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Note#

这一章节的所有内容,都是在说同一件事情,整数环 Z\mathbb{Z} 在所有整环中,特别在哪里?按照这个逻辑,我们一步步研究整数环中的关键性质,最后一步步逼近它:

  1. 整环:基本的加减乘系统。
  2. Noether 环:保证分解过程会停止(存在性)。
  3. UFD:保证分解结果只有一种(唯一性,算术基本定理)。
  4. PID:保证GCD 具有线性组合形式(理想结构单一化)。
  5. ED:保证能用算法(辗转相除)算出来。

整环中的整除、不可约元与素元#

整除:设 RR 为整环,对于 a,b∈Ra,b \in R,若存在 c∈Rc \in R 使得 b=acb =ac,就称 aa 整除 bb,记作 a∣ba \mid b,这时也说 bb 是 aa 的倍元,aa 是 bb 的因子。 相伴:设 RR 为整环,a,b∈Ra,b \in R,若 a,ba,b 可以互相整除,即 a∣ba \mid b 且 b∣ab \mid a,则称 aa 与 bb 相伴,记作 a∼ba \sim b。

互素:设 RR 为整环,若 a1,a2,⋯ ,an∈Ra_{1},a_{2},\cdots,a_{n} \in R 的最大公因子是 RR 中的可逆元,则称 a1,a2,⋯ ,ana_{1},a_{2},\cdots,a_{n} 互素。

[!note]
只要 RR 中任意两个元素都有最大公因子,则 RR 中任意有限个元素都有最大公因子。 但是,并非所有整环中的元素都有最大公因子,例如 F[X]F[X] 的子环 R={a0+a1X+a2X2+⋯+anXn∣a0,a1,⋯ ,an∈F,a1=0}R = \{ a_{0}+a_{1}X+a_{2}X^{2}+\cdots+a_{n}X^{n} \mid a_{0},a_{1},\cdots,a_{n} \in F, a_{1}=0 \} 中,X2X^{2} 与 X3X^{3} 就没有最大公因子。

不可约元:设 RR 为整环,p∈Rp \in R,若 p≠0p \ne 0,且 pp 不是可逆元,并且 pp 不能写成 p=abp = ab 的形式,其中 a,b∈Ra,b \in R 都不是可逆元,则称 pp 是 RR 中的不可约元,否则称为可约元。 素元:设 RR 为整环,p∈Rp \in R,若 p≠0p \ne 0,且 pp 不是可逆元,并且当 p∣abp \mid ab 时,一定有 p∣ap \mid a 或 p∣bp \mid b,则称 pp 是 RR 中的素元。 不可约元是在强调分解,素元是在强调其自身的性质 代数整数:首项系数为 11 的整系数多项式的根成为代数整数。 证明素元的一种方式: pp 是 Z(α)\mathbb{Z}(\alpha) 的素元,当且仅当 g(x)g(x) 模 pp 在 Zp[x]\mathbb{Z}_{p}[x] 中不可约,其中 g(x)g(x) 是 Z[x]\mathbb{Z}[x] 中的不可约元,且 g(α)=0g(\alpha) = 0, α∈C\alpha \in \mathbb{C}.

  • 命题 5.1.1:设 RR 为整环,a,b∈Ra,b \in R,则 aa 与 bb 相伴当且仅当存在可逆元 u∈Ru \in R 使得 a=bua = bu,也当且仅当 RR 的主理想 (a)(a) 与 (b)(b) 相等。

  • 命题 5.1.2:设 RR 是整环,p∈Rp \in R,则 pp 在 RR 中不可约的充分必要条件是 p≠0p\ne 0,pp 不可逆,且当 p=abp = ab 时,则一定有 p∣ap\mid a 或 p∣bp \mid b。

  • 命题 5.1.3:设 RR 为整环,p∈Rp \in R 是素元当且仅当 (p)(p) 是 RR 的一个素理想。

  • 定理 5.1.1:整环 RR 中的整除关系 ∣\mid 满足以下性质:

    1. 若 a∣ba \mid b 且 b∣cb \mid c,则 a∣ca \mid c。
    2. 若 a∣ba \mid b 且 a∣ca \mid c,则对任意 r,s∈Rr,s \in R,有 a∣(rb+sc)a \mid (rb + sc)。
  • 定理 5.1.2:整环中每个素元都是不可约元。

