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Bases de Gröbner de ideais bilaterais

Nesta seção I € KxXy denotará um ideal bilateral.

Definição 2.2.1. Seja G€ F zt0u tal que I  xGy. O conjunto G é dito uma base de Gröbner

de I se

lmpIq  tw lmpgqw1 | g P G, w, w1 P W u. Alguns exemplos de bases de Gröbner são os seguintes (veja [13]).

Exemplo 2.2.2. Considere F  Kxx, yy com a ordem ¡grLex tal que x¡grLex y, e o ideal xfy

onde f  x2 xy. Então o conjunto txyix xyi 1| i P Nu é uma base de Gröbner de xfy.

Exemplo 2.2.3. Considere F  Kxx, yy com a ordem ¡grLex tal que y ¡grLex x, e o ideal xfy

onde f  yxy  xyx. Seja G  tfu Y tyxi 1yx xyxxyi | i ¥ 1u. Então G é uma base de Gröbner de I.

Segue facilmente da definição que se G é uma base de Gröbner de I, então o conjunto lmpGq gera o ideal bilateral LMpIq.

Precisaremos do seguinte resultado.

Proposição 2.2.4. Seja G€ KxXyzt0u um conjunto de polinômios tal que I  xGy. Se lmpGq

gera o módulo dos monômios líder LMpIq, então G é uma base de Gröbner de I.

Demonstração. Como I  xGy, temos que wgw1 P I, para quaisquer w, w1 P W e g P G. Dado que w lmpgqw1  lmpwgw1q P lmpIq, tem-se então que tw lmpgqw1 | g P G, w, w1 P W u € lmpIq. Note que lmpIq € LMpIq. Como lmpGq gera LMpIq, temos que lmpIq € tw lmpgqw1 | g P G, w, w1 P W u. Logo, temos que G é uma base de Gröbner de I.

Da proposição anterior temos imediatamente o seguinte resultado para ideais monomiais.

Corolário 2.2.5. Seja S € W um conjunto de monômios que geram o ideal xSy € KxXy.

Então S é uma base de Gröbner de S com respeito a qualquer ordem admissível.

Lema 2.2.6. Seja I € F zt0u um ideal, e seja G € Izt0u. Se o conjunto lmpGq gera o semigrupo

lmpIq, então G é uma base de Gröbner de I.

Demonstração. Pela definição de base de Gröbner, é suficiente provar que I  xGy. Suponha que xGy ˆ I. Dado que   é uma boa ordem, existe um polinômio f P IzxGy tal que lmpfq seja mínimo. Como lmpfq P lmpIq e lmpGq gera o semigrupo lmpIq, existem c P Kzt0u, w, w1 P W , e g P G tais que lcpfq lmpfq  c lmpwgw1q. Agora, note que f  cwgw1 P IzxGy e lmpf  cwgw1q   lmpfq, contradizendo a escolha de f. Logo, I  xGy como queríamos.

Uma outra caraterização de uma base de Gröbner é dada pelo seguinte resultado.

Proposição 2.2.7. Sejam G € KxXyzt0u um conjunto de polinômios e I um ideal de KxXy.

Então, as seguintes condições são equivalentes: (a) O conjunto G é uma base de Gröbner de I.

(b) Para todo polinômio f P Izt0u, existe uma representação f 

s

¸

i1

ciwigiw1i

com ci P Kzt0u, wi, w1i P W , e gi P G tal que lmpfq © lmpwigiw1iq para cada i P t1, . . . , su.

Demonstração. Suponha que G seja uma base de Gröbner de I, e seja f P Izt0u. Dado que G é uma base de Gröbner de I, existe g1 P G tal que lmpfq  w1lmpg1qw11, para alguns w1, w11 P W .

