1 子环与同态#
自同态环:设 G 为交换群,运算记为 +,用 End(G) 表示 G 的全体自同态的集合。显然,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 G 上的一个自同态环。
环直和:设 R1,R2,⋯,Rn 是环,令 R=R1×R2×⋯×Rn 则,在逐点加法和乘法下,R 是一个环,称之为环 R1,R2,⋯,Rn 的直和,记为 R=R1⊕R2⊕⋯⊕Rn。
幂等元:设 R 为环,a∈R,若 a2=a,则称 a 为环 R 的一个幂等元。
Boole 环:若环 R 中的每个元素都是幂等元,则称环 R 为一个 Boole 环。显然 boole 环是交换环。
除环:设 R 为环,若 R 中除零元外的每个元素都是可逆元,则称环 R 为一个除环,或称为体。
整环:设 R 为交换环,若 R 中不存在零因子,即对任意 a,b∈R,ab=0 蕴含 a=0 或 b=0,则称环 R 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 R 为环,S 是 R 的一个非空子集,且含有 R 的乘法单位元 1. 若 S 在 R 的加法和乘法下还是环,则称 S 为环 R 的一个子环, 或称环 R 为环 S 的一个扩环。
容易看出,Zn 的子环只有自身,因为 Zn 的加法子群为由 1 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 F 为域,若它的子环 L 也是域,则称 L 为域 F 的一个子域,或称域 F 为域 L 的一个扩域。
四元除环:H={(α−βˉβαˉ)∣α,β∈C},显然 H 是 R 上的一个线性空间,且 1=(1001),i=(i00−i),j=(0−110),k=(0ii0) 是 H 的一组基,称 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},则 Q 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,R′ 为两个环,φ:R→R′ 为映射,如果对于 φ 保持加法和乘法运算,即对任意 a,b∈R,都有
φ(a+b)=φ(a)+φ(b),φ(ab)=φ(a)φ(b),
且 φ(1R)=1R′,则称 φ 为环到环 R′ 的一个环同态。同样地,若 φ 是环同态且双射,则称 φ 为环 R 和环 R′ 之间的一个环同构,记为 R≅R′。
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命题 4.1.1:设 S 为环 R 的一个非空子集,则 S 为 R 的一个子环的充分必要条件是 1∈S 且对任意 a,b∈S,都有 a−b∈S 且 ab∈S。
- 由此可以看出,环 R 的最小子环一定是 S0={n⋅1∣n∈Z} 。
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命题 4.1.2:设 F 为域,L⊂F 且 ∣L∣≥2,则 L 为 F 的一个子域的充分必要条件是对任意 a,b∈L,a=0,都有 a−b∈L 且 ab−1∈L。
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定理 4.1.1(挖补定理):设 R 和 S′ 是两个环且 R∩S′=∅,S 是 R 的子环且 S≅S′,则存在环 R′ 使得 R′≅R 且 S′ 是 R′ 的子环。
2 多项式环#
R− 线性无关:设 R 是交换环 A 的一个子环,x∈A,称 x 的幂次是 R− 线性无关的,若对任意整数 n≥0,R 中任意 a0,a1,⋯,an,由
a0+a1x+a2x2+⋯+anxn=0
可推出
a0=a1=a2=⋯=an=0.
