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1 子环与同态#

自同态环:设 GG 为交换群,运算记为 ++,用 End(G)\operatorname{End}(G) 表示 GG 的全体自同态的集合。显然,End(G)\operatorname{End}(G) 在映射的加法和复合运算下构成一个环,称之为交换群 GG 上的一个自同态环。 环直和:设 R1,R2,,RnR_{1},R_{2},\cdots,R _{n} 是环,令 R=R1×R2××RnR = R_{1}\times R_{2}\times \cdots\times R _{n} 则,在逐点加法和乘法下,RR 是一个环,称之为环 R1,R2,,RnR_{1},R_{2},\cdots,R _{n} 的直和,记为 R=R1R2RnR = R_{1}\oplus R_{2}\oplus \cdots\oplus R _{n}

幂等元:设 RR 为环,aRa \in R,若 a2=aa^{2}=a,则称 aa 为环 RR 的一个幂等元。 Boole 环:若环 RR 中的每个元素都是幂等元,则称环 RR 为一个 Boole 环。显然 boole 环是交换环。 除环:设 RR 为环,若 RR 中除零元外的每个元素都是可逆元,则称环 RR 为一个除环,或称为体。 整环:设 RR 为交换环,若 RR 中不存在零因子,即对任意 a,bRa,b \in Rab=0ab=0 蕴含 a=0a=0b=0b=0,则称环 RR 为一个整环。 整环和除环都有消去律,但是对于一般的环没有消去律 子环与扩环:设 RR 为环,SSRR 的一个非空子集,且含有 RR 的乘法单位元 11. 若 SSRR 的加法和乘法下还是环,则称 SS 为环 RR 的一个子环, 或称环 RR 为环 SS 的一个扩环。 容易看出,Zn\mathbb{Z}_{n} 的子环只有自身,因为 Zn\mathbb{Z}_{n} 的加法子群为由 11 生成的循环群。类似地,整数环的子环也只有自身。 子域与扩域:设 FF 为域,若它的子环 LL 也是域,则称 LL 为域 FF 的一个子域,或称域 FF 为域 LL 的一个扩域。 四元除环:H={(αββˉαˉ)α,βC}\mathbb{H} = \{\begin{pmatrix}\alpha & \beta \\ -\bar{\beta} & \bar{\alpha}\end{pmatrix} |\alpha ,\beta \in \mathbb{C}\},显然 H\mathbb{H}R\mathbb{R} 上的一个线性空间,且 1=(1001),i=(i00i),j=(0110),k=(0ii0)\mathbb{1}=\begin{pmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{pmatrix}, \mathbf{i}=\begin{pmatrix}i & 0 \\ 0 & -i\end{pmatrix}, \mathbf{j}=\begin{pmatrix}0 & 1 \\ -1 & 0\end{pmatrix}, \mathbf{k}=\begin{pmatrix}0 & i \\ i & 0\end{pmatrix}H\mathbb{H} 的一组基,称 H\mathbb{H} 为四元数除环。 这是一个非交换除环,Wedderburn 定理说明,任意有限除环都是域,因此四元数除环是无限的。 令 Q={±1,±i,±j,±k}Q=\{ \pm \mathbb{1}, \pm \mathbf{i}, \pm \mathbf{j}, \pm \mathbf{k} \},则 QQ 在矩阵乘法下构成一个 8 阶的非交换群,称为四元数群。

环同态:设 R,RR,R' 为两个环,φ:RR\varphi: R\to R' 为映射,如果对于 φ\varphi 保持加法和乘法运算,即对任意 a,bRa,b \in R,都有

φ(a+b)=φ(a)+φ(b),φ(ab)=φ(a)φ(b),\varphi(a+b)=\varphi(a)+\varphi(b), \varphi(ab)=\varphi(a)\varphi(b),

φ(1R)=1R\varphi(1_{R})=1_{R'},则称 φ\varphi 为环到环 RR' 的一个环同态。同样地,若 φ\varphi 是环同态且双射,则称 φ\varphi 为环 RR 和环 RR' 之间的一个环同构,记为 RRR \cong R'

  • 命题 4.1.1:设 SS 为环 RR 的一个非空子集,则 SSRR 的一个子环的充分必要条件是 1S1\in S 且对任意 a,bSa,b \in S,都有 abSa-b \in SabSab \in S