    • 反之不成立,例如在整环 Z[−5]Z[\sqrt{-5}] 中,66 有两种不同的不可约元分解形式 6=2⋅3=(1+−5)(1−−5)6 = 2 \cdot 3 = (1 + \sqrt{-5})(1 - \sqrt{-5}),其中的不可约元 2,3,1+−5,1−−52,3,1 + \sqrt{-5},1 - \sqrt{-5} 都不是素元。

唯一因子分解整环#

唯一分解整环(UFD):设 RR 为整环,且满足

  1. RR 中每个非零非可逆元都能分解为不可约元的乘积;
  2. 若 a∈Ra \in R 有两种不可约元分解形式 a=p1p2⋯pn=q1q2⋯qma = p_{1}p_{2}\cdots p_{n} = q_{1}q_{2}\cdots q_{m},则 n=mn = m,且经过重新排列后,对每个 ii,都有 pi∼qip_{i} \sim q_{i}, 则称 RR 为唯一因子分解整环。
  • 命题 5.2.1:设 RR 是 UFD,a,b∈Ra,b \in R 均非零,又设 a,ba,b 有如下标准分解
a=ur1m1r2m2⋯rsms,b=vr1n1r2n2⋯rsns,a=u r_{1}^{m_{1}} r_{2}^{m_{2}} \cdots r_{s}^{m_{s}}, \quad b=v r_{1}^{n_{1}} r_{2}^{n_{2}} \cdots r_{s}^{n_{s}},

其中 u,vu,v 是可逆元,r1,r2,⋯ ,rsr_{1},r_{2},\cdots,r_{s} 是互素的不可约元,且 mi,ni≥0m_{i},n_{i} \ge 0。则 a∣ba\mid b 当且仅当对每个 ii,都有 mi≤nim_{i} \le n_{i}。

  • 命题 5.2.2:设 RR 是 UFD,a,b,c∈Ra,b,c \in R 且 a,ba,b 互素,
    • 若 a∣bca \mid bc,则 a∣ca \mid c;
    • 若 a∣ca \mid c 且 b∣cb \mid c,则 ab∣cab \mid c。
  • 定理 5.2.1:设 RR 是整环,且满足 UFD 的条件 1,则 RR 是 UFD 的充分必要条件是 RR 中的每个不可约元都是素元。
    • 推论 5.2.1:设 RR 是整环,则 RR 为 UFD 当且仅当满足
      • RR 中每个非零非可逆元都能分解为不可约元的乘积;
      • RR 中每个不可约元都是素元。
    • 推论 5.2.2:设 RR 是整环,则 RR 为 UFD 当且仅当每个非零非可逆元 a∈Ra \in R 都是有限个素元的乘积。
  • 定理 5.2.2:设 RR 是 UFD,则 RR 中任意两个元素都有最大公因子
  • 定理 5.2.3:设整环 RR 中任意两个元素都有最大公因子,则 RR 的不可约元都是素元。
    • 推论 5.2.3:设整环 RR 中任意两个元素都有最大公因子,则 RR 为 UFD 当且仅当 RR 中任意两个元素都有最大公因子。

Noether 环和主理想整环#

Noether 环:设 RR 是交换环,若对任意的理想升链

J1⊆J2⊆J3⊆⋯J_{1} \subseteq J_{2} \subseteq J_{3} \subseteq \cdots

一定存在正整数 nn,使得对所有 m≥nm \ge n,都有 Jm=JnJ_{m} = J_{n},则称 RR 为 Noether 环。

主理想整环(PID):设 RR 是整环,若 RR 中的每个理想都是主理想,则称 RR 为主理想整环。 PID 都是 Noether 环

  • 命题 5.3.1:设 RR 是主理想整环,则 RR 中任两个元素 a,ba,b 都有最大公因子 dd,且存在 u,vu,v,使得 d=au+bvd = au + bv。

