環(huán)論與域論
群是有一個(gè)代數(shù)運(yùn)算的代數(shù)系統(tǒng)镣衡,但我們?cè)跀?shù)學(xué)中生蚁,如高等代數(shù)中討論的很多對(duì)象比如:數(shù)、多項(xiàng)式巡球、函數(shù)以及矩陣和線性變換等言沐,都是有兩個(gè)代數(shù)運(yùn)算的代數(shù)系統(tǒng)邓嘹,兩個(gè)代數(shù)運(yùn)算的代數(shù)系統(tǒng)不僅有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,而且相比于一個(gè)代數(shù)運(yùn)算的系統(tǒng)會(huì)有一些有趣的性質(zhì)险胰。而在具有兩個(gè)代數(shù)運(yùn)算的系統(tǒng)中環(huán)和域便是很好的代表汹押。
一、環(huán)
1.1 環(huán)和子環(huán)
具有兩個(gè)運(yùn)算的系統(tǒng)比較多起便,性質(zhì)也各有不同棚贾,我們必須先從中抽取出“最小”的系統(tǒng)才能有通用性。各種數(shù)系榆综、多項(xiàng)式妙痹、矩陣的加法和乘法是最具代表性的雙運(yùn)算系統(tǒng),以它們?yōu)閰⒖伎梢缘玫奖容^有用的系統(tǒng)鼻疮。比如矩陣(線性空間)為雙運(yùn)算系統(tǒng)提供了許多豐富的可能性怯伊,相關(guān)的例子也很多。
考察上面提到的這些常見(jiàn)具體系統(tǒng)陋守,它們的加法群都是交換群,故假設(shè)新的抽象系統(tǒng)的一個(gè)運(yùn)算也為交換群利赋。并且稱其為加群水评,加群的單位元稱為零元素(記作0)。加群的所有表達(dá)式都可以寫(xiě)為加減法媚送,加法的“冪”可以用倍數(shù)表示中燥。同時(shí)我們可以得到以下這些常見(jiàn)的變形都是成立的,后面可以直接使用塘偎。
如果我們要定義我們的最小且一般的系統(tǒng)疗涉,結(jié)合上面提到這些具體的雙運(yùn)算系統(tǒng),我們會(huì)發(fā)現(xiàn)相對(duì)于加法運(yùn)算群系統(tǒng)中的乘法群就比較弱了吟秩,但至少組合律是成立的咱扣,所以它是一個(gè)半群。并且常見(jiàn)的系統(tǒng)中乘法和加法滿足以下分配律涵防。至此我們就可以定義新的系統(tǒng)了闹伪,一個(gè)運(yùn)算為加法群,另一個(gè)運(yùn)算為半群壮池,且它們滿足分配率偏瓤,這樣的系統(tǒng)稱為環(huán)(ring),一般用字母 R 表示椰憋,乘法可交換的環(huán)叫交換環(huán)厅克。乘法如果有單位元鸡挠,按照慣例一般記作1刻伊。
如果你仔細(xì)觀察分配率盒至,可以發(fā)現(xiàn)其中有同態(tài)映射的影子, 也正是因?yàn)樗鼭M足這樣的性質(zhì)才使得我們的代數(shù)系統(tǒng)可以有更多其他有用的性質(zhì)∪鼻矗現(xiàn)在來(lái)看看加法在結(jié)合了乘法后,都有哪些性質(zhì)褪储,我們以前熟悉的表達(dá)式變形還能不能成立卵渴。首先對(duì)于特殊的 0 元素,因?yàn)?鲤竹,容易有
浪读,零元素在乘法下將所有元素歸為 0。再來(lái)看
辛藻,因?yàn)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=(%E2%88%92a)b%2Bab%3D(%E2%88%92a%2Ba)b%3D0" alt="(?a)b+ab=(?a+a)b=0" mathimg="1">碘橘,故有
。這些都是以前就熟悉的表達(dá)式吱肌,它們?cè)诃h(huán)里都是成立的痘拆。下面是一些更多成立的常見(jiàn)表達(dá)式。
很自然地氮墨,可以定義子環(huán)纺蛆,它是進(jìn)一步研究環(huán)結(jié)構(gòu)的基本定義。子環(huán)除了是加群的子群外规揪,還需對(duì)乘法封閉桥氏,這些比較容易證明。和單運(yùn)算系統(tǒng)一樣猛铅,可以定義環(huán)同構(gòu)字支,如果兩個(gè)環(huán) 之間存在一一映射
,且映射保持運(yùn)算(公式(6))奸忽,則稱
同構(gòu)
堕伪。
