DennyQi's Log

08 环

环的定义与基本性质

下面我们定义一种新的代数结构。如果一个集合RR上有两种二元运算++\cdot分别满足(R,+)(R,+)构成一个交换群,(R,)(R,\cdot)满足封闭性和结合律,同时加法对乘法满足分配律(a,b,cR,a(b+c)=ab+ac,(a+b)c=ac+bc\forall a,b,c\in R,a\cdot (b+c)=a\cdot b+a\cdot c,(a+b)\cdot c=a\cdot c+b\cdot c),就称(R,+,)(R,+,\cdot)构成环(ring)。

注意到,在环的定义中并没有要求乘法单位元存在,存在乘法单位元的环称为有幺环。其次,环中的加法始终满足交换律,但乘法交换律是没有保证的,所以当我们说“交换环”时特指环中的乘法运算也满足交换律。在环中,加法单位元记为00,乘法单位元(如果存在)记为11R={0}R=\{0\}是最小的环,称为零环。除非特别说明,我们一般都只讨论有幺环。

基于环的定义,可以证明以下运算法则成立:① a0=0a=0a\cdot 0=0\cdot a=0(Pf:根据分配律,a(0+0)=a0+a0a\cdot(0+0)=a\cdot0+a\cdot 0,而0+0=00+0=0因此a(0+0)=a0a\cdot (0+0)=a\cdot 0,由加法群的消去律可得a0=0a\cdot 0=0。另一侧同理);② (a)b=a(b)=(ab)(-a)\cdot b=a\cdot (-b)=-(a\cdot b),其中a-aaa的加法逆元(Pf:(a+(a))b=0b=0(a+(-a))\cdot b=0\cdot b=0,因此(a)b=(ab)(-a)\cdot b=-(a\cdot b);另一侧同理);③ (a)(b)=ab(-a)\cdot (-b)= a\cdot b(Pf:(a)(b)=(a(b))=((ab))=ab(-a)\cdot (-b)=-(a\cdot (-b))=-(-(a\cdot b))=a\cdot b);④ 对于至少有两个元素的有幺环,101\neq 0(Pf:假如1=01=0,那么aR,a=1a=0a=0\forall a\in R,a=1\cdot a=0\cdot a=0,所以所有元素都是0,与至少有两个元素矛盾);⑤ 乘法单位元唯一(Pf:假如有111\neq 1',那么11=1=11\cdot 1'=1=1',矛盾)。由此可见,环中其实定义好了加、减、乘三种运算,它们的运算法则除了乘法交换律以外和我们熟悉的实数情形是完全相同的。

如果a0,b0a\neq 0,b\neq 0,而ab=0a\cdot b=0,我们就称aabb都是零因子(zero divisors)(顾名思义它们是“能整除0的数”)。对于有幺环RR,如果aRa\in R存在乘法逆元,就称aa为一个unit。例如,(Z,+,)(\Z,+,\cdot)是环,它没有零因子,unit只有±1\pm 1(Zn,+,)(\Z_n,+,\cdot)是环(加法和乘法都是模nn意义下的),当n=4n=4时,它的零因子为22,unit有1133。零因子一定不是unit,unit一定不是零因子。假如存在wRw\in R既是零因子又是unit,那么存在u0u\neq 0使得uw=0uw=0,存在vv使得wv=1wv=1,那么uwv=uuwv=u。而uwv=(uw)v=0uwv=(uw)v=0,因此u=0u=0,矛盾。

把有幺环RR中所有的unit收集在一起,这些元素就构成了乘法群。为此,只需证明unit与unit的乘积依然是unit。设a,b,c,dRa,b,c,d\in Rac=1,bd=1ac=1,bd=1,那么(ab)(dc)=a(bd)c=1(ab)(dc)=a(bd)c=1,因此abab是unit,证毕。例如,(Zn,+,)(\Z_n,+,\cdot)中unit是所有与nn互素的数(只有这样根据费马小定理乘法逆元才存在),它们构成群(Zn,)(\Z_n^*,\cdot)

环中乘法消去律成立(左消去律与右消去律,并且我们特别要求只能消去非零元)当且仅当环中无零因子。左推右,如果存在零因子,那么a,b0\exists a,b\neq 0使得ab=0a\cdot b = 0,那么ab=a0a\cdot b = a\cdot 0,由消去律可得b=0b=0,矛盾;右推左,对于ab=acab=ac,有a(bc)=0a(b-c)=0,由于不存在零因子,一定有a=0a=0bc=0b-c=0。因此推出a0    b=ca\neq 0\implies b=c(同理ba=caba=ca推出a0    b=ca\neq 0\implies b=c)。

