约定: 在本篇笔记中,除非特殊说明,我们讨论的环 RR 都是含幺交换环

环的同构基本定理

对于一个映射 f:RSf: R \to S,使得 α,βR\forall \alpha, \beta \in R,满足 f(α+β)=f(α)+f(β)f(\alpha + \beta) = f(\alpha) + f(\beta),以及 f(αβ)=f(α)f(β)f(\alpha \beta) = f(\alpha) f(\beta),称 ff 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:RSf: R \to S 的核 ker(f)={αRf(α)=0S}\ker(f) = \{ \alpha \in R \mid f(\alpha) = 0_S \} 是环 RR 的一个理想。

证明:

  1. 根据群同态的性质,我们已知 (ker(f),+)(\ker(f), +)(R,+)(R, +) 的一个加法子群。
  2. 我们需要验证吸收性。取任意 αker(f)\alpha \in \ker(f) 和任意 rRr \in R
    • f(αr)=f(α)f(r)=0Sf(r)=0Sf(\alpha r) = f(\alpha) f(r) = 0_S \cdot f(r) = 0_S。因此 αrker(f)\alpha r \in \ker(f)
    • 同理可以验证 raker(f)ra \in ker(f) (这里即使不需要交换环依然成立)

因此,ker(f)\ker(f)RR 的一个理想。

环的同构基本定理

f:RSf: R \to S 是一个满同态,则存在一个唯一的环同构 φ\varphi 使得商环 R/ker(f)R/\ker(f) 与环 SS 同构。

R/ker(f)SR/\ker(f) \cong S

这个同构映射由 φ:R/ker(f)S\varphi: R/\ker(f) \to S 定义为 φ(αˉ)=f(α)\varphi(\bar{\alpha}) = f(\alpha),其中 αˉ=α+ker(f)\bar{\alpha} = \alpha + \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。

  1. 双射: 这一点直接继承自群同态基本定理的证明。
  2. 保持加法: φ(αˉ+βˉ)=φ(α+β)=f(α+β)=f(α)+f(β)=φ(αˉ)+φ(βˉ)\varphi(\bar{\alpha} + \bar{\beta}) = \varphi(\overline{\alpha+\beta}) = f(\alpha+\beta) = f(\alpha)+f(\beta) = \varphi(\bar{\alpha}) + \varphi(\bar{\beta})
  3. 保持乘法: φ(αˉβˉ)=φ(αβ)=f(αβ)=f(α)f(β)=φ(αˉ)φ(βˉ)\varphi(\bar{\alpha} \cdot \bar{\beta}) = \varphi(\overline{\alpha\beta}) = f(\alpha\beta) = f(\alpha)f(\beta) = \varphi(\bar{\alpha})\varphi(\bar{\beta})

由于 φ\varphi 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 IRI \subseteq R 是环 RR 的理想,我们只需验证以下两条:

  1. 对减法封闭: α,βI    αβI\forall \alpha, \beta \in I \implies \alpha - \beta \in I
    • (这条性质保证了 (I,+)(I, +)(R,+)(R,+) 的一个加法子群。)
  2. 吸收性: aI,rR    arI\forall a \in I, r \in R \implies ar \in I
    • (由于环是交换的,我们无需单独验证 raIra \in I。)

为什么不需验证其他性质?
因为 IIRR 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 RR 中的所有元素都成立,自然也对 II 中的所有元素成立。这些性质可以直接从母环 RR继承,无需重复验证。

理想的运算

I,JI, J 是环 RR 的两个理想。

  • 交集 (Intersection): IJI \cap J 也是 RR 的一个理想。
    • 证明:
      1. α,βIJ    α,β\forall \alpha, \beta \in I \cap J \implies \alpha, \beta 同时属于 IIJJ。因为 I,JI, J 都是理想,所以 αβI\alpha - \beta \in IαβJ\alpha - \beta \in J,故 αβIJ\alpha - \beta \in I \cap J
      2. rR,αIJ    rαI\forall r \in R, \alpha \in I \cap J \implies r\alpha \in IrαJr\alpha \in J,故 rαIJr\alpha \in I \cap J
  • 和 (Sum): I+J=def{i+jiI,jJ}I+J \overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} \{ i+j \mid i \in I, j \in J \} 也是 RR 的一个理想。
    • 证明:
      1. 取任意元素 α=i1+j1\alpha = i_1+j_1β=i2+j2\beta = i_2+j_2,其中 i1,i2I,j1,j2Ji_1,i_2 \in I, j_1,j_2 \in J。则 αβ=(i1i2)+(j1j2)\alpha - \beta = (i_1-i_2) + (j_1-j_2)。由于 I,JI, J 是理想,i1i2I,j1j2Ji_1-i_2 \in I, j_1-j_2 \in J,所以 αβI+J\alpha-\beta \in I+J
      2. 取任意元素 rRr \in R,则 rα=r(i1+j1)=ri1+rj1r\alpha = r(i_1+j_1) = ri_1 + rj_1。由于 I,JI,J 是理想,ri1I,rj1Jri_1 \in I, rj_1 \in J,所以 rαI+Jr\alpha \in I+J
  • 积 (Product): IJ=def{k=1nikjknN,ikI,jkJ}IJ \overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} \{ \sum_{k=1}^{n} i_k j_k \mid n \in \mathbb{N}, i_k \in I, j_k \in J \}(所有 ijij 形式元素的有限和构成的集合)也是 RR 的一个理想。
    • 说明: 仅仅定义为 {ijiI,jJ}\{ij \mid i \in I, j \in J\} 是不够的,因为这个集合对加法可能不封闭。
    • 证明:
      1. 两个有限和的差依然是一个有限和,所以对减法封闭。
      2. rR\forall r \in R,有 r(ikjk)=(rik)jkr\cdot (\sum i_k j_k) = \sum (ri_k) j_k。因为 rikIri_k \in I,所以整个和式仍在 IJIJ 的定义范围内。

理想的生成元

  • 生成的理想: 设 XX 是环 RR 的一个子集。由 XX 生成的理想,记作 X\langle X \rangle,定义为包含 XX最小的理想。它等于所有包含 XX 的理想的交集。

  • 有限生成理想:

    • 如果 X={x1,,xn}X = \{x_1, \dots, x_n\},则记 X=x1,,xn\langle X \rangle = \langle x_1, \dots, x_n \rangle
    • 单个生成元: x=xR=def{xrrR}\langle x \rangle = xR \overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} \{ xr \mid r\in R \}
      • 证明: 一方面,xRxR 自身是一个理想且包含 xx (取 r=1r=1),所以 xxR\langle x \rangle \subseteq xR。另一方面,任何包含 xx 的理想 II 都必须包含所有 xrxr 形式的元素(吸收性),所以 xRIxR \subseteq I。因此 xRxR 是最小的,x=xR\langle x \rangle = xR
    • 多个生成元: x1,,xn=x1R+x2R++xnR=def{i=1nxiririR}\langle x_1, \dots, x_n \rangle = x_1R + x_2R + \dots + x_nR \overset{\underset{\mathrm{def}}{}}{=} \{ \sum_{i=1}^n x_i r_i \mid r_i \in R \}

定义 (主理想, Principal Ideal)

由单个元素生成的理想 α\langle \alpha \rangle 称为主理想

并非所有理想都是主理想。

例子 1: Z[x]\mathbb{Z}[x] 中的非主理想

考虑环 R=Z[x]R = \mathbb{Z}[x](整系数多项式环),以及理想 I={I = \{ 所有常数项为偶数的多项式 }\}
可以证明 II 不是一个主理想。

