Aristotle University of Thessaloniki Faculty of Natural Sciences School of Mathematics
The Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem and Global Dimension of Crossed Products
Palaisti, Marina
A thesis presented to The Department of Mathematics in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Science in the subject of Pure Mathematics.
Thessaloniki, 2014 ii Aristotle University of Thessaloniki Faculty of Natural Sciences School of Mathematics
The Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem and Global Dimension of Crossed Products
Supervisor: Author: Prof. Palaisti, Marina Theohari-Apostolidi, Theodora
Committee Members: Prof. Theohari-Apostolidi, Theodora Prof. Haralambous, Hara Prof. Tzouvaras, Athanasios
Thessaloniki, 2014
Παλαιστή Μαρίνα, Πτυχιούχος Μαθηµατικός Α.Π.Θ.
Copyright ©Παλαιστή Μαρίνα Με επιφύλαξη παντός δικαιώµατος. All rights reserved
Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανοµή της παρούσης ερ- γασίας, εξ΄ ολοκλήρου ή τµήµατος αυτής, για εµπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανοµή για σκοπό µη κερδοσκοπικό, εκ- παιδευτικής ή ερευνητικής ϕύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν µήνυµα. Ερωτήµατα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται στη συγγραφέα.
Οι απόψεις και τα συµπεράσµατα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τη συγγραφέα και δεν πρέπει να ερµηνευθεί ότι εκφράζουν το Α.Π.Θ.
iii iv "... he wrote to me that algebraic number theory was the most beautiful topic he had ever come across and that the sole consolation in misery was his lecturing on class field theory... This was indeed the kind of mathematics he had admired most: the main results are of great scope, of great aesthetic beauty, but the proofs are technically extremely hard."
A.Borel about Harish-Chandra, 1995. vi Introduction
This thesis is concerned with the Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem, and also with global dimensions of crossed products, which are very im- portant not only in the theory of structure of algebras, but also in algebraic number theory. The Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem was established in Novem- ber 9, 1931, by Abraham Adrian Albert(1905-1972), Richard Brauer(1901- 1977), Helmut Hasse(1898-1979) and Amalie Emmy Noether(1882-1935). It was published in 1932, and dedicated to Kurt Hensel(1861-1941), on the occasion of his 70th birthday. From the survey article of P. Roquette [Roq] we get the following historical elements of the collaboration of Albert, Brauer, Hasse and Noether, to prove their celebrating theorem. Brauer became interested in class field theory, because he believed that its results would be important when applied to representation theory of groups. Hasse became interested in the theory of algebras because he had noticed that class field theory and the local p-adic theory could be used there profitably. Finally, Noether, who brought Brauer and Hasse toghether, was motivated by her belief that the non-commutative theory of algebras should be used for a better understanding of class field theory. At that time the results of Dickson(1874-1954) and his disciples were noted with lots of interest by the mathematicians around Noether. There- fore, during the collaboration between Brauer, Hasse and Noether, Hasse wrote a letter to Dickson, describing his work in it, and asking about the existence of non-cyclic division algebras of index 4 over a number field. Dickson forwarded it to a disciple of him, Albert. The last replied to Hasse that he was very interested in it, and introduced himself, so they started communicating and exchanging ideas about the steps of the proof that were to handle. Albert had already in 1931 developed different tools from the other three, in order to approach a part of this theorem. Thus, in