若 x∈A 且 x 的幂次是 R− 线性相关的,则称 x 为环 R 上的一个不定元或未定元,也称为 R 上的一个变元。
一元多项式:设 R 是交换环 A 的一个子环, x∈A 是 R 上的一个不变元。对任意 n∈N,a0,a1,⋯,an∈R ,称 f(x)=∑j=0najxj 为环 R 上的一元多项式,记为 f(x)∈R[x]。其中 aj 称为多项式 f(x) 的系数,若 an=0,则 n 称为多项式 f(x) 的次数,记为 degf(x),称首项系数为 1 的多项式 f(x) 为首一多项式。
多项式环:设 R 是交换环 A 的一个子环,x∈A 是 R 上的一个不变元,则由所有 R 上一元多项式组成的集合记为 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] 中 f(x)=g(x) 当且仅当
degf(x)=degg(x)=n 且 ∀0≤j≤n,aj=bj
固定:设 R 为交换环,A 是 R 的一个交换扩环,任取 a∈A,对任意 f(x)=a0+a1x+⋯+anxn∈R[x],定义 f(a)∈A。这样 φa:f(x)↦f(a) 是 R[x] 到 A 的一个映射(称为固定映射)。显然,对任意 r∈R 有 φa(r)=r,即 φa 固定 R 中的每个元素,这时也称 φa 固定 R
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命题 4.2.1:设 f(x) 和 g(x) 是交换环 R 上的非零多项式,则:
- 若 degf(x)=degg(x),则 f(x)+g(x)=0 且 deg(f(x)+g(x))=max{degf(x),degg(x)}
- 若 degf(x)=degg(x),则 deg(f(x)+g(x))≤degf(x)
- deg(f(x)g(x))≤degf(x)+degg(x)
- 若 R 为整环,则有 f(x)g(x)=0,所以 R[x] 也是整环,进一步地,deg(f(x)g(x))=degf(x)+degg(x)
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命题 4.2.2:设 R 是整环,则 U(R[x])=U(R) ,即 R[x] 中的可逆元恰为 R 中的可逆元。
- U(R) 表示环 R 的可逆元全体。
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命题 4.2.3:设 F 为域,f(x)∈F[x] 非零,a∈F,则 a 是 f(x) 的根当且仅当存在 g(x)∈F[x] 使得 f(x)=(x−a)g(x)
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命题 4.2.4:设 F 为域,f(x)∈F[x] 非零,则 f(x) 在 F 中的不同根的个数不超过 degf(x)。
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定理 4.2.1(带余除法定理):设 R 为交换环,g(x)∈R[x],且满足 g(x) 的首项系数为 R 中的可逆元,则对 ∀f(x)∈R[x],存在唯一的 q(x),r(x)∈R[x] 满足 f(x)=q(x)g(x)+r(x),且 degr(x)<degg(x)。
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定理 4.2.2:设 A 是 R 中的一个交换扩环,a∈A,则映射 φa:R[x]→A 是一个固定 R 的环同态。反之,每个固定 R 的环同态 φ:R[x]→A 一定形如 φa,对某个 a∈A。
3 矩阵环#
全矩阵环:环 R 上的 n 阶方阵组成的集合记为 Mn(R),在矩阵加法和乘法下是一个环,称之为环 R 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 R 是否交换,全矩阵环 Mn(R) 都不交换。
三类初等变换:
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交换两行(列);Pij
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某行(列)乘以 R 中的可逆元 k;Di(k)
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某行(列)加上另一行(列)的 R 中的倍数;Sij(k)
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命题 4.3.4(Binet-Cauchy 公式):设 A 和 B 分别是交换环 R 上的 m×n 和 n×s 矩阵,并记 C=AB,则对任意 1≤i1<i2<⋯<ir≤m 和 1≤j1<j2<⋯<jr≤s,都有