  • 证明 (反证法):
    • 假设 I=f(x)I = \langle f(x) \rangle 是一个主理想。
    • 因为 2I2 \in IxIx \in I,所以 f(x)f(x) 必须同时整除 22xx
    • Z[x]\mathbb{Z}[x] 环中,能整除 22 的多项式只有 ±1,±2\pm 1, \pm 2。能整除 xx 的多项式只有 ±1,±x\pm 1, \pm x
    • 两者的公因子只有 ±1\pm 1。所以 f(x)=±1f(x) = \pm 1
    • 如果 f(x)=±1f(x) = \pm 1,那么 f(x)=Z[x]=R\langle f(x) \rangle = \mathbb{Z}[x] = R
    • IRI \neq R (例如 1I1 \notin I),产生矛盾。因此 II 不是主理想。
  • 实际上,I=2,xI = \langle 2, x \rangle
    • 证明: 2,x=2Z[x]+xZ[x]\langle 2, x \rangle = 2\mathbb{Z}[x] + x\mathbb{Z}[x]。任何一个该形式的元素 2g(x)+xh(x)2g(x) + xh(x),其常数项为 2g(0)2g(0),必然是偶数,所以 2,xI\langle 2, x \rangle \subseteq I。反之,任何 f(x)If(x) \in I,设 f(x)=anxn++a1x+a0f(x) = a_n x^n + \dots + a_1 x + a_0,其中 a0=2ka_0 = 2k。则 f(x)=x(anxn1++a1)+2kxZ[x]+2Z[x]=2,xf(x) = x(a_n x^{n-1} + \dots + a_1) + 2k \in x\mathbb{Z}[x] + 2\mathbb{Z}[x] = \langle 2, x \rangle。所以 I2,xI \subseteq \langle 2, x \rangle

例子 2: Z[10]\mathbb{Z}[\sqrt{-10}] 中的非主理想

考虑环 R=Z[10]R = \mathbb{Z}[\sqrt{-10}],理想 I=2,4+10I = \langle 2, 4+\sqrt{-10} \rangle。这个理想也不是主理想。

  • 证明 (反证法):
    • 假设 I=αI = \langle \alpha \rangle。则 α2\alpha \mid 2α(4+10)\alpha \mid (4+\sqrt{-10})
    • 利用范数 N(a+b10)=a2+10b2N(a+b\sqrt{-10}) = a^2+10b^2,我们有 N(α)N(2)=4N(\alpha) \mid N(2) = 4N(α)N(4+10)=16+10=26N(\alpha) \mid N(4+\sqrt{-10}) = 16+10=26
    • 因此 N(α)N(\alpha) 必须是 442626 的公因子,即 N(α)gcd(4,26)=2N(\alpha) \mid \operatorname{gcd}(4, 26)=2
    • 所以 N(α)N(\alpha) 只可能是 1122
    • 但方程 a2+10b2=2a^2+10b^2 = 2 在整数 a,ba,b 中无解。所以 N(α)2N(\alpha) \neq 2
    • 唯一的可能是 N(α)=1N(\alpha)=1,这意味着 α\alpha 是一个单位 (unit)。
    • 如果 α\alpha 是单位,则 α=R\langle \alpha \rangle = R。但 IRI \neq R (例如 1I1 \notin 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]\mathbb{Z}[\sqrt{-5}] 这样的环中,元素的唯一因子分解性质失效了:6=23=(1+5)(15)6 = 2 \cdot 3 = (1+\sqrt{-5})(1-\sqrt{-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。

Z[5]\mathbb{Z}[\sqrt{-5}] 中,可以证明 2,3,1±5\langle 2 \rangle, \langle 3 \rangle, \langle 1\pm\sqrt{-5} \rangle 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+52\langle 2 \rangle = \langle 2, 1+\sqrt{-5} \rangle^2
  • 3=3,1+53,15\langle 3 \rangle = \langle 3, 1+\sqrt{-5} \rangle \langle 3, 1-\sqrt{-5} \rangle
  • 1+5=2,1+53,1+5\langle 1+\sqrt{-5} \rangle = \langle 2, 1+\sqrt{-5} \rangle \langle 3, 1+\sqrt{-5} \rangle
  • 15=2,1+53,15\langle 1-\sqrt{-5} \rangle = \langle 2, 1+\sqrt{-5} \rangle \langle 3, 1-\sqrt{-5} \rangle

将主理想 6\langle 6 \rangle 的两种元素分解相对应,我们得到:

6=23=(2,1+52)(3,1+53,15)\langle 6 \rangle = \langle 2 \rangle \langle 3 \rangle = (\langle 2, 1+\sqrt{-5} \rangle^2) \cdot (\langle 3, 1+\sqrt{-5} \rangle \langle 3, 1-\sqrt{-5} \rangle)

6=1+515=(2,1+53,1+5)(2,1+53,15)\langle 6 \rangle = \langle 1+\sqrt{-5} \rangle \langle 1-\sqrt{-5} \rangle = (\langle 2, 1+\sqrt{-5} \rangle \langle 3, 1+\sqrt{-5} \rangle) \cdot (\langle 2, 1+\sqrt{-5} \rangle \langle 3, 1-\sqrt{-5} \rangle)

可以看到,两种方式最终都将理想 6\langle 6 \rangle 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 RR 如果满足以下条件,则称为唯一分解整环

  1. 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。
  2. 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=p1pn=q1qm\alpha = p_1 \cdots p_n = q_1 \cdots q_m,则必有 n=mn=m,且经过适当重排后, pip_iqiq_i 相伴。

定义 (主理想整环, Principal Ideal Domain, PID)

如果一个整环 RR每一个理想都是主理想,则称 RR主理想整环

定义 (欧几里得整环, Euclidean Domain, ED)

一个整环 RR 如果存在一个函数 v:R{0}Nv: R \setminus \{0\} \to \mathbb{N}(称为欧几里得范数),满足:

  1. rR{0}\forall r \in R \setminus \{ 0 \},有 v(r)0v(r) \ge 0
  2. a,bR\forall a, b \in Rb0b \neq 0,存在 q,rRq, r \in R 使得 a=bq+ra = bq+r,其中 r=0r=0 或者 v(r)<v(b)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)\text{欧几里得整环 (ED)} \implies \text{主理想整环 (PID)} \implies \text{唯一分解整环 (UFD)}

  • ED     \implies PID:
    • 证明思路: 任意取一个非零理想 II。在 II 中找到一个范数 vv 最小的非零元素 dd。利用带余除法可以证明,II 中任何元素 aa 除以 dd 的余数必定是 00,否则会找到一个范数更小的非零元素,与 dd 的选择矛盾。因此 I=dI = \langle d \rangle
    • 证明:记 RR 为一个欧几里得整环,考虑任意理想 IRI \subseteq R
      由于 rR\forall r \in R^{*},有 v(r)0v(r)\ge 0
      因此 dI\exists d \in I^{*},使得 xI,v(d)v(x)\forall x \in I^{*}, v(d)\le v(x)
      根据欧几里得整环定义,q,rR\exists q, r \in R,使得 xI\forall x \in I,有 x=dq+rx = dq + r,且 r=0r=0 或者 v(r)<v(d)v(r) < v(d)
      综合上述两条,得到 r=0r=0,即 dxd \mid xx=0x = 0
      xdIdx \in \langle d \rangle \Rightarrow I \subseteq \langle d \rangle
      同时 dId \in Id\langle d \rangle 是最小的包含 dd 的理想,因此 dI\langle d \rangle \subseteq I
      得到 d=I\langle d \rangle = I
      即任意理想 II 都能找到单个生成元 dd
      所以 RR 是主理想整环
  • PID     \implies 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。
    1. 先证明主理想整环中的不可约元等同于素元:

      1. 素元 \Rightarrow 不可约元:
        对于一个素元 pp,假设 p=abpapbp = ab \Rightarrow p \mid a \lor p \mid b
        不失一般性,假设 pap \mid a,那么 cR\exists c \in R 使得 a=pca = pc
        带入 p=abp=pcbp(1bc)=0p = ab \Rightarrow p = pcb \Rightarrow p(1-bc) = 0
        根据整环性质,有 1bc=0bc=11-bc = 0 \Rightarrow bc=1
        所以 bb 是单位元,得到 pp 是不可约元
      2. 不可约元 \Rightarrow 素元:
        对于一个不可约元 pp,假如 pabp \mid ab,我们希望证明 papbp \mid a \lor p\mid b
        假设 pap \nmid a,希望证明 pbp \mid b
        考虑理想 p,a\langle p, a \rangle
        由于 RR 是 PID,因此 dR\exists d \in R 使得 d=p,a\langle d \rangle = \langle p, a \rangle,得到 dp,dad \mid p, d \mid a
        考虑到 pp 是不可约元且 pap \nmid a,所以 d=±1d = \pm 1
        所以 p,a=d=Rs,rR\langle p, a \rangle = \langle d \rangle = R \Rightarrow \exists s, r\in R 使得 ps+ar=1ps+ar=1
        psb+rab=b\Rightarrow psb + rab = b
        ppsbp \mid psb,且 pabprabp\mid ab \Rightarrow p \mid rab,因此 pbp \mid b
        得证
    2. 接下来证明分解是唯一的:
      对于 xRx\in R,假如