vii viii INTRODUCTION their paper, Brauer, Hasse and Noether inserted a footnote, aknowledging Albert and giving him "an independent share of the proof". Later, in 1932, in a joint paper between Albert and Hasse, the theorem had been proved again, using Albert’s methods this time. The Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem is one of the most profound results in the theory of central simple algebras. The paper starts with the following sentence. "At last our joint endeavours have finally been successful, to prove the fol- lowing theorem, which is of fundamental importance for the structure theory of algebras, and also beyond..." The Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem is a very critical step in the view of algebraic number theory. It allows a complete classification of division algebras over a number field, by means of Hasse invariants. Therefore, one can determine the Brauer group of an algebraic number field, and also can describe the splitting fields of a division algebra, by describing their local behavior, which is extremely useful in representation theory. Fur- thermore, the Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem opened new paths, giving the ability to understand class field theory via the structure of alge- bras. In this thesis we discuss several topics of the theory of structure and properties of central simple algebras, from an algebraic number-theoretic point of view. We examine the Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem, and the required theories over algebraic number fields, and not exactly on global fields. In chapter 1 we introduce the central simple algebras over an algebraic number field K and their fundamental properties, and also we introduce the Brauer group of a field. Central simple K-algebras are really useful algebraic structures, not only because of their simplicity as algebras, but also due to the fact that their center is precisely the field K. An equivalence relation is defined on central simple algebras, and their classes form a group, the Brauer group. The elements of the last gives a classification of all division algebras over the field K. In chapter 2 we are concerned with the extremely important concept of crossed products algebras and the formalistic theory of group cohomology. Crossed products are a specific kind of central simple algebras, having especially beautiful properties, such as their correspondence to cocycles and their ability to preserve their natural properties. Furthermore, we discuss the basic stuff about cyclic algebras and we prove that a division ix algebra of degree 3 over an algebraic number field is cyclic. In chapter 3 we provide the needed machinery of the theory of valua- tions on algebraic number fields and the P-adic completions of them, in order to present and prove the main theorem of this thesis, the Albert- Brauer-Hasse-Noether Theorem. One of the main applications of the The- orem is that every central simple algebra is cyclic. Finally, in chapter 4 we discuss the generalization of our previous con- cepts. We