רדיקל ג'ייקובסון

נתן ג'ייקובסון

רדיקל ג'ייקובסון של חוג הוא אידיאל השווה לחיתוך כל האידיאלים השמאליים המקסימליים של החוג. ההגדרות השקולות הרבות הופכות את רדיקל ג'ייקובסון לרדיקל החשוב ביותר בתורת החוגים. כמו ברדיקלים אחרים, תפקידו של רדיקל ג'ייקובסון לתפוס את כל האיברים ה"קרובים" לאיבר האפס. לדוגמה, בחוג קומוטטיבי, כל האיברים הנילפוטנטים שייכים לרדיקל, ואם החוג גם נוצר סופית, הרדיקל עצמו נילפוטנטי.

חוג שרדיקל ג'ייקובסון שלו הוא אפס נקרא פרימיטיבי למחצה, והמנה ביחס לרדיקל היא תמיד כזו. כל חוג פרימיטיבי הוא פרימיטיבי למחצה, וכל חוג פרימיטיבי למחצה הוא ראשוני למחצה.

נקרא על שם המתמטיקאי האמריקאי נתן ג'ייקובסון.

הגדרה

הגדרה באמצעות מאפסים של מודולים פשוטים

מודול $M$ מעל חוג $R$ הוא פשוט אם אין לו תת-מודולים אמיתיים. המאפס של $M$ (מסומן ב-$\operatorname {ann} (M)$) הוא אוסף האיברים ב-$R$ המאפסים את $M$, כלומר $\operatorname {ann} (M)=\{x\in R:xM=0\}$; המאפס של כל מודול הוא אידיאל שמאלי.

רדיקל ג'ייקובסון של $R$ (המסומן ב-$J(R)$, ולפעמים ב-$\operatorname {rad} (R)$) שווה לחיתוך המאפסים של המודולים הפשוטים מעל $R$. במילים אחרות, לרדיקל שייכים האיברים של $R$ המאפסים את כל המודולים הפשוטים.

הגדרה באמצעות אידיאלים שמאליים מקסימליים

כל מודול פשוט $M$ מעל חוג $R$ הוא מהצורה $R/m$ כאשר $m$ הוא אידיאל שמאלי מקסימלי, וגם ההפך נכון. המאפס של מודול מהצורה $R/m$ שווה ל-$m$, ולכן קבוצת המאפסים של כל המודולים הפשוטים מעל חוג $R$ שווה בדיוק לאוסף כל האידיאלים המקסימלים השמאליים בחוג. לכן הרדיקל שהוגדר לעיל שווה גם לחיתוך כל האידיאלים המקסימלים השמאליים בחוג.

יתרונה של ההגדרה הזו בכך שהיא "פנימית": היא תלויה רק במבנה של $R$ עצמו, ואינה דורשת בניה של מודולים מעל $R$. בנוסף, על אף שההגדרה אינה סימטרית, בכך שהיא מתמקדת באידיאלים מקסימליים שמאליים ולא ימניים, ניתן להוכיח כי שחיתוך האידיאלים השמאליים המקסימלים שווה לחיתוך האידיאלים הימניים המקסימלים. בפרט, רדיקל ג'ייקובסון של חוג הוא תמיד אידיאל דו-צדדי.

ההגדרה שניתנה לעיל כוחה יפה כאשר יש בחוג איבר יחידה (ואפילו יחידה מימין). בחוג בלי יחידה יש לתקן את ההגדרה: הרדיקל שווה לחיתוך האידיאלים השמאליים המודולריים המקסימליים, כאשר אידיאל שמאלי הוא מודולרי אם קיים איבר u כך שהאידיאל מכיל את כל ההפרשים r-ru.

הגדרה באמצעות אידיאלים פרימיטיביים

אידיאל של חוג הוא פרימיטיבי אם חוג המנה פרימיטיבי, כלומר יש לו מודול פשוט נאמן. רדיקל ג'ייקובסון שווה לחיתוך על האידיאלים הפרימיטיביים (ומכאן שאם החוג פרימיטיבי, הרדיקל שלו מתאפס).

