• 検索結果がありません。

Some Topological Properties of the Derivation Algebra D(K/k) for a Field Extension K/k

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "Some Topological Properties of the Derivation Algebra D(K/k) for a Field Extension K/k"

Copied!
5
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

奈良教育大学学術リポジトリNEAR

Some Topological Properties of the Derivation Algebra D(K/k) for a Field Extension K/k

著者 KIKUCHI Teppei

journal or

publication title

奈良教育大学紀要. 自然科学

volume 31

number 2

page range 1‑4

year 1982‑11‑25

URL http://hdl.handle.net/10105/2308

(2)

Some Topological Properties of the Derivation

Algebra &(K/k) for a Field Extension K/k

Teppei KIKUCHI

(Department of Mathematics, Nara University of Education, Nara, Japan) (Received April 17, 1982)

Let K be a field extension of a field k, and @(K/k) be its derivation algebra. In the previous paper [1], we gave some topological considerations on @(K/k). And we showed, for example, that @(K/k) is dense in Homt(Z,K) with respect to the finite topology if and only if the center Z(3)(K/k)) of 2>{K/k) coincides with k. On the other hand, we

know already that 3{K/k) ‑9(K/k.) and Z(9(K/k,))⊃k, (where k, denotes the separable algebraic closure of k in K) and that if [K:k ] is finite then 3>{K/k) is discrete. Con‑

sequently &(K/k) is discrete if [K:k,〕 is finite.

In this paper first we show that the converses of these are false. That is, we show the existence of an example K/k such that Z(3>(/k))キks and 3>(K/k) is discrete nevertheless ¥̲K:k, ] is not finite.

Next we shall prove that, under the assumption Z(S>{K/k)) ‑k, @{K/k) is discrete if and only if ¥̲K:k] is finite.

Finally we shall notice that, under a natural isomorphism <p:RomK(KョK, K)CSH.omk (K, K) such that <p(f)(*) ‑/(7㊤x), <p‑1(@(K/k)) is the totality of the iiT‑linear maps f:K

㊥K‑→K which are continuous with respect to the /K/*‑adic topology of見④K and the discrete topology of K.

Notation and terminology are the sarrle as [1], [2] and [3]. I、he finite topology of Homk(K, K) or <&(K/k) defined in [1] will be called the finite ^‑topology in this paper.

㊤ means always (x)k.

1. An example

Let K be a field extension of a field k, and h, be the separable algebraic closure of k in K. First we notice the following.

LEMMA 1. Let F be an intermediate field between k and K. Then thefiniteF‑topol‑

ogy of B‑omF(K, K) coincides with the relative topology induced by the finite k‑topology of Horn*(if, K), that is, HomF(if, K) is a subspace of Horn,(if, K).

This is obvious by the fact 」/J?OI‑:jy,‑) ‑」/サ(#,・;.)>,・)nHorrid(K, K) for any pair of finite

l

(3)

2

subsets {#,‑} and {>>,‑} (7∈/) of K.

Teppei Kikuchi

COROLLARY 2. (1) The set ^(K/k) is identical with @(K/ks) and its finite k‑topol‑

ogy coincides with its finite k,‑topology. (2) If [K:k, ¥ is finite, then 3>(K/k) is discrete.

PROOF. (1) The factョ(K/k)‑S(K/ks) has been already proved in [3] and the rest is obvious because 2(K/k.) is a subspace of 2>(K/k) in general by Lemma 1. (2) If [K:k, ¥ is finite, then <2(K/k,) is discrete. Hence 3i(K/k) is also discrete due to (1).

q.e.d.

Now a question arises: if 2){K/k) is discrete, is [K:k,] or [K:k ¥ finite?

On the other hand we know that Z(9(K/k))‑Z(9(K/k,))⊃k,. Then is the con‑

verse of this true? That is, does it hold that Z(@(K/k))‑k, in general?

Next example shows that the answers of the both questions are negative.

EXAMPLE 3. Let ko be aperfect field of characteristic p>0, and x and y be inde‑

pendent variablesoverk。. Set k‑k。(x,y) and K‑k(yp , yp H, y♪‑",‑). Then we have the following.

(1) K is purely inseparable over k, hence k,‑k.

(2) [K:k]‑‑‑.

(3) 9(K/k) ‑Z(9(K/k)) ‑‑=Kキk.

(4) 2{K/k) is discrete.

PROOF (1) and (2) are trivial. By definition we have K‑k。(x) h(.y)* 叩, KP叫‑k.