give a little information about the cohomology modules, from an arbitrary algebra A to an (A, A)-bimodule M, and we compute the coho- mology modules H 0,H 1 and H 2. Moreover, we introduce the construction of the general crossed products, and we view them from a homological point of view, giving relations between global and cohomological dimen- sion for several crossed products. Finally, we concetrate to the case of zero global dimension, in which we prove that the group in this case is a tor- sion group, although it is not necessarily finite and we construct a crossed product which is a division ring. We refer to [Re] and [Pi] for the theory of central simple algebras and the cohomology theory, and we follow mainly [Re] for the proofs of the presented theorems. We refer to [AR] and [Yi] for the context of chapter 4. For many years, all division algebras were constructed as crossed prod- ucts, starting in 1843 with Hamilton’s(1805-1865) real quaternions. Even- tually, Albert, Dickson and Wedderburn(1882-1948) proved that all divi- sion algebras of degree 2, 3, 4, 6 or 12 are cyclic, and hence crossed prod- ucts, and for much of the 20th century, it was conjectured that all division algebras are crossed products. But, in 1972, Amitsur(1921-1994) pro- duced a counterexample. He constructed non-crossed product division algebras of any degree n divisible by 23 or p2, where p is a prime number, provided p is prime to the residue characteristic. This construction led to a number of questions about the properties of division algebras. One of the most important open problems regarding central simple K-algebras, and the motivation of the study of this thesis project, is to construct a non-cyclic division algebra of degree a prime p over a field K [ABGV, Problem 1.1]. It is trivial that a division algebra of degree 2 over K is cyclic. Also, a division algebra of degree 3 over K is cyclic, as shown by Wedderburn in 1921. For p > 3 this problem is completely open. If we specialize this problem to the case where K is a number field, then the answer is given by the Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem. This asserts that every division algebra of degree p over a number field is cyclic. x INTRODUCTION
From the Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem and some theorems of Frobenius(1849-1917), Hasse, Tsen(1898-1940) Wedderurn and Witt(1911-
1991), today we know that all division algebras over the fields K, KP ,KP ((t)), where K is any number field, Fq, Fq (t) , Fq ((t)) , R, R (t) , R ((t)) , C, C (t) , C ((t)) are crossed products [B]. I would wholeheartedly like to thank my supervisor, professor Theodora Theohari-Apostolidi, who has been an invaluable inspiration for me all these years, for the effort she put to develop this thesis, for the full under- standing and endless patience, and for the detailed guidance in my every step. I would also like to thank the other members of my thesis commit- tee, professor Hara Charalambous and professor Athanasios Tzouvaras, for their accurate and helpful comments, suggestions and corrections, which contributed to improve the present work. Εισαγωγή