הגדרה באמצעות איברים לא-יוצרים

איבר $x$ של $R$ הוא לא-יוצר אם אין אידיאל שמאלי אמיתי $L<R$ כך ש- $L+Rx=R$ (במילים אחרות, $x$ יוצר תת-מודול קטן של $R$, כמודול מעל עצמו). אוסף האיברים הלא יוצרים (שהוא סכום תת-המודולים הקטנים) שווה לרדיקל ג'ייקובסון של החוג.

הגדרה באמצעות איברים קוואזי-הפיכים

אם $1-z$ הפיך משמאל בחוג, אומרים ש-$z$ קוואזי-הפיך (משמאל). אידיאל קוואזי-הפיך הוא אידיאל שכל האיברים שלו קוואזי-הפיכים.

רדיקל ג'ייקובסון הוא האידיאל הקוואזי-הפיך הגדול ביותר. (הוכחה: אם $y$ איבר של הרדיקל אז הוא שייך לכל אידיאל שמאלי מקסימלי, ולכן $1-y$ אינו שייך לאף אידיאל מקסימלי, ומכאן שהוא הפיך משמאל. כלומר, הרדיקל קוואזי-הפיך. מאידך, יהי $L$ אידיאל שמאלי קוואזי-הפיך, אז הוא מוכל בכל אידיאל שמאלי מקסימלי, משום שאחרת יש $x\in L$ שאינו ב-$m$, ואז $1\in m+Rx$, כלומר $1-yx\in m$ עבור $y$ מתאים, בסתירה לכך ש-$1-yx$ הפיך משמאל.)

בחוג עם יחידה, האיבר $x$ הוא קוואזי-הפיך משמאל אם יש איבר $y$ כך ש-$(1-y)(1-x)=1$, כלומר $x+y-xy=0$. אפשר לאמץ הגדרה זו גם אם בחוג אין יחידה: $x$ הוא קוואזי-הפיך אם יש איבר $y$ כך ש-$x+y-xy=0$. משום כך, גם בחוג שאין בו יחידה, רדיקל ג'ייקובסון מוגדר כאידיאל השמאלי הקוואזי-הפיך הגדול ביותר. חוג נקרא "רדיקל ג'ייקובסון" אם הוא שווה לרדיקל של עצמו.

דוגמאות

• אם $k$ הוא שדה (או באופן יותר כללי - חוג עם חילוק), אז אין לו אידיאלים שמאליים מקסימליים, ולכן הרדיקל שלו הוא אפס.
• בחוג חילופי, כל אידיאל שמאלי הוא אידיאל, ולכן רדיקל ג'ייקובסון של שווה לחיתוך האידיאלים המקסימלים.
• בחוג המספרים השלמים $\mathbb {Z}$, האידיאלים המקסימלים הם האידיאלים $p\mathbb {Z}$, כאשר $p$ הוא מספר ראשוני. לכן, מספר שלם שייך לרדיקל ג'ייקובסון של חוג השלמים, אם ורק אם הוא מתחלק בכל מספר ראשוני, ולכן רדיקל ג'ייקובסון של חוג השלמים שווה ל-0.
• הרדיקל של חוג הפולינומים מעל תחום שלמות הוא אפס.
• אם $R$ הוא חוג מקומי (חילופי) אז ל-$R$ אידיאל מקסימלי יחיד $m$, ולכן $J(R)=m$.
• אם $e\in R$ הוא אידמפוטנט, אז $J(eRe)=eRe\cap J(R)=eJ(R)e$. בפרט, לכל חוג $R$, $J(\operatorname {M} _{n}(R))=\operatorname {M} _{n}(J(R))$.

תכונות של הרדיקל

הרדיקל תורשתי: לכל אידיאל $I$ של חוג $R$ מתקיים $J(I)=I\cap J(R)$.

