Том 37. Женщины-математики. От Гипатии до Эмми Нётер

Областью целостности называется кольцо А, на котором для операции · не существует так называемых делителей нуля. Иными словами, на этом кольце не существует элементов а и b таких, что аb = bа = 0.

В этом случае кольцо А является коммутативным и содержит единичный элемент, то есть для операции определен нейтральный элемент, играющий роль единицы:

а 1 = а.

Теперь рассмотрим область целостности А без 0. Обозначим ее через А* = А|(0). Если операция · определяет на А* коммутативную группу, то А называется полем. Если А* не является коммутативной, то А называется телом. Не стоит пугаться подобных сложностей: если кольцо А конечно, то оно коммутативно согласно знаменитой теореме Веддербёрна. Если кольцо А бесконечно, то наступает раздолье для алгебраистов.

Рассмотрим А-модули — редчайший вид современного алгебраического мира. Чтобы определить левый А-модуль, нам потребуются кольцо с единицей А и коммутативная группа М. Действия с элементами a, b  А и элементами М (m, n  М) определяются следующим, вполне обычным образом:

1. (ab)m= а(Ьm)

2. (а + b) n = am + bm

3. а(m + n) = am + аn

4. 1m = m.

Аналогично определяется правый А-модуль; коммутативный модуль (или просто A-модуль) — это модуль, который является правым и левым одновременно. Если А — поле, то A-модуль называется векторным пространством. Если для векторов векторного пространства определена операция умножения, имеем «алгебру». На этом мы остановимся. Хотя приведенные нами определения элементарны, вполне возможно, что читатель не назовет элементарным этот раздел.

Несколько слов об алгебре, идеалах и нётеровых кольцах

Большая часть научной работы Эмми Нётер была посвящена кольцам и идеалам — алгебраическим структурам, над которыми она работала многие годы. Почему же Нётер уделяла им такое внимание?

Многие объекты, с которыми работают математики, представляют собой кольца: так, кольцами являются множество целых чисел  и его последовательные расширения — ,  и . Кольцами также являются многочлены одной переменной с коэффициентами из вышеуказанных колец [X], [X], [X] и [X]. Аналогично кольцами являются многочлены нескольких переменных [X₁, Х₂…., X_n], [X₁, Х₂…., X_n], [X₁, Х₂…., X_n], и [X₁, Х₂…., X_n]. А также сходящиеся ряды — короче говоря, много чего еще.

Но что такое идеалы и почему они получили столь романтичное название? Совершим небольшой экскурс в историю математики. Рассмотрим в качестве примера квадратичное целое [√-5] или [i√5], что аналогично. Это множество чисел вида а + Ь√-5, где а и Ь — целые числа. Иными словами,

[√-5] — кольцо (убедитесь в этом), но здесь, говоря математическим языком, мы вступаем в запретную зону. Мы привыкли к стандартным свойствам делимости и к тому, что разложение числа на простые множители всегда является единственным. К примеру, рассмотрим число 21. Имеем 21 = 3·7 и на этом разложение на множители заканчивается: 21 можно разложить на простые множители единственным способом, и этими множителями будут 3 и 7. Это утверждение следует из основной теоремы арифметики: на множестве  разложение любого числа на простые множители является единственным. На множестве [√-5] это утверждение уже не будет выполняться: здесь мы можем разложить 21 на простые множители двумя способами:

3·7 = (4 + √-5)(4 — √-5) = 21.

На этом множестве разложение на простые множители уже не будет единственным, что, к своему величайшему неудовольствию, заметил еще Эрнст Куммер (1810–1893). Это утверждение, которое кажется не особенно важным и записывается всего одной строкой, помешало алгебраистам XIX доказать теорему Ферма и доставило им немало хлопот.

Чтобы как-то исправить ситуацию и обойти проблему стороной, сам Куммер ввел идеальные числа. Они оказались не слишком полезны, так как принадлежали уже не к [√-5], а к другому, большему кольцу. Это были даже не числа — сегодня мы бы назвали их множествами чисел, эквивалентных между собой. Тогдашним математикам были неизвестны общепринятые на сегодняшний день понятия фактор множества и гомоморфизма, и какой-то порядок и логику в мир идеалов внес лишь Рихард Дедекинд (1831–1916). За ним последовали другие алгебраисты, которые расчистили территорию и приступили к раскопкам. Важное место среди них занимала Эмми Нётер.

Идеалы обладают еще одной примечательной особенностью — речь идет о цепочке идеалов. Не будем следовать за Нётер и пытаться объяснить абстрактное понятие, а ограничимся тем, что приведем один очень простой пример — идеалы кольца целых чисел .

В этом мире (он представляет собой область целостности, то есть «хорошее» кольцо) правит бал основная теорема арифметики: для всех чисел разложение на простые множители является единственным, и ничто не нарушает гармонию. Идеалами в этом мире будут множества n, состоящие из целых чисел, кратных n. Количество таких идеалов, как и самих чисел, будет бесконечно велико. Сумма и произведение идеалов определяются очень просто: