В коммутативной алгебре и теории поля эндоморфизм Фробениуса (в честь Фердинанда Георга Фробениуса ) — это 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 общем случае это неверно.
Пусть R — коммутативное кольцо с простой характеристикой p ( например, область целостности положительной характеристики всегда имеет простую характеристику). Эндоморфизм Фробениуса F определяется формулой
для всех r в R. Он учитывает умножение R :
и F (1) также равен 1. Более того, он также учитывает добавление R. Выражение ( r + s ) p можно разложить с помощью биномиальной теоремы . Поскольку p является простым числом, оно делит p !, но не любое q ! для q < p ; поэтому оно будет делить числитель , но не знаменатель явной формулы биномиальных коэффициентов
если 1 ≤ k ≤ p − 1. Следовательно, коэффициенты всех членов, кроме r p и s p , делятся на p , и, следовательно, они равны нулю. [1] Таким образом
Это показывает, что F является кольцевым гомоморфизмом .
Если φ : R → S — гомоморфизм колец характеристики p , то
Если F R и F S являются эндоморфизмами Фробениуса для R и S , то это можно переписать как:
Это означает, что эндоморфизм Фробениуса является естественным преобразованием из тождественного функтора в категории характеристических p- колец в себя.
Если кольцо R является кольцом без нильпотентных элементов, то эндоморфизм Фробениуса инъективен : F ( r ) = 0 означает r p = 0 , что по определению означает, что r нильпотентно порядка не выше p . На самом деле, это необходимо и достаточно, потому что если r является каким-либо нильпотентом, то одна из его степеней будет нильпотентной порядка не выше p . В частности, если R является полем, то эндоморфизм Фробениуса инъективен.
Морфизм Фробениуса не обязательно сюръективен , даже когда R — поле. Например, пусть K = F p ( t ) — конечное поле из p элементов вместе с одним трансцендентным элементом ; эквивалентно, K — поле рациональных функций с коэффициентами в F p . Тогда образ F не содержит t . Если бы он содержал, то существовала бы рациональная функция q ( t )/ r ( t ), p -я степень которой q ( t ) p / r ( t ) p была бы равна t . 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, она не может быть равна 1, что является степенью t . Это противоречие; поэтому t не содержится в образе F .
Поле K называется совершенным, если оно имеет либо нулевую характеристику, либо положительную характеристику и его эндоморфизм Фробениуса является автоморфизмом. Например, все конечные поля являются совершенными.
Рассмотрим конечное поле F p . По малой теореме Ферма каждый элемент x из F p удовлетворяет условию x p = x . Эквивалентно, это корень многочлена X p − X . Элементы F p , следовательно, определяют p корней этого уравнения, и поскольку это уравнение имеет степень p , оно имеет не более p корней над любым расширением . В частности, если K является алгебраическим расширением F p (таким как алгебраическое замыкание или другое конечное поле), то F p является фиксированным полем 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 областью, то X p − X может иметь более p корней; например, это происходит, если R = F p × F p .
Аналогичное свойство имеет для конечного поля n- я итерация автоморфизма Фробениуса: каждый элемент из является корнем из , поэтому если K является алгебраическим расширением и F является автоморфизмом Фробениуса K , то неподвижное поле F n равно . Если R является областью, которая является -алгеброй , то неподвижные точки n- й итерации Фробениуса являются элементами образа .
Итерация отображения Фробениуса дает последовательность элементов в R :
Эта последовательность итераций используется для определения замыкания Фробениуса и плотного замыкания идеала.
Группа Галуа расширения конечных полей порождается итерацией автоморфизма Фробениуса. Сначала рассмотрим случай, когда основное поле является простым полем F p . Пусть F q будет конечным полем из q элементов, где q = p n . Автоморфизм Фробениуса F поля 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 является циклической, а F является генератором. Порядок F равен n , потому что F j действует на элемент x , отправляя его в x p j , и может иметь только много корней, поскольку мы находимся в поле. Каждый автоморфизм поля F q является степенью F , а генераторами являются степени F i , где i взаимно просто с n .
Теперь рассмотрим конечное поле F q f как расширение F q , где q = p n , как и выше. Если n > 1 , то автоморфизм Фробениуса F поля F q f не фиксирует основное поле F q , но его n- я итерация F n фиксирует. Группа Галуа Gal( F q f / F q ) является циклической порядка f и порождается F n . Это подгруппа Gal( F q f / F p ) , порождаемая F n . Генераторы Gal( F q f / F q ) являются степенями F ni , где i взаимно просто с f .
Автоморфизм Фробениуса не является генератором абсолютной группы Галуа
поскольку эта группа Галуа изоморфна проконечным целым числам
которые не являются циклическими. Однако, поскольку автоморфизм Фробениуса является генератором группы Галуа любого конечного расширения F q , он является генератором любого конечного фактора абсолютной группы Галуа. Следовательно, он является топологическим генератором в обычной топологии Крулля на абсолютной группе Галуа.
