Het lemma van Nakayama is een stelling uit de commutatieve algebra, een deelgebied van de wiskunde. Ze legt beperkende voorwaarden op aan eindig voortgebrachte modulen die door vermenigvuldiging met een ideaal niet wezenlijk verkleind worden.

Het lemma is genoemd naar zijn auteur Tadashi Nakayama. Volgens Hideyuki Matsumura schreef Nakayama zelf de stelling evenwel toe aan Wolfgang Krull en Goro Azumaya.

In de verschillende formuleringen hieronder is ${\displaystyle A}$ een commutatieve ring met eenheidselement, ${\displaystyle I}$ een ideaal van ${\displaystyle A,}$ en ${\displaystyle M}$ een eindig voortgebracht ${\displaystyle A}$-moduul. Dat laatste wil zeggen dat er elementen ${\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{n}}$ van ${\displaystyle M}$ bestaan met de eigenschap dat

${\displaystyle M=Ax_{1}+\ldots +Ax_{n}}$

Zij ${\displaystyle f}$ een moduul-endomorfisme (${\displaystyle A}$-lineaire transformatie) van ${\displaystyle M}$ waarvan het beeld binnen ${\displaystyle IM}$ ligt. Dan voldoet ${\displaystyle f}$ aan een relatie van de vorm

${\displaystyle f^{n}+a_{1}f^{n-1}+\ldots +a_{n-1}f+a_{n}=0,\ a_{i}\in I}$

Deze vorm van het lemma kan rechtstreeks worden bewezen met een variant van de Stelling van Cayley-Hamilton.

Veronderstel dat ${\displaystyle IM=M}$, dan bestaat er een element ${\displaystyle a}$ van ${\displaystyle A}$ dat congruent is met 1 modulo ${\displaystyle I,}$ en dat ${\displaystyle M}$ annihileert, dat wil zeggen ${\displaystyle aM=0.}$

Veronderstel dat ${\displaystyle IM=M}$ en dat ${\displaystyle I}$ bevat is in het Jacobson-radicaal (de doorsnede van alle maximale idealen) van ${\displaystyle A.}$ Dan is ${\displaystyle M=0.}$

Als ${\displaystyle N}$ een deelmoduul is van ${\displaystyle M}$ met de eigenschap dat ${\displaystyle M=N+IM,}$ en ${\displaystyle I}$ is een deel van het Jacobson-radicaal van ${\displaystyle A,}$ dan is ${\displaystyle M=N.}$

Uit de ideaalformulering volgt tamelijk rechtstreeks de volgende generalisatie van een bekend resultaat uit de lineaire algebra:

Een surjectief endomorfisme van een eindig voortgebracht ${\displaystyle A}$-moduul is ook injectief (en dus een automorfisme).

Zij ${\displaystyle f}$ de gegeven surjectieve ${\displaystyle A}$-lineaire transformatie van ${\displaystyle M}$ en vat ${\displaystyle M}$ op als moduul over de veeltermring ${\displaystyle A[X]}$ met de afspraak dat voor ieder gegeven element ${\displaystyle m}$ van ${\displaystyle M,}$ ${\displaystyle X\cdot m=f(m).}$ Zij ${\displaystyle I}$ het ideaal van ${\displaystyle A[X]}$ dat wordt voortgebracht door het element ${\displaystyle X.}$ Dan is ${\displaystyle IM=M}$ (surjectiviteit van ${\displaystyle f}$) en dus bestaat er wegens Nakayama een element ${\displaystyle a}$ van ${\displaystyle A[X]}$ dat congruent is met 1 modulo ${\displaystyle I}$ en dat ${\displaystyle M}$ annihileert:

${\displaystyle aM=0;\ a-1\in X\cdot A[X]}$

Schrijf ${\displaystyle a-1}$ als ${\displaystyle X\cdot Y.}$ Dan is de kern van ${\displaystyle f}$ triviaal. Zij namelijk ${\displaystyle u}$ een element van die kern, dan is

${\displaystyle 0=a\cdot u=(1+X\cdot Y)\cdot u=u+Y\cdot f(u)=u+0=u}$

Dus de kern van ${\displaystyle f}$ bevat alleen 0.

• (en) Michael Atiyah & Ian G. MacDonald, Introduction to Commutative Algebra, Massachusetts : Addison-Wesley Publishing, 1969. ISBN 978-0-201-40751-8.
• (en) Hideyuki Matsumura, vertaald door Miles Reid, Commutative Ring Theory (Cambridge Studies in Advanced Mathematics 8),Cambridge, UK : Cambridge University Press, 1989. ISBN 978-0-521-36764-6.