali siis muuttuu riippuen siitä, onko polynomit aakkosjärjestyksessä, eli x > y > z, tai jossain muussa järjestyksessä. Tässä työssä muuttujat järjestetään x 1 > x 2 >...> x n. Pisteitä, jotka ovat varistossa V(I l ) kutsutaan osittaisiksi ratkaisuiksi. (Ks. [1, s. 123].) Lause 5.2 (Eliminaatiolause.). (Vrt. [1, s. 116].) Olkoon I k[x 1,..., x n ] ideaali ja olkoon G ideaalin I Gröbnerin kanta monomijärjestyksen x 1 > x 2 >...> x n mukaan. Tällöin jokaisella indeksillä 0 l n, joukko G l = G k[x l+1,..., x n ] on Gröbnerin kanta l:nnelle eliminaatioideaalille I l. Todistus. Olkoon 0 l n. Gröbnerin kannan määritelmän (määritelmä 3.12) nojalla riittää osoittaa, että LT(I Gl ) = LT(I l ). Koska G l I l, niin myös LT(I Gl ) LT(I l ). Lauseen 3.15 nojalla väitteen toiseen suuntaan todistamiseksi riittää osoittaa, että ensimmäinen termi LT( f) on jaollinen termillä LT(g), jollain g G. Huomataan, että myös funktio f sisältyy ideaaliin I, mistä seuraa, että LT( f) on jaollinen jollain termillä LT(g), jollain polynomilla g, sillä G on ideaalin I Gröbnerin kanta. Huomataan vielä, että koska f I l on termissä LT(g) vain muuttujat x l+1,..., x n. Käytetään aakkosellista monomijärjestystä, jossa x 1 > > x n, joten mikä tahansa monomi, jossa on muuttujia x 1,..., x l on suurempi kuin kaikki monomit, jotka ovat renkaassa k[x l+1,..., x n ]. Siispä, koska LT(g) [x l+1,..., x n ], niin g k[x l+1,..., x n ]. Tästä seuraa, että g G l, mikä todistaa väitteen. Eliminaatiolauseen avulla voidaan eliminoida muuttujia ottamalla Gröbnerin kanta jonkin monomijärjestyksen avulla. Esimerkki 5.3. Olkoon I k[x 1,..., x n ] ideaali. Osoitetaan, että I l = I k[x l+1,..., x n ] on ideaali renkaassa k[x l+1,..., x n ]. 23

24 (1) Koska 0 I ja 0 k[x l+1,..., x n ], niin 0 I k[x l+1,..., x n ]. (2) Jos f I k[x l+1,..., x n ], niin f I ja f k[x l+1,..., x n ]. Samoin, jos g I k[x l+1,..., x n ], niing I jag k[x l+1,..., x n ]. Nyt siis f I jag I, joten ideaalin määritelmän nojalla myös f+g I ja koska f+g k[x l+1,..., x n ], niin myös f+g I k[x l+1,..., x n ], eli ideaalin määritelmän toinen osa toteutuu. (3) Olkoon f I k[x l+1,..., x n ]. Jos h k[x l+1,..., x n ], niin h f I ideaalin määritelmän nojalla ja koska h f k[x l+1,..., x n ], niin h f I k[x l+1,..., x n ], eli kolmaskin ideaalin määritelmän osa toteutuu joten I l = I k[x l+1,..., x n ] on ideaali. Kaikista osittaisista ratkaisuista ei kuitenkaan saada laajennettua ratkaisujen joukkoa. Laajennuslauseen avulla voidaan selvittää, milloin näin voidaan tehdä. 5.1 Resultantit ja laajennuslause Polynomien jaottomuudesta Määritelmä 5.4. (Ks. [1, s. 150].) Olkoon k kunta. Polynomi f k[x 1,..., x n ] on jaoton kunnassa k, jos f ei ole vakiopolynomi, eikä se ole minkään renkaan k[x 1,..., x n ] vakioista poikkeavien polynomien tulo. Lause 5.5. (Ks. [1, s. 151].) Olkoon f k[x 1,..., x n ] jaoton kunnassa k ja oletetaan, että f jakaa tulon gh, missäg, h k[x 1,..., x n ]. Tällöin f jakaa joko g:n tai h:n. Todistus. Voidaan todistaa induktiolla; ensin yhdelle muuttujalle suurimman yhteisen tekijän avulla ja useammalle muuttujalle rationaalipolynomirenkaassa renkaan k(x 2,..., x n )[x 1 ] avulla. Ks. [1, s. 151]. Lause 5.6. (Ks. [1, s. 152].) Oletetaan, että