(y)♪‑∽ and k(Kf伽)‑K Hence, for any positive integer n, we have IK/k⊂IK/f because

each element l㊤a‑a㊨l(a∈K) is written in the form of 冒 b,a⑪Ci‑Ci㊤l)p with bi∈kl

and cj∈K. This means that IK/kp ‑/*/* and hence the null map is the only one high order derivation of a over k. Thus we have 5d{K/lx) ‑K and consequently Z(@(K/k))‑K, which proves (3). To prove (4), we have only to show that the set {o} is open in K¥, with respect to the topology induced from the finite ^‑topology of Homi(it, K). However this is obvious from the fact Ui{a;o)r¥∬lx‑{o} for any non‑zero a∈K. q.e.d.

2. Discreteness of 2{K/k)

Above example shows that the discreteness of 2(K/k) does not imply the finiteness of [K:k] in general. Now we shall prove, if K/k satisfies the condition Z(S>(K/k))‑k, the discreteness of 2(K/k) is equivalent to the finiteness of [K:k ].

LEMMA 4. Let K be a field extension ofa field k. Then the following^ are equiva‑

lent.

(1) 3)(K/k) with the finite k‑topology is discrete.

(2) {o} is open in 2>{K/k) with the finite k‑topology.

(4)

(3) lhere exists afinitesubset {xu…,xn) ofKsuch that Uk(xh…,xn¥O,…,0)(3>{K/k)

‑{o}.

PROOF. The implications (1)^>(2)<>(3) are obvious. (3悼(1) is also immediate, because Uk(xh‑ xn; 0,‑, 0)〔3{K/k)‑ {o) implies Ut(xltH.. *.;/(*i)....,/(* ))(3{K/k) ‑ {f) for each /∈3>(K/k), which means each one point set is open inョ(K/k).

LEMMA 5. Let K be a field extension ofa field k. Then Horn*(if, K) with the finite k‑fopology is a Hausdorff space.

PROOF. Let /and g be elements of Horn*(if, K) and /キg. Choose an element x∈

Ksuch that f(x)キg(x). Then we have Uk(x;f(x))nUt(x;g(x))‑¢ q.e.d.

Now suppose that if is a field extension of a field k such that Z(S>(K/k))‑k and 9) (A/ft) is discrete with respect to the finite ^‑topology. Then there exists a finite subset

{*!,.‑,xn} of if such that Uk(xi xn;O,…,0)nS>(K/k)‑{o} by Lemma 4. However, by

Cor. 7 0f our previous paper [1], @(K/k) is dence in Homk(K,K). Hence Uk{xu‥.xn;

0,...,0)(9>(K/k) is dence in Uk(xi,...,xn;0,.‥,o), that is, {o} is dence in Uk(xlt.‥,xn;O,…,0).

Consequently, as {o} is closed in Ut(xi,…,xn;0,...,0) by Lemma 5, we have Uk(xl xn;O,…,

o)‑{o}, which means that Kis a vector space over k generated by a finite set {xu...,x九).

Hence [a:ォ] must be finite.

Conversely if [K:k] is finite, then Homk(K, K) with the finite ^‑topology is discrete.

Hence @(K/k) is also discrete.

Thus we obtain the following.

THEOREM 6. Let K be a field extension of a field k such that Z(3>(K/k))‑k.

Then <2>(K/k) with the finite k‑topology is discrete if and only if [a:ォ]<oo.

COROLLARY 7. Let K be a field extension of a field k such that Z{2(K/k))‑k.

Then the followings are equivalent.

(1) 3>(K/k) with the finite k‑topology is discrete.

(2) LK:K]<‑.

(3) Hamk(K, K) with the finite k‑topology is discrete.

(4)ョ(K/k) ‑Horn*(K, K).

(5) ix/t is a nilpotent ideal of K(*)K.

K is a purely inseparable finite extension over k.

PROOF. As seen above (1), (2) and (3) are equivalent. By our previous paper [2], (4),

(5) and (6) are equivalent without assumption Z(@(K/k)) ‑k. Because @(K/k) is dense

in Homk(K,K), (3)⇔(4) is obvious. Finally (6)l=>(2) is trivial, q.e.d.

(5)

4 Teppei Kikuchi

3.Acharacterizationof<p‑x(2>(K/k)

Wehavealreadynoticedin[1]thatthemapping<p:・[omK(∬㊦K.K)‑Homk(K,K)

definedby<p(f)(x)‑f(l㊦x)isahomeomorphismwithrespecttothefinitefe‑topology.