Seja então c1 

lcpfq lcpg1q

, e f1  f  c1w1g1w11. Logo f1  0 ou lmpfq ¡ lmpf1q. Agora, por

definição G€ I, donde f1 P I. Portanto, se f1  0, existe g2 P G tal que lmpf1q  w2lmpg2qw21,

para alguns w2, w12 P W . Novamente, fazendo c2 

lcpf1q

lcpg2q

e f2  f1  c2w2g2w12, temos que

f2  0 ou lmpf1q ¡ lmpf2q. Iterando este procedimento, e dado que ¡ é uma boa ordem, existe

s tal que fs1  0, e fs  fs1 cswsgsws1  0, com lmpfq ¡ lmpf1q ¡    ¡ lmpfs1q. Logo, f

tem uma representação da forma

f 

s

¸

i1

ciwigiw1i

com ci  0, wi, w1i P W e gi P G. Note também que se f0  f, então temos que lmpfiq 

wi 1lmpgi 1qwi 11  lmpwi 1gi 1wi 11 q para 0 ¤ i ¤ s  1. Então lmpfq  lmpw1g1w11q ¡

lmpw2g2w21q ¡    ¡ lmpwsgsw1sq.

Suponha agora pbq. Então, tem-se que I  xGy. Além disso, existe i P t1, . . . , su tal que lmpfq  lmpwigiw1iq  wilmpgiqw1i. Logo G é uma base de Gröbner de I.

Definição 2.2.8. Sejam f P KxXyzt0u um polinômio e G € KxXyzt0u. Dizemos que f tem

uma presentação de Gröbner em termos de G se existirem c1, . . . , csP KxXyzt0u, w1, w11, . . . ,

ws, ws1 P W , e g1, . . . , gsP G tais que f  s ¸ i1 ciwigiw1i e lmpfq  lmpw1g1w11q ¡    ¡ lmpwsgsw1sq.

Note que na definição de base de Gröbner não é mencionada a unicidade desta. Isto é porque em geral para um ideal I € KxXy podemos ter diferentes bases de Gröbner. Por exemplo,

considere G uma base de Gröbner de um ideal I € KxXyzt0u, e seja f P IzG, com f  0. Então, GY tfu também é uma base de Gröbner de I.

Definição 2.2.9. Sejam I € KxXyzt0u um ideal, e G uma base de Gröbner de I. Um polinômio

f P G é dito redundante se o conjunto Gztfu ainda é uma base de Gröbner de I. Dizemos que f P G é irredundante se não for redundante.

Pelo Lema2.2.6, temos o seguinte resultado.

Proposição 2.2.10. Sejam I € KxXyzt0u um ideal, e G uma base de Gröbner de I. Um

polinômio f P G é redundante se lmpfq  w lmpgqw1, para alguns w, w1 P W e g P G.

Agora, se os elementos redundantes são removidos, vamos ter uma base de Gröbner de menor tamanho. Assim apresentamos a definição de base de Gröbner reduzida.

Definição 2.2.11. Sejam I € KxXyzt0u um ideal, e G uma base de Gröbner irredundante de

I. G é chamada uma base de Gröbner reduzida de I, se todo polinômio em G for mônico, e se g  lmpgq  CanIplmpgqq

para cada g P G.

Proposição 2.2.12. Para todo ideal I € KxXyzt0u, existe uma única base de Gröbner reduzida.

Demonstração. Primeiro, note que dado I um ideal, o conjunto lmpIq é um ideal do semigrupo W . Logo, pelo Teorema 1.2.13, existe um único conjunto minimal de geradores de lmpIq. Considere lmpGq € W como sendo o conjunto minimal de geradores de lmpIq com o correspondente conjunto de polinômios G€ KxXyzt0u, e seja G1  tlmpgq  CanIplmpgqq | g P Gu.

Vejamos que G1 é uma base de Gröbner reduzida de I. Pelo Corolário2.1.10 temos que lmpgq  CanIplmpgqq P I para cada g P G, logo G1 € I. Além disso lmpG1q  lmpGq gera lmpIq.

Assim pelo Lema 2.2.6 tem-se que G1 é uma base de Gröbner de I. Logo, G1 é uma base de Gröbner reduzida de I.

Suponha que G e H são duas bases de Gröbner reduzidas de I. Então, lmpGq e lmpHq são conjuntos minimais de geradores de lmpIq, e portanto lmpGq  lmpHq. Sejam g P G e h P H tais que lmpgq  lmphq. Note que g  h P I. Agora como G e H são reduzidas, tem-se que g  lmpgq  CanIpgq e h  lmphq  CanIphq. Logo, g  h  CanIphq  CanIpgq P SpanKOpIq.

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