环的基本定义

定义 (环)

一个非空集合 RR 与定义在其上的两个二元运算(加法 ++ 和乘法 \cdot),(R,+,)(R, +, \cdot),如果满足以下条件,则称之为一个环 (Ring)

  1. (R,+)(R, +) 是一个阿贝尔群(Abelian Group)。
  2. 乘法满足结合律: α,β,γR,(αβ)γ=α(βγ)\forall \alpha, \beta, \gamma \in R, \quad (\alpha \cdot \beta) \cdot \gamma = \alpha \cdot (\beta \cdot \gamma)
  3. 乘法对加法满足分配律: α,β,γR\forall \alpha, \beta, \gamma \in R,同时满足左分配律和右分配律:
    • α(β+γ)=αβ+αγ\alpha \cdot (\beta + \gamma) = \alpha \cdot \beta + \alpha \cdot \gamma
    • (α+β)γ=αγ+βγ(\alpha + \beta) \cdot \gamma = \alpha \cdot \gamma + \beta \cdot \gamma

特殊的环

根据环是否满足一些额外的性质,我们可以定义出几类重要的环:

  • 含幺环 (Ring with Unity): 如果环 RR 中存在乘法单位元 11(幺元),使得 αR,1α=α1=α\forall \alpha \in R, 1\cdot \alpha = \alpha \cdot 1 = \alpha,则称 RR 为含幺环。
  • 交换环 (Commutative Ring): 如果环 RR 的乘法运算满足交换律,即 α,βR,αβ=βα\forall \alpha, \beta \in R, \alpha \beta = \beta \alpha,则称 RR 为交换环。
  • 单位 (Unit): 在含幺环 RR 中,如果元素 αR\alpha \in R 存在乘法逆元,即 βR\exists \beta \in R 使得 αβ=βα=1\alpha \beta = \beta \alpha = 1,那么称 α\alpha 是一个单位。环中所有单位构成的集合关于乘法是一个群。
  • 零因子 (Zero Divisor): 对于环 RR 中一个非零元素 α0\alpha \neq 0,如果存在另一个非零元素 β0\beta \neq 0 使得 αβ=0\alpha \beta = 0βα=0\beta \alpha = 0,则称 α\alpha 为一个零因子
  • 整环 (Integral Domain): 如果一个环 RR 同时满足:含幺可交换无零因子,则称 RR 为一个整环。
  • 域 (Field): 如果一个含幺环 RR 满足 101 \neq 0,且其中所有非零元素关于乘法构成一个阿贝尔群,则称 RR 为一个域。
    • 说明: 域一定是整环。因为域中所有非零元素关于乘法构成群,所以任意两个非零元素之积必然非零,所以域没有零因子。

常见的例子

  • 整数环 (Z,+,)(\mathbb{Z}, +, \cdot): 这是最典型的环,它是一个整环,但不是域(因为除了 ±1\pm 1 外,没有元素有乘法逆元)。
  • 模 n 剩余类环 (Zn,+,)(\mathbb{Z}_n, +, \cdot): 这是一个交换含幺环。
    • nn 是合数时(例如 Z4\mathbb{Z}_4),它不是整环。因为存在零因子,如在 Z4\mathbb{Z}_4 中,2ˉ2ˉ=4ˉ=0ˉ\bar{2} \cdot \bar{2} = \bar{4} = \bar{0}
    • nn 是素数 pp 时,(Zp,+,)(\mathbb{Z}_p, +, \cdot) 是一个。因为对于任意 aˉZp\bar{a} \in \mathbb{Z}_paˉ0ˉ\bar{a} \neq \bar{0},由于 gcd(a,p)=1\operatorname{gcd}(a,p)=1,根据扩展欧几里得算法,存在整数 x,yx, y 使得 ax+py=1ax+py=1,在模 pp 意义下即 aˉxˉ=1ˉ\bar{a}\bar{x}=\bar{1},所以 aˉ\bar{a} 存在乘法逆元。
  • n 阶实方阵环 (Mn,+,)(M_n, +, \cdot): 这是一个含幺环(幺元为单位矩阵 InI_n),但当 n2n \ge 2 时,它不是交换环,也不是整环(存在零因子)。