由于現(xiàn)在擁有了兩個(gè)代數(shù)運(yùn)算,它們之間相互作用栗菜,往往會(huì)有更多有趣的性質(zhì)發(fā)生欠雌,但同時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在證明的同時(shí)也需要更多較為巧妙的構(gòu)造。下面我們來(lái)看代數(shù)學(xué)中的 Kaplansky 定理:對(duì)于有單位元非交換環(huán)來(lái)說(shuō)疙筹,如果環(huán) 中元素
有不止一個(gè)右逆桨昙,那么
有無(wú)數(shù)多個(gè)右逆。因?yàn)榭疾煊袉挝辉沫h(huán)
腌歉,如果元素 a 有至少兩個(gè)右逆元蛙酪,記逆元的集合為
∏谈牵考察集合
桂塞,容易證明它們都是元素 a 的右逆元且互不相等,從而這兩個(gè)集合存在一一映射馍驯。如果集合是有限的阁危,則存在
玛痊,化簡(jiǎn)后兩邊同時(shí)乘以
得
,從而所有右逆元相等狂打。這就導(dǎo)致了矛盾擂煞,所以右逆元必然有無(wú)窮多個(gè),得證趴乡。而應(yīng)該注意的是有限環(huán)最多只能有一個(gè)右逆元对省。下面還有幾個(gè)小的思考題,供讀者消遣晾捏。
? 每個(gè)元素都是冪等元 的環(huán)叫布爾環(huán)蒿涎,求證
且
;
? 環(huán) R 有單位元惦辛,求證加法交換律可由定義的其它部分證明劳秋;(提示:分配率的不交換性)
? 求證:唯一的左(右)單位元必定是單位元;(提示:構(gòu)造)
? 如果可逆胖齐,則
也可逆玻淑;(提示:構(gòu)造)
? 求證:交換環(huán)中所有滿足的元素組成子環(huán)。
1.2 零因子
零元素在環(huán)中有著特殊的地位呀伙,它如同黑洞一般講所有元素吸入补履,使得環(huán)的局部呈現(xiàn)坍塌。反之区匠,環(huán)的整體結(jié)構(gòu)還是得靠那些能逃脫 0 的“引力”的元素?fù)纹饋?lái)干像。為此定義 中的
分別為環(huán)的左帅腌、右零因子驰弄,不是零因子的元素叫正則元,正則元就是我們要找的“支撐元素”速客。無(wú)零因子是對(duì)乘法的一個(gè)約束戚篙,它本質(zhì)上是要求乘法封閉。有一類特殊的零因子滿足
溺职,它們被稱為冪零元岔擂。
顯然有無(wú)左零因子和有無(wú)右零因子是等價(jià)的,這樣的環(huán)也稱為無(wú)零因子環(huán)浪耘,交換的無(wú)零因子環(huán)叫整環(huán)(domain)(有些教材還要求含單位元乱灵,我們這里不采用這種定義)。對(duì)無(wú)零因子環(huán)七冲,若有 或
痛倚,由分配率顯然有
,即消去律成立澜躺。反之若左(右)消去律成立蝉稳,也容易得到環(huán)無(wú)零因子抒蚜,由此消去律和無(wú)零因子是兩個(gè)等價(jià)概念。
若對(duì)于無(wú)零因子環(huán)有左單位元 耘戚,由于
嗡髓,則有
,故環(huán)有單位元收津,用同樣的方法可證其左逆元也是右逆元饿这。這個(gè)例子表現(xiàn)了零因子的概念在建立等式上的豐富作用,善于構(gòu)造巧妙的表達(dá)式朋截,可以得到很多有用的結(jié)論蛹稍。但是有些場(chǎng)景下可能不存在單位元,對(duì)
不能急于消去
部服,而是要迂回使用消去律唆姐,比如若無(wú)零因子環(huán)有冪等元
,不能直接消去得到
廓八,而是先乘上任意元素
奉芦,然后再消去
證明
就是單位元。下面有幾個(gè)思考題:
? 若 剧蹂,但它們的單位元不同声功,求證 S 的單位元是 R 的零因子;
? 含有至少 3 個(gè)元素的布爾環(huán)不是整環(huán)宠叼;
? 若有限環(huán)中有 先巴,則
。(提示:可以參考Kaplanskey定理的證明)
1.3 特征
階是群的重要參數(shù)冒冬,現(xiàn)在來(lái)看看加法群中元素的階伸蚯,如果其中有最大值n,由于加法群是交換群简烤,用反證法可知所有元素的階都是 n 的因子剂邮。加法群的階在環(huán)中還有更多的性質(zhì),我們將最大的階稱為環(huán)的特征横侦,記作挥萌,當(dāng)然特征也可以是無(wú)窮。如果乘法有單位元且階為 n枉侧,則有
引瀑,故 1的階即是環(huán)的特征。特征為 p榨馁,且恒有
的環(huán)叫 p-環(huán)憨栽,讀者可以嘗試證明 p-環(huán)都是循環(huán)環(huán)。注意我們下面談?wù)摰沫h(huán)的階都是加法群中的情況。
環(huán)中的乘法運(yùn)算有個(gè)很有用的性質(zhì)徒像,就是倍數(shù)可以任意移動(dòng)組合(公式(5))黍特,這個(gè)特征結(jié)合無(wú)零因子可以得到很好的性質(zhì)。先假設(shè)環(huán)中有一個(gè)階為 n 的元素 a锯蛀,那么根據(jù)灭衷,容易知道 b 的階為 n 的因子,并進(jìn)而得知環(huán)中所有元素的階都是 n旁涤。再假設(shè) n 不是素?cái)?shù)翔曲,它有分解
,則有
劈愚,從而必有
或
瞳遍,這與 a 的階為 n 矛盾。綜合以上分析可知菌羽,無(wú)零因子環(huán)元素的階要么都是無(wú)窮掠械,要么都是某個(gè)素?cái)?shù) p,有限無(wú)零因子環(huán)的階當(dāng)然都是 p注祖。
? 若交換環(huán)的特征為p猾蒂,則有;
? 求證:p-環(huán)沒(méi)有冪零元是晨。
二肚菠、除環(huán)和域
2.1 除環(huán)和域
有些環(huán)在乘法上有更多的性質(zhì),有必要專門(mén)討論它們罩缴。對(duì)于那些有單位元的環(huán)蚊逢,其中存在逆元的元素一般稱為單位(unit)。容易證明環(huán)中的全體單位在乘法下構(gòu)成群箫章,它被稱為單位群烙荷。對(duì)于有限環(huán),總有成立炉抒,如果 a 是非零因子奢讨,則有
稚叹。繼而對(duì)任意 x 有
焰薄,即得到
為單位元,而
是 a 的逆元扒袖∪總結(jié)以上就得到,有限環(huán)的非零因子是單位季率。
除零因子外野瘦,每個(gè)元素都是單位的環(huán)稱為除環(huán)或體(skew field),交換除環(huán)也叫域(field)。容易證明除環(huán)沒(méi)有零因子鞭光,由此可知在去除零元素之后吏廉,乘法仍然是封閉的,它們能夠形成一個(gè)群惰许。數(shù)系是除環(huán)和域的典型代表席覆,整數(shù)環(huán)有單位{?1,1},有理數(shù)汹买、實(shí)數(shù)佩伤、復(fù)數(shù)都是域的例子。由于域的乘法可交換晦毙,可以定義為分式
,你可以證明一般方式的加法见妒、乘法孤荣、除法規(guī)則在域里也是成立的。
? 若環(huán)R中的任何非零元素a须揣,都有唯一的b∈R使得aba=a垃环,求證R為除環(huán)。(提示:先證無(wú)零因子)
你可能有一個(gè)疑問(wèn)返敬,存不存在除環(huán)呢遂庄?乘法有單位元和逆元,卻不可交換的環(huán)存在嗎劲赠?還記得我們前面介紹過(guò)的四元群?jiǎn)崽文浚伤鼈冏鳛椤俺瑥?fù)數(shù)”的單位形成四元數(shù) ,可以證明它就是非交換的除環(huán)凛澎。這是歷史上首次發(fā)現(xiàn)的非交換除環(huán)霹肝,由哈密爾頓(Hamilton)首先發(fā)現(xiàn),因此也叫哈密爾頓四元數(shù)除環(huán)塑煎。后面的課程中沫换,還會(huì)介紹到它作為數(shù)滿足的一般性質(zhì),這在歷史上是一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)最铁。對(duì)于有限除環(huán)讯赏,魏德邦(Wedderbum)證明了它的必定是交換的,故必然是域冷尉。由前面的討論我們?nèi)菀子惺妫邢逕o(wú)零因子環(huán)必定是除環(huán),再由魏德邦定理知它又必定是域雀哨。
之前群的定義中磕谅,我們討論了一次方程有解與群的等價(jià)性私爷。在除環(huán)里也有類似的結(jié)論,而且所需條件更弱膊夹。首先除環(huán)中一次方程(7)都有解衬浑,反之若環(huán)中滿足方程(7)其中之一有解,下面來(lái)看它是否是除環(huán)放刨。首先要證無(wú)零因子嚎卫,即對(duì)任意,證明
宏榕⊥刂睿可以構(gòu)造一個(gè)含有
而值為 b(或a)的表達(dá)式,利用一次方程的有解性可有
和
麻昼,從而
奠支,則環(huán)無(wú)零因子。接下來(lái)找單位元抚芦,設(shè)
的解為
倍谜,利用消去律(見(jiàn)上面的討論)可知
為右單位元。再由
知任何元素a有右逆元叉抡,從而乘法(除去零元)是一個(gè)群尔崔,該環(huán)為除環(huán)。綜合以上討論褥民,環(huán)為除環(huán)的充要條件是一次方程(7)之一恒有解
季春。
2.2 商域