      x=p1p2pn=q1q2qmx = p_1 p_2 \cdots p_n = q_1 q_2 \cdots q_m

      其中 p1,p2,,pn,q1,q2,qmp_1, p_2, \ldots ,p_n, q_1, q_2, \ldots q_m 都是不可约元,由上面的证明,知这些也是素元。不妨设 nmn\le m
      考虑 p1p_1,由于 p1q1q2qmp_1 \mid q_1 q_2 \cdots q_m,利用素元定义,知 p1q1p1q2p1qmp_1 \mid q_1 \lor p_1 \mid q_2 \lor \cdots \lor p_1 \mid q_m
      假设 p1qjp_1 | q_j,由于 qjq_j 也是素元,因此 p1=u1qjp_1 = u_1 q_j
      q1,q2,,qmq_1, q_2, \ldots ,q_m 进行重排,使得 p1=u1q1p_1 = u_1 q_1
      由于 RR 是整环,因此消去 p1p_1,得到 p2pn=u1q2qmp_2 \cdots p_n = u_1 q_2 \cdots q_m

      • 假设 n<mn<m,同上操作,最后得到 1=u1unqn+1qm1 = u_1 \cdots u_n q_{n+1} \cdots q_m
        发现 qn+1,,qmq_{n+1}, \ldots ,q_m 也应当是单位元,与不可约元性质矛盾
      • 因此 n=mn=m。同时根据上述重排步骤,可知 RR 是唯一分解整环
  • 例子:
    • ED: Z\mathbb{Z} (范数为绝对值), F[x]F[x] (域 FF 上的多项式环,范数为次数), Z[i]\mathbb{Z}[i] (高斯整数,范数为 a2+b2a^2+b^2)。
    • 是 PID 但不是 ED: 某些二次整数环,如 Z[1+192]\mathbb{Z}[\frac{1+\sqrt{-19}}{2}]
    • 是 UFD 但不是 PID: Z[x]\mathbb{Z}[x] (我们已经看到它有非主理想 2,x\langle 2, x \rangle,但可以证明它是 UFD), F[x,y]F[x,y] (二元多项式环)。
  • 最大公因子: 在 PID 中,两个元素 α,β\alpha, \beta 的最大公因子 d=gcd(α,β)d=\operatorname{gcd}(\alpha,\beta) 存在,并且可以表示为它们的线性组合 d=rα+sβd = r\alpha + s\beta(贝祖等式)。这是因为理想 α,β\langle \alpha, \beta \rangle 是主理想,其生成元就是 dd

特殊的理想

定义:极大理想
RR 是整环。IIRR 的理想。II 称为极大理想,如果:

  1. IRI \neq R
  2. 如果有理想 J,IJRI \subseteq J \subseteq R,则 J=IJ=IJ=RJ=R

性质 1. RR 是 PID,I=gI = \langle g \rangle。I 是极大理想     g\iff g 是不可约元。

Thm. IIRR 的极大理想     R/I\iff R/I 是域。

定义:素理想
$ $ 是 RR 的素理想,如果:

  1. IRI \neq R
  2. α,βR\forall \alpha, \beta \in RαβI\alpha \beta \in I,则 αI\alpha \in I or βI\beta \in I

性质 1. RR 是整环。pRp \in Rp\langle p \rangle 是素理想     p\iff p 是素元。

Thm. II 是素理想     R/I\iff R/I 是整环。

推论. 如果 RR 是整环,那么极大理想是素理想。