Bourbaki

Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。

§ 8。 环

1. Rings

定义 1 05H2

环是集合* A\mathbf{A} 与合成的两个律分别称为加法和乘法、满足以下公理:

引用了 1

引用了 I § 2. 。 单位元素;可取消元素; 可逆元

(AN I) 在加法 A\mathbf{A} 下是可交换的群。 (AN II) 乘法具有结合律并拥有单位元素。 (AN III) 乘法相对于加法 是可分配的。 环 A\mathbf{A} 如果其乘法是可交换的,则称其是可交换的。

其中,(x,y)↦x+y(x, y) \mapsto x + y表示加法,(x,y)↦xy(x, y) \mapsto xy乘法; 00 表示加法的单位元素,11 乘法。最后,−x-x表示加法下xx的负数。因此,环的公理由以下恒等式表示:

(1)x+(y+z)=(x+y)+z(associativity of addition)(2)x+y=y+x(commutativity of addition)(3)0+x=x+0=x(zero)(4)x+(−x)=(−x)+x=0(negative)(5)x(yz)=(xy)z(associativity of multiplication)(6)x.1=1.x=x(unit element)(7)(x+y).z=xz+yz(8)x.(y+z)=xy+xz(distributivity) \begin{array}{ll} (1) & x + (y + z) = (x + y) + z \quad \text{(associativity of addition)} \\ (2) & x + y = y + x \quad \text{(commutativity of addition)} \\ (3) & 0 + x = x + 0 = x \quad \text{(zero)} \\ (4) & x + (-x) = (-x) + x = 0 \quad \text{(negative)} \\ (5) & x(yz) = (xy)z \quad \text{(associativity of multiplication)} \\ (6) & x.1 = 1.x = x \quad \text{(unit element)} \\ (7) & (x + y).z = xz + yz \\ (8) & x.(y + z) = xy + xz \quad \text{(distributivity)} \end{array}

最后,如果xy=yxxy = yx对于A\mathbf{A}中的x,yx, y来说,环A\mathbf{A}是可交换的。

单独使用加法 A\mathbf{A} 是一个可交换的群,称为 A\mathbf{A} 的 加法群。对于所有x∈Ax \in \mathbf{A},我们将定义左侧位似γx\gamma_x和右侧位似δx\delta_x乘以γx(y)=xy\gamma_x(y) = xy,δx(y)=yx\delta_x(y) = yx。通过公式(7)和(8),γx\gamma_x和δx\delta_x是A\mathbf{A}的加法群的自同态,因此映射零到零并且负对负。所以

(9)x.0=0.x=0(10)x.(−y)=(−x).y=−xy; \begin{align*} (9) & \quad x.0 = 0.x = 0 \\ (10) & \quad x.(-y) = (-x).y = -xy; \end{align*}
由此可知 (−x)(−y)=−((−x).y)=−(−xy)(-x)(-y) = -((-x).y) = -(-xy), 从而
(11)(−x)(−y)=xy.(11) \quad (-x)(-y) = xy.
公式 (10) 和 (11) 构成*符号规则*。由此可见
−x=(−1)x=x(−1)-x = (-1)x = x(-1)
和(−1)(−1)=1(-1)(-1) = 1。

从 (11) 可以得出 nn 上的归纳

(12)(−x)n={xnif n is even−xnif n is odd.(12) \quad (-x)^n = \begin{cases} x^n & \text{if } n \text{ is even} \\ -x^n & \text{if } n \text{ is odd.} \end{cases}

当我们说到环A\mathbf{A}的*可取消*元素、*可逆*元素、*可改变*元素、*中心的*元素、*集中器*或*中心*时,所有这些概念都会指代乘法 A\mathbf{A}。如果x,y∈Ax, y \in \mathbf{A}和yy可逆,则当A\mathbf{A}可交换时,A\mathbf{A}的元素xy−1xy^{-1}也表示为x/yx/y。 A\mathbf{A}可逆元集合稳定在乘法以下。在乘法诱导的律下,群称为A\mathbf{A}的*乘法群*,有时用A∗\mathbf{A}^*表示。