整环、除环、域

如果一个环有乘法单位元、乘法满足交换律、无零因子,就称它为整环(integral domain)。整环是无零因子的有幺交换环,或满足乘法消去律的有幺交换环。(Z,+,)(\Z,+,\cdot)是整环。

如果一个环中的所有非0元素都有乘法逆元,就称它为除环(division ring)。可见,除环中的所有非零元素不仅关于加法构成了群,关于乘法也构成了乘法群。进一步,如果这个乘法群是阿贝尔群,就称它为域(field)。域是满足乘法交换律的除环。有理数、实数、复数关于加法和乘法都构成域,分别称为有理数域、实数域、复数域。域满足加法交换律、加法结合律、乘法交换律、乘法结合律、分配律,是一个拥有非常完好性质的代数结构。

Rmk. 除环无零因子:如果ab=0ab=0,那么b=a10=0b=a^{-1}\cdot 0=0a=0b1=0a=0\cdot b^{-1}=0。但除环不一定满足交换律,因此不一定是整环。

Rmk. 域是除环,因此无零因子,同时满足交换律,因此是整环。然而整环不一定是域,比如(Z,+,)(\Z,+,\cdot)

有限整环一定是域。由于整环已经满足交换律和有单位元,只需证明有限整环中所有非零元素都有乘法逆元。为此,对于环RRaR{0}\forall a\in R\setminus\{ 0\}我们构造RRR\to R的映射f(r)=arf(r)=ar。由于整环有乘法消去律,因此f(r)f(r)是单射。而RR是有限的,因此ff是满射。这说明ff是一个双射,并且00一定被映射到00。因此对于R{0}R\setminus \{0\}来说这也是一个双射。因此aR{0}\forall a\in R\setminus \{0\},一定存在一个r0r\neq 0使得f(r)=ar=1f(r)=ar=1,也即任何非零元素都有乘法逆元,证毕。

子环

和群类似,如果环RR的子集SS构成一个环,就称SSRR的子环。同样,容易证明,子环与子环的交依然是子环。同样,对于任意RR子集SS,使得SRS\subseteq R'的最小子环RR'SS生成的子环,记为S\lang S\rangSS称为RR'的生成元集。SS是所有包含SS的子环的交。

要判定子环,一般先用判定子群的方法验证是否是子群,再考虑乘法是否满足封闭性即可(结合律和分配律是继承的)。例如,考虑整数环Z\Z的子环。首先子环一定是子群,而Z\Z作为循环群其子群只能是dZd\Z。而dZd\Z总是满足乘法封闭性的,因此Z\Z的所有子环就是dZd\Z。再考虑下面这个复数域的子集{a+bia,bZ}\{a+bi\mid a,b\in \Z\},其中i=1i=\sqrt{-1}。容易验证这关于复数加法构成阿贝尔群,并且关于复数乘法封闭,因此这是一个子环。它有单位元,是交换环,同时由于复数域\C\C无零因子(考虑模长),因此它也无零因子。所以这是一个整环,称为高斯整环,记为Z[i]\Z[i]。形如{a+bθa,bZ},θ=d,dN+\{a+b\theta\mid a,b\in \Z\},\theta=\sqrt{-d},d\in \N^+的环都是整环,称为广义高斯整环,记为Z[θ]\Z[\theta]

环同态

我们已经多次看到,一个代数结构的“结构”完全体现在它定义的运算上。当两个代数结构之间存在一个保运算的映射时,我们就说它们有相同的结构。当元素个数相同时,称之为“同构”;当元素个数不同时,称之为“同态”。前者是以一一对应的方式保持结构,后者是按照一个确定的颗粒度以多对一的方式保持结构。因此我们这样定义环同态(Ring Homomorphism):称ff是环RR到环SS的同态映射,当且仅当a,bR\forall a,b\in Rf(a+b)=f(a)+f(b)f(a+b)=f(a)+f(b)f(ab)=f(a)f(b)f(ab)=f(a)f(b),同时f(1R)=1Sf(1_R)=1_S。可以看到我们要求环同态同时保加法运算和乘法运算,另外额外要求乘法单位元必须映射到对应的乘法单位元(我们只对有幺环讨论环同态)。如果ff是双射,则称ffRSR\to S的同构映射。