רדיקל ג'ייקובסון מכיל כל אידיאל שמאלי נילי (משום שאיברים ניליים הם קוואזי-הפיכים), ולכן גם את הרדיקל הנילי העליון של החוג. אחת השאלות העיקריות באשר לרדיקל ג'ייקובסון היא מתי הוא בעצמו נילי (וטוב יותר - נילפוטנטי). הרדיקל אינו מוכרח להיות נילי (למשל, הרדיקל של תחום שלמות מקומי שווה לאידיאל המקסימלי שלו, ואין בו מחלקי אפס).

בהקשר זה הוכיח שמשון עמיצור שאם $R$ הוא אלגברה מעל שדה $k$ שעוצמתו גדולה מן המימד של $R$ מעליו, אז הרדיקל נילי, וכן שרדיקל ג'ייקובסון של חוג פולינומים $R[x]$ הוא תמיד מהצורה $I[x]$ כאשר $I$ אידיאל נילי של $R$.

רדיקל ג'ייקובסון אינו מכיל אידמפוטנטים (פרט כמובן לאפס). אם $R$ הוא אלגברה מעל שדה, האיברים האלגבריים ברדיקל הם כולם נילפוטנטים.

אחד השימושים הראשונים לרדיקל היה תנאי הקומוטטיביות של ג'ייקובסון (1945): חוג שבו לכל איבר $a$ יש $n$ כך ש-$a^{n}=a$, הוא קומוטטיבי.

באלגברות מדורגות, רדיקל ג'ייקובסון הוא הומוגני ומדורג-נילי (כלומר, כל אבר הומוגני ברדיקל הוא נילפוטנטי). ההפך אינו נכון: קיימת אלגברה נוצרת סופית, פרימיטיבית למחצה ומדורגת-נילית.

פרימיטיביות למחצה

ערך מורחב – חוג פרימיטיבי למחצה

חוג $R$ נקרא פרימיטיבי למחצה (לפעמים גם "$J$-פשוט למחצה") אם רדיקל ג'ייקובסון שלו הוא אפס. כל חוג פרימיטיבי הוא פרימיטיבי למחצה, וכל חוג פרימיטיבי למחצה הוא ראשוני למחצה. יש חוגים ראשוניים שאינם פרימיטיביים למחצה (למשל - חוג השלמים ה-p-אדיים), חוגים פרימיטיביים למחצה שאינם ראשוניים (למשל $\mathbb {Q} \oplus \mathbb {Q}$), וחוגים ראשוניים ופרימיטיביים למחצה שאינם פרימיטיביים (למשל חוג הפולינומים מעל שדה).

לפי התוצאה של עמיצור שהוזכרה לעיל, אם אין ל-$R$ אידיאלים ניליים חד-צדדיים (למשל, אם $R$ חוג ראשוני למחצה PI), אז $R[x]$ פרימיטיבי למחצה.

חוגי הילברט

חוג קומוטטיבי $R$ נקרא חוג הילברט (או חוג ג'ייקובסון) אם כל אידיאל ראשוני ב-$R$ שווה לחיתוך של קבוצה כלשהי (לא דווקא סופית) של אידיאלים מקסימליים ב-$R$. במקרה כזה, חיתוך כל האידיאלים המקסימלים בחוג שווה לחיתוך כל האידיאלים הראשוניים בו. אך חיתוך כל האידיאלים הראשוניים בחוג חילופי שווה לאוסף האיברים הנילפוטנטים בחוג, ולכן רדיקל ג'ייקובסון של חוג הילברט שווה לאוסף האיברים הנילפוטנטים שבו. למשל, אם $k$ הוא שדה אז חוג הפולינומים ב-$n$ משתנים מעל $k$ - $k[x_{1},\dots ,x_{n}]$ הוא חוג הילברט (במקרה ש-$k$ שדה סגור אלגברית, עובדה זו נובעת ישירות ממשפט האפסים של הילברט, ומשמעותה הגאומטרית היא שיריעה אלגברית אי פריקה שווה לאוסף הנקודות שעליה). לפיכך, כיוון שחוג זה הוא תחום שלמות, הרי ש-$rad(k[x_{1},\dots ,x_{n}])=0$. מנה של חוג הילברט היא חוג הילברט, ולפיכך רדיקל ג'ייקובסון של כל אלגברה אפינית (שהיא תחום שלמות) שווה ל-0. חוג קומוטטיבי $R$ הוא חוג הילברט אם ורק אם כל המנות הראשוניות שלו הן פרימיטיביות למחצה. עובדה זו נובעת ישירות מההתאמה בין אידיאלים מקסימליים בחוג המנה $R/P$ לאידיאלים מקסימליים ב-$R$ המכילים את $P$.