域的結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)的,它的結(jié)論比較豐富消返,我們希望能把一個(gè)環(huán)放在域中载弄,以便獲得更多的結(jié)論。顯然不是所有的環(huán)都可以擴(kuò)展為域撵颊,它至少要滿足無(wú)零因子和可交換宇攻。自然地我們想問(wèn),是不是該先考慮無(wú)零因子的不可交換環(huán)擴(kuò)展為除環(huán)倡勇,可惜這個(gè)結(jié)論已經(jīng)有人舉出反例了逞刷,比較復(fù)雜,這里僅當(dāng)結(jié)論妻熊。那么無(wú)零因子可交換環(huán)(整環(huán))是不是都能擴(kuò)展為域呢夸浅?這里就來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題。
要想成為域固耘,需要補(bǔ)充單位元和逆元题篷,但硬要把它們定義出來(lái)還是很困難的词身√浚回顧一下我們?cè)趯?shí)數(shù)系統(tǒng)介紹的擴(kuò)展方法,可以用數(shù)對(duì)來(lái)定義擴(kuò)展的數(shù)系,再將原數(shù)系嵌入到新數(shù)系中损敷。添加單位元和逆元本質(zhì)上需要做除法葫笼,和整數(shù)擴(kuò)展為有理數(shù)的過(guò)程完全一樣,定義元素對(duì)的集合拗馒。當(dāng)
時(shí)路星,定義相等
,直觀上講其實(shí)就是定義了分?jǐn)?shù)
洋丐。
相等關(guān)系下的等價(jià)類正是我們期望的系統(tǒng),首先證明新系統(tǒng)的如下加法和乘法定義是良性的挥等,即等價(jià)類中代表元的選取不影響結(jié)果友绝。然后證明,新系統(tǒng)在這個(gè)運(yùn)算定義下形成一個(gè)域肝劲,最后通過(guò)映射將環(huán)嵌入到這個(gè)域中迁客。這就證明了無(wú)零交換環(huán)總可以擴(kuò)展為域,這個(gè)域也叫環(huán)的分式域或商域辞槐。
三榄檬、特殊環(huán)
3.1 循環(huán)環(huán)
循環(huán)群是最簡(jiǎn)單的群卜范,那這里先分析一下加法群是循環(huán)群的環(huán),它稱為循環(huán)環(huán)鹿榜,設(shè)加法群的生成元為 a先朦。回顧一下循環(huán)群犬缨,若它的階為無(wú)窮喳魏,它與整數(shù)群同構(gòu)且同時(shí)也是生成元,若階為有限
怀薛,它與
的剩余類群同構(gòu)刺彩,且任何與
互素的剩余類都是生成元。顯然整數(shù)集合
和任何剩余類集合
在加法和乘法定義下構(gòu)成環(huán)枝恋,分別稱為整數(shù)環(huán)和模
剩余類環(huán)创倔,下面就來(lái)分析一下循環(huán)環(huán)和它們之間的關(guān)系。
先來(lái)看循環(huán)環(huán)焚碌,它的所有元素是或
畦攘。它們?cè)诩臃ㄈ合拢恳粋€(gè)不同的階僅有一個(gè)同構(gòu)的循環(huán)群十电,但這一點(diǎn)在環(huán)里卻是不成立的≈海現(xiàn)在來(lái)考慮循環(huán)環(huán)中的乘法叹螟,首先對(duì)任意兩個(gè)元素有
,故循環(huán)環(huán)必定是交換環(huán)台盯。其次由乘法的封閉性罢绽,一定有
,而反過(guò)來(lái)若在一個(gè)循環(huán)群上定義乘法
静盅,它也一定構(gòu)成環(huán)良价。由此可知,
的任何取值都等價(jià)于一個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)蒿叠,當(dāng)然你要清楚明垢,不同的
對(duì)應(yīng)的環(huán)是有可能同構(gòu)的。
對(duì)于無(wú)窮階環(huán)市咽,加法生成元只有袖外,當(dāng)
取不同值時(shí),對(duì)應(yīng)的環(huán)一定互不同構(gòu)魂务,而容易證明
和
對(duì)應(yīng)的環(huán)是同構(gòu)的曼验。對(duì)于
階環(huán),
只能取
個(gè)值粘姜,而這些值對(duì)應(yīng)的環(huán)還有可能是同構(gòu)的鬓照。使用初等數(shù)論的一些簡(jiǎn)單推導(dǎo),容易證明可以通過(guò)選取適當(dāng)?shù)纳稍陆簦沟?