子环与同态

  • 子环 (Subring): 设 (R,+,)(R, +, \cdot) 是一个环,SSRR 的一个非空子集。如果 (S,+,)(S, +, \cdot) 自身也构成一个环,则称 SSRR 的一个子环
  • 子域 (Subfield): 设 (E,+,)(E, +, \cdot) 是一个域,FFEE 的一个非空子集。如果 (F,+,)(F, +, \cdot) 自身也构成一个域,则称 FFEE 的一个子域,记为 F<EF < E。此时也称 EEFF扩域 (Extension Field)
  • 同态 (Homomorphism): 对于两个环 (R,+,)(R, +, \cdot)(S,,)(S, \oplus, \odot),一个映射 f:RSf: R \to S 如果保持两种运算结构,即 α,βR\forall \alpha, \beta \in R,都满足:
    1. f(α+β)=f(α)f(β)f(\alpha + \beta) = f(\alpha) \oplus f(\beta)
    2. f(αβ)=f(α)f(β)f(\alpha \cdot \beta) = f(\alpha) \odot f(\beta)
      则称 ff 是一个环同态
  • 同构 (Isomorphism): 如果同态映射 ff 是一个双射(一一映射),则称 ff 是一个环同构,称环 RRSS 同构。

环的基本算术性质

对于任意环 (R,+,)(R, +, \cdot),以下性质成立:

  • 与零元相乘: αR\forall \alpha \in R,有 0α=α0=00 \cdot \alpha = \alpha \cdot 0 = 0
    • 证明: 0α=(0+0)α=0α+0α0 \cdot \alpha = (0+0) \cdot \alpha = 0 \cdot \alpha + 0 \cdot \alpha。根据 (R,+)(R, +) 是群,利用消去律,两边同时减去 0α0 \cdot \alpha 得到 0=0α0 = 0 \cdot \alpha。另一侧同理可证。
  • 与逆元相乘: α,βR\forall \alpha, \beta \in R,有 α(β)=(α)β=(αβ)\alpha (-\beta) = (-\alpha) \beta = -(\alpha \beta) 以及 (α)(β)=αβ(-\alpha)(-\beta) = \alpha \beta
    • 证明: 因为 αβ+α(β)=α(β+(β))=α0=0\alpha \beta + \alpha(-\beta) = \alpha(\beta + (-\beta)) = \alpha \cdot 0 = 0,所以根据加法逆元的唯一定义,α(β)\alpha(-\beta)αβ\alpha\beta 的逆元,即 α(β)=(αβ)\alpha(-\beta) = -(\alpha\beta)。同理可证 (α)β=(αβ)(-\alpha)\beta = -(\alpha\beta)
    • 进而,(α)(β)=(α(β))=((αβ))=αβ(-\alpha)(-\beta) = -(\alpha(-\beta)) = -(-(\alpha\beta)) = \alpha\beta
  • 广义分配律: (i=1nαi)(j=1mβj)=i=1nj=1mαiβj\displaystyle \left(\sum_{i=1}^{n} \alpha_{i}\right) \left(\sum_{j=1}^{m} \beta_j\right) = \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m} \alpha_i \beta_j
    • 说明: 这是环的分配律通过数学归纳法得到的直接推广。
  • 整数与环元素相乘: 对 nZn \in \mathbb{Z}α,βR\alpha, \beta \in R,有 (nα)β=α(nβ)=n(αβ)(n \alpha)\beta = \alpha(n \beta) = n(\alpha \beta)
    • 说明: 这里的 nαn\alpha 定义为 nnα\alpha 相加(如果 nn 是负数,则是 n-nα-\alpha 相加)。这个性质同样是分配律的推论,例如 (2α)β=(α+α)β=αβ+αβ=2(αβ)(2\alpha)\beta = (\alpha+\alpha)\beta = \alpha\beta + \alpha\beta = 2(\alpha\beta)

理想 (Ideal)

核心思想: “理想” 在环论中的地位,等价于 “正规子群” 在群论中的地位。正规子群是为了构造商群,而理想则是为了构造商环 (Quotient Ring)

我们知道,对于环 (R,+)(R, +),由于加法是阿贝尔群,任何子群 (S,+)(S, +) 都是正规子群。因此,我们可以构造商群 (R/S,+)(R/S, +),其元素是形如 a+Sa+S 的陪集。

为了让这个商集也成为一个环,我们需要定义陪集间的乘法。最自然的定义是:

(a+S)(b+S)=ab+S(a+S) \cdot (b+S) = ab + S

aˉbˉ=ab\bar{a} \cdot \bar{b} = \overline{ab}。但这个定义不一定是良定义的 (well-defined)。也就是说,如果选择陪集的不同代表元,结果可能会不同。理想的引入正是为了解决这个问题。