Itisevidentbutnoteworthythattheidentitymap¥Kcorrespondstothemultiplication map[i:KョK‑K(i.e.ft(写xi㊤yi)‑冒xm)ofKandhencea¥K(a∈K)correspondstoafi.

t Then,whatdoescorrespondto@(K/k)?

Bydefinition,^‑module2)(K/k)isadirectsumofK¥Kand&。(K/k),where&o(K/

k)isthetotalityofthehighorderderivationsinK.Andweknowthat<p(f)∈ョi(K/k) ifandonlyiff(l㊥1)‑oand/vanishesonsomepoweroflm.Furtherweknowthat

thedirectsumdecompositionKョK‑(Kョ1)◎IK/Iasaleftif‑moduleyieldsanisomor‑

phismHomK(KョK,K)=喝UomK(IK/i,K).Thatis,anyelement/ofHomK(KョK,K) canbewrittenuniquelyintheformoff‑f{l㊥1)H+gwheregisanelementofHomK(A ョK,K)suchthatg(lョl)‑o.

Hencefirstweseethat<p‑l(<&(K/k))‑{au+g¥a∈K,g∈Homx(兇㊤K,K),g(l㊨l)‑0, g¥!*‑oforsomepositiveintegern},where/donotesIK/i.ButtheconditionHg¥.

forsomepositiveintegern"meansthatgiscontinuouswithrespecttotheIK/i‑ad¥ctopol‑

ogyofK(x)KandthediscretetopologyofK.Ontheotherhandthemultiplicationmap

〟:喝K‑KisalsocontinuouswithrespecttotheIK/k‑adictopologyofKョKandthe

discretetopologyofK,becausewehaveKer(fi)‑IK/i.Therefore<p‑x(3)(Kfk))isnothing butthetotalityofthecontinuousK‑lmeavmappings喝K‑KwithrespecttotheIm‑

adictopologyandthediscretetopologyofK.

Thuswehavethefollowing.

THEOREM8.LetKbeafieldextensionofafieldk,and<p¥ttomK(K(x)K,K)‑Horrij

(K,K)beaK‑isomorphismdeterminedby<p(f)(x)‑f(l㊥x).Then<p‑1(3>(K/k))consists ofallthecontinuousK‑linearmappings喝K‑+K〃ithrespecttotheIKlk‑adictopologyof

∬㊥KandthediscretetopologyofK.Andivehave

<p‑1(9(K/k))=¥afi+g芸;K,g<=110mK(KョK,K), jn‑。forsomep。sitive宝teger三oand)

wherefidenotesthemultiplicationmap喝K‑>Ki.e.ft{∑xi㊥y,)‑冒*<3V lI

References

[1]T.Kikuchi,OnGaloiscorrespondencebetweenintermediatefieldsandcloseddrivationsubalge‑

bras,J.Math.KyotoUniv.(forthcoming)

[2]T.Kikuchi,Someremarksonhighorderderivations,J.Math.KyotoUniv.,ll(1971),71‑87.

[3]Y.Nakai,K.KosakiandY.Ishibashi,HighorderderivationsII,J.Sci.HiroshimaUniv.Ser.

A‑1,34(1970),17‑27.

参照

関連したドキュメント

By virtue of Theorems 4.10 and 5.1, we see under the conditions of Theorem 6.1 that the initial value problem (1.4) and the Volterra integral equation (1.2) are equivalent in the

For a compact complex manifold M , they introduced an exact cube of hermitian vector bundles on M and associated with it a differential form called a higher Bott-Chern form.. One

Via the indicator A, Kanemaki characterizes the Sasakian and cosymplectic structures and gives necessary and sufficient conditions for a quasi-Sasakian manifold to be locally a

Integration along the characteristics allows association of some systems of functional (differential) equations; a one-to-one (injective) correspondence between the solutions of the

We provide an efficient formula for the colored Jones function of the simplest hyperbolic non-2-bridge knot, and using this formula, we provide numerical evidence for the

For a complete valuation field k and a topological space X, we prove the universality of the underlying topological space of the Berkovich spectrum of the Banach k-algebra C bd (X,

Using the previous results as well as the general interpolation theorem to be given below, in this section we are able to obtain a solution of the problem, to give a full description

F rom the point of view of analysis of turbulent kineti energy models the result.. presented in this paper an be onsidered as a natural ontinuation of