设x,yx, y在A\mathbf{A}中。如果存在y′∈Ay' \in \mathbf{A}使得x=y′yx = y'y(或x=yy′x = yy'),则xx被称为yy的*左*(或*右*)*倍数*;也有人说 yy 是一个*右*(分别是。

左)x 的除子。当A是可交换的时,不需要区分“左”和“右”。

与上述术语一致,每一个元素y∈Ay \in \mathbf{A}都会被视为左右除子为0;但是,由于语言滥用,一般来说,项“0的右(或左)除子”被保留给元素yy,使得在满足关系xy=0xy = 0(或yx=0yx = 0)中存在x≠0x \neq 0。在其他字中,零的右(或左)除子是右(或左)不可取消的元素。

让x∈Ax \in \mathbf{A}。如果存在整数 n>0n > 0 和xn=0x^n = 0,则xx 称为幂零。 元素 1−x1 - x 是可逆的,其逆等于

1+x+x2+⋯+xn−1. 1 + x + x^2 + \cdots + x^{n-1}.

由于 A 是加法下的交换律群,n∈Zn \in \mathbf{Z}和x∈Ax \in \mathbf{A}的元素nxnx已被定义(§ 2, no. 8)。由于γx\gamma_x和δx\delta_x是加法群A、γx(ny)=nγx(y)\gamma_x(ny) = n\gamma_x(y)和δy(nx)=nδy(x)\delta_y(nx) = n\delta_y(x)的自同态,从而

x.(ny)=(nx).y=n.(xy). x.(ny) = (nx).y = n.(xy).
特别是nx=(n.1)xnx = (n.1)x。

集合加法和乘法满足公理为环,但保证乘法下存在单位元素,称为伪环。

2. 推论分配律

乘法的分配律相对于加法允许我们得到 § 3, no. 4 的应用命题 1,这给出

∏i=1n(∑λ∈Lixi,λ)=∑α1,…,αn∏i=1nxi,αi \prod_{i=1}^n \left( \sum_{\lambda \in L_i} x_{i,\lambda} \right) = \sum_{\alpha_1, \ldots, \alpha_n} \prod_{i=1}^n x_{i, \alpha_i}
其中和扩展在所有序列(α1,…,αn)(\alpha_1, \ldots, \alpha_n)属于到L1×⋯×LnL_1 \times \cdots \times L_n,对于i=1,…,ni = 1, \ldots, n,环A的元素的家庭(xi,λ)λ∈Li(x_{i,\lambda})_{\lambda \in L_i}是有限支撑。

命题 1 05H3

令 A 为交换环和 (xλ)λ∈L(x_\lambda)_{\lambda \in L} A 的元素的有限族。对于正整数 β=(βλ)λ∈L\beta = (\beta_\lambda)_{\lambda \in L} 的每个族,令 ∣β∣=∑λ∈Lβλ|\beta| = \sum_{\lambda \in L} \beta_\lambda。然后

(∑λ∈Lxλ)n=∑∣β∣=nn!∏λ∈Lβλ!∏λ∈Lxλβλ. \left( \sum_{\lambda \in L} x_\lambda \right)^n = \sum_{|\beta|=n} \frac{n!}{\prod_{\lambda \in L} \beta_\lambda!} \prod_{\lambda \in L} x_\lambda^{\beta_\lambda}.
我们将公式 (13) 与Li=LL_i = L 一起应用,将xi,λ=xλx_{i,\lambda} = x_\lambda 应用于1≤i≤n1 \leq i \leq n。然后
(∑λ∈Lxλ)n=∑α1,…,αnxα1⋯xαn, \left( \sum_{\lambda \in L} x_\lambda \right)^n = \sum_{\alpha_1, \ldots, \alpha_n} x_{\alpha_1} \cdots x_{\alpha_n},
和延伸至所有序列α=(α1,…,αn)∈Ln\alpha = (\alpha_1, \ldots, \alpha_n) \in L^n。