為
的因子豺裆。從而
的每個(gè)因子代表了一類同構(gòu)的環(huán),同不同因子對(duì)應(yīng)的環(huán)是不同構(gòu)的号显。
這樣循環(huán)環(huán)的所有同構(gòu)環(huán)就清楚了臭猜,每一個(gè)非負(fù)整數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)無(wú)窮環(huán),每一個(gè)因子對(duì)應(yīng)一個(gè) 階環(huán)押蚤。最后來(lái)看看整數(shù)環(huán)和剩余類環(huán)蔑歌,顯然它們的生成元滿足
,而它們的子環(huán)滿足
揽碘。
的所有子環(huán)與正整數(shù)一一對(duì)應(yīng)次屠,
的所有子環(huán)與 n 的正因子一一對(duì)應(yīng),而它們包含了除
之外的所有循環(huán)環(huán)雳刺。換句話說(shuō)除
之外劫灶,每個(gè)循環(huán)環(huán)與一個(gè)
或
的子環(huán)同構(gòu)。
現(xiàn)在做一些常規(guī)討論掖桦,Z 只有可逆元本昏,所有元素為非零因子,
中與
互素的都是可逆元枪汪,而其它都是零因子涌穆。特別地怔昨,
的每個(gè)元素可逆,故它是一個(gè)域蒲犬,而且還是一個(gè) p-環(huán)朱监。由于
和
都有單位元岸啡,單位元的階就是它們特征原叮,所以Z的特征為無(wú)窮,而
巡蘸。
3.2 多項(xiàng)式環(huán)
將環(huán)向多維空間擴(kuò)展奋隶,是得到更多復(fù)雜環(huán)的常用方法,擴(kuò)展的形式也是多種多樣的悦荒。矩陣環(huán)可以得到非常豐富的環(huán)結(jié)構(gòu)唯欣,簡(jiǎn)單一點(diǎn)的還有在線性空間的簡(jiǎn)單拓展,比如無(wú)理數(shù)環(huán)和復(fù)數(shù)環(huán)
搬味,特別地
叫做高斯整環(huán)境氢。
線性擴(kuò)展中最一般的當(dāng)屬多項(xiàng)式,多項(xiàng)式一直是代數(shù)中的重要概念碰纬,它是一個(gè)基本的代數(shù)對(duì)象萍聊,現(xiàn)在從環(huán)的角度來(lái)分析一下多項(xiàng)式系統(tǒng)。先從最常見(jiàn)的一元多項(xiàng)式說(shuō)起悦析,它是具有以下形式的表達(dá)式寿桨,其中是環(huán)
的元素,
稱為
次項(xiàng)强戴,
稱為
次項(xiàng)系數(shù)亭螟,系數(shù)非零的最高次數(shù)稱為多項(xiàng)式的次數(shù)。
大家最初是在域的環(huán)境下認(rèn)識(shí)多項(xiàng)式的骑歹,這里的限制要求重新定義對(duì)多項(xiàng)式的一般認(rèn)識(shí)预烙。首先多項(xiàng)式中的加號(hào)和中的“乘號(hào)”目前僅是一個(gè)記號(hào),兩個(gè)多項(xiàng)式相等的充要條件是每一項(xiàng)的系數(shù)相等道媚,而不是最終的值相等∧椋現(xiàn)在需要重新定義運(yùn)算,兩個(gè)次數(shù)相同的項(xiàng)
之和為
衰琐,而兩項(xiàng)
之積為
也糊,兩個(gè)多項(xiàng)式相乘時(shí)按分配率展開(kāi)。以上定義對(duì)域上的環(huán)是不需要定義的羡宙,但在環(huán)下必須有這樣的精確說(shuō)明狸剃。
容易證明在環(huán) R 上的多項(xiàng)式集合在以上加法和乘法定義下構(gòu)成環(huán),一般記作狗热。顯然
是
的子環(huán)钞馁,故對(duì)
成立的一般對(duì)
也一定成立虑省,但反過(guò)來(lái)的結(jié)論一般要證明。有一些比較顯然的結(jié)論僧凰,比如如果
有單位元?jiǎng)t
也有單位元探颈,如果
可交換則
也可交換,如果R為整環(huán)則R[x]也是整環(huán)⊙荡耄現(xiàn)在來(lái)看看
的零因子有什么性質(zhì)伪节,假設(shè)
,設(shè)g(x)的首項(xiàng)系數(shù)為
绩鸣,則
的次數(shù)比
小怀大。如果再假設(shè)環(huán)可交換,則有
呀闻,用歸納法可知存在
化借,使得
〖穸啵總結(jié)以上討論有蓖康,交換環(huán)
的元素
是零因子的充要條件是,存在
垒手。