定义环同态f:RSf:R\to S的kernel是所有被映射到加法单位元00的元素的集合:ker(f)={rRf(r)=0}\ker (f)=\{r\in R\mid f(r)=0\}。因此这实际上是环上的加法群的kernel。我们可以继承群同态中kernel的性质,例如ff是单射当且仅当ker(f)={0}\ker(f)=\{0\}依然成立,(ker(f),+)(\ker(f),+)(R,+)(R,+)的(正规)子群。下面我们验证ker(f)\ker(f)RR的子环:只需验证ker(f)\ker(f)对乘法封闭,而a,bker(f)\forall a,b\in \ker(f)f(ab)=f(a)f(b)=00=0f(ab)=f(a)f(b)=0\cdot 0=0,因此abker(f)ab\in \ker(f),证毕。

理想(Ideals)

我们发现ker(f)\ker(f)作为子环有这样一种吸纳性质:rR\forall r\in Rrker(f)ker(f)r\ker(f)\subseteq \ker (f)。因为aker(f)\forall a\in \ker(f)f(ra)=f(r)f(a)=f(r)0=0f(ra)=f(r)f(a)=f(r)\cdot 0 = 0,因此raker(f)ra\in \ker(f)。同理,rR,ker(f)rker(f)\forall r\in R,\ker(f)r\subseteq \ker(f)。我们抽象出kernel所具有的这种吸纳性质,定义理想:称RR的子集II是一个理想,当且仅当II满足:① II关于加法是RR的子群;②左吸纳: rR,rII\forall r\in R,rI\subseteq I;③右吸纳: rR,IrI\forall r\in R,Ir\subseteq I。(如果只有①②满足,则称为左理想(left ideal);如果只有①③满足,则称为右理想(right ideal))。理想一定是一个子环,为此只需验证乘法封闭性:i1,i2I,i1i2i1II\forall i_1,i_2\in I,i_1\cdot i_2\in i_1 I\subseteq Iker(f)\ker (f)总是RR的理想。(为什么要取名叫理想呢?可能是因为“理想”的东西都有很大的吸引力吧)

IIRR的理想。首先IIRR的关于加法的正规子群(正规性缘于交换群),因此可以写出关于加法的商群R/I={r+IrR}R/I=\{r+I\mid r\in R\}(注意这里的r+Ir+I表示陪集,因为我们采用了加法作为运算的符号)。我们已经知道,商群中陪集的加法满足(r+I)+(s+I)=(r+s)+I(r+I)+(s+I)=(r+s)+I。那么我们能否进而定义陪集的乘法使得商群上升为商环(quotient rings)呢?仿照陪集加法,我们定义陪集的乘法:(r+I)(s+I)=rs+I(r+I)(s+I)=rs+I。显然这样的乘法满足封闭性,结合律和分配律。但我们关键还要验证这是well-defined的:这个运算必须要是R/I×R/IR/IR/I\times R/I\to R/I的映射,两个确定的陪集做运算不能有得到超过一个陪集作为结果的可能性。也就是我们要证明,rr+I,ss+I\forall r'\in r+I,s'\in s+Irs+I=rs+Irs+I=r's'+I。理想的性质保证了这一点:由条件得rrI,ssIr-r'\in I,s-s'\in I,也即存在i1=rr,i2=ssi_1=r-r',i_2=s-s',因此rsrs=(i1+r)(i2+s)rs=i1i2+i1s+ri2rs-r's'=(i_1+r')(i_2+s')-r's'=i_1i_2+i_1s'+r'i_2,其中i1i2I,i2sIsI,ri2rIIi_1i_2\in I,i_2s'\in Is'\subseteq I,r'i_2\in r'I\subseteq I,综上rsrsIrs-r's'\in I,也即rs+I=rs+Irs+I=r's'+I。这就是为什么我们不能对任意的RR的加法子群定义商环,而是只有在附加上理想这一条件后才使得商环是良定义的。

注意,商环中的乘法并不是集合的乘法关系。考虑(Z,+,)(\Z,+,\cdot)的理想2Z2\Z,集合乘法意义下(0+2Z)(0+2Z)=(2Z)(2Z)=4Z(0+2\Z)(0+2\Z)=(2\Z)(2\Z)=4\Z,而商环中(0+2Z)(0+2Z)=0+2Z=2Z(0+2\Z)(0+2\Z)=0+2\Z=2\Z

{0}\{0\}总是一个理想,因为任何元素乘以0都得0;RR总是一个理想,因为任何元素乘以RR中元素都落在RR中。这两个理想是任何环都具有的,称为平凡理想(Trivial Ideal)。除环只有平凡理想:除环中任何非零元都有乘法逆元,此时如果存在一个不平凡理想,{0}I\{0\}\subsetneq I,那么存在非零元素aIa\in I,它有乘法逆元a1a^{-1}。根据吸纳性质,a1IIa^{-1}I\subseteq I,因此a1a=1Ia^{-1}a=1\in I。而rR,r1=rrII\forall r\in R,r\cdot 1=r\in rI\subseteq I,因此RIR\subseteq I。可见I=RI=R,矛盾。由于域是除环,因此域也只有平凡理想。可以证明从一个只有平凡理想的环出发的任何同态映射都一定是单射:因为kernel是理想,所以kernel要么是RR要么是{0}\{0\}。前者会把1R1_R映射成00,不满足同态的保单位元的定义,因此kernel只能是{0}\{0\}。于是根据群同态的性质推出这是单射。这说明,域(或除环)的同态是一种相当简单的关系,它不存在多对一的情况:一个域与另一个域同态当且仅当另一个域中存在与这个域同构的子域,也即这个域被“嵌入”在另一个域当中。

对于环RR的子集XX,定义(X)(X)是包含XX的最小理想,称为由XX生成的理想。假如RR是有幺环,那么有(X)={xXr1xr2r1,r2R}(X)=\{\sum\limits_{x\in X}r_1 xr_2\mid r_1,r_2\in R\}(验证所有(X)(X)中存在的元素都可以写成这样的形式,同时每个写成这样形式的元素都必须落在(X)(X)中)。进一步如果是交换环,那么可以简化为(X)={xXrxrR}(X)=\{\sum\limits_{x\in X}r x\mid r \in R\}。如果一个理想的生成元只有一个元素aa,就称这个理想是一个主理想(principal ideal),记为(a)(a)。交换环的主理想(a)={rarR}=Ra=aR(a)=\{ra\mid r\in R\}=Ra=aR

两个理想的加法定义为I+J:={x+yxI,yJ}I+J:=\{x+y\mid x\in I,y\in J\}(这只是沿用了群的乘积的定义罢了)。理想与理想的和依然是理想:首先因为加法阿贝尔群,子群的和依然是子群;rR\forall r\in Rr(I+J)={rx+ryxI,yJ}rI+rJI+Jr(I+J)=\{rx+ry\mid x\in I,y\in J\}\subseteq rI+rJ\subseteq I+JrR,(I+J)rI+J\forall r\in R,(I+J)r\subseteq I+J。理想与理想的交依然是理想:首先子群与子群的交依然是子群;rR\forall r\in Rr(IJ)={rxxIxJ}{rxxI}=rIIr(I\cap J)=\{rx\mid x\in I\land x\in J\}\subseteq \{rx\mid x\in I\}=rI\subseteq I,同时r(IJ)Jr(I\cap J)\subseteq J,因此r(IJ)IJr(I\cap J)\subseteq I\cap J

环的同构定理

对于任意的理想II,其关于商环(加法商群)的自然映射π(r)=r+I\pi(r)=r+I是关于加法运算的自然群同态。而事实上,它也是环同态。它保乘法运算:π(rs)=rs+I=(r+I)(s+I)=π(r)π(s)\pi(rs)=rs+I=(r+I)(s+I)=\pi(r)\pi(s)。保单位元:π(1R)=1R+I=1R/I\pi(1_R)=1_R+I=1_{R/I}。由此可见,我们总是可以由理想定义环的自然同态。理想就是这个自然同态的kernel。

在讨论群同构中,分解定理告诉我们任何群同态都可以分解为自然同态与另一个群同态的复合:对于群同态f:RSf:R\to S,如果Iker(f)I\subseteq \ker(f),那么可以构造商群R/IR/ISS的群同态fˉ(a+I)=f(a)\bar f(a+I)=f(a)从而得到f=fˉπf=\bar f\circ \pi。这里我们取理想II作为群(R,+)(R,+)的正规子群。现在假如ff是环同态,我们已经验证了π\pi也是环同态,如果能验证fˉ\bar f也是环同态,那么我们就得到了环上的分解定理:任何环同态都能分解为自然同态与另一个环同态的复合。只需验证fˉ\bar f保乘法运算:fˉ((a+I)(b+I))=fˉ(ab+I)=f(ab)\bar f((a+I)(b+I))=\bar f(ab+I)=f(ab) =f(a)f(b)=fˉ(a+I)fˉ(b+I)=f(a)f(b)=\bar f(a+I)\bar f(b+I);保单位元:fˉ(1R+I)=f(1R)=1S\bar f(1_R+I)=f(1_R)=1_S