引用了 1

引用了 I § 5. 。 群运行于集合

设α\alpha在LnL^n中;对于所有λ∈L\lambda \in L,让UλαU_\lambda^\alpha表示整数ii的集合,使得1≤i≤n1 \leq i \leq n和αi=λ\alpha_i = \lambda,并让Φ(α)=(Uλα)λ∈L\Phi(\alpha) = (U_\lambda^\alpha)_{\lambda \in L}。 Φ\Phi为LnL^n双射到由LL索引的{1,2,…,n}\{1, 2, \ldots, n\}划分集合上为直接的。对于所有β∈NL\beta \in \mathbf{N}^L,使得∣β∣=n|\beta| = n,让LβnL_\beta^n表示α∈Ln\alpha \in L^n的集合,使得Card Uβα=βλ\mathrm{Card}\ U_\beta^\alpha = \beta_\lambda对于所有λ∈L\lambda \in L。由此可见,家庭(Lβn)∣β∣=n(L_\beta^n)_{|\beta|=n}是LnL^n的划分,并且

Card Lβn=n!∏λ∈Lβλ! \mathrm{Card}\ L_\beta^n = \frac{n!}{\prod_{\lambda \in L} \beta_\lambda!}

(§ 5, no. 5)。

最后,对于α∈Lβn\alpha \in L_\beta^n,

xα1⋯xαn=∏λ∈L∏i∈Uλαxαi=∏λ∈L∏i∈Uλαxλ=∏λ∈Lxλ, x_{\alpha_1} \cdots x_{\alpha_n} = \prod_{\lambda \in L} \prod_{i \in U_\lambda^\alpha} x_{\alpha_i} = \prod_{\lambda \in L} \prod_{i \in U_\lambda^\alpha} x_\lambda = \prod_{\lambda \in L} x_\lambda,

whence

∑(α1,…,αn)xα1⋯xαn=∑∣β∣=n∑α∈Lβnxα1⋯xαn=∑∣β∣=n∑α∈Lβn∏λ∈Lxλβλ=∑∣β∣=nn!∏λ∈Lβλ!xλβλ \sum_{(\alpha_1, \ldots, \alpha_n)} x_{\alpha_1} \cdots x_{\alpha_n} = \sum_{|\beta|=n} \sum_{\alpha \in L_\beta^n} x_{\alpha_1} \cdots x_{\alpha_n} = \sum_{|\beta|=n} \sum_{\alpha \in L_\beta^n} \prod_{\lambda \in L} x_\lambda^{\beta_\lambda} = \sum_{|\beta|=n} \frac{n!}{\prod_{\lambda \in L} \beta_\lambda!} x_\lambda^{\beta_\lambda}

公式 (14) 因此从 (15) 得出。

推论 1(二项式公式) 05H4

设 x 和 y 为交换环 A 中的两个元素。则*:

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 E III § 5. 整数的特性

被以下引用 推论 2, 命题 9, IV § 1

(x+y)n=∑p=0n(np)xpyn−p. (x + y)^n = \sum_{p=0}^n \binom{n}{p} x^p y^{n-p}.

将公式 (14) 应用于 L={1,2}L = \{1, 2\}、x1=xx_1 = x 和 x2=yx_2 = y 给出

(x+y)n=∑p+q=nn!p!q!xpyq, (x + y)^n = \sum_{p+q=n} \frac{n!}{p! q!} x^p y^q,

和用 p+q=np + q = n 延伸超过正整数 p,qp, q 的有序对。二项式公式立即由此得出(*集合理论*,III, § 5, no. 8)。

推论 2 05H5

设A为A的交换环、X、集合、u=(ux)x∈X\mathbf{u} = (u_x)_{x \in X}和v=(vx)x∈X\mathbf{v} = (v_x)_{x \in X}两个族元素。令u+v\mathbf{u} + \mathbf{v}表示族(ux+vx)x∈X(u_x + v_x)_{x \in X}。对于所有λ∈N(X)\lambda \in \mathbf{N}^{(X)},我们写为λ!=∏x∈Xλ(x)!\lambda! = \prod_{x \in X} \lambda(x)!。那么对于所有α∈N(X)\alpha \in \mathbf{N}^{(X)},在§ 7, no. 8的记号中,