Существует несколько различных способов определения морфизма Фробениуса для схемы . Наиболее фундаментальным является абсолютный морфизм Фробениуса. Однако абсолютный морфизм Фробениуса плохо себя ведет в относительной ситуации, поскольку он не обращает внимания на базовую схему. Существует несколько различных способов адаптации морфизма Фробениуса к относительной ситуации, каждый из которых полезен в определенных ситуациях.
Предположим, что X — схема характеристики p > 0. Выберем открытое аффинное подмножество U = Spec A алгебры X . Кольцо A является F p -алгеброй, поэтому оно допускает эндоморфизм Фробениуса. Если V — открытое аффинное подмножество U , то по естественности Фробениуса морфизм Фробениуса на U , ограниченный на V , является морфизмом Фробениуса на V . Следовательно, морфизм Фробениуса склеивается, давая эндоморфизм X . Этот эндоморфизм называется абсолютным морфизмом Фробениуса схем X , обозначаемым F X . По определению, он является гомеоморфизмом X с самим собой. Абсолютный морфизм Фробениуса — это естественное преобразование из тождественного функтора в категории F p -схем в себя.
Если X является S -схемой, а морфизм Фробениуса S является тождеством, то абсолютный морфизм Фробениуса является морфизмом S -схем. Однако в общем случае это не так. Например, рассмотрим кольцо . Пусть X и S оба равны Spec A , причем структурное отображение X → S является тождеством. Морфизм Фробениуса на A переводит a в a p . Это не морфизм -алгебр. Если бы это было так, то умножение на элемент b в коммутировало бы с применением эндоморфизма Фробениуса. Но это неверно, потому что:
Первое — это действие b в структуре -алгебры, с которой начинается A , а второе — это действие, индуцированное Фробениусом. Следовательно, морфизм Фробениуса на Spec A не является морфизмом -схем.
Абсолютный морфизм Фробениуса — это чисто неотделимый морфизм степени p . Его дифференциал равен нулю. Он сохраняет произведения, что означает, что для любых двух схем X и Y , F X × Y = F X × F Y .
Предположим, что φ : X → S — структурный морфизм для S -схемы X. Базовая схема S имеет морфизм Фробениуса F S. Композиция φ с F S дает S -схему X F, называемую ограничением скаляров по Фробениусу . 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 представленную алгебру над A :
Действие A на R определяется выражением:
где α — мультииндекс. Пусть X = Spec R . Тогда X F — аффинная схема Spec R , но ее структурный морфизм Spec R → Spec A , а значит, и действие A на R , отличается:
Поскольку ограничение скаляров по Фробениусу является просто композицией, многие свойства X наследуются X F при соответствующих гипотезах о морфизме Фробениуса. Например, если X и S F оба являются конечными типами, то и X F тоже .
Расширение скаляров по Фробениусу определяется следующим образом:
Проекция на фактор S делает X ( p ) S -схемой. Если S не ясно из контекста, то X ( p ) обозначается как X ( p / S ) . Подобно ограничению скаляров, расширение скаляров является функтором: S -морфизм X → Y определяет S -морфизм X ( p ) → Y ( p ) .
Как и прежде, рассмотрим кольцо A и конечно представленную алгебру R над A , и снова пусть X = Spec R. Тогда:
Глобальное сечение X ( p ) имеет вид:
где α — мультииндекс, а каждый a iα и b i — элемент A. Действие элемента c из A на этом участке:
Следовательно, X ( p ) изоморфен:
где, если:
затем:
Аналогичное описание справедливо для произвольных A -алгебр R .
Поскольку расширение скаляров является изменением базы, оно сохраняет пределы и копроизведения. Это подразумевает, в частности, что если X имеет алгебраическую структуру, определенную в терминах конечных пределов (например, будучи групповой схемой), то также имеет X ( p ) . Кроме того, быть изменением базы означает, что расширение скаляров сохраняет такие свойства, как быть конечным типом, конечным представлением, раздельным, аффинным и т. д.
Расширение скаляров хорошо себя ведет по отношению к изменению базы: если задан морфизм S ′ → S , то существует естественный изоморфизм:
Пусть X — S - схема со структурным морфизмом φ . Относительный морфизм Фробениуса X — это морфизм:
определяется универсальным свойством отката X ( p ) ( см. диаграмму выше):
Поскольку абсолютный морфизм Фробениуса является естественным, относительный морфизм Фробениуса является морфизмом S -схем.
Рассмотрим, например, A -алгебру:
У нас есть:
Относительный морфизм Фробениуса — это гомоморфизм R ( p ) → R, определяемый формулой:
Относительный Фробениус совместим с заменой основания в том смысле, что при естественном изоморфизме X ( p / S ) × S S ′ и ( X × S S ′) ( p / S ′) мы имеем:
Относительный Фробениус является универсальным гомеоморфизмом. Если X → S является открытым погружением, то оно является тождественным. Если X → S является замкнутым погружением, определяемым пучком идеалов I из O S , то X ( p ) определяется пучком идеалов I p , а относительный Фробениус является отображением аугментации O S / I p → O S / I .