molempien polynomien f,g k[x 1,..., x n ] muuttujan x 1 aste deg(x 1 )>0. Polynomeilla f ja g on yhteinen tekijä renkaassa k[x 1,..., x n ] jos ja vain jos niillä on yhteinen tekijä renkaassa k(x 2,..., x n )[x 1 ]. Todistus. Jos polynomeilla f ja g, joiden termin x 1 aste> 0, on yhteinen tekijä h renkaassa k[x 1,..., x n ], niin niillä on myös yhteinen tekijä suuremmassa polynomirenkaassa k(x 2,..., x n )[x 1 ]. Toisaalta, jos polynomeilla f ja g on yhteinen tekijä h k(x 2,..., x n )[x 1 ], niin f= ĥ ˆf 1, ˆf 1 k(x 2,..., x n )[x 1 ]. g=ĥˆ g 1, gˆ 1 k(x 2,..., x n )[x 1 ]. Nyt polynomeilla ĥ, ˆf 1 ja gˆ 1 voi olla nimittäjiä, jotka ovat polynomeja renkaasta k[x 2,..., x n ]. Olkoon d k[x 2,..., x n ] yhteinen osamäärän nimittäjä. Tällöin h= 24

25 dĥ, f 1 = d ˆf 1 ja g 1 = dgˆ 1 renkaassa k[x 1,..., x n ]. Jos kerrotaan f ja g, niin kuin ne on edellä kirjoitettu nimittäjän toisella potenssilla d 2 saadaan d 2 f= h f 1, d 2 g=hg 1 renkaassa k[x 1,..., x n ]. Olkoon nyt h 1 jaoton h:n tekijä, kun polynomien aste on positiivinen muuttujan x 1 suhteen. Koska ĥ=h/d:n aste on positiivinen muuttujassa x 1, niin sellaisen tekijän h 1 tulee olla olemassa, että h 1 jakaa tekijän d 2 f. Se siis jakaa joko tekijän d 2 tai f (Ks. [1, s. 151]). Ensimmäinen vaihtoehto on mahdoton, sillä d 2 k[x 2,..., x n ], eli f on jaollinen tekijällä h 1 renkaassa k[x 1,..., x n ]. Samoin g on jaollinen tekijällä h 1, joten h 1 on polynomien f ja g yhteinen tekijä Resultantin ominaisuuksia Polynomien resultantteja voidaan käyttää selvittämään, onko polynomeilla yhteisiä tekijöitä polynomirenkaassa laskematta jakolaskuja. Tässä työssä resultantteja tarvitaan laajennuslauseen todistamiseen. Lause 5.7. (Ks. [1, s. 154].) Olkoon f,g k[x] polynomeja, joiden asteet ovat l> 0 ja m>0. Tällöin polynomeilla on yhteinen tekijä jos ja vain jos on polynomit A, B k[x], joille pätee: (i) molemmat A ja B eivät ole nollia. (ii) deg(a) m 1 ja deg(b) l 1. (iii) A f+ Bg=0. Todistus. Oletetaan ensin, että polynomeilla f ja g on yhteinen tekijä h k[x], jolloin f = h f 1 ja g=hg 1, missä f 1,g 1 k[x]. Koska f :n aste on l, niin f 1 :n aste on korkeintaan l 1 ja g 1 :n aste on korkeintaan m 1. Nyt siis g 1 f+( f 1 ) g=g 1 h f 1 +( f 1 ) hg 1 = 0, joten polynomeilla A=g 1 ja B= f 1 on halutut ominaisuudet. Oletetaan sitten, että on sellaiset polynomit A ja B, joilla on yllä luetellut ominaisuudet. Olkoon B0. Jos oletaan, ettei polynomeilla g ja f ole yhteistä tekijää, niin niiden GCD( f,g)=1. Tällöin on olemassa sellaiset polynomit  ja ˆB, joilla  f + ˆBg = 1. Kerrotaan tämä yhtälö puolittain polynomilla B ja sijoitetaan oletuksen mukainen Bg= A f, jolloin B=( f+ ˆBg)B= ÂB f+ ˆBBg= ÂB f ˆBA f= (ÂB ˆBA) f. Tällöin B:n aste olisi vähintään deg( f) = l, mikä on ristiriidassa oletusten kanssa, joten A:lla ja B:llä on oltava yhteinen tekijä. 25