引用了 2 · 被以下引用 2

引用了 I § 7. 。免费幺半群,免费群, 推论 1(二项式公式)

被以下引用 推论, IV § 1, IV § 4. 。正式幂级数

(u+v)α=∑β+γ=αα!β!γ!uβvγ. (\mathbf{u} + \mathbf{v})^\alpha = \sum_{\beta + \gamma = \alpha} \frac{\alpha!}{\beta! \gamma!} \mathbf{u}^\beta \mathbf{v}^\gamma.

对于x∈Xx \in X,

(ux+vx)α(x)=∑m+n=α(x)α(x)!m!n!uxmvxn (u_x + v_x)^{\alpha(x)} = \sum_{m+n=\alpha(x)} \frac{\alpha(x)!}{m! n!} u_x^m v_x^n

由推论 1。将这些方程中的乘积代入 x∈Xx \in X 并使用 (13),我们得到推论。

命题 2 05H6

设AA为环、x1,…,xnx_1, \ldots, x_n元素、AA和I={1,2,…,n}I = \{1, 2, \ldots, n\}。对于H⊂IH \subset I,我们写为xH=∑i∈Hxix_H = \sum_{i \in H} x_i。然后

被以下引用 4

被以下引用 习题 7, § 8, 注, III § 6, 命题 3, IV § 5, 引理 1, LIE VIII § 8

(−1)n∑σ∈Snxσ(1)⋯xσ(n)=∑H⊂I(−1)Card H(xH)n. (-1)^n \sum_{\sigma \in S_n} x_{\sigma(1)} \cdots x_{\sigma(n)} = \sum_{H \subset I} (-1)^{\mathrm{Card}\, H}(x_H)^n.

*特别是,如果 AA 是可交换的,

(−1)nn!x1x2⋯xn=∑H⊂I(−1)Card H(xH)n. (-1)^n n! x_1 x_2 \cdots x_n = \sum_{H \subset I} (-1)^{\mathrm{Card}\, H}(x_H)^n.

设CC为II的映射到{0,1}\{0, 1\}的集合。如果将每个H⊂IH \subset I映射到其特征函数,则将P(I)\mathscr{P}(I)映射到CC,即可获得双射。因此,(16) 的右侧等于:

∑a∈C(−1)a(1)+⋯+a(n)(∑i∈Ia(i)xi)n \sum_{a \in C} (-1)^{a(1)+\cdots+a(n)} \left( \sum_{i \in I} a(i) x_i \right)^n
=∑a∈C(−1)a(1)+⋯+a(n)∑(i1,…,in)∈Ina(i1)…a(in)xi1…xin = \sum_{a \in C} (-1)^{a(1)+\cdots+a(n)} \sum_{(i_1, \ldots, i_n) \in I^n} a(i_1) \ldots a(i_n) x_{i_1} \ldots x_{i_n}
=∑(i1,…,in)∈Inci1…inxi1…xin = \sum_{(i_1, \ldots, i_n) \in I^n} c_{i_1 \ldots i_n} x_{i_1} \ldots x_{i_n}

哪里

ci1…in=∑a∈C(−1)a(1)+⋯+a(n)a(i1)…a(in). c_{i_1 \ldots i_n} = \sum_{a \in C} (-1)^{a(1)+\cdots+a(n)} a(i_1) \ldots a(i_n).

