约定: 在本篇笔记中,除非特殊说明,我们讨论的环 R 都是含幺交换环。
环的同构基本定理
对于一个映射 f:R→S,使得 ∀α,β∈R,满足 f(α+β)=f(α)+f(β),以及 f(αβ)=f(α)f(β),称 f 为环同态。
首先,我们需要确认同态的核 (Kernel) 具有良好的结构。
性质: 环同态 f:R→S 的核 ker(f)={α∈R∣f(α)=0S} 是环 R 的一个理想。
证明:
- 根据群同态的性质,我们已知 (ker(f),+) 是 (R,+) 的一个加法子群。
- 我们需要验证吸收性。取任意 α∈ker(f) 和任意 r∈R。
- f(αr)=f(α)f(r)=0S⋅f(r)=0S。因此 αr∈ker(f)。
- 同理可以验证 ra∈ker(f) (这里即使不需要交换环依然成立)
因此,ker(f) 是 R 的一个理想。
环的同构基本定理
若 f:R→S 是一个满同态,则存在一个唯一的环同构 φ 使得商环 R/ker(f) 与环 S 同构。
R/ker(f)≅S
这个同构映射由 φ:R/ker(f)→S 定义为 φ(αˉ)=f(α),其中 αˉ=α+ker(f)。
证明纲要:
这个定理的证明与群的第一同构基本定理非常相似。
- 双射: 这一点直接继承自群同态基本定理的证明。
- 保持加法: φ(αˉ+βˉ)=φ(α+β)=f(α+β)=f(α)+f(β)=φ(αˉ)+φ(βˉ)。
- 保持乘法: φ(αˉ⋅βˉ)=φ(αβ)=f(αβ)=f(α)f(β)=φ(αˉ)φ(βˉ)。
由于 φ 是保持两种运算的双射,因此它是一个环同构。
理想的运算与性质
理想的判定
要证明一个非空子集 I⊆R 是环 R 的理想,我们只需验证以下两条:
- 对减法封闭: ∀α,β∈I⟹α−β∈I。
- (这条性质保证了 (I,+) 是 (R,+) 的一个加法子群。)
- 吸收性: ∀a∈I,r∈R⟹ar∈I。
- (由于环是交换的,我们无需单独验证 ra∈I。)
为什么不需验证其他性质?
因为 I 是 R 的子集,环所要求的乘法结合律、分配律以及加法交换律等性质,对于 R 中的所有元素都成立,自然也对 I 中的所有元素成立。这些性质可以直接从母环 R 中继承,无需重复验证。
理想的运算
设 I,J 是环 R 的两个理想。
- 交集 (Intersection): I∩J 也是 R 的一个理想。
- 证明:
- ∀α,β∈I∩J⟹α,β 同时属于 I 和 J。因为 I,J 都是理想,所以 α−β∈I 且 α−β∈J,故 α−β∈I∩J。
- ∀r∈R,α∈I∩J⟹rα∈I 且 rα∈J,故 rα∈I∩J。
- 和 (Sum): I+J=def{i+j∣i∈I,j∈J} 也是 R 的一个理想。
- 证明:
- 取任意元素 α=i1+j1 和 β=i2+j2,其中 i1,i2∈I,j1,j2∈J。则 α−β=(i1−i2)+(j1−j2)。由于 I,J 是理想,i1−i2∈I,j1−j2∈J,所以 α−β∈I+J。
- 取任意元素 r∈R,则 rα=r(i1+j1)=ri1+rj1。由于 I,J 是理想,ri1∈I,rj1∈J,所以 rα∈I+J。
- 积 (Product): IJ=def{∑k=1nikjk∣n∈N,ik∈I,jk∈J}(所有 ij 形式元素的有限和构成的集合)也是 R 的一个理想。
- 说明: 仅仅定义为 {ij∣i∈I,j∈J} 是不够的,因为这个集合对加法可能不封闭。
- 证明:
- 两个有限和的差依然是一个有限和,所以对减法封闭。
- ∀r∈R,有 r⋅(∑ikjk)=∑(rik)jk。因为 rik∈I,所以整个和式仍在 IJ 的定义范围内。
理想的生成元
定义 (主理想, Principal Ideal)
由单个元素生成的理想 ⟨α⟩ 称为主理想。
并非所有理想都是主理想。
例子 1: Z[x] 中的非主理想
考虑环 R=Z[x](整系数多项式环),以及理想 I={ 所有常数项为偶数的多项式 }。
可以证明 I 不是一个主理想。
- 证明 (反证法):
- 假设 I=⟨f(x)⟩ 是一个主理想。