接下来只需要再次运用讨论群同态时的论证就能得到,当ker(f)=I\ker(f)=Iff是单射,这样我们就立即得到了环的第一同构定理:R/ker(f)f(R)R/\ker (f)\cong f(R)。这里与群的同构定理唯一的区别就在于,我们论证了π\pifˉ\bar f是能够保乘法运算和单位元的。群的三个同构定理都是基于分解定理的,所以一旦我们有了环的分解定理就可以自然地继承群的所有同构定理,得到三个环的同构定理。仿照群的第二同构定理,把自然同态π\pi的定义域限制到子环SS上,得到环的第二同构定理(S+I)/IS/(SI)(S+I)/I\cong S/(S\cap I)。仿照群的第三同构定理,设I,JI,JRR的理想且IJI\subseteq J,得到环的第三同构定理R/J(R/I)/(J/I)R/J\cong (R/I)/(J/I)

同样,我们需要补充论证环同态下“左子环右子环”的系列性质。由于环同态一定意味着群同态,而群同态下左子群右子群的性质已经成立,我们只需验证乘法封闭性即可(结合律始终成立)。设f:RRf:R\to R'是环同态,那么SSRR的子环    f(S)\implies f(S)RR'的子环(左子环右子环):s1,s2S\forall s_1,s_2\in Sf(s1)f(s2)=f(s1s2)f(S)f(s_1)f(s_2)=f(s_1s_2)\in f(S)(推论:f(R)f(R)RR'的子环);SS'RR'的子环    f1(S)\implies f^{-1}(S')RR的子环(右子环左子环):s1,s2f1(S)\forall s_1,s_2\in f^{-1}(S')f(s1),f(s2)Sf(s_1),f(s_2)\in S',因此f(s1)f(s2)=f(s1s2)Sf(s_1)f(s_2)=f(s_1s_2)\in S',因此s1s2f1(S)s_1s_2\in f^{-1}(S')IIRR的理想    f(I)\implies f(I)f(R)f(R)的理想(左理想右理想,带条件):只需证吸纳,f(r)f(R)\forall f(r)\in f(R)f(r)f(I)=f(rI)f(I)f(r)f(I)=f(rI)\subseteq f(I)II'RR'的理想    f1(I)\implies f^{-1}(I')RR的理想(右理想左理想):rR\forall r\in Rif1(I)\forall i\in f^{-1}(I')f(i)If(i)\in I',因此f(r)f(i)=f(ri)If(r)f(i)=f(ri)\in I',因此rif1(I)ri\in f^{-1}(I')

环与商环间的一一对应

同样,和群与商群间的一一对应相同,有环与商环间的一一对应关系:对RR的理想II,令S1={SS is a subring of RISR}S_1=\{S\mid S \text{ is a subring of }R \land I\subseteq S\subseteq R\}S2={KK is a subring of R/I}S_2=\{K\mid K \text{ is a subring of }R/I\}S1S_1S2S_2间有自然同态引发的双射π(S)=S/I\pi (S)=S/I

环的外直积

同样,可以定义环的外直积:R1××Rn={(a1,,an)aiRi}R_1\times \cdots \times R_n=\{(a_1,\cdots,a_n)\mid a_i\in R_i\},外直积环中的加法运算对应每项分别做加法,乘法对应每项分别做乘法。

中国剩余定理(Chinese Remainder Theorem, CRT)

数论中的中国剩余定理是求解同余方程组的算法。设n1,,nmn_1,\cdots,n_m两两互素,如何求解方程组xa1(modn1),,xam(modnm)x\equiv a_1\pmod {n_1},\cdots,x\equiv a_m\pmod {n_m}?首先我们求解方程组u11(modn1),u10(modni,i1)u_1\equiv 1\pmod{n_1},u_1\equiv 0\pmod{n_i,i\neq 1}。此时有u1=kn2n3nm,u11=sn1u_1=kn_2n_3\cdots n_m,u_1-1=sn_1,联立得k(n2nm)sn1=1k(n_2\cdots n_m)-sn_1=1,由于nin_i两两互素,所以gcd(n2nm,n1)=1\gcd(n_2\cdots n_m,n_1)=1,那么可以根据扩展欧几里得求出k,sk,s,进而求出u1u_1。接着,用完全相同的方法求出u21(modn2),u20(modni,i2)u_2\equiv 1\pmod{n_2},u_2\equiv 0\pmod{n_i,i\neq 2}。依此类推,求出所有的u1,,umu_1,\cdots,u_m。于是我们可以用uiu_i表示出xxxa1u1+a2u2++amum(modn1n2nm)x\equiv a_1u_1+a_2u_2+\cdots+a_mu_m\pmod{n_1n_2\cdots n_m}