    • 由此可以看出,环 RR 的最小子环一定是 S0={n1nZ}S_{0}=\{ n\cdot 1|n \in \mathbb{Z} \}
  • 命题 4.1.2:设 FF 为域,LFL \subset FL2\left| L \right|\ge 2,则 LLFF 的一个子域的充分必要条件是对任意 a,bL,a0a,b \in L,a\neq 0,都有 abLa-b \in Lab1Lab^{-1} \in L

  • 定理 4.1.1(挖补定理):设 RRSS' 是两个环且 RS=R \cap S'=\emptysetSSRR 的子环且 SSS \cong S',则存在环 RR' 使得 RRR' \cong RSS'RR' 的子环。

    • 类似于群论的挖补定理,证明也类似。

2 多项式环#

RR- 线性无关:设 RR 是交换环 AA 的一个子环,xAx \in A,称 xx 的幂次是 RR- 线性无关的,若对任意整数 n0n\ge 0RR 中任意 a0,a1,,ana_{0},a_{1},\cdots,a_{n},由

a0+a1x+a2x2++anxn=0a_{0}+a_{1}x+a_{2}x^{2}+\cdots+a_{n}x^{n}=0

可推出

a0=a1=a2==an=0.a_{0}=a_{1}=a_{2}=\cdots=a_{n}=0.

xAx \in Axx 的幂次是 RR- 线性相关的,则称 xx 为环 RR 上的一个不定元未定元,也称为 RR 上的一个变元。

一元多项式:设 RR 是交换环 AA 的一个子环, xAx \in ARR 上的一个不变元。对任意 nN,a0,a1,,anRn \in \mathbb{N},a_{0},a_{1},\cdots,a_{n}\in R ,称 f(x)=j=0najxjf(x)= \sum_{j =0}^{n}a_{j}x^{j} 为环 RR 上的一元多项式,记为 f(x)R[x]f(x) \in R[x]。其中 aja_{j} 称为多项式 f(x)f(x) 的系数,若 an0a_{n}\neq 0,则 nn 称为多项式 f(x)f(x)次数,记为 degf(x)\deg f(x),称首项系数为 11 的多项式 f(x)f(x)首一多项式。 多项式环:设 RR 是交换环 AA 的一个子环,xAx \in ARR 上的一个不变元,则由所有 RR 上一元多项式组成的集合记为 R[x]R[x],显然是一个子环,称之为一元多项式环。 显然,多项式环 R[x]R[x]f(x)=g(x)f(x)=g(x) 当且仅当

degf(x)=degg(x)=n 且 0jn,aj=bj\deg f(x)=\deg g(x)=n \text{ 且 } \forall 0\le j \le n, a_{j}=b_{j}

固定:设 RR 为交换环,AARR 的一个交换扩环,任取 aAa\in A,对任意 f(x)=a0+a1x++anxnR[x]f(x)=a_{0}+a_{1}x+\cdots+a_{n}x^{n}\in R[x],定义 f(a)Af(a)\in A。这样 φa:f(x)f(a)\varphi_{a}:f(x)\mapsto f(a)R[x]R[x]AA 的一个映射(称为固定映射)。显然,对任意 rRr \in Rφa(r)=r\varphi_{a}(r)=r,即 φa\varphi_{a} 固定 RR 中的每个元素,这时也称 φa\varphi_{a} 固定 RR

  • 命题 4.2.1:设 f(x)f(x)g(x)g(x) 是交换环 RR 上的非零多项式,则:

    • degf(x)degg(x)\deg f(x)\ne\deg g(x),则 f(x)+g(x)0f(x)+g(x)\ne 0deg(f(x)+g(x))=max{degf(x),degg(x)}\deg (f(x)+g(x))= \max\{\deg f(x),\deg g(x)\}
    • degf(x)=degg(x)\deg f(x)=\deg g(x),则 deg(f(x)+g(x))degf(x)\deg (f(x)+g(x))\le \deg f(x)
    • deg(f(x)g(x))degf(x)+degg(x)\deg (f(x)g(x))\le\deg f(x)+\deg g(x)
    • RR 为整环,则有 f(x)g(x)0f(x)g(x)\ne 0,所以 R[x]R[x] 也是整环,进一步地,deg(f(x)g(x))=degf(x)+degg(x)\deg (f(x)g(x))=\deg f(x)+\deg g(x)
  • 命题 4.2.2:设 RR 是整环,则 U(R[x])=U(R)U(R[x])=U(R) ,即 R[x]R[x] 中的可逆元恰为 RR 中的可逆元。