定理: 对于环 (R,+,)(R, +, \cdot) 及其子环 SS,商集 (R/S,+,)(R / S, +, \cdot) 能够构成一个环,当且仅当 SS 满足吸收律

aS,rR都有arS 且 raS\forall a \in S, \forall r \in R \quad \text{都有} \quad ar \in S \text{ 且 } ra \in S

证明:

必要性 (\Rightarrow):
假设 (R/S,+,)(R/S, +, \cdot) 是一个环。其加法单位元是 0ˉ=0+S=S\bar{0} = 0+S = S
取任意 aSa \in S 和任意 rRr \in R。因为 aSa \in S,所以 aa 是陪集 SS 的一个代表元,即 aˉ=S=0ˉ\bar{a} = S = \bar{0}
根据商环的乘法规则,ar=aˉrˉ=0ˉrˉ=0ˉ=S\overline{ar} = \bar{a} \cdot \bar{r} = \bar{0} \cdot \bar{r} = \bar{0} = S
ar=S\overline{ar} = S 的定义是 arSar \in S。同理可证 raSra \in S

充分性 (\Leftarrow):
假设 SS 满足吸收律。我们需要证明商环的乘法是良定义的,并满足环的公理。

  1. 乘法良定义:
    ααˉ\alpha' \in \bar{\alpha}ββˉ\beta' \in \bar{\beta}。这意味着 α=α+s1\alpha' = \alpha + s_1β=β+s2\beta' = \beta + s_2,其中 s1,s2Ss_1, s_2 \in S
    我们需要证明 αβ=αβ\overline{\alpha'\beta'} = \overline{\alpha\beta},即证明 αβαβS\alpha'\beta' - \alpha\beta \in S

    αβαβ=(α+s1)(β+s2)αβ=(αβ+αs2+s1β+s1s2)αβ=αs2+s1β+s1s2\begin{aligned} \alpha'\beta' - \alpha\beta &= (\alpha+s_1)(\beta+s_2) - \alpha\beta \\ &= (\alpha\beta + \alpha s_2 + s_1 \beta + s_1 s_2) - \alpha\beta \\ &= \alpha s_2 + s_1 \beta + s_1 s_2 \end{aligned}

    根据吸收律:因为 s1,s2Ss_1, s_2 \in Sα,βR\alpha, \beta \in R
    • αs2S\alpha s_2 \in S
    • s1βSs_1 \beta \in S
    • s1s2Ss_1 s_2 \in S (因为 S 是子环,乘法封闭)
      由于 SS 对加法封闭,三者之和仍在 SS 中。因此乘法是良定义的。
  2. 结合律与分配律: 这些性质由 RR 中的相应性质直接继承。
    • 结合律: (αˉβˉ)γˉ=αβγˉ=(αβ)γ=α(βγ)=αˉβγ=αˉ(βˉγˉ)(\bar{\alpha}\bar{\beta})\bar{\gamma} = \overline{\alpha\beta}\bar{\gamma} = \overline{(\alpha\beta)\gamma} = \overline{\alpha(\beta\gamma)} = \bar{\alpha}\overline{\beta\gamma} = \bar{\alpha}(\bar{\beta}\bar{\gamma})
    • 分配律: αˉ(βˉ+γˉ)=αˉ(β+γ)=α(β+γ)=αβ+αγ=αβ+αγ=αˉβˉ+αˉγˉ\bar{\alpha}(\bar{\beta} + \bar{\gamma}) = \bar{\alpha}(\overline{\beta+\gamma}) = \overline{\alpha(\beta+\gamma)} = \overline{\alpha\beta + \alpha\gamma} = \overline{\alpha\beta} + \overline{\alpha\gamma} = \bar{\alpha}\bar{\beta} + \bar{\alpha}\bar{\gamma}

定义 (理想)

对于环 (R,+,)(R, +, \cdot) 的一个子环 II,如果它满足吸收律:

aI,rR都有arI 且 raI\forall a \in I, \forall r \in R \quad \text{都有} \quad ar \in I \text{ 且 } ra \in I

那么称 II 是环 RR 的一个双边理想 (Two-sided Ideal),简称理想

理想的例子

  • 平凡理想: 对于任何环 RR,集合 {0}\{0\} 和环 RR 本身都是其理想。
  • 整数环的理想: 在整数环 (Z,+,)(\mathbb{Z}, +, \cdot) 中,所有形如 nZ={...,2n,n,0,n,2n,...}n\mathbb{Z} = \{..., -2n, -n, 0, n, 2n, ...\} 的子集都是理想。

环的特征 (Characteristic)

定义 (特征)

对于一个环 (R,+,)(R, +, \cdot),如果存在一个最小的正整数 mm,使得对于任意 rRr \in R,都有 mr=r+r++rm times=0m \cdot r = \underbrace{r + r + \dots + r}_{m \text{ times}} = 0,则称 mm 是环 RR特征,记为 char(R)=mchar(R) = m

如果这样的正整数不存在,则记 char(R)=0char(R) = 0

  • 等价定义: 对于一个含幺环 RR,其特征 mm 是使得 m1=0m \cdot 1 = 0 的最小正整数。
    • 说明: 这个定义与前者等价。若 m1=0m \cdot 1 = 0,则对任意 rRr \in R,有 mr=m(1r)=(m1)r=0r=0m \cdot r = m \cdot (1 \cdot r) = (m \cdot 1) \cdot r = 0 \cdot r = 0。反之,若对任意 rr 都有 mr=0m \cdot r = 0,则取 r=1r=1 即可得到 m1=0m \cdot 1 = 0
  • 附注: 除非是零环 R={0}R=\{0\},否则 char(R)1char(R) \neq 1

例子

  • 整数环 (Z,+,)(\mathbb{Z}, +, \cdot) 的特征为 char(Z)=0char(\mathbb{Z}) = 0
  • 剩余类环 (Zn,+,)(\mathbb{Z}_n, +, \cdot) 的特征为 char(Zn)=nchar(\mathbb{Z}_n) = n

重要结论

定理:在一个交换环 RR 中,如果其特征 char(R)=pchar(R)=p 是一个素数,那么 α,βR\forall \alpha, \beta \in R,有 (α+β)p=αp+βp(\alpha + \beta)^{p} = \alpha ^{p} + \beta ^{p}

证明:
使用二项式展开:(α+β)p=k=0p(pk)αpkβk=αp+(p1)αp1β++(pp1)αβp1+βp(\alpha + \beta)^{p} = \sum_{k=0}^{p} \binom{p}{k} \alpha^{p-k} \beta^k = \alpha^p + \binom{p}{1}\alpha^{p-1}\beta + \dots + \binom{p}{p-1}\alpha\beta^{p-1} + \beta^p
pp 是素数且 1kp11 \le k \le p-1 时,二项式系数 (pk)=p!k!(pk)!\binom{p}{k} = \frac{p!}{k!(p-k)!} 是一个整数且能被 pp 整除。
因为 char(R)=pchar(R)=p,所以对于任何元素 xRx \in R,都有 px=0p \cdot x = 0。因此,所有中间项 (pk)αpkβk\binom{p}{k}\alpha^{p-k}\beta^k 都等于 00
(α+β)p=αp+βp(\alpha + \beta)^{p} = \alpha^p + \beta^p

定理: 一个非零整环的特征,如果不是 00,则必为素数。

证明:
设整环 RR 的特征 char(R)=m0char(R) = m \neq 0。我们使用反证法。
假设 mm 是一个合数,则可写作 m=stm=st,其中 1<s,t<m1 < s, t < m
根据特征的定义,我们有 m1=0m \cdot 1 = 0
于是 (st)1=0(st) \cdot 1 = 0。由于整数与环元素的乘法满足结合律,这可以写作 (s1)(t1)=0(s \cdot 1)(t \cdot 1) = 0
因为 RR 是一个整环,它没有零因子。所以,(s1)(t1)=0(s \cdot 1)(t \cdot 1) = 0 意味着 s1=0s \cdot 1 = 0 或者 t1=0t \cdot 1 = 0
但这与 mm 是满足 k1=0k \cdot 1 = 0最小正整数的定义相矛盾,因为 sstt 都比 mm 小。
因此,假设不成立,mm 必须是一个素数。