(1) 假设(i1,…,in)(i_1, \ldots, i_n)不是II的置换。存在与i1,…,ini_1, \ldots, i_n不同的j∈Ij \in I。令 C′C' 为 a∈Ca \in C 的集合,使得 a(j)=0a(j) = 0。对于所有a∈C′a \in C',令a∗a^*为aa的和以及{j}\{j\}的特征函数。然后 a∗(1)+⋯+a∗(n)=a(1)+⋯+a(n)+1a^*(1) + \cdots + a^*(n) = a(1) + \cdots + a(n) + 1 因此

ci1…in=∑a∈C′(−1)a(1)+⋯+a(n)a(i1)…a(in)+(−1)a∗(1)+⋯+a∗(n)a∗(i1)…a∗(in) c_{i_1 \ldots i_n} = \sum_{a \in C'} (-1)^{a(1)+\cdots+a(n)} a(i_1) \ldots a(i_n) + (-1)^{a^*(1)+\cdots+a^*(n)} a^*(i_1) \ldots a^*(i_n)
=∑a∈C′((−1)a(1)+⋯+(n)+(−1)a(1)+⋯+a(n)+1)a(i1)…a(in)=0. = \sum_{a \in C'} ((-1)^{a(1)+\cdots+(n)} + (-1)^{a(1)+\cdots+a(n)+1}) a(i_1) \ldots a(i_n) = 0.

(2) 假设存在σ∈Sn\sigma \in S_n使得i1=σ(1),…,in=σ(n)i_1 = \sigma(1), \ldots, i_n = \sigma(n)。那么a(i1)…a(in)=0a(i_1) \ldots a(i_n) = 0除非aa只需要值1。因此ci1…in=(−1)nc_{i_1 \ldots i_n} = (-1)^n。

3. 例 / 环

I。 零环。设 A 为环。对于A中的0=10 = 1,A由单个元素组成是充分必要的。 条件显然已经足够了。另一方面,如果0=10 = 1,那么对于所有x∈Ax \in A,x=x.1=x.0=0x = x.1 = x.0 = 0。这样的环称为零环。

II。有理整数的环。由于§ 2, no. 5中定义了加法,§ 2, no. 6中定义了乘法,Z\mathbf{Z}为交换环。 记号 0, 1, −x-x 与之前介绍的记号一致。

III。实值函数的环。令I为实数的集合R\mathbf{R}中的区间,令A为I上定义的连续函数与实值的集合。两个函数ff和gg中的和f+gf + g和乘积f.gf.g定义为

(f+g)(t)=f(t)+g(t),(fg)(t)=f(t)g(t)(t∈I).(f + g)(t) = f(t) + g(t), \quad (fg)(t) = f(t)g(t) \quad (t \in I).
得到交换环,其中单位元是常数1。

IV。卷积伪环。令 E 为 R\mathbf{R} 上的实值连续函数的集合,其中零在有界区间之外。两个函数的和的定义与 III 相同,但乘积现在定义为

(fg)(t)=∫−∞∞f(s)g(t−s) ds(fg)(t) = \int_{-\infty}^{\infty} f(s)g(t-s)\ ds
(“卷积乘积”)。这样就得到了一个可交换的伪环,它不是环(cf.积分,VIII, §4)。

V。 环 A 的逆环。设 A 为环。与 A 相同的加法和乘法 (x,y)↦yx(x, y) \mapsto yx 的集合 A 通常用A0A^0 表示。它是环(称为A的逆环),与A具有相同的零和相同的单位,并且当且仅当A是可交换的时,它与A有重合。

VI。 群的交换律自同态环。设 G 是可加写的交换律群。令E表示G的自同态的集合。给定E中的ff和gg,G到G的映射f+gf + g和fgfg定义为

(f+g)(x)=f(x)+g(x),(fg)(x)=f(g(x))(x∈G).(f + g)(x) = f(x) + g(x), \quad (fg)(x) = f(g(x)) \quad (x \in G).
通过 § 1, no. 5、命题 5,f+gf + g 是 G 的自同态,因此显然也是 fg=f∘gfg = f \circ g。到§ 4, no. 8,E 是加法下的(可交换的)群。 乘法显然是结合律并且有单位元素 IdG\mathrm{Id}_G。同样对于E中的f,gf, g和hh,我们写成ϕ=f.(g+h)\phi = f.(g + h);对于所有x∈Gx \in G,
ϕ(x)=f((g+h)(x))=f(g(x)+h(x))=f(g(x))+f(h(x))\phi(x) = f((g + h)(x)) = f(g(x) + h(x)) = f(g(x)) + f(h(x))
对于 ff 是 G 的自同态;因此 ϕ=fg+fh\phi = fg + fh 显然
(g+h)f=gf+hf.(g + h)f = gf + hf.