Η παρούσα εργασιά ασχολείται µε το Θεώρηµα των Albert-Brauer-Hasse- Noether, καθώς και µε τις ολικές διαστάσεις σταυρωτών γινοµένων, τα οποία είναι πολύ σηµαντικά όχι µόνο στη ϑεωρία δοµής των αλγεβρών, µα επιπλέον στην αλγεβρική ϑεωρία αριθµών. Το Θεώρηµα των Albert-Brauer-Hasse-Noether ϐρέθηκε στις 9 Νοεµβρίου 1931, από τους µαθηµατικούς Abraham Adrian Albert(1905-1972), Richard Brauer(1901-1977), Helmut Hasse(1898-1979) και Amalie Emmy Noether (1861-1941), όπως δηλώνει άλλωστε και το όνοµα του, και αφιερώθηκε στον Kurt Hensel(1861-1941), για την επέτειο των 70στών γενεθλίων του. Από το άρθρο του P. Roquette [Roq] αντλούµε τα ακόλουθα ιστορικά στοιχεία για την συνεργασία των τεσσάρων αυτών µεγάλων µαθηµατικών που οδήγησε στην απόδειξη του ϑεωρήµατός τους. Ο Brauer έδειξε ενδιαφέρον στην ϑεωρία κλάσεων σωµάτων, επειδή πίστευε πως αν τα αποτελέσµατα της ϑεωρίας αυτής εφαρµοστούν στη ϑεωρία ανα- παραστάσεων οµάδων ϑα οδηγούσαν σε σηµαντικά αποτελέσµατα. Ο Hasse στράφηκε προς τη ϑεωρία των αλγεβρών, διότι είχε παρατηρήσει πως η ϑεωρία κλάσεων σωµάτων, όπως και η ϑεωρία των p-αδικών αριθµών ϑα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν εκεί, αποφέροντας µεγάλα οφέλη. Τέλος, η Noether, η οποία ήταν ο συνδετικός κρίκος στην επικοινωνία των Brauer και Hasse, καθοδηγήθηκε από την ιδέα της πως η µη-µεταθετική ϑεωρία αλγεβρών ϑα έπρεπε να χρησιµοποιηθεί για µία καλύτερη κατανόηση της ϑεωρίας κλάσεων σωµάτων. Την εποχή εκείνη, οι µαθηµατικοί που περιστοίχιζαν τη Noether µελετού- σαν µε ενδιαφέρον τις εργασίες του Dickson(1874-1954) και των µαθητών του. ΄Ετσι, κατα τη διάρκεια της συνεργασίας µεταξύ των Brauer, Hasse και Noether, ο Hasse έγραψε µία επιστολή στον Dickson, µέσα στην οποία παρουσίαζε τη δουλειά του και αναρωτιόταν σχετικά µε την ύπαρξη µη- κυκλικών αλγεβρών δείκτη 4, υπεράνω ενός αλγεβρικού σώµατος αριθµών. Ο
xi xii ΕΙΣΑΓΩΓ΄Η
Dickson, τότε, την προώθησε στον Albert, που εκείνη την εποχή ήταν µαθητής του. Ο τελευταίος απάντησε στο γράµµα του Albert πως προσπαθούσε κι ο ίδιος να απαντήσει στην ίδια ερώτηση, κι έπειτα συστήθηκε. Κάπως έτσι, αυτοί οι δύο ξεκίνησαν να επικοινωνούν, καθώς και να ανταλλάζουν ιδέες γύρω από τα στάδια της απόδειξης. Ο Albert είχε, ήδη το 1931, δηµοσιεύσει εργασίες στις οποίες ανέπτυσσε διαφορετικά εργαλεία από τους υπόλοιπους τρεις, µε τα οποία προσεγγιζόταν το µεγαλύτερο µέρος της απόδειξης. ΄Ετσι, στην ερ- γασία τους, οι Brauer, Hasse και Noether πρόσθεσαν µία υποσηµείωση, αναγνωρίζοντας το έργο του Albert, καθώς και δίνοντάς του ένα ¨ξεχωριστό µερίδιο της απόδειξης¨. Αργότερα, το 1932, οι Albert και Hasse συνεργάστη- καν και απέδειξαν ξανά το Θεώρηµα, χρησιµοποιώντας τις µεθόδους του Al- bert αυτή τη ϕορά. Το Θεώρηµα των Albert-Brauer-Hasse-Noether αποτελεί ένα από τα πιο εµβριθή και ϐαθυστόχαστα ϑεωρήµατα στη ϑεωρία των απλών κεντρικών αλ- γεβρών. Η ίδια η εργασία ξεκινάει µε την ακόλουθη πρόταση. ¨Επιτέλους οι κοινές µας προσπάθειες στέφθηκαν µε επιτυχία, να αποδείξουµε το ακόλουθο ϑεώρηµα, το οποίο είναι ϑεµελιώδους σηµασίας για τη ϑεωρία δοµής αλγεβρών, καθώς επίσης και πέρα από αυτήν.¨ Το Θεώρηµα των Albert-Brauer-Hasse-Noether είναι ένα πολύ κρίσιµο ϐήµα στη ϑεώρηση της αλγεβρικής ϑεωρίας αριθµών. Επιτρέπει µια πλήρη ταξινό- µηση των αλγεβρών µε διαίρεση υπεράνω ενός αλγεβρικού σώµατος αριθµών, µέσω των αναλλοίωτων του Hasse. Ως εκ τούτου, επιτρέπει τον προσδιορισµό της οµάδας του Brauer ενός αλγεβρικού σώµατος αριθµών, καθώς επίσης και την περιγραφή των σωµάτων διάσπασης µίας άλγεβρας µε διαίρεση, περιγράφοντας την τοπική συµπεριφορά τους, µία ιδεα εξαιρετικά χρήσιµη στην ϑεωρία αναπαραστάσεων. Επιπλέον, το Θεώρηµα των Albert-Brauer- Hasse-Noether άνοιξε νέα µονοπάτια, δίνοντας τη δυνατότητα να κατανοήσου- µε τη ϑεωρία κλάσεων σωµάτων µέσω της ϑεωρίας δοµής