Esercitazione n. 29 (26/01/2016) Argomenti. Formula del binomio di Newton. Elementi nilpotenti in anelli commutativi. Se A è un anello NON commutativo, in generale presi a, b ∈ A ed n ∈ N (ab)n 6= an bn . Ad esempio si prenda A = M2 (R) e le matrici 0 1 1 a= b= 1 0 0 1 . 1 Se però A è commutativo allora (ab)n = an bn per ogni a, b ∈ A ed n ∈ N. In questo contesto siamo in grado di provare molto di più, ovvero il seguente. Teorema 1 (Formula del binomio di Newton) Sia A un anello commutativo e siano a, b ∈ A. Allora per ogni n ∈ N vale la formula n X n n−i i n a b. (a + b) = i i=0 Dimostrazione. La dimostrazione si trova alle pagine 130 (per arbitrari anelli commutativi) e 52 (per A = Z) delle dispense del corso. Ricordiamo che se A è un anello commutativo un suo elemento a ∈ A si dice nilpotente se esiste un intero non negativo n = n(a) ∈ N tale che an = 0A . Esercizio 1 Sia A un anello commutativo. Indichiamo con N (A) := {a ∈ A | a è nilpotente} . Si provi quanto segue. 1. N (A) è un ideale di A, tale che N (A) ⊆ A \ U(A), dove U(A) := {invertibili di A} . 1 2. A/N (A) non possiede elementi nilpotenti non nulli. 3. Per ogni x ∈ N (A), 1 − x è invertibile in A. 4. A/N (A) è un campo se e solo se N (A) = A \ U(A). Svolgimento. 1. Poiché gli elementi nilpotenti sono non invertibili è evidente che N (A) ⊆ A \ U(A). Proviamo ora che N (A) è un ideale di A. Abbiamo che 0A ∈ N (A). Inoltre presi ora a e b due arbitrari elementi di A, utilizzando lo sviluppo del binomio di Newton si ha, per ogni intero non nullo n, n X n (a − b)n = (−1)n−i ai bn−i . i i=0 In particolare se a e b sono nilpotenti e ar = bs = 0A , allora scelto n = r + s − 1, (a − b)r+s−1 = r+s−1 X i=0 r+s−1 (−1)r+s−1−i ai br+s−1−i = 0A , i poiché per gli interi i maggiori o uguali ad r, vale che ai = 0A , mentre per gli interi i < r, vale r + s − 1 − i ≥ s, dunque br+s−1−i = 0A . Ne consegue che l’elemento a − b è nilpotente se entrambi a e b lo sono. Infine se a è nilpotente (con at = 0A ) ed r è un arbitrario elemento di A, abbiamo che (ar)t = at rt = 0A rt = 0A , ovvero anche ar è nilpotente. Pertanto abbiamo cosı̀ provato che N (A) è un ideale di A. 2. Sia x + N (A) un eventuale elemento nilpotente di A/N (A) e sia n ∈ N tale che (x + N (A))n = xn + N (A) = 0A/N (A) = N (A). Ovvero xn ∈ N (A), cioè xn è un elemento nilpotente di A, ciò significa che esiste un intero positivo m tale che (xn )m = 0A , il che, per le proprietà delle potenze, equivale a xnm = 0A , ma allora l’elemento x è nilpotente, e quindi x + N (A) = N (A), cioè lo zero di A/N (A) è l’unico elemento nilpotente. 3. Se xn = 0A , allora (1A − x)(1A + x + x2 + x3 + . . . + xn−1 ) = 1A − xn = 1A − 0A = 1A , dunque 1A − x è invertibile in A con inverso 1A + x + x2 + x3 + . . . + xn−1 . 2 4. Sia A/N (A) un campo e mostriamo che N (A) ⊇ A \ U(A) (l’altra inclusione abbiamo già visto essere verificata). Preso un arbitrario elemento x non nilpotente di A, si ha che il laterale x + N (A) è diverso da N (A) = 0A/N (A) . Pertanto essendo in un campo, x + N (A) è invertibile in A/N (A), ovvero esiste un elemento y + N (A) ∈ A/N (A) tale che (x + N (A))(y + N (A)) = 1A/N (A) cioè xy + N (A) = 1A + N (A), che è equivalente ad affermare xy ∈ 1A + N (A), cioè xy = 1A + a, per un opportuno a ∈ N (A). Per il punto precedente segue allora che 1A +a = 1A −(−a) è invertibile in A. Ma allora xy, e quindi anche x è invertibile in A. Ovvero x ∈ U(A) e abbiamo cosı̀ provato che N (A) ⊇ A\U(A), e dunque N (A) = A \ U(A). Viceversa sia ora N (A) = A\U(A) e mostriamo che A/N (A) è un campo. Preso un arbitrario elemento non nullo x + N (A) di A/N (A) abbiamo che x 6∈ N (A), dunque per ipotesi x è invertibile in A. Detto y ∈ A l’inverso di x, si ha che xy = 1A e dunque (x + N (A))(y + N (A)) = xy + N (A) = 1A + N (A) = 1A/N (A) . A/N (A) risulta cosı̀ essere un campo. Esercizio 2 (applicazione) Si determinino le nature moltiplicative degli elementi di Z/9Z e di Z/12Z. Svolgimento. In Z/9Z gli elementi 1, 2, 4, 5, 7 e 8 sono invertibili in quanto 2 · 5 = 10 = 1, 4 · 7 = 28 = 1, 8 · 8 = 64 = 1. Mentre 3 e 6 sono nilpotenti (e quindi anche d.d.z.) poiché (3)2 = 9 = 0, (6)2 = 36 = 0. In Z/12Z gli elementi invertibili sono 1, 5, 7, 11 poiché 5 · 5 = 25 = 1, 7 · 7 = 49 = 1, 11 · 11 = 121 = 1. Mentre gli elementi 2, 3, 4, 6, 8, 9, 10 sono tutti d.d.z.. Fra essi l’unico nilpotente (oltre allo 0) è 6, essendo 6 · 6 = 36 = 0. 3