因此 E 是一个(一般而言不可交换的)环,称为 G* 的 *自同态环。

VII。 零平方的伪环。 如果 xy=0xy = 0 对于所有 x,y∈Ax, y \in A,则称伪环 A 为零平方。设 G 是可交换的群。如果给集合 G 赋予群 G 的加法和乘法 (x,y)↦0(x, y) \mapsto 0,则获得零平方的伪环。如果 G={0}G = \{0\},则仅为环,在这种情况下,它为零环。

4. Ring homomorphisms

定义 2 05H7

设A和B为两个环。 A 到 B 的态射或同态是 A 到 B 的任意映射 f 满足关系:

f(x+y)=f(x)+f(y),f(xy)=f(x)⋅f(y),f(1)=1, f(x + y) = f(x) + f(y), \quad f(xy) = f(x) \cdot f(y), \quad f(1) = 1,

对于所有x,yx, y*在A*中。

两个环同态中的合成是环同态。设A和B是A到B的两个环和ff映射;对于ff是同构,它是双射同态是充分必要的;在这种情况下,f−1f^{-1}是B到A的同态。环A到自身的同态称为A的*自同态*。

设f:A→Bf : A \to B为环同态。 映射ff是A的加法群的同态到B的加法群;特别是,对于所有x∈Ax \in A,f(0)=0f(0) = 0和f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x)。 A的可逆元的ff下的像是B的可逆元,并且将A的乘法群的ff诱导同态转化为B的乘法群。

例 05H8

(1) 设A为环。立即可见,Z\mathbf{Z}到A的映射n↦n⋅1n \mapsto n \cdot 1是Z\mathbf{Z}到A的唯一同态。特别是,Z\mathbf{Z}的恒等映射是环Z\mathbf{Z}的唯一内同态。

特别地,取A为加法群Z\mathbf{Z}(no. 3,例VI)中的自同态环。 Z\mathbf{Z}的映射n↦n⋅1n \mapsto n \cdot 1进入A是Z\mathbf{Z}(§ 2, no. 6)中乘法的构造到A的Z\mathbf{Z}同构到A。

(2) 设aa为环A的可逆元。映射x↦axa−1x \mapsto axa^{-1}为A的自同态

a(x+y)a−1=axa−1+aya−1, a(x + y)a^{-1} = axa^{-1} + aya^{-1},
a(xy)a−1=(axa−1)(aya−1). a(xy)a^{-1} = (axa^{-1})(aya^{-1}).

它是双射的,因为关系x′=axa−1x' = axa^{-1}等价于x=a−1x′ax = a^{-1}x'a。因此,它是环 A 的自同构,称为与 aa 伴随的 内自同构。

引用了 1

引用了 I § 2. 。 单位元素;可取消元素; 可逆元

5. Subrings

定义 3 05H9

设AA为环。 AA的子环是AA的任意子集BB,即加法下AA的子群,在乘法下稳定,并且AA的包含单位。

上面的条件可以写成如下

0∈B,B+B⊂B,−B⊂B,B.B⊂B,1∈B. 0 \in B, \quad B + B \subset B, \quad -B \subset B, \quad B.B \subset B, \quad 1 \in B.

如果BB是AA的子环,则由AA上的那些诱导出加法和乘法,从而使其变成环。 BB到AA的典范嵌入是环同态。

例 05HA

(1) 加法群 Z\mathbf{Z} 中的每个子群,其中包含 1 等于Z\mathbf{Z}。因此Z\mathbf{Z}是Z\mathbf{Z}中唯一的子环。

(2) 设AA为环且(At)t∈I(A_t)_{t \in I}为AA的子环族; ⋂t∈IAt\bigcap_{t \in I} A_t是AA的子环是直接的。 In particular, the intersection of the subrings of AA containing a subset XX of AA is a subring called the subring of AA generated by XX.