中国剩余定理本质上指出了这样一件事:我们知道显然可以构造映射x(xmodn1,,xmodnm)x\to (x\mod n_1,\cdots,x\mod n_m),而通过中国剩余定理我们得知其逆映射(xmodn1,,xmodnm)x(x\mod n_1,\cdots,x\mod n_m)\to x也存在。也就是说,xx(xmodn1,,xmodnm)(x\mod n_1,\cdots,x\mod n_m)是一一对应的。进一步我们可以验证保加法运算和乘法运算,证明环同构:ZnZn1××Znm\Z_{n}\cong \Z_{n_1}\times \cdots \times \Z_{n_m}

既然数论的中国剩余定理是基于整数环(Z,+,)(\Z,+,\cdot)给出的一个环同构,那么能否把这一定理推广到任意一个环RR上呢?在整数环中,剩余系可以理解为主理想的陪集:对于nin_i,其生成的主理想(ni)=niZ(n_i)=n_i\Z包含所有模nin_i余0的整数,那么所有模nin_iaia_i的整数就对应于陪集ai+(ni)a_i+(n_i)。因此xai(modni)    xai+(ni)x\equiv a_i \pmod{n_i}\iff x\in a_i+(n_i)     xai(ni)\iff x-a_i\in (n_i)。现在对于任意理想II,我们也把abIa-b\in I记为ab(modI)a\equiv b\pmod{I}。同时,gcd(ni,nj)=1    1(ni)+(nj)\gcd(n_i,n_j)=1\iff 1\in (n_i)+(n_j)     (ni)+(nj)=Z\iff (n_i)+(n_j)=\Z,那么也定义理想I,JI,J互素(relatively prime)当且仅当I+J=RI+J=R。根据我们原来定义的符号,数论的中国剩余定理写为Z/i=1m(ni)Z/(n1)××Z/(nm)\Z/\bigcap\limits_{i=1}^{m}(n_i)\cong \Z/(n_1)\times \cdots \times \Z/(n_m)。那么一般形式的中国剩余定理写为:给定环RR及其中mm个两两互素的理想I1,,ImI_1,\cdots,I_m,那么R/i=1mIiR/I1××R/ImR/\bigcap\limits_{i=1}^{m}I_i\cong R/I_1\times \cdots \times R/I_m

我们在一般形式下再次证明中国剩余定理:构造映射f:RR/I1××R/Imf:R\to R/I_1\times \cdots \times R/I_mrR,f(r)=(r+I1,,r+Im)\forall r\in R,f(r)=(r+I_1,\cdots,r+I_m)。容易验证ff是同态映射(保加法,保乘法,保单位元)。根据第一同构定理,R/ker(f)f(R)R/\ker(f)\cong f(R)xker(f)\forall x\in \ker(f)x+Ii=Ii,i[m]x+I_i=I_i,\forall i\in [m]。因此i[m],xIi\forall i\in [m],x\in I_i。也即ker(f)i=1mIi\ker(f)\subseteq \bigcap\limits_{i=1}^{m}I_i。而显然i=1mIiker(f)\bigcap\limits_{i=1}^{m}I_i\subseteq \ker(f),因此ker(f)=i=1mIi\ker(f)=\bigcap\limits_{i=1}^{m}I_i。接下来只要证ff是满射,这就是要证明r1+I1R/I1,,rm+ImR/Im\forall r_1+I_1\in R/I_1,\cdots, r_m+I_m\in R/I_m,存在rRr\in R使得r+I1=r1+I1,,r+Im=rm+Imr+I_1=r_1+I_1,\cdots,r+I_m=r_m+I_m,也即i[m],rriIi\forall i\in [m],r-r_i\in I_i。因此这就是要证明方程组rri(modIi)r\equiv r_i\pmod{I_i}始终有解。仿照数论中的情形,我们只需解出mm个方程组uj1(modIj),uj0(modIi,ij)u_j\equiv 1\pmod{I_j},u_j\equiv 0\pmod{I_i,i\neq j},就可以表示出r=r1u1+r2u2++rmumr=r_1u_1+r_2u_2+\cdots+r_mu_m(验证:rri=r1u1++ri(ui1)++rmumr-r_i=r_1u_1+\cdots+r_i(u_i-1)+\cdots+r_mu_m,其中ji,ujIi\forall j\neq i,u_j\in I_i,根据吸纳性质rjujIir_ju_j\in I_i;另一方面,ui1Iiu_i-1\in I_i,根据吸纳性质ri(ui1)Iir_i(u_i-1)\in I_i。综上,rriIir-r_i\in I_i)。怎样证明uju_j有解呢?不失一般性,我们证明u1u_1存在。i>1,1I1+Ii\forall i>1,1\in I_1+I_i,因此存在biI1,ciIib_i\in I_1,c_i\in I_i使得bi+ci=1b_i+c_i=1。那么i=2m(bi+ci)=1\prod\limits_{i=2}^{m}(b_i+c_i)=1。把左侧展开,得()+i=2mci=1(\sum \cdots)+\prod\limits_{i=2}^{m}c_i=1。因为()(\sum\cdots)中每一项都包含一个bjI1b_j\in I_1,因此整体一定I1\in I_1(再次用到了理想的吸纳性质)。记C=i=2mciC=\prod\limits_{i=2}^{m}c_i,则CI2CI3CImC\in I_2\land C\in I_3\land \cdots\land C\in I_m,也即C0(modIi),i>1C\equiv 0\pmod{I_i},\forall i>1。而1CI11-C\in I_1,因此C1(modI1)C\equiv 1\pmod{I_1}。可见CC就是我们要找的u1u_1。这样我们就解出了uju_j。综上,f(R)=R/I1××R/Imf(R)= R/I_1\times \cdots \times R/I_m,因此R/i=1mIiR/I1××R/ImR/\bigcap\limits_{i=1}^{m}I_i\cong R/I_1\times \cdots \times R/I_m