整數(shù)環(huán)的分解性(算術(shù)基本定理)是初等數(shù)論的重要內(nèi)容蒜焊,在一般環(huán)中仍然可以進(jìn)行這樣的討論,后面會(huì)給出專題淫奔。除了多項(xiàng)式環(huán)山涡,還有一個(gè)重要的高斯整數(shù),也是重要的環(huán)唆迁。多項(xiàng)式要擴(kuò)展成域鸭丛,必定引入有理分式域。
四唐责、 同態(tài)與理想
同態(tài)定理和正規(guī)子群在分析群的結(jié)構(gòu)中起到了重要的作用鳞溉,我們可以對(duì)環(huán)進(jìn)行同樣的討論。若環(huán)到另一個(gè)系統(tǒng)
有映射
鼠哥,滿足公式(1)熟菲,這樣的映射稱為同態(tài)映射。若映射為滿的,則稱
同態(tài),記作
鸳谜。容易證明
也是環(huán)既绩,且
的零元古今、負(fù)數(shù)、單位元、逆元类腮、可交換等性質(zhì)都會(huì)映射到
中做入,但零因子卻不一定保持冒晰。
? 求證: 的充要條件是
。
在群中已經(jīng)知道竟块,任何同態(tài)映射都對(duì)應(yīng)于一個(gè)正規(guī)子群(同態(tài)核)壶运,同樣環(huán)同態(tài)的研究可以等價(jià)到對(duì)同態(tài)核的研究。和群一樣浪秘,環(huán)同態(tài)的同態(tài)核就是R2中零元素的原像蒋情。容易證明同態(tài)核是一個(gè)子環(huán),正如正規(guī)子群的特殊性一樣秫逝,它也不是普通的子環(huán)恕出⊙叮考慮零元素的歸零性违帆,同態(tài)核一定滿足以下條件。一般地金蜀,環(huán)R中的加法子群N如果滿足以下右邊一式刷后,它稱為環(huán)的左(右)理想,兩式都滿足的叫理想渊抄,記作尝胆,容易證明理想(包括左右理想)都是子環(huán)。
由定義知理想首先是加法群的子群护桦,故它在加法下是正規(guī)子群含衔。容易證明,加法群里到正規(guī)子群陪集的同態(tài)映射在環(huán)里也是同態(tài)映射(乘法封閉)二庵,故環(huán)的每個(gè)同態(tài)映射也與環(huán)的理想一一對(duì)應(yīng)贪染,理想擔(dān)當(dāng)起了正規(guī)子群的作用。和正規(guī)子群一樣催享,理想不具有傳遞性杭隙,即理想的理想不一定是理想。容易證明因妙,理想的交集還是理想痰憎,循環(huán)環(huán)的任何子環(huán)都是它的理想。對(duì)一般環(huán)攀涵,顯然
和
分別是它的左右理想铣耘。
理想是一種特殊的子環(huán),每個(gè)環(huán) 都有
和
兩個(gè)平凡理想以故,其它理想叫真理想蜗细,沒(méi)有真理想的環(huán)叫單環(huán)。從理想的定義知据德,對(duì)任何
有
鳄乏,相比較群來(lái)看跷车,這個(gè)結(jié)構(gòu)是“坍塌”的,由此聯(lián)想到單環(huán)和“好”的環(huán)之間一定有什么關(guān)系橱野。好的環(huán)當(dāng)然是指乘法形成群的除環(huán)和域朽缴,若它們有非零理想N,由
知
水援,從而
密强,也就是說(shuō)除環(huán)和域必定是單環(huán)。
對(duì)于任何環(huán)蜗元,因?yàn)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=Ra" alt="Ra" mathimg="1">是它的左理想或渤,如果 R 沒(méi)有非平凡的左理想,則
為 R 或 {0}奕扣。如果存在
薪鹦,容易證明a的生成環(huán)為理想,從而該生成環(huán)就是 R惯豆,它是一個(gè)零乘環(huán)池磁。反之如果
總成立,即一次方程
總有解楷兽,故 R 是一個(gè)除環(huán)地熄。綜合以上討論,如果環(huán)沒(méi)有非平凡的左理想(或右理想)芯杀,它要么為零乘環(huán)端考,要么為除環(huán)。
? 若且
有單位元揭厚,求證
却特;
? 求證:僅有有限個(gè)理想的整環(huán)是域。(提示:考察所有左理想 )
從前面的討論已經(jīng)知道棋弥,環(huán)R的理想N的所有陪集形成一個(gè)環(huán)核偿,它與以理想為核的同態(tài)映射的像同構(gòu),被稱為商環(huán)顽染,記作漾岳。與群論中一樣,這個(gè)結(jié)論稱為環(huán)的同態(tài)定理粉寞,它是解析環(huán)結(jié)構(gòu)的基本工具尼荆。環(huán)的同態(tài)定理同樣可以得到它的三個(gè)同構(gòu)定理,它們與群的同構(gòu)定理非常類似唧垦,就不多做說(shuō)明了捅儒。