των αλγεβρών. Σε αυτή την εργασία ϑα συζητήσουµε διάφορα ϑέµατα από τη ϑεωρία σχετικά µε τη δοµή καθώς και τις ιδιότητες των απλών κεντρικών αλγεβρών από τη σκοπιά της αλγεβρικής ϑεωρίας αριθµών. Εξετάζουµε το Θεώρηµα των Albert-Brauer-Hasse-Noether, καθώς και τις απαιτούµενες ϑεωρίες υπεράνω ενός αλγεβρικού σώµατος αριθµών, και όχι πάνω από ένα ολικό σώµα. Στο 1ο κεφάλαιο εισάγουµε την έννοια των απλών κεντρικών αλγεβρών υπεράνω ενός αλγεβρικού σώµατος αριθµών K, καθώς και τις ϑεµελιώδεις ιδιότητές τους. Επίσης, ορίζουµε την οµάδα του Brauer ενός σώµατος. Οι απλές κεντρικές K-άλγεβρες είναι ιδιαίτερα χρήσιµες αλγεβρικές δοµές, όχι µόνο εξαιτίας της ιδιότητάς τους να είναι απλές, µα επιπλέον εξαιτίας του xiii
γεγονότος ότι το κέντρο τους είναι ακριβώς το σώµα K. Στις απλές κεντρικές άλγεβρες ορίζεται µία σχέση ισοδυναµίας. ΄Ετσι, οι κλάσεις τους δοµούν µία οµάδα, τη λεγόµενη οµάδα του Brauer, τα στοιχεία της οποίας ταξινοµούν όλες τις άλγεβρες µε διαίρεση πάνω από το K. Στο 2ο κεφάλαιο ασχολούµαστε µε την ιδιαίτερα σηµαντική έννοια για τη µελέτη µας, αυτή των αλγεβρών-σταυρωτά γινόµενα, όπως επίσης και µε τη ϑεωρία συνοµολογίας οµάδων. Τα σταυρωτά γινόµενα είναι µία ειδική κατηγορία απλών κεντρικών αλγεβρών και παρουσιάζουν εξαιρετικά όµορφες ιδιότητες, όπως το ότι ϐρίσκονται σε ένα προς ένα αντιστοιχία µε συν-κύκλους, και το ότι έχουν την ικανότητα να διατηρούν τα ϕυσικά τους χαρακτηρισ- τικά. Περαιτέρω, συζητούµε τα ϐασικά γύρω από τη ϑεωρία των κυκλικών αλ- γεβρών, και αποδεικνύουµε πως µία άλγεβρα µε διαίρεση ϐαθµού 3 υπεράνω του αλγεβρικού σώµατος αριθµών K είναι κυκλική. Στο 3ο κεφάλαιο παρέχουµε τον ϐασικό εξοπλισµό από τη ϑεωρία ε- κτιµήσεων σε αλγεβρικά σώµατα αριθµών, όπως και από τη ϑεωρία των P- αδικών πληρώσεων αυτών. Σκοπός αυτού του κεφαλαίου είναι να παρουσιά- σουµε και να αποδείξουµε το κεντρικό ϑεώρηµα αυτής της εργασίας, το Θεώρηµα των Albert-Brauer-Hasse-Noether. Μία από τις εφαρµογές του ϑεωρήµατος αυτού είναι πως κάθε απλή κεντρική άλγεβρα είναι κυκλική. Τέλος, στο 4ο κεφάλαιο συζητούµε τη γενικέυση των παραπάνω εννοιών. ∆ίνουµε πληροφορίες για τα modules συνοµολογίας H 0,H 1 και H 2. Επιπλέον, εισάγουµε την κατασκευή της γενικής περίπτωσης των σταυρωτών γινοµένων, και τα εξετάζουµε αυτή τη ϕορά από οµολογικό πρίσµα, δίνοντας σχέσεις ανάµεσα στην ολική και την συνοµολογική διάσταση σε διάφορες δοµές αλ- γεβρών σταυρωτών γινοµένων. Εν συνεχεία, επικεντρωνόµαστε στην περίπτωση που η ολική διάσταση είναι µηδέν. Στην περίπτωση αυτή αποδεικνύουµε πως η οµάδα έχει στρέψη, µολονότι δεν είναι απαραίτητα πεπερασµένη. Τέλος, κατασκευάζουµε µία άλγεβρα σταυρωτό γινόµενο, η οποία είναι και άλγεβρα µε διαίρεση. Για τη ϑεωρία των απλών κεντρικών αλγεβρών, όπως και για τη ϑεωρία συνοµολογίας παραπέµπουµε στα [Re] και [Pi], και ακολουθούµε κυρίως τις µεθόδους που παρουσιάζονται στο [Re] για ϑεωρήµατα που παρουσιάζονται γύρω από αυτά τα ϑέµατα της ϑεωρίας. Επίσης, παραπέµπουµε στα [AR] και [Yi] για το περιεχόµενο του 4ου κεφαλαίου. Για πολλά χρόνια, όλες οι άλγεβρες µε διαίρεση κατασκευάζονταν ως άλγεβρες-σταυρωτά γινόµενα, ξεκινώντας µε τα quaternions του Hamilton (1805-1865), το 1843. Επιπλέον, οι Albert, Dickson και Wedderburn(1882- 1948) απέδειξαν πως όλες οι άλγεβρες µε διαίρεση ϐαθµού 2,3,4, 6 ή 12 είναι xiv ΕΙΣΑΓΩΓ΄Η
