Ring of integers of a number field
Absolute norm of an ideal of O ๐พ
Let
except in the case
Properties
- If
is a principal ideal then๐ = โจ ๐ผ โฉ , where the latter is the field norm.N โก ( ๐ ) = | N โก ( ๐ผ ) | .N โก ( ๐ ) N โก ( ๐ ) = N โก ( ๐ ๐ ) - For any
, the number of ideals๐ โ โ 0 such that๐ โด O ๐พ is finite.N โก ( ๐ ) = ๐
Proof of 1โ3
Let
{ ๐ ๐ } ๐ ๐ = 1 -span โค , whence O ๐พ { ๐ผ ๐ ๐ } ๐ ๐ = 1 -spans โค . Now ๐ โก โข โข โฃ ๐ผ ๐ 1 โฎ ๐ผ ๐ ๐ โค โฅ โฅ โฆ = ๐ด โก โข โข โฃ ๐ 1 โฎ ๐ ๐ โค โฅ โฅ โฆ for some
, so by Subgroup of a free abelian group we have ๐ด โ G L ๐ โก ( โค ) N โก ( ๐ ) = | d e t ๐ด | Now for the discriminant we have
ฮ ๐พ : โ ( ๐ผ ๐ 1 , โฆ , ๐ผ ๐ ๐ ) = ( d e t ๐ด ) 2 ฮ ๐พ : โ ( ๐ 1 , โฆ , ๐ ๐ ) = N โก ( ๐ผ ) 2 ฮ ๐พ : โ ( ๐ 1 , โฆ , ๐ ๐ ) by basic properties of the determinant and the definition of the discriminant.
Let
. Invoking UFI, we have ๐ , ๐ โด O ๐พ and ๐ = ๐ญ ๐ 1 1 โฏ ๐ญ ๐ ๐ ๐ . By the Chinese remainder theorem for rings, ๐ = ๐ฎ ๐ก 1 1 โฏ ๐ฎ ๐ก ๐ ๐ O ๐พ ๐ ๐ โ ๐ โจ ๐ = 1 ๐ ๐ญ ๐ ๐ ๐ โ ๐ โจ ๐ = 1 ๐ ๐ฎ ๐ก ๐ ๐ . Thus it suffices to show that for any prime ideal
we have ๐ญ N โก ( ๐ญ ๐ ) = โฃ O ๐พ ๐ญ ๐ โฃ = N โก ( ๐ญ ) ๐ . Since we have the chain of ideals
O ๐พ โฉ ๐ญ โฉ โฏ โฉ ๐ญ ๐ , it is enough to show that for
we have 0 โค ๐ โค ๐ โ 1 , since โฃ ๐ญ ๐ / ๐ญ ๐ + 1 โฃ = N โก ( ๐ญ ) O ๐พ / ๐ญ ๐ + 1 ๐ญ ๐ / ๐ญ ๐ + 1 โ โค O ๐พ ๐ญ ๐ . by the Third isomorphism theorem. We prove the stronger result
O ๐พ ๐ญ โ โค ๐ญ ๐ ๐ญ ๐ + 1 for each
. First, we can construct a ๐ -module homomorphism โค ๐ : O ๐พ โ ๐ญ ๐ / ๐ญ ๐ + 1 ๐ฅ โฆ ๐พ ๐ฅ + ๐ญ ๐ + 1 where
is arbitrary. This induces a map ๐พ โ ๐ญ ๐ โ ๐ญ ๐ + 1 ห ๐ : O ๐พ ๐ญ โ ๐ญ ๐ ๐ญ ๐ + 1 which will turn out to be a
-module isomorphism. โค To prove surjectivity of
and thus ๐ , we can show that ห ๐ . Since ๐ผ : = โจ ๐พ โฉ + ๐ญ ๐ + 1 = ๐ญ ๐ (after all we are in a Containment-division ring) we also have ๐ญ ๐ โฃ โจ ๐พ โฉ . But ๐ญ ๐ โฃ ๐ผ is a proper divisor, so by unique factorization ๐ผ โฃ ๐ญ ๐ + 1 as required. ๐ผ = ๐ญ ๐ To prove injectivity, we can show
, since hence follows if ๐ฝ : = โจ ๐พ โฉ โฉ ๐ญ ๐ + 1 = ๐พ ๐ญ then ห ๐ ( ๐ฅ ) = 0 so ๐พ ๐ฅ = ๐พ ๐ญ . Since ๐ฅ โ ๐ญ we have ๐พ โ ๐ญ ๐ . Conversely, let ๐พ ๐ญ โ ๐ฝ and write ๐ฅ โ ๐ฝ with ๐ฅ = ๐พ ๐ฆ and ๐ฆ โ O ๐พ , where we have the Prime order of an ideal ๐พ ๐ฆ โ ๐ญ ๐ + 1 o r d ๐ญ โก ( ๐พ ) + o r d ๐ญ โก ( ๐ฆ ) = o r d ๐ญ โก ( ๐พ ๐ฆ ) โฅ ๐ + 1 . Since
by construction, it follows o r d ๐ญ โก ( ๐พ ) = ๐ whence o r d ๐ญ โก ( ๐ฆ ) โฅ 1 . Therefore ๐ฆ โ ๐ญ and ^P2 is proven. ๐ฅ = ๐พ ๐ฆ โ ๐พ ๐ญ For ^P3, note that if
, then N โก ( ๐ ) = ๐ . Since โจ ๐ โฉ โด ๐ is finite by ^C1, there can only be finitely many such ideals by the Fourth isomorphism theorem, proving ^P3. O ๐พ / โจ ๐ โฉ