home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #23 / NN_1992_23.iso / spool / sci / math / 13022 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-10-10  |  5.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!cis.ohio-state.edu!pacific.mps.ohio-state.edu!linac!att!ucbvax!virtualnews.nyu.edu!brnstnd
  2. From: brnstnd@nyu.edu (D. J. Bernstein)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: consequences of the Axiom of Choice
  5. Message-ID: <11154.Oct1102.08.5392@virtualnews.nyu.edu>
  6. Date: 11 Oct 92 02:08:53 GMT
  7. References: <91284@netnews.upenn.edu> <26913.Oct200.15.5792@virtualnews.nyu.edu> <1992Oct5.090904.12816@news.Hawaii.Edu>
  8. Organization: IR
  9. Lines: 90
  10.  
  11. In article <1992Oct5.090904.12816@news.Hawaii.Edu> lady@uhunix.uhcc.Hawaii.Edu (Lee Lady) writes:
  12. > It seems to me that  uniform [noetherian] => strong => weak  and it seems
  13. > plausible that none of these implications is reversible without AC.  
  14. > Can you actually show that?  
  15.  
  16. Here's what's known. Uniform implies strong: Every nonempty collection
  17. of submodules has a maximal element. We have a submodule N. The set of
  18. finitely generated submodules F of N has a maximal element, which has to
  19. be N.
  20.  
  21. Strong implies weak: Every submodule is finitely generated. We have an
  22. ascending chain of submodules. The union of the chain must be finitely
  23. generated and hence must stabilize past the submodules containing the
  24. generators.
  25.  
  26. Weak, plus a well-ordering of the submodules, implies uniform: We have a
  27. nonempty collection of submodules with no maximal element. Construct an
  28. ascending chain of submodules inside the collection, by taking the
  29. (well-)least submodule strictly containing the current submodule at each
  30. step.
  31.  
  32. Weak, plus a well-ordering of the elements of our module, implies
  33. strong: We have a submodule which is not finitely generated. Construct
  34. an ascending chain of finitely generated submodules, by taking the
  35. (well-)least element outside the current submodule at each step.
  36.  
  37. Of course uniform implies weak, and strong plus a well-ordering of the
  38. elements implies uniform.
  39.  
  40. I don't know to what extent the upward implications depend on
  41. well-ordering. I'll give you a set which can't be well ordered. Can you
  42. show me a ring and an ideal in that ring which isn't contained in any
  43. maximal ideal? I don't know if this falls out of Hodges's proof on the
  44. subject. Producing a weakly Noetherian module which isn't uniformly
  45. Noetherian shouldn't be much more difficult.
  46.  
  47. > And what would be some examples of standard theorems about noetherian
  48. > rings (or modules) which require uniform (a.k.a. the maximum principle)
  49. > and can't be proved with merely strong or weak?
  50.  
  51. A domain D is Dedekind if (1) it is _uniformly_ Noetherian; (2) it is of
  52. dimension at most one, meaning that every nonzero prime ideal is
  53. maximal; (3) it is integrally closed, meaning that I:I = D for every
  54. finitely generated module I inside the field of fractions. (By previous
  55. comments, D is strongly Noetherian, so any ideal I is finitely generated
  56. and hence satisfies I:I = D.)
  57.  
  58. A Dedekind domain has unique factorization into prime ideals. The
  59. fastest proof I've seen of this (from Frohlich & Taylor's new book) is
  60. as follows. In any domain D we define a nonzero ideal I as _having
  61. nontrivial inverse_ if D:I is not equal to D. Any ideal I which is
  62. maximal among the ideals having nontrivial inverse must be prime (the
  63. proof of this is short but clever). In this case, if D is of dimension
  64. at most one, then I must be maximal (in the usual sense). If further D
  65. is integrally closed, then I must be invertible. (Proof: (D:I)I is
  66. contained in D but contains I, hence must equal either I or D. If (D:I)I
  67. equals I then D:I is contained in I:I = D, but we assumed that I had
  68. nontrivial inverse. Hence (D:I)I = D, i.e., I is invertible.)
  69.  
  70. Any ideal which is a product of invertible ideals is invertible. In
  71. Dedekind domains a strong converse is true: every proper invertible
  72. ideal J is a product of invertible maximal ideals. Indeed, suppose not.
  73. By _uniform_ Noetherianness find a counterexample J maximal among the
  74. counterexamples. Consider the collection of ideals having nontrivial
  75. inverse and containing J. By _uniform_ Noetherianness this collection
  76. has a maximal element I, which by the previous paragraph is an
  77. invertible maximal ideal. Now J(D:I) is larger than J, contained in D,
  78. and invertible, so it is a product of invertible maximal ideals. Hence
  79. J = J(D:I)I is also a product of invertible maximal ideals.
  80.  
  81. Next let P be a nonzero prime ideal. Pick a nonzero x in P. By the
  82. previous paragraph, xD is a product of invertible maximal ideals. Hence
  83. P contains that product. By primality P must equal one of the invertible
  84. maximal ideals. Hence any nonzero prime ideal is invertible.
  85.  
  86. We finally show that every ideal J is invertible. If not, pick a
  87. counterexample maximal among the counterexamples. Pick a prime ideal P
  88. containing J. Now P is invertible by the previous paragraph, so J(D:P)
  89. is larger than J and contained in D, hence invertible. So J is
  90. invertible as desired. Q.E.D.
  91.  
  92. Uniform Noetherianness is crucial for this proof. I don't mean to imply
  93. that the books which develop number theory without distinguishing
  94. between degrees of Noetherian modules are leaving something out---all
  95. Noetherian conditions appearing in number theory are clearly uniform.
  96. Nevertheless I believe that adding the word ``uniform'' (or ``strong''
  97. or ``weak'' depending on the situation) helps the reader by giving him a
  98. hint as to which properties are really at work.
  99.  
  100. ---Dan
  101.