    • U(R)U(R) 表示环 RR 的可逆元全体。
  • 命题 4.2.3:设 F\mathbb{F} 为域,f(x)F[x]f(x)\in \mathbb{F}[x] 非零,aFa\in \mathbb{F},则 aaf(x)f(x) 的根当且仅当存在 g(x)F[x]g(x)\in \mathbb{F}[x] 使得 f(x)=(xa)g(x)f(x)=(x-a)g(x)

  • 命题 4.2.4:设 F\mathbb{F} 为域,f(x)F[x]f(x)\in \mathbb{F}[x] 非零,则 f(x)f(x)F\mathbb{F} 中的不同根的个数不超过 degf(x)\deg f(x)

  • 定理 4.2.1(带余除法定理):设 RR 为交换环,g(x)R[x]g(x)\in R[x],且满足 g(x)g(x) 的首项系数为 RR 中的可逆元,则对 f(x)R[x]\forall f(x)\in R[x],存在唯一的 q(x),r(x)R[x]q(x),r(x)\in R[x] 满足 f(x)=q(x)g(x)+r(x)f(x)=q(x)g(x)+r(x),且 degr(x)<degg(x)\deg r(x)< \deg g(x)

  • 定理 4.2.2:设 AARR 中的一个交换扩环,aAa\in A,则映射 φa:R[x]A\varphi_{a}: R[x]\to A 是一个固定 RR 的环同态。反之,每个固定 RR 的环同态 φ:R[x]A\varphi: R[x]\to A 一定形如 φa\varphi_{a},对某个 aAa\in A

3 矩阵环#

全矩阵环:环 RR 上的 nn 阶方阵组成的集合记为 Mn(R)M_{n}(R),在矩阵加法和乘法下是一个环,称之为环 RR 上的一个全矩阵环。全矩阵环中的可逆元称为可逆矩阵,无论 RR 是否交换,全矩阵环 Mn(R)M_{n}(R) 都不交换。 三类初等变换:

  • 交换两行(列);PijP_{ij}

  • 某行(列)乘以 RR 中的可逆元 kkDi(k)D_{i}(k)

  • 某行(列)加上另一行(列)的 RR 中的倍数;Sij(k)S_{ij}(k)

  • 命题 4.3.4(Binet-Cauchy 公式):设 AABB 分别是交换环 RR 上的 m×nm\times nn×sn \times s 矩阵,并记 C=ABC=AB,则对任意 1i1<i2<<irm1\le i_{1}<i_{2}< \cdots <i_{r}\le m1j1<j2<<jrs1\le j_{1}<j_{2}< \cdots<j_{r}\le s,都有

DC(i1,i2,,irj1,j2,,jr)=1k1<k2<<krnDA(i1,i2,,irk1,k2,,kr)DB(k1,k2,,krj1,j2,,jr)D_{C}\begin{pmatrix} i_{1},i_{2},\cdots,i_{r} \\ j_{1},j_{2},\cdots,j_{r} \end{pmatrix} =\sum_{1\le k_{1}<k_{2}< \cdots<k_{r}\le n}D_{A}\begin{pmatrix} i_{1},i_{2},\cdots,i_{r} \\ k_{1},k_{2},\cdots,k_{r} \end{pmatrix}D_{B}\begin{pmatrix} k_{1},k_{2},\cdots,k_{r} \\ j_{1},j_{2},\cdots,j_{r} \end{pmatrix}

4 理想与商环#

理想:设 II 是环 RR 的非空子集,若 IIRR加法子群,且对 rR,rII,IrI\forall r \in R,rI\subset I,Ir\subset I,则称 II 为环 RR 的一个理想。显然 {0}\{ 0 \}RR 本身都是 RR 的理想,称为平凡理想;若 RR 只有平凡理想,称 RR单环。而且理想中不包含可逆元,因此若 RR 为除环,则 RR 只有平凡理想。