(1)第一同構(gòu)定理:;
∏苫埂(2)第二同構(gòu)定理:鞭莽;
(3)第三同構(gòu)定理:麸祷。
? 討論高斯整環(huán)在主理想下的商群澎怒,證明其有
個(gè)元素,并列出代表元阶牍。(提示:先從虛數(shù)分大類喷面,再討論整數(shù)類)
五、特殊理想
5.1 主理想
對(duì)于環(huán)的任何子集走孽,我們可以用它來(lái)生成最小的環(huán)和理想惧辈。容易證明,元素 a 生成的加法子群是個(gè)循環(huán)環(huán)磕瓷,所以它就是 a 的生成子環(huán)盒齿。由元素 a 生成的理想叫一個(gè)主理想(Principal Ideal),記作 生宛,下面來(lái)看看主理想的結(jié)構(gòu)县昂。首先主理想中一定包含 a 生成的加法群
肮柜,要求它是理想就必須包含
陷舅,在加法的封閉性下它們具有統(tǒng)一格式
。接下來(lái)根據(jù)乘法的封閉性知审洞,其中還必須包括
莱睁,它的統(tǒng)一格式被擴(kuò)展為
。現(xiàn)在你可以證明芒澜,這種形式的所有元素構(gòu)成一個(gè)理想仰剿,故它就是
生成的主理想痴晦。
總結(jié)就得到主理想的每個(gè)元素具有式(3)的形式南吮,其中整數(shù)(構(gòu)造步數(shù)是有限的)。在特殊情況下誊酌,會(huì)有更簡(jiǎn)單的表達(dá)式部凑,讀者可以自行推導(dǎo)。比如如果乘法可交換碧浊,則形式變?yōu)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=ax%2Bna" alt="ax+na" mathimg="1">涂邀。當(dāng)有單位元時(shí),表達(dá)式可統(tǒng)一為
箱锐。既可交換又有單位元比勉,則簡(jiǎn)化為
。特別地,循環(huán)環(huán)的每個(gè)理想都是主理想浩聋。
現(xiàn)在再來(lái)看由多個(gè)元素生成的環(huán)观蜗,它的結(jié)構(gòu)形式是復(fù)雜的,但對(duì)理想?yún)s又比較好的結(jié)果衣洁。首先用歸納法容易證明嫂便,如果為理想,則
也為理想闸与。這樣對(duì)于任何子集
毙替,
是一個(gè)理想,而且顯然它由
生成的最小理想践樱,從而有下式成立厂画。
5.2 素理想和極大理想
我們已經(jīng)提到過(guò),一般的環(huán)其實(shí)很不 “完美”拷邢,有時(shí)候我們更希望研究的是整環(huán)袱院、單環(huán)、除環(huán)或域瞭稼。借助于同態(tài)定理忽洛,可以嘗試取適當(dāng)?shù)睦硐耄瑢⑸汰h(huán)變得“完美”一點(diǎn)环肘。首先來(lái)考慮商環(huán) 是整環(huán)的情景欲虚,整環(huán)首先無(wú)零因子,如果有
悔雹,則其中必有一個(gè)為 N复哆。展開(kāi)后就得到,如果有
腌零,則必定有
或
梯找。當(dāng)然整環(huán)還要求可交換,在一個(gè)交換環(huán)中益涧,滿足以下條件的理想叫素理想锈锤。容易證明,交換環(huán)的商群
是整環(huán)的充要條件是 N 為素理想闲询。
根據(jù)第三同構(gòu)定理久免,要使 為單環(huán),必須不能有比 N 更“大”的理想嘹裂。準(zhǔn)確的定義是:如果
妄壶,且除
外沒(méi)有包含 N 的理想,則 N 稱為 R 的極大理想寄狼。比較顯然丁寄,N 為極大理想的充要條件是為
為單環(huán)氨淌。綜合前面單環(huán)的結(jié)論可知,如果 R 有單位元伊磺,則
為除環(huán)的充要條件是
為極大理想盛正,加上可交換的條件,結(jié)論就對(duì)域也成立了屑埋。
? 求證:Z 的全部素理想為 {0} 和 ?p?豪筝;
? 求證:Z 的極大理想只有 ?p?。
六摘能、直和分解
6.1 直和
在群論中我們看到续崖,直積分解是解構(gòu)群的最好的方法,這個(gè)思想同樣可以應(yīng)用到環(huán)中团搞。對(duì)環(huán) 严望,容易證明集合
在以下運(yùn)算下也形成環(huán),R 一般稱為
的外直和逻恐。R 的理想
與
同構(gòu)像吻,且
,而且每個(gè)元素的和分解是唯一的复隆。
鑒于以上討論拨匆,當(dāng)環(huán) R 有理想 滿足:(1)
;(2)R中的任何元素a可以唯一表示為
挽拂。則稱
為