DC(i1,i2,⋯,irj1,j2,⋯,jr)=1≤k1<k2<⋯<kr≤n∑DA(i1,i2,⋯,irk1,k2,⋯,kr)DB(k1,k2,⋯,krj1,j2,⋯,jr)
4 理想与商环#
理想:设 I 是环 R 的非空子集,若 I 是 R 的加法子群,且对 ∀r∈R,rI⊂I,Ir⊂I,则称 I 为环 R 的一个理想。显然 {0} 和 R 本身都是 R 的理想,称为平凡理想;若 R 只有平凡理想,称 R 为单环。而且理想中不包含可逆元,因此若 R 为除环,则 R 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 R 的幂零元全体构成 R 的一个理想,称为环 R 的幂零根,记为 Rad(R)
设 R 为交换环,任取 a∈R,则 aR 称为 R 的理想,称其为元素 a 生成的主理想,记为 (a)
生成的理想:设 S 是环 R 的一个非空子集,则由 S 中元素生成的环 R 的最小理想称为由 S 生成的理想,记为 (S)。如果 S 是有限集,S={a1,a2,⋯,an},则由 S 生成的理想记为 (a1,a2,⋯,an),称为由 a1,a2,⋯,an 生成的有限理想。特别地,若 S={a},则称 (a) 为主理想。
对于交换除环,(a) 的形式为:
(a)={ra∣r∈R}
而对于一般的环,(a) 的形式为:
(a)={k=1∑nrkark′∣rk,rk′∈R,n∈N}
主理想环:设 R 为环,若 R 的每个理想都是主理想,则称环 R 为一个主理想环。
商环:设 I 是环 R 的一个理想,定义在 R 的加法商群 R/I={a+I∣a∈R} 上的加法和乘法为
(a+I)+(b+I)=(a+b)+I
(a+I)(b+I)=ab+I
则 R/I 在上述加法和乘法下构成一个环,称之为环 R 关于理想 I 的一个商环,其中单位元为 1+I。
- 命题 4.4.1:设 I,J 都是环 R 的理想,定义
I+JI∩JIJ={a+b∣a∈I,b∈J}={a∣a∈I 且 a∈J}={k=1∑nakbk∣ak∈I,bk∈J,n∈N}
则 I+J,I∩J 和 IJ 都是环 R 的理想。
- 命题 4.4.2:设 R 为交换环,a1,a2,⋯,an∈R,则 R 的由 a1,a2,⋯,an 生成的理想为
(a1,a2,⋯,an)={r1a1+r2a2+⋯+rnan∣ri∈R,1≤i≤n}
进一步地,
(a1,a2,⋯,an)=a1R+a2R+⋯+anR
- 定理 4.4.1:域 F 上一元多项式环 F[x] 的理想都是主理想,且每个非零理想 (f(x)) 的生成元 f(x) 可以取为首一多项式。
5 环同态基本定理#
特征:设 R 为环,令 φ(k)=k⋅1,∀k∈Z,则 φ 是环 Z 到环 R 的一个环同态,称其为特征同态。Kerφ 是 Z 的一个理想,因此存在唯一的非负整数 n 使得 Kerφ=nZ,称 n 为环 R 的特征,记为 charR。特别地,若 Kerφ={0},则称环 R 的特征为零。
互素:设 I 和 J 都是环 R 的理想,若 I+J=R,则称理想 I 和 J 互素。
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命题 4.5.1:若环 R 的理想 J 与 J1,J2 都互素,则 J 与 J1J2 也互素,从而 J 与 J1∩J2 互素
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定理 4.5.1(环同态基本定理):设 φ:R→R′ 是环 R 到环 R′ 的一个环同态,令 K=Kerφ,则
R/K≅Imφ
- 定理 4.5.2:设 R 为环,则 R 的特征要么为零,要么为某个正整数 n。进一步地,若 charR=0,则 R 有子环 Z;若 charR=n>0,则 R 有子环 Zn。
- 定理 4.5.3:整环的特征为 0 或素数
- 定理 4.5.4(第二同构定理):设 R 是环,I 是 R 的一个理想,H 是环 R 的一个子环,则 H+I 是环 R 的一个子环,H∩I 是环 H 的一个理想,且
(H+I)/I≅H/(H∩I)
- 定理 4.5.5(第三同构定理):设 R 是环,I 和 J 都是环 R 的理想,且 I⊂J,则 J/I 是环 R/I 的一个理想,且
(R/I)/(J/I)≅R/J
- 定理 4.5.6(第三同构定理):设 R,R′ 是环,φ:R→R′ 是环同态,J 是 R 的一个理想,且 Kerφ⊂J,则 φ(J) 是环 φ(R) 的一个理想,且
R/J≅φ(R)/φ(J)
- 定理 4.5.7(对应定理):设 R,R′ 是环,φ:R→R′ 是环的满同态,令 J 为 R 的所有包含 Kerφ 的理想组成的集合,L 是 R′ 的所有理想组成的集合,则