[!note] 理想和正规子群 理想的定义是从环同态核出发得到的,正如正规子群是从群同态核出发得到的一样

幂零根:交换环 RR 的幂零元全体构成 RR 的一个理想,称为环 RR幂零根,记为 Rad(R)\operatorname{Rad}(R)RR 为交换环,任取 aRa \in R,则 aRaR 称为 RR 的理想,称其为元素 aa 生成的主理想,记为 (a)(a) 生成的理想:设 SS 是环 RR 的一个非空子集,则由 SS 中元素生成的环 RR 的最小理想称为由 SS 生成的理想,记为 (S)(S)。如果 SS 是有限集,S={a1,a2,,an}S=\{a_{1},a_{2},\cdots,a_{n}\},则由 SS 生成的理想记为 (a1,a2,,an)(a_{1},a_{2},\cdots,a_{n}),称为由 a1,a2,,ana_{1},a_{2},\cdots,a_{n} 生成的有限理想。特别地,若 S={a}S = \{ a \},则称 (a)(a) 为主理想。 对于交换除环,(a)(a) 的形式为:

(a)={rarR}(a)=\{ra|r \in R\}

而对于一般的环,(a)(a) 的形式为:

(a)={k=1nrkarkrk,rkR,nN}(a)=\left\{\sum_{k=1}^{n}r_{k}ar'_{k}|r_{k},r'_{k}\in R,n\in \mathbb{N}\right\}

主理想环:设 RR 为环,若 RR 的每个理想都是主理想,则称环 RR 为一个主理想环。 商环:设 II 是环 RR 的一个理想,定义在 RR 的加法商群 R/I={a+IaR}R/I=\{a+I|a \in R\} 上的加法和乘法为

(a+I)+(b+I)=(a+b)+I(a+I)+(b+I)=(a+b)+I (a+I)(b+I)=ab+I(a+I)(b+I)=ab+I

R/IR/I 在上述加法和乘法下构成一个环,称之为环 RR 关于理想 II 的一个商环,其中单位元为 1+I1+I

  • 命题 4.4.1:设 I,JI,J 都是环 RR 的理想,定义
I+J={a+baI,bJ}IJ={aaI 且 aJ}IJ={k=1nakbkakI,bkJ,nN}\begin{align} I+J & =\{a+b|a\in I,b\in J\} \\ I \cap J & =\{a|a\in I \text{ 且 } a\in J\} \\ IJ & =\left\{\sum_{k=1}^{n}a_{k}b_{k}|a_{k}\in I,b_{k}\in J,n\in \mathbb{N}\right\} \end{align}

I+J,IJI+J,I \cap JIJIJ 都是环 RR 的理想。

  • 命题 4.4.2:设 RR 为交换环,a1,a2,,anRa_{1},a_{2},\cdots,a_{n}\in R,则 RR 的由 a1,a2,,ana_{1},a_{2},\cdots,a_{n} 生成的理想为
(a1,a2,,an)={r1a1+r2a2++rnanriR,1in}(a_{1},a_{2},\cdots,a_{n})=\{r_{1}a_{1}+r_{2}a_{2}+\cdots+r_{n}a_{n}|r_{i}\in R,1\le i \le n\}

进一步地,

(a1,a2,,an)=a1R+a2R++anR(a_{1},a_{2},\cdots,a_{n})=a_{1}R+a_{2}R+\cdots+a_{n}R
  • 定理 4.4.1:域 FF 上一元多项式环 F[x]F[x] 的理想都是主理想,且每个非零理想 (f(x))(f(x)) 的生成元 f(x)f(x) 可以取为首一多项式。
    • 只需要考虑做带余除法即可。

5 环同态基本定理#

特征:设 RR 为环,令 φ(k)=k1,kZ\varphi(k)=k\cdot 1,\forall k \in \mathbb{Z},则 φ\varphi 是环 Z\mathbb{Z} 到环 RR 的一个环同态,称其为特征同态Kerφ\operatorname{Ker}\varphiZ\mathbb{Z} 的一个理想,因此存在唯一的非负整数 nn 使得 Kerφ=nZ\operatorname{Ker}\varphi=n\mathbb{Z},称 nn 为环 RR特征,记为 charR\operatorname{char}R。特别地,若 Kerφ={0}\operatorname{Ker}\varphi=\{0\},则称环 RR 的特征为零。