的內(nèi)直和惭每,簡(jiǎn)稱直和,記作
轻局。
定義中第二個(gè)條件有更容易使用的等價(jià)形式洪鸭,一個(gè)是零元素的表示法唯一,另一個(gè)是每個(gè)直和項(xiàng)的獨(dú)立性(公式(8))仑扑。第二個(gè)等價(jià)條件說(shuō)明了直和項(xiàng)的無(wú)關(guān)性,即 置鼻,如果有
镇饮,則
,所以
箕母。進(jìn)一步如果
有直和分解
储藐,可以有公式(9)成立,即任何元素的運(yùn)算都能映射到各個(gè)直和項(xiàng)中嘶是。直和分解是一種無(wú)關(guān)性分解钙勃,它將大的環(huán)分解為無(wú)關(guān)的小環(huán)來(lái)研究。
6.2 理想與直和
直和分解使得我們可以在更小的理想中分別討論環(huán)的性質(zhì)聂喇,現(xiàn)在來(lái)看看一般理想與直和分解的關(guān)系辖源。首先考慮直和項(xiàng)的理想蔚携,則對(duì)任意
,有
克饶,同理有
酝蜒。從而有
,即直和項(xiàng)的理想也是直和的理想矾湃。由這個(gè)結(jié)論很容易有亡脑,直和項(xiàng)的理想Nk?Rk的直和也是R的理想(公式(10))。
反之對(duì)任何一個(gè)理想 邀跃,
也是理想霉咨,那么 N 是否是
的直和呢?本質(zhì)上只要證明任何
拍屑,它的直和分解滿足
躯护。要使得這個(gè)性質(zhì)成立,需要借助單位元
丽涩,
棺滞,故可以假設(shè) R 存在單位元,使得反命題成立矢渊,因?yàn)閱挝辉闹焙头纸獗愕玫?
的單位元继准。
現(xiàn)在的問(wèn)題自然是,什么樣的環(huán)有直和分解矮男?如何進(jìn)行直和分解移必?假設(shè) R 的特征為 n,且有互質(zhì)分解毡鉴,我們希望 R 可以分解為特征值分別為
的直和項(xiàng)崔泵。由于
互質(zhì),則存在
猪瞬,考察集合
和
憎瘸。首先容易證明它們都是理想,再由于
陈瘦,故有
幌甘。假設(shè)
,則容易有
痊项,進(jìn)而得到
锅风,所以
,從而
鞍泉。
最后來(lái)計(jì)算的特征
皱埠,根據(jù)
的定義先有
,再由 n 是 R 特征有
咖驮,從而
边器。至此結(jié)論得證训枢,如果對(duì) n 進(jìn)行素?cái)?shù)分解
,就可以將環(huán)分解為冪次特征的直和項(xiàng)(公式(11))饰抒。
6.3 直和的應(yīng)用
先來(lái)粗略討論一下環(huán)的存在性肮砾,顯然任何階的交換環(huán)都是存在的,比如袋坑。哈密爾頓環(huán)給出了無(wú)窮階非交換環(huán)的例子仗处,我們現(xiàn)在想知道有限階的非交換環(huán)存在嗎?在群論中我們知道枣宫,任何有限交換群都可以按不變因子進(jìn)行直和分解婆誓。對(duì)于環(huán) R 的加法也有
,其中
也颤。如果
不含高于一次的因子洋幻,則
為循環(huán)環(huán),從而是可交換的翅娶。這樣就知道文留,一個(gè)非交換環(huán)必定是含有有平方因子
。
反之對(duì)這樣的 n竭沫,其實(shí)也是可以構(gòu)造出一個(gè)非交換環(huán)的燥翅,我們只需構(gòu)造出一個(gè)非交換的階環(huán),它與任何
階環(huán)的直和便是 n 階非交換環(huán)蜕提。對(duì)于一個(gè)
階環(huán) R森书,考察二元組
集合,定義加法和乘法如下谎势,容易證明該集合在定義的加法和乘法下構(gòu)成非交換環(huán)凛膏。至此就得到了有限階非交換環(huán)存在的充要條件是,環(huán)的階含有平方因子脏榆。
最后我們用環(huán)的語(yǔ)言來(lái)描述“中國(guó)剩余定理”猖毫,回顧定理的內(nèi)容:若 互質(zhì),則方程組
在模
下有且僅有一個(gè)解姐霍。站在環(huán)的角度鄙麦,
的同余類是一個(gè)主理想環(huán),因此考察環(huán) R 的理想
镊折。
互素可以說(shuō)成是
,而要證的結(jié)論則是公式(13)介衔。
首先容易驗(yàn)證 是同態(tài)映射恨胚,如果能證明它是滿射,由同態(tài)基本定理可以得到結(jié)論炎咖。證明方法和初等數(shù)論中本質(zhì)是一樣的赃泡,我們需要為每一維構(gòu)造
寒波。這個(gè)條件等價(jià)于
且
,或者說(shuō)
升熊。如果環(huán)有單位元俄烁,該等式可以從
輕易推得,故結(jié)論得證级野。