(3) 设XX为环AA中的子集。 AA中XX的集中器是AA的子环。特别地,AA中的中心是AA中的子环。

(4) 设GG是带有运算符的可交换群;让Ω\Omega表示运算符的集合,并在GG上表示Ω\Omega的α↦fα\alpha \mapsto f_\alpha作用。令EE为不带运算符GG的群的自同态环,以及带运算符GG的群的自同态的FF集合。通过定义,FF 由自同态 ϕ\phi 和 GG 组成,使得 ϕ⋅fα=fα⋅ϕ\phi \cdot f_\alpha = f_\alpha \cdot \phi 代表所有 α∈Ω\alpha \in \Omega。因此FF是环EE中的子环。 FF 被称为群的自同态环,运算符为 GG (cf. II, § 1, no. 2)。令F1F_1为由fαf_\alpha生成的EE的子环。那么FF就是F1F_1在EE的中心化子。

引用了 1

引用了 II § 1. 。 模

6. 理想

定义 4 05HB

设AA为环。如果AA的加法群的子群且关系a∈A,x∈aa \in A, x \in a隐含ax∈aax \in a(或xa∈axa \in a),则AA的子集aa被称为左(或右)理想。如果aa既是AA的左理想又是右理想,则称AA的双边理想。

左理想的定义可以表示为关系

0∈a,a+a⊂a,A.a⊂a 0 \in a, \quad a + a \subset a, \quad A.a \subset a

关系 −a⊂a-a \subset a 继公式 (−1).x=−x(-1).x = -x 和 A.a⊂aA.a \subset a 之后。对于所有x∈Ax \in A,令γx\gamma_x为AA的映射a↦xaa \mapsto xa到AA; 作用 x↦γxx \mapsto \gamma_x 给出群的AA 结构的加法群 A+A^+,其中AA 的运算符作为集合的运算符。 AA的左理想正好是A+A^+的子群,在作用下是稳定的。

环AA中的左理想正是逆环A0A^0的右理想。在交换环中,三个类的理想是相同的;它们被简单地称为理想。

例 05HC

(1) 设AA为环。 集合 AA是AA的双面理想; 集合由……组成为 0,称为零理想值,有时用 0 或 (0)(0) 表示,而不是 {0}\{0\}。

(2) 对于AA的每一个元素aa,aa的左倍数的集合A.aA.a都是左理想;同样,集合a.Aa.A是一个正确的理想。当aa在AA的中心时,A.a=a.AA.a = a.A;这个理想称为aa生成的主理想,用(a)(a)表示。 (a)=A(a) = A当且仅当aa可逆。

(3) 设MM为AA中的子集。 元素 x∈Ax \in A的集合,使得xy=0xy = 0对于所有y∈My \in M来说是AA的左理想,称为MM的左湮没子。 MM的右湮灭子的定义类似。

(4) AA 的左(或右,两侧)的每交都是一个左(或右,两侧)理想。给定子集 XX 和 AA,因此存在最小的左(右,两侧)理想包含 XX;它被称为由 XX 生成的左(或右、两侧)理想。

令aa为AA的左理想。 条件 1∉a,a≠A1 \notin a, a \neq A 显然是等价的。

定义 5 05HD

令AA为环。通过滥用语言,如果左理想 aa 是与 AA 不同的左理想中的集合中的极大元素,则称其为最大。

在其他字中,如果a≠Aa \neq A且AA包含aa的唯一左理想是aa和AA,则aa最大。

定理 1(克鲁尔) 05HE

令AA为环,且aa与AA不同的AA左理想。存在最大理想 mm AA 包含 aa。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 命题 3, I § 4

被以下引用 命题 1, VIII § 2, 推论 1, VIII § 3

将 AA 视为在 AA 左侧乘法的加法群 A+A^+ 上进行操作。那么AA的左理想就是A+A^+的稳定子群。因此,定理由§ 4, no. 3得出,命题3适用于A+A^+的子集P={1}P = \{1\}。