  • 定理 5.3.1:交换环 RR 是 Noether 环当且仅当 RR 中的每个理想都是有限生成的。

  • 定理 5.3.2:Noether 整环中每个非零不可逆元都是有限个不可约元的乘积。

  • 定理 5.3.3:设 RR 为主理想整环,p∈Rp \in R,则下列陈述等价

    • pp 是 RR 中的不可约元;
    • (p)(p) 是 RR 中的极大理想;
    • pp 是 RR 中的素元;
  • 定理 5.3.4:主理想整环是唯一因子分解整环。

Euclid 整环#

Euclid 整环:设 RR 是整环,令 R∗=R∖{0}R^{*}=R \setminus \{0\},若存在映射 δ:R∗→N\delta:R^{*} \to \mathbb{N},使得对任意 a,b∈Ra,b \in R,b≠0b \ne 0,满足

a=qb+ra = qb+r

且 r=0r=0 或 δ(r)<δ(b)\delta(r) < \delta(b),则称 RR 为 Euclid 整环,记为 EDED ,映射 δ\delta 称为 RR 上的 Euclid 函数。 整数环 Z\mathbb{Z} 和一元多项式环 F[x]F[x] 都是 Euclid 整环,其中 δ\delta 分别取为 δ(a)=∣a∣\delta(a)=|a| 和 δ(f(x))=deg⁡f(x)\delta(f(x))=\deg f(x)。 Gauss 素数:R−1=Z[i]R_{-1}=Z[i] 称为 Gauss 整环,其中的每一个元素 a+bia+bi (a,b∈Za,b \in Z)称为 Gauss 整数。为了区分,我们称整数环中的素数为有理素数,而 Z[i]Z[i] 中的素元称为 Gauss 素数。

  • 命题 5.4.1:设 mm 是一个无平方因子的整数且 m≠0,1m \ne 0,1,定义 RmR_{m} 为
Rm={{a+bm∣a,b∈Z},m≡2,3(mod4){a+b1+m2∣a,b∈Z},m≡1(mod4)R_{m} = \begin{cases} \{a + b \sqrt{m} \mid a,b \in \mathbb{Z}\}, & m \equiv 2,3 \pmod{4} \\ \{a + b \frac{1 + \sqrt{m}}{2} \mid a,b \in \mathbb{Z}\}, & m \equiv 1 \pmod{4} \end{cases}

则 RmR_{m} 是 Q(m)\mathbb{Q}(\sqrt{ m }) 中所有代数整数构成的集合。进一步地,RmR_{m} 是域 Q(m)\mathbb{Q}(\sqrt{ m }) 的子环,且是整环,称 RmR_{m} 为 Q(m)\mathbb{Q}(\sqrt{ m }) 的二次代数整数环

  • 命题 5.4.2:设 α∈Z[i]\alpha \in Z[i],则 α\alpha 为 GaussGauss 素数当且仅当 N(α)N(\alpha) 为有理素数,或者 α\alpha 的相伴元 ±α,±iα\pm \alpha,\pm i\alpha 中的一个为正有理素数,且该有理素数不是两个整数的平方和

  • 定理 5.4.1:欧式环是主理想整环。

    • 推论 5.4.1:欧式环是唯一因子分解整环。
    • 事实上我们有 {ED}⊆{PID}⊆{UFD}\{ ED \} \subseteq \{ PID \} \subseteq \{ UFD \},而且这些包含都是真包含,比如 Z[x]Z[x] 是 UFD 但不是 PID,而 Z[1+−192]Z\left[\frac{1+\sqrt{-19}}{2}\right] 是 PID 但不是 ED。
  • 定理 5.4.2:当 m<0m<0 时,二次代数整数环 RmR_{m} 是 Euclid 整环的充分必要条件是 m=−1,−2,−3,−7,−11m=-1,-2,-3,-7,-11。

  • 定理 5.4.3:设正整数 n≥2n\ge{2},则 nn 是两个整数的平方和当且仅当 nn 的每个形如 4k+34k+3 的素因子的幂次为偶数

UFD 上的多项式环#

本原多项式:设 RR 为 UFD,f(x)∈R[x]f(x)\in R[x],若不存在 RR 中素元 pp,使得 p∣aip \mid a_{i} 对 f(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0f(x)=a_{n}x^{n}+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_{1}x+a_{0} 中的每个系数 aia_{i} 都成立,则称 f(x)f(x) 为 R[x]R[x] 中的本原多项式。

