Lemma di Nakayama

Il lemma di Nakayama è un teorema di grande importanza nello studio degli anelli commutativi unitari, in particolare degli anelli locali; esso dà informazioni sul rapporto tra il radicale di Jacobson di un anello e i suoi moduli finitamente generati.

Prende il nome dal matematico giapponese Tadashi Nakayama.

Enunciato

Il lemma di Nakayama afferma che, se $I$ è un ideale contenuto nel radicale di Jacobson di un anello $A$ e $M$ è un $A$-modulo finitamente generato tale che $IM=M$, allora $M$ è il modulo nullo.

Da questo seguono due importanti conseguenze ($I$ è sempre un ideale contenuto nel radicale di Jacobson di $A$ e $M$ un modulo finitamente generato):

• se $N$ è un sottomodulo di $M$ tale che $N+IM=M$, allora $N=M$;
• se $m_{1},\dots ,m_{n}$ sono elementi di $M$ le cui immagini generano $M/IM$, allora $m_{1},\dots ,m_{n}$ generano $M$.

Il primo di questi due risultati si ottiene applicando il lemma di Nakayama a $M/N$, mentre il secondo si ottiene applicando il precedente ad $M$ e al sottomodulo $N$ generato dagli $m_{i}$.

Un enunciato più generale, a volte chiamato lemma di Nakayama, afferma che, se $I$ è un (qualsiasi) ideale di $A$ e $M$ un $A$-modulo finitamente generato tale che $IM=M$, allora esiste un $r$ tale che $r-1\in I$ e $rM=0$.

Dimostrazione

La dimostrazione del lemma di Nakayama è spesso effettuata a partire dal teorema di Cayley-Hamilton, che afferma che, se $\phi \colon M\longrightarrow M$ è un endomorfismo tale che $\phi (M)\subseteq IM$, allora esistono degli elementi $m_{j}\in I$ tali che l'endomorfismo

$\phi ^{n}+m_{n-1}\phi ^{n-1}+\cdots +m_{1}\phi +m_{0}$

è nullo (dove $\phi ^{k}$ indica la composizione di $\phi$ con sé stesso $k$ volte).

Se ora $IM=M$, si può prendere come $\phi$ l'identità su $M$: questo implica che l'elemento $1+m_{n-1}+\cdots +m_{1}+m_{0}$ è l'elemento $r$ cercato, perché la moltiplicazione per $r$ diventa l'endomorfismo nullo, ovvero $rM=0$.

Se ora $I$ è contenuto nel radicale di Jacobson ed $i\in I$, allora $1+i$ è un elemento invertibile dell'anello; in particolare, l'elemento $r$ appena trovato sarà invertibile, e dunque anche $M$ dovrà essere il modulo nullo.

Anelli locali

Il lemma è particolarmente utile quando l'anello $A$ è locale, in quanto in questo caso il radicale di Jacobson coincide col suo ideale massimale ${\mathfrak {m}}$.

Se l'anello è anche noetheriano, ${\mathfrak {m}}$ stesso può essere visto come un $A$-modulo finitamente generato: se $A$ non è un campo (ovvero ${\mathfrak {m}}\neq 0$) il lemma di Nakayama implica che ${\mathfrak {m}}^{2}\neq {\mathfrak {m}}$, e che la sua dimensione (come spazio vettoriale sul campo residuo $k=A/{\mathfrak {m}}$) è uguale al numero minimo di elementi necessari per generare ${\mathfrak {m}}$. Grazie al teorema dell'ideale principale, questa dimensione è sempre maggiore o uguale della dimensione di Krull di $A$; quando si ha l'uguaglianza, l'anello è detto regolare.

Un'ulteriore conseguenza della lemma di Nakayama è che, su anelli locali, tutti i moduli proiettivi sono liberi.

Bibliografia

• (EN) Michael Atiyah e Ian G. Macdonald, Introduction to Commutative Algebra, Westview Press, 1969, ISBN 0-201-40751-5.
• Irving Kaplansky, Commutative rings, The University of Chicago Press, 1974, ISBN 0-226-42454-5.