互素:设 IIJJ 都是环 RR 的理想,若 I+J=RI+J=R,则称理想 IIJJ 互素。

  • 命题 4.5.1:若环 RR 的理想 JJJ1,J2J_{1},J_{2} 都互素,则 JJJ1J2J_{1}J_{2} 也互素,从而 JJJ1J2J_{1}\cap J_{2} 互素

  • 定理 4.5.1(环同态基本定理):设 φ:RR\varphi: R\to R' 是环 RR 到环 RR' 的一个环同态,令 K=KerφK = \operatorname{Ker}\varphi,则

R/KImφR/K \cong \operatorname{Im}\varphi
  • 定理 4.5.2:设 RR 为环,则 RR 的特征要么为零,要么为某个正整数 nn。进一步地,若 charR=0\operatorname{char}R=0,则 RR 有子环 Z\mathbb{Z};若 charR=n>0\operatorname{char}R=n>0,则 RR 有子环 Zn\mathbb{Z}_{n}
  • 定理 4.5.3:整环的特征为 00 或素数
  • 定理 4.5.4(第二同构定理):设 RR 是环,IIRR 的一个理想,HH 是环 RR 的一个子环,则 H+IH+I 是环 RR 的一个子环,HIH\cap I 是环 HH 的一个理想,且
(H+I)/IH/(HI)(H+I)/I \cong H/(H\cap I)
  • 定理 4.5.5(第三同构定理):设 RR 是环,IIJJ 都是环 RR 的理想,且 IJI \subset J,则 J/IJ/I 是环 R/IR/I 的一个理想,且
(R/I)/(J/I)R/J(R/I)/(J/I) \cong R/J
  • 定理 4.5.6(第三同构定理):设 R,RR,R' 是环,φ:RR\varphi: R\to R' 是环同态,JJRR 的一个理想,且 KerφJ\operatorname{Ker}\varphi \subset J,则 φ(J)\varphi(J) 是环 φ(R)\varphi(R) 的一个理想,且
R/Jφ(R)/φ(J)R/J \cong \varphi(R)/\varphi(J)
  • 定理 4.5.7(对应定理):设 R,RR,R' 是环,φ:RR\varphi: R\to R' 是环的满同态,令 J\mathcal{J}RR 的所有包含 Kerφ\operatorname{Ker}\varphi 的理想组成的集合,L\mathcal{L}RR' 的所有理想组成的集合,则
    • JJJ \in \mathcal{J},则 φ(J)L\varphi(J) \in \mathcal{L};若 LLL\in \mathcal{L},则 φ1(L)J\varphi^{-1}(L) \in \mathcal{J}
    • JJJ\in \mathcal{J},则 φ1(φ(J))=J\varphi ^{-1}(\varphi(J))=J;若 LLL\in \mathcal{L},则 φ(φ1(L))=L\varphi(\varphi^{-1}(L))=L
    • 映射 Jφ(J)J\mapsto \varphi(J)J\mathcal{J}L\mathcal{L} 的一个双射,其逆映射为 Lφ1(L)L\mapsto \varphi^{-1}(L)
    • JJJ \in \mathcal{J} ,则有环同构 R/JR/φ(J)R/J \cong R'/\varphi(J)
  • 定理 4.5.8(中国剩余定理):设 RR 为环,I1,I2,,InI_{1},I_{2},\cdots,I_{n}RR 的两两互素的理想,则有环同构
R/(I1I2In)R/I1R/I2R/InR/(I_{1}\cap I_{2}\cap \cdots \cap I_{n}) \cong R/I_{1}\oplus R/I_{2}\oplus \cdots \oplus R/I_{n}

6 极大理想和素理想#

极大理想:设 RR 是环,MMRR 的理想且 MRM\ne R,对 RR 的任意理想 NN ,若 MNM\subset N,必有 N=MN=M 或者 N=RN=R,则称 MM 为环 RR 的一个极大理想

素理想:设 RR 为环,PPRR 的真理想,且对于 RR 的任意理想 IIJJ ,由 IJPIJ\subset P 可得到 IPI\subset P 或者 JPJ\subset P,则称 PP 为环 RR 的一个素理想