κυκλικές, και κατά συνέπεια σταυρωτά γινόµενα, και για ένα µεγάλο µέρος του 20ού αιώνα εικαζόταν πώς όλες οι άλγεβρες µε διαίρεση είναι σταυρωτά γινόµενα. Αλλά, το 1972, ο Amitsur(1921-1994) παρήγαγε το πρώτο α- ντιπαράδειγµα. Κατασκεύασε µη-σταυρωτά γινόµενα άλγεβρες µε διαίρεση µε ϐαθµό n, για κάθε n, υπό την προϋπόθεση ότι ο n διαιρείται είτε από τον αριθµό 23 είτε από τον p2, όπου p είναι ένας πρώτος άριθµός, ο οποίος είναι πρώτος και µε τη χαρακτηριστική του σώµατος κλασµάτων. Η κατασκευή αυτή οδήγησε σε µία πληθώρα ερωτήσεων γύρω από τις ιδιότητες µίας άλγε- ϐρας µε διαίρεση. ΄Ενα από τα σηµαντικότερα ανοιχτά προβλήµατα που αφορούν τις απλές κεντρικές K-άλγεβρες, και το οποίο αποτέλεσε κίνητρο για την εκπόνηση αυτής της εργασίας, είναι η κατασκευή µίας µη-κυκλικής άλγεβρας µε ϐαθµό p, όπου p είναι πρώτος αριθµός, υπεράνω ενός σώµατος K, και είναι καταχωρη- µένο ως Πρόβληµα 1.1 στην εργασία [ABGV]. Είναι προφανές πως µία άλγε- ϐρα µε διαίρεση ϐαθµού 2 πάνω από το K είναι κυκλική. Επιπρόσθετα, µία άλγεβρα µε διαίρεση ϐαθµού 3 πάνω από το K είναι κυκλική, όπως απεδείχθη από τον Wedderburn το 1921. Στην περίπτωση που p > 3 το πρόβληµα είναι τελείως ανοιχτό. Αν περιορίσουµε, όµως, το πρόβληµα στην περίπτωση που το σώµα K είναι αλγεβρικό σώµα αριθµών, τότε η απάντηση δίνεται από το Θεώρηµα των Albert-Brauer-Hasse-Noether, το οποίο ακριβώς ισχυρίζεται πως κάθε άλγεβρα µε διαίρεση ϐαθµού p υπεράνω ενός αλγεβρικού σώµατος αριθµών είναι κυκλική. Από το Θεώρηµα των Albert-Brauer-Hasse-Noether, και µαζί µε ϑεωρήµα- τα των Frobenius(1849-1917), Hasse, Tsen(1898-1940) Wedderburn και Witt (1911-1991), σήµερα µας είναι γνωστό ότι όλες οι άλγεβρες µε διαίρεση
υπεράνω των σωµάτων K, KP ,KP ((t)), όπου K είναι τυχαίο σώµα αριθµών,
Fq, Fq (t) , Fq ((t)) , R, R (t) , R ((t)) , C, C (t) , C ((t)) είναι άλγεβρες-σταυρωτά γινόµενα [B]. Θα ήθελα να ευχαριστήσω ολόψυχα την επιβλέπουσα καθηγήτριά µου, Καθηγήτρια Θεοδώρα Θεοχάρη-Αποστολίδη, η οποία υπήρξε ανεκτίµητη πηγή έµπνευσης για µένα όλα αυτά τα χρόνια, για την προσπάθεια που κατέβαλλε µαζί µου στην ανάπτυξη της παρούσας εργασίας, την αµέριστη κατανόηση σε όλα τα -µαθηµατικά και µη- ϑέµατα που παρουσιάστηκαν, την ατέλειωτη υποµονή, και τέλος, για τη λεπτοµερή καθοδήγηση σε κάθε µου ϐήµα. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τα υπόλοιπα µέλη της τριµελούς εξεταστικής επιτροπής, καθηγήτρια Χαρά Χαραλάµπους και καθηγητή Αθανάσιο Τζουβά- ϱα, για τις ακριβείς και χρήσιµες παρατηρήσεις, τις προτάσεις και τις διορθώσεις τους, οι οποίες συνέβαλαν στη ϐελτίωση της παρούσας εργασίας. Contents
Introduction vii
Εισαγωγή xi
1 Central Simple Algebras and the Brauer Group 1 1.1 Central Simple Algebras ...... 1 1.2 The Brauer Group ...... 9
2 Galois Cohomology 17 2.1 Crossed-product algebras ...... 17 2.2 Galois Cohomology ...... 20 2.3 Cyclic Algebras and Division Algebras of Small Degrees . . . 37
3 The Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem 45 3.1 Valuations and Completions ...... 45 3.2 The Albert-Brauer-Hasse-Noether Theorem ...... 47
4 The General Case 55 4.1 The General Crossed Products ...... 56 4.2 Global Dimensions of Crossed Products ...... 61 4.3 Global Dimension 0 ...... 67
Bibliography 71
xv xvi CONTENTS Chapter 1
Central Simple Algebras and the Brauer Group
The aim of this chapter is to study the central simple algebras over an algebraic number field. By K we denote an algebraic number field, that is, a finite extension of the field Q of the rational numbers. Also, we introduce the reader to the Brauer group, a very critical concept in our study. For further information about this chapter, we refer to [Re] and [Pi].