极大理想与素理想

极大理想

如果环RR的一个真理想II满足,RR中不存在任何一个包含II的真理想,那么就称IIRR的一个极大理想(maximal ideal)。我们可以构造一个RR上所有真理想的基于集合包含关系的偏序集,那么极大理想就是这个偏序集上的极大元。我们可以证明,任何环RR都至少存在一个极大理想。当RR有限时,这是显然的。我们证明当RR无限时这个结论依然成立:根据Zorn's Lemma,如果一个偏序集的任何一条链都有一个偏序集内的元素作为上界,那么这个偏序集存在极大元。那么对于偏序集(基于集合的包含关系)S={II is a proper ideal of R}S=\{I\mid I\text{ is a proper ideal of }R\},那么我们只需证明SS中的任何一条链都有一个SS中的元素作为上界(SS不为空,因为零环是一个真理想)。对于I1I2I_1\subseteq I_2\subseteq \cdots \subseteq \cdots,取上界i=1Ii\bigcup\limits_{i=1}^{\infty}I_i,因为i,IiR\forall i,I_i\subsetneq R,说明任何IiI_i都不包含乘法单位元11,因此1∉i=1Ii1\not\in \bigcup\limits_{i=1}^{\infty}I_i,那么只需证明i=1Ii\bigcup\limits_{i=1}^{\infty}I_i是理想。a,bi=1Ii\forall a,b\in \bigcup\limits_{i=1}^{\infty}I_i,不是一般性设IkImI_k\subseteq I_maIk,bIm,a\in I_k,b\in I_m,,则aIma\in I_m。那么abIm,abIma-b\in I_m,ab\in I_m,可见i=1Ii\bigcup\limits_{i=1}^{\infty}I_i是子群且对乘法封闭。rR,ii=1Ii\forall r\in R,i\in \bigcup\limits_{i=1}^{\infty}I_i,设iImi\in I_m,则riImi=1Iiri\in I_m\in \bigcup\limits_{i=1}^{\infty}I_i,因此满足吸纳性质。所以i=1Ii\bigcup\limits_{i=1}^{\infty}I_i是理想,任何环RR都至少存在一个极大理想。