- 因为 2∈I 且 x∈I,所以 f(x) 必须同时整除 2 和 x。
- 在 Z[x] 环中,能整除 2 的多项式只有 ±1,±2。能整除 x 的多项式只有 ±1,±x。
- 两者的公因子只有 ±1。所以 f(x)=±1。
- 如果 f(x)=±1,那么 ⟨f(x)⟩=Z[x]=R。
- 但 I=R (例如 1∈/I),产生矛盾。因此 I 不是主理想。
- 实际上,I=⟨2,x⟩。
- 证明: ⟨2,x⟩=2Z[x]+xZ[x]。任何一个该形式的元素 2g(x)+xh(x),其常数项为 2g(0),必然是偶数,所以 ⟨2,x⟩⊆I。反之,任何 f(x)∈I,设 f(x)=anxn+⋯+a1x+a0,其中 a0=2k。则 f(x)=x(anxn−1+⋯+a1)+2k∈xZ[x]+2Z[x]=⟨2,x⟩。所以 I⊆⟨2,x⟩。
例子 2: Z[−10] 中的非主理想
考虑环 R=Z[−10],理想 I=⟨2,4+−10⟩。这个理想也不是主理想。
- 证明 (反证法):
- 假设 I=⟨α⟩。则 α∣2 且 α∣(4+−10)。
- 利用范数 N(a+b−10)=a2+10b2,我们有 N(α)∣N(2)=4 和 N(α)∣N(4+−10)=16+10=26。
- 因此 N(α) 必须是 4 和 26 的公因子,即 N(α)∣gcd(4,26)=2。
- 所以 N(α) 只可能是 1 或 2。
- 但方程 a2+10b2=2 在整数 a,b 中无解。所以 N(α)=2。
- 唯一的可能是 N(α)=1,这意味着 α 是一个单位 (unit)。
- 如果 α 是单位,则 ⟨α⟩=R。但 I=R (例如 1∈/I),产生矛盾。
理想的唯一分解
我们在之前的笔记中看到,在 Z[−5] 这样的环中,元素的唯一因子分解性质失效了:6=2⋅3=(1+−5)(1−−5)。虽然元素的唯一分解失败,但如果我们将视线转向理想,唯一分解的性质在某种程度上得以恢复。
在 Z[−5] 中,可以证明 ⟨2⟩,⟨3⟩,⟨1±−5⟩ 这些主理想都不是素理想(更高级的概念),它们可以被进一步分解为更小的理想的乘积。
例如,可以证明:
- ⟨2⟩=⟨2,1+−5⟩2
- ⟨3⟩=⟨3,1+−5⟩⟨3,1−−5⟩
- ⟨1+−5⟩=⟨2,1+−5⟩⟨3,1+−5⟩
- ⟨1−−5⟩=⟨2,1+−5⟩⟨3,1−−5⟩
将主理想 ⟨6⟩ 的两种元素分解相对应,我们得到:
⟨6⟩=⟨2⟩⟨3⟩=(⟨2,1+−5⟩2)⋅(⟨3,1+−5⟩⟨3,1−−5⟩)
⟨6⟩=⟨1+−5⟩⟨1−−5⟩=(⟨2,1+−5⟩⟨3,1+−5⟩)⋅(⟨2,1+−5⟩⟨3,1−−5⟩)
可以看到,两种方式最终都将理想 ⟨6⟩ 分解成了四个相同的理想因子的乘积。
核心思想: 在某些整环中(称为戴德金整环),虽然元素分解不唯一,但任何非零真理想都可以唯一地分解为素理想的乘积。
特殊的整环:ED, PID 和 UFD
根据理想和分解性质的强弱,我们可以对整环进行分类,形成一个重要的链式关系。
定义 (唯一分解整环, Unique Factorization Domain, UFD)
一个整环 R 如果满足以下条件,则称为唯一分解整环:
- 存在性: 任何非零、非单位的元素都可以分解为有限个不可约元的乘积。
- 唯一性: 这种分解在不计顺序和相伴的情况下是唯一的。即若 α=p1⋯pn=q1⋯qm,则必有 n=m,且经过适当重排后, pi 与 qi 相伴。
定义 (主理想整环, Principal Ideal Domain, PID)
如果一个整环 R 的每一个理想都是主理想,则称 R 为主理想整环。
定义 (欧几里得整环, Euclidean Domain, ED)
一个整环 R 如果存在一个函数 v:R∖{0}→N(称为欧几里得范数),满足:
- ∀r∈R∖{0},有 v(r)≥0
- ∀a,b∈R 且 b=0,存在 q,r∈R 使得 a=bq+r,其中 r=0 或者 v(r)<v(b)。(带余除法)
关系与例子
这三类整环有一个非常清晰的包含关系:
欧几里得整环 (ED)⟹主理想整环 (PID)⟹唯一分解整环 (UFD)
- ED ⟹ PID:
- 证明思路: 任意取一个非零理想 I。在 I 中找到一个范数 v 最小的非零元素 d。利用带余除法可以证明,I 中任何元素 a 除以 d 的余数必定是 0,否则会找到一个范数更小的非零元素,与 d 的选择矛盾。因此 I=⟨d⟩。
- 证明:记 R 为一个欧几里得整环,考虑任意理想 I⊆R
由于 ∀r∈R∗,有 v(r)≥0
因此 ∃d∈I∗,使得 ∀x∈I∗,v(d)≤v(x)
根据欧几里得整环定义,∃q,r∈R,使得 ∀x∈I,有 x=dq+r,且 r=0 或者 v(r)<v(d)
综合上述两条,得到 r=0,即 d∣x 或 x=0
即 x∈⟨d⟩⇒I⊆⟨d⟩
同时 d∈I,⟨d⟩ 是最小的包含 d 的理想,因此 ⟨d⟩⊆I
得到 ⟨d⟩=I
即任意理想 I 都能找到单个生成元 d
所以 R 是主理想整环
- PID ⟹ UFD:
- 证明思路: 这是三者关系中证明最复杂的一步。关键在于证明在 PID 中,任何不可约元都是素元,这保证了分解的唯一性。
-
先证明主理想整环中的不可约元等同于素元:
- 素元 ⇒ 不可约元:
对于一个素元 p,假设 p=ab⇒p∣a∨p∣b
不失一般性,假设 p∣a,那么 ∃c∈R 使得 a=pc
带入 p=ab⇒p=pcb⇒p(1−bc)=0
根据整环性质,有 1−bc=0⇒bc=1
所以 b 是单位元,得到 p 是不可约元
- 不可约元 ⇒ 素元:
对于一个不可约元 p,假如 p∣ab,我们希望证明 p∣a∨p∣b
假设 p∤a,希望证明 p∣b
考虑理想 ⟨p,a⟩
由于 R 是 PID,因此 ∃d∈R 使得 ⟨d⟩=⟨p,a⟩,得到 d∣p,d∣a
考虑到 p 是不可约元且 p∤a,所以 d=±1
所以 ⟨p,a⟩=⟨d⟩=R⇒∃s,r∈R 使得 ps+ar=1
⇒psb+rab=b
而 p∣psb,且 p∣ab⇒p∣rab,因此 p∣b
得证
-
接下来证明分解是唯一的:
对于 x∈R,假如
x=p1p2⋯pn=q1q2⋯qm
其中 p1,p2,…,pn,q1,q2,…qm 都是不可约元,由上面的证明,知这些也是素元。不妨设 n≤m。
考虑 p1,由于 p1∣q1q2⋯qm,利用素元定义,知 p1∣q1∨p1∣q2∨⋯∨p1∣qm
假设 p1∣qj,由于 qj 也是素元,因此 p1=u1qj
对 q1,q2,…,qm 进行重排,使得 p1=u1q1
由于 R 是整环,因此消去 p1,得到 p2⋯pn=u1q2⋯qm
- 假设 n<m,同上操作,最后得到 1=u1⋯unqn+1⋯qm
发现 qn+1,…,qm 也应当是单位元,与不可约元性质矛盾
- 因此 n=m。同时根据上述重排步骤,可知 R 是唯一分解整环
- 例子:
- ED: Z (范数为绝对值), F[x] (域 F 上的多项式环,范数为次数), Z[i] (高斯整数,范数为 a2+b2)。
- 是 PID 但不是 ED: 某些二次整数环,如 Z[21+−19]。
- 是 UFD 但不是 PID: Z[x] (我们已经看到它有非主理想 ⟨2,x⟩,但可以证明它是 UFD), F[x,y] (二元多项式环)。
- 最大公因子: 在 PID 中,两个元素 α,β 的最大公因子 d=gcd(α,β) 存在,并且可以表示为它们的线性组合 d=rα+sβ(贝祖等式)。这是因为理想 ⟨α,β⟩ 是主理想,其生成元就是 d。
特殊的理想
定义:极大理想
R 是整环。I 是 R 的理想。I 称为极大理想,如果:
- I=R
- 如果有理想 J,I⊆J⊆R,则 J=I 或 J=R
性质 1. R 是 PID,I=⟨g⟩。I 是极大理想 ⟺g 是不可约元。
Thm. I 是 R 的极大理想 ⟺R/I 是域。
定义:素理想
$ $ 是 R 的素理想,如果:
- I=R
- ∀α,β∈R,αβ∈I,则 α∈I or β∈I。
性质 1. R 是整环。p∈R。⟨p⟩ 是素理想 ⟺p 是素元。
Thm. I 是素理想 ⟺R/I 是整环。
推论. 如果 R 是整环,那么极大理想是素理想。