1.1 Central Simple Algebras
Definition 1 A central simple K-algebra A is a ring with center K with no nontrivial two-sided ideals, which is a finite dimensional K-vector space.
By Wedderburn’s Structure Theorem, a central simple K-algebra A is isomorphic to a matrix algebra over a division K-algebra. So
A Mr (D) , where D is a central division K-algebra for some number r. We refer to D as the division algebra part of A. By a division algebra we mean a ring whose nonzero elements form a multiplicative group, and it is of finite dimension over its center, say K.
The first example of a division algebra is the Hamilton’s quaternion al- gebra H = {a + bi + cj + dk : a, b, c, d ∈ R, i2 = j2 = k2 = ijk = −1}.
1 2CHAPTER 1. CENTRAL SIMPLE ALGEBRAS AND THE BRAUER GROUP
Two central simple K-algebras A and B are called equivalent or Brauer equivalent, and we note them as A ∼ B, if their division algebra parts are K-isomorphic. Therefore the central simple K-algebras A and B are equivalent if there exists a ring isomorphism
A ⊗K Mr (K) B ⊗K Ms (K) , for some integers r, s. Another way of looking at this equivalence is the following one. Let
A Mρ (D1) and B Mλ (D2) ; then
A D1 ⊗K Mρ (K) and B D2 ⊗K Mλ (K) .
Therefore A ∼ B if and only if D1 ∼ D2. In other words, the equivalence relation defined for central simple algebras over K is one really defined for division algebras over K. Let [A] denote the equivalence class of A. Our aim is to give an algebraic structure on the set of equivalence classes of central simple algebras. For this reason we have to study the central simple algebras in more detail. Also, by Wedderburn’s Structure Theorem for central simple algebras, we get the next.
Theorem 1 A central simple K-algebra A is isomorphic to an algebra of r × r matrices over a division ring. The algebra A determines r uniquely, and determines the division ring D up to isomorphism. If V is any minimal ideal of A, then D EndA (V ) is a division ring, and
o A = EndD (V ) Mr (D ) , where r is the dimension of the left D-space V . Hence
(A : K) = r2 (D : K) .
In the sequel we prove some of the main properties of central simple algebras.
Theorem 2 Let A and B be two central simple K-algebras. Then A ⊗K B is also a central simple K-algebra. 1.1. CENTRAL SIMPLE ALGEBRAS 3
Proof. At first we compute the center of A ⊗K B. Since B is a finite dimen- Ls { } sional K-algebra, we can write B = i=1 Kei , for some e1, . . . , es K-basis for B. Then Ms A ⊗K B = A ⊗K Kei . i=1 P Let x ∈ Z (A ⊗K B), then x = ai ⊗ ei . for some elements ai ∈ A, 1 ≤ i ≤ s. Moreover, x has to commute with the element a ⊗ 1 for all a ∈ A. Hence Xs 0 = (a ⊗ 1 − 1 ⊗ a) x = (aai − ai a) ⊗ ei = 0, i=1 and since ei are linearly independent over K, we get aai = aai for all a ∈ A.
This means that ai ∈ Z (A) = K. Thus Xs Xs Xs x = ai ⊗ ei = 1 ⊗ ai ei = 1 ⊗ ai ei ; i=1 i=1 i=1 in other words x = 1 ⊗ b0, for some b0 ∈ B. But also x has to commute with the elements 1 ⊗ b, for all b ∈ B. Hence
x (1 ⊗ b) = (1 ⊗ b) x ⇒ 1 ⊗ b0b = 1 ⊗ bb0, for all b ∈ B, so b0 ∈ Z (B) = K. Therefore x ∈ K and so Z (A ⊗K B) ⊂ K. Now it is clear that K ⊂ Z (A ⊗K B). Hence Z (A ⊗K B) = K. The K-algebra
A ⊗K B is of finite dimension, since this happens for A and B, so it remains 0 to prove that A ⊗K B is simple. For this, let A = Mr (D) and B = Mt (D ), for central K-division algebras D and D0. Then