- 若 J∈J,则 φ(J)∈L;若 L∈L,则 φ−1(L)∈J;
- 若 J∈J,则 φ−1(φ(J))=J;若 L∈L,则 φ(φ−1(L))=L;
- 映射 J↦φ(J) 是 J 到 L 的一个双射,其逆映射为 L↦φ−1(L)。
- 若 J∈J ,则有环同构 R/J≅R′/φ(J)。
- 定理 4.5.8(中国剩余定理):设 R 为环,I1,I2,⋯,In 是 R 的两两互素的理想,则有环同构
R/(I1∩I2∩⋯∩In)≅R/I1⊕R/I2⊕⋯⊕R/In
6 极大理想和素理想#
极大理想:设 R 是环,M 是 R 的理想且 M=R,对 R 的任意理想 N ,若 M⊂N,必有 N=M 或者 N=R,则称 M 为环 R 的一个极大理想。
素理想:设 R 为环,P 是 R 的真理想,且对于 R 的任意理想 I 和 J ,由 IJ⊂P 可得到 I⊂P 或者 J⊂P,则称 P 为环 R 的一个素理想。
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命题 4.6.1:设 F 是域,f(x)∈F[x] 且 degf(x)=2 或 3 ,则 f(x) 在 F[x] 中不可约当且仅当 f(x) 在 F 中无根
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命题 4.6.2:设 R 为环,则环 R 的每个极大理想都是素理想。
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定理 4.6.1:设 R 是交换环,K=R 是 R 的理想,则 R/K 是域当且仅当 K 是 R 的极大理想。
- 推论 4.6.1:设 R 是交换单环,则 R 为域
- 推论 4.6.2:设 n 为非负整数,则 Zn 为域当且仅当 n 为素数。
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定理 4.6.2:设 R 为非零环,I 为 R 的理想且 I=R,则存在环 R 的极大理想 M 使得 I⊂M。
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定理 4.6.3:设 F 为域,f(x)∈F[x] ,则 (f(x)) 是 F[x] 的极大理想当且仅当 f(x) 在 F[x] 中不可约
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定理 4.6.4:设 F 是域,则商环 F[x]/(f(x)) 是域当且仅当 f(x) 在 F[x] 中不可约。
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定理 4.6.5(Kronechker 定理,域论基本定理):设 F 为域,f(x)∈F[x],degf(x)≥1,则存在 F 的扩域 E 使得 f(x) 在 E 中有根。
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定理 4.6.6:设 R 为非零交换环,P 是 R 的真理想,则下面陈述等价:
- P 是环 R 的素理想;
- 商环 R/P 是整环。
- ∀a,b∈R,若 ab∈P,则 a∈P 或 b∈P。
- 推论 4.6.3:设 R 为非零交换环,则 {0} 是环 R 的素理想当且仅当 R 是整环。
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定理 4.6.7:设 R 是非零交换环,则 R 的所有素理想的交恰好是 R 的幂零根 Rad(R)
7 分式域域局部化#
整环的局部化:设 R 为整环,考虑集合
R×R∖{0}={(a,b)∣a,b∈R,b=0}
在该集合上定义关系 ∼ 为 (a,b)∼(c,d) 当且仅当 ad=bc。容易验证 ∼ 是等价关系,记等价类为 ba。则
F={ba∣a,b∈R,b=0}
在以下加法和乘法下构成一个域:
ba+dc=bdad+bc,ba⋅dc=bdac
分母集:设 R 为非零交换环,D 是 R 的一个子集,满足 1∈D,0∈D,D 无零因子,且 D 对乘法封闭,即对于 a,b∈D,ab∈D,则称 D 为环 R 的一个分母集。称
RD={ba∣a∈R,b∈D}
为 R 关于分母集 D 的局部化。
Laurent 多项式环:设 R 为交换环,x 是 R 上的一个不定元,则由所有形如
f(x)=j=m∑najxj
的多项式组成的集合记为 R[x,x−1],其中 aj∈R,m,n∈Z,m≤n。在逐点加法和乘法下,R[x,x−1] 构成一个环,称之为环 R 上的Laurent 多项式环。
- 定理 4.7.1:设 R 为整环,σ 为环 R 到域 K 的单同台,则存在唯一的域的单同态 π:F→K 使得 σ=πf