# 环的基本概念
# 环的定义
设〈R,⊕,⊗〉是代数系统,⊕和⊗是R上的两个二元运算,若
1.〈R,⊕〉是交换群
2.〈R,⊗〉是半群
3.⊗对⊕ 满足分配率,即对∀a,b,c∈R 都有
a⊗(b⊕c)=(a⊗b)⊕(a⊗c)
(b⊕c)⊗a=(b⊗a)⊕(c⊗a)
则称〈R,⊕,⊗〉是环
- 环中,〈R,⊕〉是群,故关于⊕ 有幺元存在,将关于⊕ 的么元记为 0,称为环的零元。
- 环中,〈R,⊕〉是群,故 R 中每个元素有逆元,设a∈R,将 a 关于⊕ 的逆元记为 - a ,称为 a 的负元,且将a⊕(−b) 简记为 a-b。
- 环中,对于⊗ 运算,若有幺元,则记为 1 或 e 。
- 环中,设a∈R,若 a 关于⊗ 有逆元,则记为a^
- 以后谈到环,只讨论∣R∣⩾2 的情况,即不讨论一个元素的环。
- 环的定义中,不要求⊕ 对⊗ 满足分配律,只要求⊗ 对⊕ 满足分配律。
# 交换环 含幺环 交换含幺环
设〈R,⊕,⊗〉是环。
- 若⊗ 运算满足交换律,则 称〈R,⊕,⊗〉是交换环。
- 若关于⊗ 运算有幺元,则 称〈R,⊕,⊗〉是含幺环。
- 若⊗ 运算满足交换律又关于⊗ 运算有幺元,则 称〈R,⊕,⊗〉是交换含幺环。
# 环的基本性质
设〈R,⊕,⊗〉是环,则∀a,b,c∈R,有:
1.0⊗a=a⊗0=0
2.a⊗(−b)=(−a)⊗b=−(a⊗b)
3.(−a)⊗(−b)=a⊗b
4.(−1)⊗a=−a
5.(−1)⊗(−1)=1
6. 左分配律:a⊗(b−c)=(a⊗b)−(a⊗c)
右分配率:(b−c)⊗a=(b⊗a)−(c⊗a)
# 无零因子环和含零因子环
设〈R,⊕,⊗〉是环。
1.(∃a∈R)(∃b∈R)(a=0∧b=0∧a⊗b=0), 则称设〈R,⊕,⊗〉是含零因子环,称 a 是环中的左零因子,称 b 是环中的右零因子。
2.(∀a∈R)(∀b∈R)(a=0∧b=0∧a⊗b=0), 即环中无零因子 (no nil-factor) ,则称环〈R,⊕,⊗〉是无零因子环。
# 整环与除环
# 整环 (integral domain)
交换含幺的无零因子环称为整环。
# 除环 (division ring)
每个非零元都有 (乘法) 逆元的含幺环称为除环。即,若含幺环〈R,⊕,⊗〉满足:
(∀a∈R)(a=0⟹a−1∈R)
则称其为除环。
# 无零因子等同于消去律
在环〈R,⊕,⊗〉,无零因子⟺ 消去律,即∀a,b,c∈R且a=0,都有
a⊗b=a⊗c⟹b=c
b⊗a=c⊗b⟹b=c
# 除环是含幺的无零因子环。
因此,除环未必是整环,整环也未必是除环;
除环要成为整环,差乘法交换律;整环要成为除环,差 (非零元) 有乘法逆元 ;
# 在有限含幺环中,无零因子等同于 (非零元) 有逆元。
当 R 有限时,有逆元,无零因子,消去律是相互等价的
当 R 无限时,有逆元能推出消去律和无零因子,同时无零因子和消去律是等价的。
# 域 (field)
设〈F,⊕,⊗〉是代数系统,⊕和⊗是R上的两个二元运算,若
1.〈F,⊕〉是交换群
2.〈F∣{0},×〉是交换群
3.⊗对⊕ 满足分配率,即对∀a,b,c∈F 都有
a⊗(b⊕c)=(a⊗b)⊕(a⊗c)
则称〈F,⊕,⊗〉是域
# 定理 1. 可交换的除环是域
除环是每个非零元都有 (乘法) 逆元的含幺环,它与域概念仅差 (乘
法) 交换律。现在正好补齐,所以,可交换的除环是域。
# 定理 2. 有限整环是域
整环是交换含幺的无零因子环,它与域概念仅差每个非零元都有 (乘法) 逆元。但在有限环的情况下,上节定理 4 已经证明:
无零因子⟺ 每个非零元都有 (乘法) 逆元
因此,有限整环是域。
# 性质总结
环 |
(I,+,×) |
(Mn×n,+,×) |
(Nm,+m,×m) |
(2X,⊕,∩) |
(P[x],+,×) |
(Zm[x],+m,×m) |
(Zp[x:n],+f,×f) |
运算 |
× |
× |
×m |
∩ |
× |
×m |
×f |
交换律 |
有 |
无 |
有 |
有 |
有 |
有 |
有 |
幺元 |
1 |
E |
[1]m |
X |
1 |
1 |
1 |
零因子 |
无 |
有 |
m 是素数:无 m 是合数:有 |
有 |
无 |
m 是素数:无 m 是合数:有 |
f 是素多项式:无 f 非素多项式:有 |
整环 |
是 |
不是 |
m 是素数:是 m 是合数:不是 |
不是 |
是 |
m 是素数:是 m 是合数:不是 |
f 是素多项式:是 f 非素多项式:不是 |
除环 |
不是 |
不是 |
m 是素数:是 m 是合数:不是 |
不是 |
不是 |
m 是素数:不是 m 是合数:不是 |
f 是素多项式:是 f 非素多项式:不是 |
域 |
不是 |
不是 |
m 是素数:是 m 是合数:不是 |
不是 |
不是 |
m 是素数:不是 m 是合数:不是 |
f 是素多项式:是 f 非素多项式:不是 |