12-10-2023
В коммутативном кольце идеал называется простым, если факторкольцо по нему является областью целостности. Равносильная формулировка: если и из следует или .
Понятие простого идеала является частным случаем понятия первичного идеала.
Одна из важнейших конструкций коммутативной алгебры, использующих понятие простого идеала — локализация кольца по простому идеалу .
Множество всех простых идеалов кольца образует спектр кольца . В его определение также входит описание топологии и структурного пучка локальных колец, превращающие его в аффинную схему — базовый объект алгебраической геометрии.
Действительно, пусть , . Рассмотрим идеал . Поскольку максимален, то либо (что невозможно, поскольку ), либо . Но тогда и значит .
Доказательство использует один из вариантов трансфинитной индукции — лемму Цорна. Множество всех идеалов кольца , содержащих и не пересекающихся с системой , непусто (оно включает идеал ), и отношение теоретико-множественного включения задаёт на нём индуктивный порядок. По лемме Цорна это множество содержит максимальный элемент — максимальный идеал .
Пусть — простой идеал, содержащий . Если элемент принадлежит радикалу , значит некоторая его степень принадлежит идеалу , значит не может принадлежать дополнению к , так как это дополнение — мультипликативная система (если оно содержит , то содержит и все его степени). Значит необходимо принадлежит всем простым идеалам, содержащим идеал .
Обратно: пусть не принадлежит радикалу . Тогда множество всех его степеней — мультипликативная система, не пересекающаяся с . По предыдущей теореме существует простой идеал, содержащий и не содержащий ни одну из степеней элемента . Значит не принадлежит всем простым идеалам, содержащим идеал .
Пусть — некоторый простой идеал. Пусть — наибольший общий делитель чисел . Тогда найдутся целые числа такие, что (соотношение Безу). Значит . Если теперь — НОД всех элементов идеала , то . Поскольку из должно следовать или , то — простое число.
Любой элемент можно представить в виде , где — некоторые многочлены, определено однозначно элементом . Условие равносильно тогда условию , откуда следует либо , либо .
Простой идеал.