26 Kun halutaan selvittää, onko tällaisia polynomeja A ja B olemassa voidaan hyödyntää lineaarialgebran tuloksia kirjoittamalla A f + Bg = 0 lineaariseksi yhtälöryhmäksi. Nyt (5.1) (5.2) A=c 0 x m 1 + +c m 1, B=d 0 x l 1 + +d l 1. Tahdotaan määrittää c i, d i k, jotka eivät kaikki ole nollia, niin että yhtälö A f+ Bg=0 pätee. Tällöin saadaan polynomit A ja B, jotka täyttävät lauseen 5.7 ehdot. Yhtälöryhmämuotoon saattamiseksi kirjoitetaan polynomit f ja g seuraavasti f=a 0 x l + +a l, a 0 0, g=b 0 x m + +b m, b 0 0, missä a i, b i k. Eli nyt A f+bg=c 0 a 0 x m 1 x l + +d 0 b 0 x l 1 x m +d 0 b 0 x l 1 x m + d l 1 b m = 0. Sijoitetaan nämä haluttuun muotoon, jolloin saadaan lineaarinen yhtälöryhmä, minkä muuttujat ovat c i, d i ja kertoimet ovat a i, b i k: a 0 c 0 + b 0 d 0 = 0, muuttujat x l+m 1 :stä a 0 c 0 + a 1 c 1 + b 0 d 0 + b 1 d 1 = 0, muuttujat x l+m 2 :stä. a l c m 1 + b m d l 1 = 0,. muuttujat x 0 :sta. Koska nyt lineaarisia yhtälöitä on l+ m ja muuttujia l+ m kappaletta, tiedetään lineaarialgebrasta, että yhtälöryhmällä on nollasta poikkeava ratkaisu jos ja vain jos sen matriisin determinantti on nolla. Kyseistä matriisia sanotaan Sylvesterin matriisiksi. Määritelmä 5.8 (Sylvesterin matriisi). (Ks. [1, s. 155].) Kirjoitetaan kiinnitetyt polynomit f,g k[x], joiden aste on positiivinen, muotoon f=a 0 x l + +a l, a 0 0, g=b 0 x m + +b m, b 0 0. Tällöin polynomien f ja g Sylvesterin matriisi, muutujan x suhteen, merkitään Syl( f,g, x) on kerroinmatriisi, joka muodostetaan yhtälöistä, joiden muuttujat ovat 26

27 c i, d i. Tällöin Syl( f,g, x) on seuraavanlainen(l+ m) (l+ m) matriisi: a 0 b 0 a 1 a 0 b 1 b 0. a 2 a 1... b2 b a0... b0 Syl( f,g, x)=. a 1. b 1, a l b m a l. b m a l b m missä tyhjät kohdat ovat nollia. Nyt polynomien f ja g resultantti muuttujan x suhteen, on Sylvesterin matriisin determinantti ja merkitään Res( f,g, x)=det(syl( f,g, x)). Määritelmästä seuraa resultantin ominaisuudet, kuten esimerkiksi seuraava mielenkiintoinen ominaisuus. Lause 5.9. (Ks. [1, s. 156, 511].) Kun kiinnitettyjen polynomien f,g k[x] aste on positiivinen niin niiden resultantti Res( f, g, x) on kokonaislukupolynomi, eli antaa kokonaislukuarvoilla vastaukseksi kokonaislukuja ja polynomeilla f ja g on yhteinen tekijä renkaassa k[x] jos ja vain jos resultantti Res( f,g, x)=0. Todistus. Ensimmäisen osan todistus seuraa n n matriisin A=(a ij ) l<i,j<s determinantin määritelmästä det(a) = sgn(σ)a 1σ(1) a 2σ(2) a sσ(s), s missä sgn(σ) on permutaatioiden merkki jaσ S n, missä S n on permutaatioryhmä. Tästä nähdään, että determinantti on kokonaislukupolynomi, jonka kertoimet ovat 1 tai 1. Toinen osa seuraa siitä, että jos resultantti on nolla on se yhtäpitävää sen kanssa, että yhtälöryhmän kerroinmatriisin determinantti on nolla, mikä on taas yhtäpitävää sen kanssa, että yhtälöryhmällä on nollasta poikkeava ratkaisu. Tämä todettiin lauseen 5.7 todistuksessa. 5.2 Resultantit polynomirenkaassa Koska halutaan todistaa laajennuslause, niin tarvitaan resultantteja polynomirenkaassa, kun muuttujia on n kappaletta. Olkoon f,g k[x 1,..., x n ] polynomeja, joiden muuttujan x 1 aste on positiivinen. Nyt polynomien f ja g resultantti, muuttujan x 1 suhteen, on seuraavan matriisin determinantti: 27