  • 命题 4.6.1:设 FF 是域,f(x)F[x]f(x)\in F[x]degf(x)=2\deg f(x)=233 ,则 f(x)f(x)F[x]F[x] 中不可约当且仅当 f(x)f(x)FF 中无根

  • 命题 4.6.2:设 RR 为环,则环 RR 的每个极大理想都是素理想。

  • 定理 4.6.1:设 RR 是交换环,KRK\ne RRR 的理想,则 R/KR/K 是域当且仅当 KKRR 的极大理想。

    • 推论 4.6.1:设 RR 是交换单环,则 RR 为域
    • 推论 4.6.2:设 nn 为非负整数,则 Zn\mathbb{Z}_{n} 为域当且仅当 nn 为素数。
  • 定理 4.6.2:设 RR 为非零环,IIRR 的理想且 IRI\ne R,则存在环 RR 的极大理想 MM 使得 IMI \subset M

  • 定理 4.6.3:设 FF 为域,f(x)F[x]f(x)\in F[x] ,则 (f(x))(f(x))F[x]F[x] 的极大理想当且仅当 f(x)f(x)F[x]F[x] 中不可约

  • 定理 4.6.4:设 FF 是域,则商环 F[x]/(f(x))F[x]/(f(x)) 是域当且仅当 f(x)f(x)F[x]F[x] 中不可约。

  • 定理 4.6.5(Kronechker 定理,域论基本定理):设 FF 为域,f(x)F[x]f(x)\in F[x]degf(x)1\deg f(x)\ge 1,则存在 FF 的扩域 EE 使得 f(x)f(x)EE 中有根。

  • 定理 4.6.6:设 RR 为非零交换环,PPRR 的真理想,则下面陈述等价:

    • PP 是环 RR 的素理想;
    • 商环 R/PR/P 是整环。
    • a,bR\forall a,b \in R,若 abPab \in P,则 aPa \in PbPb \in P
    • 推论 4.6.3:设 RR 为非零交换环,则 {0}\{0\} 是环 RR 的素理想当且仅当 RR 是整环。
  • 定理 4.6.7:设 RR 是非零交换环,则 RR 的所有素理想的交恰好是 RR 的幂零根 Rad(R)\operatorname{Rad}(R)

7 分式域域局部化#

整环的局部化:设 RR 为整环,考虑集合

R×R{0}={(a,b)a,bR,b0}R\times R\setminus \{0\}=\{(a,b)|a,b \in R,b\ne 0\}

在该集合上定义关系 \sim(a,b)(c,d)(a,b)\sim (c,d) 当且仅当 ad=bcad=bc。容易验证 \sim 是等价关系,记等价类为 ab\frac{a}{b}。则

F={aba,bR,b0}F = \left\{\frac{a}{b}|a,b \in R,b\ne 0\right\}

在以下加法和乘法下构成一个域:

ab+cd=ad+bcbd,abcd=acbd\frac{a}{b}+\frac{c}{d}=\frac{ad+bc}{bd}, \frac{a}{b}\cdot \frac{c}{d}=\frac{ac}{bd}

分母集:设 RR 为非零交换环,DDRR 的一个子集,满足 1D0∉D1\in D,0\not\in DDD 无零因子,且 DD 对乘法封闭,即对于 a,bDa,b \in DabDab \in D,则称 DD 为环 RR 的一个分母集。称

RD={abaR,bD}R_{D}=\left\{\frac{a}{b}|a \in R,b \in D\right\}

RR 关于分母集 DD局部化

Laurent 多项式环:设 RR 为交换环,xxRR 上的一个不定元,则由所有形如

f(x)=j=mnajxjf(x)=\sum_{j=m}^{n}a_{j}x^{j}

的多项式组成的集合记为 R[x,x1]R[x,x^{-1}],其中 ajR,m,nZ,mna_{j}\in R,m,n\in \mathbb{Z},m\le n。在逐点加法和乘法下,R[x,x1]R[x,x^{-1}] 构成一个环,称之为环 RR 上的Laurent 多项式环

  • 定理 4.7.1:设 RR 为整环,σ\sigma 为环 RR 到域 KK 的单同台,则存在唯一的域的单同态 π:FK\pi: F\to K 使得 σ=πf\sigma=\pi f
抽象代数环理论
https://astro-pure.js.org/blog/abstractalgebraring
Author ADL
Published at December 23, 2025
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