X неразветвлен над S тогда и только тогда, когда F X / S неразветвлен и тогда и только тогда, когда F X / S является мономорфизмом. X является этальным над S тогда и только тогда, когда F X / S является этальным и тогда и только тогда, когда F X / S является изоморфизмом.
Арифметический морфизм Фробениуса S -схемы X является морфизмом:
определяется:
То есть это базовое изменение F S на 1 X .
Опять же, если:
тогда арифметика Фробениуса — это гомоморфизм:
Если мы перепишем R ( p ) как:
то этот гомоморфизм имеет вид:
Предположим, что абсолютный морфизм Фробениуса S обратим с обратным . Пусть обозначает S -схему . Тогда существует расширение скаляров X с помощью :
Если:
тогда расширение скаляров дает:
Если:
затем пишем:
и тогда существует изоморфизм:
Геометрический морфизм Фробениуса S -схемы X является морфизмом:
определяется:
Это изменение базы на 1 X.
Продолжая наш пример с A и R , приведенный выше, геометрический Фробениус определяется следующим образом:
После переписывания R (1/ p ) в терминах геометрический Фробениус имеет вид:
Предположим, что морфизм Фробениуса S является изоморфизмом. Тогда он порождает подгруппу группы автоморфизмов S . Если S = Spec k — спектр конечного поля, то его группа автоморфизмов является группой Галуа поля над простым полем, а морфизм Фробениуса и его обратный являются генераторами группы автоморфизмов. Кроме того, X ( p ) и X (1/ p ) можно отождествить с X . Арифметические и геометрические морфизмы Фробениуса являются тогда эндоморфизмами X , и поэтому они приводят к действию группы Галуа k на X .
Рассмотрим множество K -точек X ( K ) . Это множество 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 является применением морфизма Фробениуса к полю вычетов. Это действие Галуа согласуется с действием арифметического Фробениуса: составной морфизм
то же самое, что и составной морфизм:
по определению арифметики Фробениуса. Следовательно, арифметика Фробениуса явно демонстрирует действие группы Галуа на точки как эндоморфизм X.
Для заданного неразветвленного конечного расширения L/K локальных полей существует концепция эндоморфизма Фробениуса , которая индуцирует эндоморфизм Фробениуса в соответствующем расширении полей вычетов . [2]
Предположим, что L/K — неразветвленное расширение локальных полей с кольцом целых чисел O K поля K, таким, что поле вычетов, целые числа K по модулю их единственного максимального идеала φ , являются конечным полем порядка q , где q — степень простого числа. Если Φ — простое число L, лежащее над φ , то, что L/K неразветвлено, означает по определению, что целые числа L по модулю Φ , поле вычетов L , будут конечным полем порядка q f, расширяющим поле вычетов K , где f — степень L / K. Мы можем определить отображение Фробениуса для элементов кольца целых чисел O L поля L как автоморфизм s Φ поля L, такой, что
В алгебраической теории чисел элементы Фробениуса определяются для расширений L / K глобальных полей , которые являются конечными расширениями Галуа для простых идеалов Φ поля L , которые не разветвлены в L / K. Поскольку расширение не разветвлено, группа разложения Φ является группой Галуа расширения полей вычетов. Элемент Фробениуса тогда может быть определен для элементов кольца целых чисел поля L, как в локальном случае, с помощью
где q — порядок поля вычетов O K /(Φ ∩ O K ) .
Лифты Фробениуса соответствуют p-выводам .
Многочлен
имеет дискриминант
и поэтому неразветвлен в простом числе 3; он также неприводим по модулю 3. Следовательно, присоединение корня ρ из него к полю 3 -адических чисел Q 3 дает неразветвленное расширение Q 3 ( ρ ) поля Q 3 . Мы можем найти образ ρ при отображении Фробениуса, найдя корень, ближайший к ρ 3 , что мы можем сделать методом Ньютона . Мы получаем элемент кольца целых чисел Z 3 [ ρ ] таким образом; это многочлен четвертой степени по ρ с коэффициентами в 3 -адических целых числах Z 3 . По модулю 3 8 этот многочлен равен
Это алгебраично над Q и является правильным глобальным образом Фробениуса в терминах вложения Q в Q 3 ; более того, коэффициенты являются алгебраическими, и результат может быть выражен 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 сильную конгруэнтность, поскольку она зависит только от простого числа φ в базовом поле K. Для примера рассмотрим расширение Q ( β ) поля Q, полученное присоединением корня β, удовлетворяющего
до Q. Это расширение является циклическим пятого порядка с корнями
для целого числа n . Имеет корни, которые являются полиномами Чебышева от β :
дают результат отображения Фробениуса для простых чисел 2, 3 и 5, и так далее для больших простых чисел, не равных 11 или вида 22 n + 1 (которые распадаются). Сразу видно, как отображение Фробениуса дает результат, равный mod p p -й степени корня β .