28 a 0 b 0 a 1 a 0 b 1 b 0. a 2 a 1... b2 b a0... b0 Res( f,g, x 1 )=det. a 1. b 1, a l b m a l. b m a l b m missä tyhjät kohdat ovat nollia. Määritellään resultanttien ominaisuudet polynomirenkaassa. Lause (Ks. [1, s. 163].) Olkoon f,g k[x 1,..., x n ] polynomeja, joiden muuttujan x 1 aste on positiivinen. Tällöin: (i) Res( f,g, x 1 ) sisältyy ensimmäiseen eliminaatioideaaliin f,g k[x 2,..., x n ]. (ii) Res( f,g, x 1 )=0 jos ja vain jos polynomeilla f jag on yhteinen tekijä renkaassa k[x 1,..., x n ], jonka muuttujan x 1 aste on positiivinen. Todistus. Kun polynomi kirjoitetaan muuttujan x 1 suhteen, sen kertoimet a i, b i ovat renkaasta k[x 2,..., x n ]. Lauseen 5.9 mukaan resultantti on kertoimien a i, b i kokonaislukupolynomi, joten Res( f,g, x 1 ) k[x 2,..., x n ]. Lauseen 5.9 nojalla A f+ Bg=Res( f,g, x 1 ), missä A ja B ovat polynomeja muuttujan x 1 suhteen ja joiden kertoimet ovat kokonaislukupolynomeja a i, b i. Niinpä A, B k(x 2,..., x n )[x 1 ] = k[x 1,..., x n ] ja Res( f,g, x 1 ) f,g, mikä todistaa väitteen kohdan (i). Toisen osan todistamiseksi huomataan, että lause 5.9 pätee myös polynomirenkaassa, kun f ja g ovat polynomeja renkaassa k[x 1 ], joiden kertoimet ovat renkaasta k[x 2,..., x n ] ja siis kunnasta k(x 2,..., x n ). On osoitettu, että Res( f,g, x)=0 jos ja vain jos polynomeilla f jagon yhteinen tekijä renkaassa k(x 2,..., x n )[x 1 ], missä deg(x 1 ) 0. Lause 5.6 osoittaa, että tämä on yhtäpitävää sen kanssa, että polynomeilla on yhteinen tekijä renkaassa k[x 1,..., x n ], kun deg(x 1 ) 0, mikä todistaa väitteen. Laajennuslauseen todistuksessa tarkastellaan resultanttien ja osittaisten ratkaisujen vuorovaikutusta. Polynomeille f,g C[x 1,..., x n ] saadaan resultantti h=res( f,g, x 1 ) C[x 2,..., x n ] kuten edeltävässä lauseessa. Jos sijoitetaan c=(c 2,..., c n ) polynomiin h saadaan resultantin erikoistapaus. Seuraava lause kertoo, milloin h varmasti vastaa polynomeja f(x 1, c) ja g(x 1, c). 28

29 Lause (Ks. [1, s. 164].) Olkoon f,g C[x 1,..., x n ] polynomeja, joiden asteet ovat l, m ja olkoon c=(c 2,..., c n ) C n 1 piste, joka täyttävät seuraavat ehdot: (i) polynomin f(x 1, c) C[x 1 ] aste on l. (ii) polynomin g(x 1, c) C[x 1 ] aste on p m. Tällöin polynomille h=res( f,g, x 1 ) C[x 2,..., x n ] pätee (5.3) h(c)=a 0 (c) m p Res( f(x 1, c),g(x 1, c), x 1 ), missä a 0 0 ja se on polynomin f muuttujan x 1 korkeimman potenssin kerroin kuten Sylvesterin matriisin määritelmässä. Todistus. Jos korvataan muuttujat x 2,..., x n polynomilla c=(c 2,..., c n ) resultanttiin h=res( f,g, x 1 ) saadaan a 0 (c) b 0 (c) h(c)=det. a 0 (c). b 0 (c) a l (c). b m (c) a l (c) b m (c) Oletetaan ensin, että polynoming(x 1, c) aste on p=m. Tällöin oletusten nojalla f(x 1, c)=a 0 (c)x l 1 + +a l(c), a 0 (c)0, g(x 1, c)=b 0 (c)x m 1 + +b m(c), a 0 (c)0. Siispä ylläoleva determinantti on polynomien f(x 1, c) jag(x 1, c) resultantti, joten h(c)=res( f(x 1, c),(g(x 1, c), x 1 ).. Tämä todistaa väitteen, kun p = m. Tapauksen p < m todistus ohitetaan. Jos toinen yhtälöistä, joista resultantti otetaan on vakio, pätee seuraava lause. Lause (Ks. [1, s. 161 ].) Olkoon f Res( f, b 0, x)=b0 N. k[x] ja olkoon b 0 vakio. Tällöin Todistus. (Vrt. [1, s.161]) Nyt Res( f, b 0, x)=det(syl( f, b 0, x)). Tässä Sylvesterin matriisi on matriisi, jonka lävistäjällä on vakioita b 0 ja muut kohdat ovat nollia, sillä polynomin b 0 aste on nolla, joten matriisiin ei tule termejä polynomista f. Olkoon polynomin f aste N, jolloin Sylvesterin matriisiin tulee N kappaletta vakioita b 0, joten Sylvesterin matriisin determinantti on b0 N, mikä todistaa väitteen. 29