交换RR中的理想MM是极大理想当且仅当商环R/MR/M构成域。由于RR是交换环,R/MR/M一定也是交换环;由于RR有幺,因此R/MR/M也有幺。因此R/MR/M是域当且仅当R/MR/M中每个非0元素都有乘法逆元。下面我们证明MM是极大理想    \iff (aR,a+MM    bR s.t. (a+M)(b+M)=1+M)(\forall a\in R,a+M\neq M\implies\exists b\in R\text{ s.t. }(a+M)(b+M)=1+M)。Pf:左推右:因为a∉Ma\not\in MM(a)+MM\subsetneq (a)+M,而(a)+M(a)+M也是理想,同时MM是极大理想,因此只能是(a)+M=R(a)+M=R。在交换环中,(a)=aR(a)=aR,因此aR+M=RaR+M=R,那么rR,rR,mM\forall r'\in R,\exists r\in R,m\in M使得ar+m=rar+m=r'。取r=1r'=1,则ar+m=1ar+m=1,因此ar1Mar-1\in M,也即ar+M=1+Mar+M=1+M。所以(a+M)(r+M)=1+M(a+M)(r+M)=1+M,这样我们就找到了b=rb=r;右推左:设II是理想且MIM\subsetneq I,只需证I=RI=RaI\forall a\in I,如果a∉Ma\not\in M,那么bR\exists b\in R使得(a+M)(b+M)=1+M(a+M)(b+M)=1+M,也即mM\exists m\in M使得ab1=mab-1=m。因此abm=1ab-m=1。而aIa\in I,因此abIab\in ImMIm\in M\subsetneq I,因此mIm\in I,因此abm=1Iab-m=1\in I,这说明I=RI=R,证毕。

域是具有非常良好性质的代数结构。以上定理表明,在交换环中只要能找到极大理想,我们就能用这个极大理想的商环构造一个域。

素理想

整数(环)具有这样的性质:设n=abn=ab,如果存在素数pp使得pnp\mid n,那么要么成立pap\mid a要么成立pbp\mid b。和中国剩余定理中的想法类似,我们可以用pp生成的理想来表达“因数”,这样以上性质就可以写作:若ab(p)ab\in (p),那么要么a(p)a\in (p)要么b(p)b\in (p)。我们注意到,只有素数pp才满足这样的性质,一般的合数是不具有这样的分解性质的(比如50=2×2550=2\times 25,尽管105010\mid 50,但10210\mid 2102510\mid 25都不成立)。

我们把以上整数环中的素数性质抽象出来,定义理想的“素数”性质:称交换RR中的真理想PP为素理想(prime ideal),当且仅当a,bR,abP    \forall a,b\in R,ab\in P\implies aP\orbPa\in P\or b\in P

交换RR中的理想PP是素理想当且仅当商环R/PR/P构成整环。由于RR是交换环,R/PR/P一定也是交换环;由于RR有幺,因此R/PR/P也有幺。因此R/PR/P是整环当且仅当R/PR/P中无零因子。那么我们要证明PP是素理想    \iff (a,bR(a+P)(b+P)=P    a+P=P\orb+P=P)(\forall a,b\in R, (a+P)(b+P)= P\implies a+P= P\or b+P= P)。右侧等价于a,bR,abP    aP\orbP\forall a,b\in R,ab\in P\implies a\in P\or b\in P。这就是素理想的定义,证毕。

极大理想与素理想的关系

我们看到,极大理想与素理想作为理想的特殊性会在其商环上表现出来,这种关系是当且仅当的,我们可以通过理想的商环是否是域或整环反推出理想是否是极大理想或素理想。环同态下的同构定理就给出了kernel作为极大理想和素理想的例子:设ffRR出发的环同态,由第一同构定理R/ker(f)f(R)R/\ker(f)\cong f(R)。若f(R)f(R)是域,那么R/ker(f)R/\ker(f)也是域,所以ker(f)\ker(f)RR的极大理想;若f(R)f(R)是整环,那么R/ker(f)R/\ker(f)也是整环,所以ker(f)\ker(f)RR的素理想。

我们发现,在交换环中极大理想一定是素理想!Pf:若MM是极大理想,那么R/MR/M是域,因此R/MR/M一定是整环,所以MM是素理想。反之,素理想不一定是极大理想。反例:在整数系数的多项式环Z[x]\Z[x]上,构造映射f:Z[x]Zf:\Z[x]\to \Zf(a0+a1x1++anxn+)=a0f(a_0+a_1x_1+\cdots+a_nx^n+\cdots)=a_0,容易验证ff是环同态。根据第一同构定理,Z[x]/ker(f)Z\Z[x]/\ker(f)\cong \Z,而Z\Z是整环,因此ker(f)\ker(f)是素理想。而ker(f)\ker(f)是所有常数项为0的多项式,可以写作xZ[x]x\Z[x],在交换环中这等价于xx生成的主理想(x)(x)。而(x)(2,x)Z[x](x)\subsetneq (2,x)\subsetneq \Z[x],因此素理想(x)(x)不是极大理想。