  • 命题 5.5.1:设 RR 为 UFD,a,b∈Ra,b \in R,f(x)∈R[x]f(x)\in R[x] 为本原多项式,若在 R[x]R[x] 中有 a∣bf(x)a\mid b f(x),则 a∣ba \mid b。

  • 命题 5.5.2:设 RR 为 UFD,FF 为 RR 的分式域,AA 为一交换环,环同态 φ:R→A\varphi: R \to A 诱导出的多项式环的环同态 R[x]→A[x]R[x]\to A[x] 仍记为 φ\varphi 。设 f(x)∈R[x]f(x)\in R[x] 首一,deg⁡f(x)=n≥1\deg f(x)=n\ge 1,且 φ(f(x))\varphi(f(x)) 在 A[x]A[x] 中无次数小于 nn 且大于 00 的因子,则 f(x)f(x) 在 F[x]F[x] 中也不可约且为 R[x]R[x] 的素元

  • 定理 5.5.1:设 RR 为整环,pp 是 RR 中的素元,则 pp 也是多项式环 R[x]R[x] 中的素元。

  • 定理 5.5.2:设 RR 为 UFD,f(x),g(x)∈R[x]f(x),g(x)\in R[x] 都是本原多项式,则它们的乘积 f(x)g(x)f(x)g(x) 也是本原多项式。

  • 定理 5.5.3(Gauss 引理):设 RR 为 UFD,FF 是 RR 的分式域,R[x]R[x] 和 F[x]F[x] 是相应的多项式环

    • 设 f(x),g(x)∈R[x]f(x),g(x)\in R[x],g(x)g(x) 本原,且在 F[x]F[x] 中 g(x)∣f(x)g(x) \mid f(x),则在 R[x]R[x] 中也有 g(x)∣f(x)g(x) \mid f(x);
    • 设 f(x)∈R[x]f(x)\in R[x],且存在 g(x),h(x)∈F[x]g(x),h(x)\in F[x] 使得 f(x)=g(x)h(x)f(x) = g(x)h(x),则存在 u∈Fu \in F 使得 ug(x),u−1h(x)∈R[x]ug(x),u^{-1}h(x) \in R[x]。
  • 定理 5.5.4:设 RR 为 UFD,FF 为 RR 的分式域,f(x)∈R[x]f(x)\in R[x]

    • 若 f(x)=p∈R∖{0}f(x)=p \in R \setminus \{0\},则 f(x)f(x) 在 R[x]R[x] 中不可约当且仅当 pp 在 RR 中不可约;
    • 若 deg⁡f(x)≥1\deg f(x)\ge1,则 f(x)f(x) 在 R[x]R[x] 中不可约当且仅当 f(x)f(x) 在 F[x]F[x] 中不可约,且 f(x)f(x) 是本原多项式。
  • 定理 5.5.5:设 RR 为 UFD,则多项式环 R[x]R[x] 也是 UFD。

    • 推论 5.5.1:设 RR 为 UFD,n≥1n \ge 1,则多项式环 R[x1,x2,⋯ ,xn]R[x_{1},x_{2},\cdots,x_{n}] 也是 UFD。
  • 定理 5.5.6(Eisenstein 判别法):设 RR 为 UFD,pp 是 RR 中的素元,f(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a1x+a0∈R[x]f(x) = a_{n}x^{n} + a_{n-1}x^{n-1} + \cdots + a_{1}x + a_{0} \in R[x],且满足

    • p∤anp \nmid a_{n};
    • p∣aip \mid a_{i},对 i=0,1,2,⋯ ,n−1i=0,1,2,\cdots,n-1;
    • p2∤a0p^{2} \nmid a_{0};
    • 则 f(x)f(x) 在 R[x]R[x] 中不可约。
  • 定理 5.6.1(Hilbert 基本定理):若 RR 是 Noether 环,则多项式环 R[x]R[x] 也是 Noether 环。

抽象代数 UFD 理论
https://adreamleft.site/blog/abstractalgebra/abstractalgebraufd
Author ADL
Published at January 5, 2026
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