整环上的整除理论

在域中,所有非零元素都是 unit,任何非零元素都能“整除”其他任何元素,因此讨论整除没有太大意义。我们主要在整环上讨论这个话题。

(R,+,)(R, +, \cdot) 是一个整环,α,βR\alpha, \beta \in R

  • 因子 (Divisor): 若存在 rRr \in R 使得 β=αr\beta = \alpha r,则称 α\alpha 整除 β\beta,记为 αβ\alpha \mid \betaα\alpha 称为 β\beta因子β\betaα\alpha倍数
  • 真因子 (Proper Divisor): 如果 αβ\alpha \mid \beta,且 α\alpharr 都不是单位 (unit),那么称 α\alphaβ\beta真因子
  • 相伴 (Associate): 如果 α=βu\alpha = \beta u,其中 uu 是一个单位,则称 α\alphaβ\beta 相伴
  • 不可约元 (Irreducible Element): 对于一个非零、非单位的元素 β\beta,如果它没有真因子(即若 β=ab\beta = ab,则 aabb 必为单位),则称 β\beta不可约元
  • 素元 (Prime Element): 对于一个非零、非单位的元素 β\beta,如果它满足:只要 βab\beta \mid ab,就能推出 βa\beta \mid aβb\beta \mid b,则称 β\beta素元

关系: 在整环中,素元一定是不可约元

证明:
pp 是一个素元。假设 pp 可以分解为 p=abp = ab。我们需要证明 aabb 是单位。
p=abp=ab 可知 pabp \mid ab。因为 pp 是素元,所以 pap \mid apbp \mid b
不妨设 pap \mid a,则存在 cRc \in R 使得 a=pca = pc
代回到原式:p=(pc)b=p(cb)p = (pc)b = p(cb)
因为 p0p \neq 0 且我们在整环中,可以进行消去,得到 1=cb1 = cb
这说明 ccbb 互为乘法逆元,因此 bb 是一个单位。
同理,若 pbp \mid b,则可证 aa 是一个单位。故 pp 是不可约元。

然而,不可约元不一定是素元。 这也是某些环(如 Z[5]\mathbb{Z}[\sqrt{-5}])不具备唯一因子分解性质的原因。

例子: Z[10]\mathbb{Z}[\sqrt{-10}] 中的分解

考虑环 Z[10]={a+b10a,bZ}\mathbb{Z}[\sqrt{-10}] = \{ a+b \sqrt{-10} \mid a, b \in \mathbb{Z} \}。这是一个整环。
我们定义元素的范数 (Norm): N(a+b10)=a2+10b2N(a+b\sqrt{-10}) = a^2 + 10b^2
范数有很好的性质: N(αβ)=N(α)N(β)N(\alpha\beta) = N(\alpha)N(\beta),并且 α\alpha 是单位     N(α)=1\iff N(\alpha)=1

在这个环中,数字 1414 有两种不同的分解方式:

14=27=(2+10)(210)14 = 2 \cdot 7 = (2+\sqrt{-10})(2-\sqrt{-10})

我们可以用范数来验证这些因子都是不可约元:

  • N(2)=22=4N(2) = 2^2 = 4
  • N(7)=72=49N(7) = 7^2 = 49
  • N(2±10)=22+10(12)=14N(2\pm\sqrt{-10}) = 2^2 + 10(1^2) = 14

22 为例,若 2=αβ2 = \alpha\beta,则 N(2)=N(α)N(β)=4N(2) = N(\alpha)N(\beta) = 4。如果 α,β\alpha, \beta 都不是单位,则 N(α)1,N(β)1N(\alpha) \neq 1, N(\beta) \neq 1。唯一的可能性是 N(α)=N(β)=2N(\alpha)=N(\beta)=2。但方程 a2+10b2=2a^2+10b^2=2 没有整数解。所以 22 没有真因子,是不可约元。同理可证 772±102\pm\sqrt{-10} 也是不可约元。

现在我们来考察 22 是否是素元。
我们有 2(2+10)(210)2 \mid (2+\sqrt{-10})(2-\sqrt{-10})
如果 22 是素元,那么它必须整除 (2+10)(2+\sqrt{-10})(210)(2-\sqrt{-10})
假设 2(2+10)2 \mid (2+\sqrt{-10}),则存在 a+b10Z[10]a+b\sqrt{-10} \in \mathbb{Z}[\sqrt{-10}] 使得:

2(a+b10)=2+10    2a+2b10=2+102(a+b\sqrt{-10}) = 2+\sqrt{-10} \implies 2a + 2b\sqrt{-10} = 2+\sqrt{-10}

比较系数可知 2a=2,2b=12a=2, 2b=1,即 a=1,b=1/2a=1, b=1/2。但 bb 必须是整数,矛盾。
所以 22 并不整除 (2+10)(2+\sqrt{-10}),同理也不整除 (210)(2-\sqrt{-10})

结论: 在环 Z[10]\mathbb{Z}[\sqrt{-10}] 中,22 是一个不可约元,但不是一个素元。这也解释了为什么这个环中的元素没有唯一的因子分解。