הלמה של נקאימה

ערך מורחב – הלמה של נקאימה

ראיה נוספת לעובדת היותם של איברי רדיקל ג'ייקובסון קרובים ל-0 ניתנת על ידי הלמה של נקאימה: אם $M$ הוא $R$-מודול נוצר סופית ואם $\operatorname {rad} (R)\cdot M=M$ אז $M=0$. יתר על כן, אם $N$ תת-מודול של $M$ כך שמתקיים $\operatorname {rad} (R)\cdot M+N=M$ אז בהכרח $N=M$. בניסוח אחר, לכל $R$-מודול נוצר סופית $M$, תת-המודול $\operatorname {rad} (R)\cdot M$ הוא תת-מודול קטן.

בעיות פתוחות

השערת קתה

להשערת קתה ניסוחים רבים, מהם הקשורים ברדיקל של ג'ייקובסון. למשל, הבעיה שקולה לכך שחוג הפולינומים מעל חוג נילי יהיה תמיד רדיקל ג'ייקבסון (של עצמו); לכך שאם חוג הפולינומים מעל $R$ פרימיטיבי למחצה, אז הרדיקל הנילי העליון של $R$ הוא אפס; ולכך שאם $R$ נילי, אז $R[x]$ אינו חוג פרימיטיבי (במובן המתאים לחוגים ללא יחידה).

השערת ג'ייקובסון

ג'ייקובסון שער שאם $R$ נתרי שמאלי אז הרדיקל $J=J(R)$ מקיים $\cap _{n=0}^{\infty }J^{n}=0$. לטענה זו, כלשונה, הובאה דוגמה נגדית (הרשטיין, 1965) ולכן השערת ג'ייקובסון מנוסחת עבור חוגים נתריים מימין ומשמאל. ההשערה בנוסח זה הוכחה עבור מחלקות שונות של חוגים, אך היא איננה ידועה באופן כללי.

רדיקל ג'ייקובסון של אלגברות חבורה

אחת הבעיות המרכזיות לגבי המבנה של אלגברות חבורה (של חבורות אינסופיות) היא השאלה האם האלגברה פרימיטיבית למחצה. המתמטיקאי הישראלי שמשון עמיצור הראה שהתשובה חיובית אם $k$ ממאפיין אפס ואינו אלגברי. במקרה ש-$k$ הוא שדה אלגברי מעל הרציונליים, הבעיה עדיין פתוחה. אם השדה ממאפיין $p$ ואין לחבורה איברים מסדר $p$, אז אלגברת החבורה פרימיטיבית למחצה אם השדה אינו אלגברי מעל תת-השדה הראשוני, וגם אם החבורה פתירה.

לקריאה נוספת

• T.Y. Lam. A First Course in Non-commutative Rings. Graduate Texts in Mathematics vol 131.
• M.F. Atiyah, I.G. Macdonald. Introduction to Commutative Algebra.
• N. Bourbaki. Éléments de Mathématique.

קישורים חיצוניים

• רדיקל ג'ייקובסון, באתר MathWorld (באנגלית)