命题 3 05HF

令AA为环,(xλ)λ∈L(x_\lambda)_{\lambda \in L}为AA的元素和aa(分别为bb)和∑λ∈Laλxλ\sum_{\lambda \in L} a_\lambda x_\lambda的集合,其中(aλ)λ∈L(a_\lambda)_{\lambda \in L}为有限支撑元素 AA 的家庭(分别为∑λ∈Laλxλbλ\sum_{\lambda \in L} a_\lambda x_\lambda b_\lambda,其中(aλ)λ∈L,(bλ)λ∈L(a_\lambda)_{\lambda \in L}, (b_\lambda)_{\lambda \in L} 是有限支撑元素 AA 的家庭)。那么aa(或bb)是元素xλx_\lambda生成的AA的左(或两侧)理想。

公式

0=∑λ∈L0.xλ 0 = \sum_{\lambda \in L} 0.x_\lambda
∑λ∈Laλxλ+∑λ∈Laλ′xλ=∑λ∈L(aλ+aλ′)xλ \sum_{\lambda \in L} a_\lambda x_\lambda + \sum_{\lambda \in L} a'_\lambda x_\lambda = \sum_{\lambda \in L} (a_\lambda + a'_\lambda)x_\lambda
a.∑λ∈Laλxλ=∑λ∈L(aaλ)xλ a.\sum_{\lambda \in L} a_\lambda x_\lambda = \sum_{\lambda \in L} (aa_\lambda)x_\lambda

证明aa是左理想。令a′a'为左理想,使得xλ∈a′x_\lambda \in a'适用于所有λ∈L\lambda \in L,并令(aλ)λ∈L(a_\lambda)_{\lambda \in L}为AA中的有限支撑的家庭。那么aλxλ∈a′a_\lambda x_\lambda \in a'对于所有λ∈L\lambda \in L,从而∑λ∈Laλxλ∈a′\sum_{\lambda \in L} a_\lambda x_\lambda \in a';因此a⊂a′a \subset a'。因此aa是由xλx_\lambda生成的AA的左理想。 bb 的论证是类似的。

命题 4 05HG

设AA为环,(aλ)λ∈L(a_\lambda)_{\lambda \in L}为AA的左理想族。 ⋃λ∈Laλ\bigcup_{\lambda \in L} a_\lambda 生成的左理想由和 ∑λ∈Lyλ\sum_{\lambda \in L} y_\lambda 组成,其中 (yλ)λ∈L(y_\lambda)_{\lambda \in L} 是一个具有有限支撑的族,使得 yλ∈aλy_\lambda \in a_\lambda 代表所有 λ∈L\lambda \in L。

引用了 1

引用了 II § 1. 。 模

对于所有 λ∈L\lambda \in L,令 aa 为和 ∑λ∈Lyλ\sum_{\lambda \in L} y_\lambda 中的集合,其中yλ∈aλy_\lambda \in a_\lambda。 公式 ∑λ∈Lxλ+∑λ∈Lyλ=∑λ∈L(xλ+yλ)\sum_{\lambda \in L} x_\lambda + \sum_{\lambda \in L} y_\lambda = \sum_{\lambda \in L} (x_\lambda + y_\lambda)和a⋅∑λ∈Lxλ=∑λ∈Laxλa \cdot \sum_{\lambda \in L} x_\lambda = \sum_{\lambda \in L} a x_\lambda表明aa是AA的左理想。设λ∈L\lambda \in L和x∈aλx \in a_\lambda;将 μ≠λ\mu \neq \lambda 写为 yλ=xy_\lambda = x 和 yμ=0y_\mu = 0;然后x=∑λ∈Lyλx = \sum_{\lambda \in L} y_\lambda,从而x∈ax \in a,最后aλ⊂aa_\lambda \subset a。如果对于所有 λ∈L\lambda \in L 都有一个左理想 a′a' 包含 aλa_\lambda,则显然包含 aa,因此 aa 由 ⋃λ∈Laλ\bigcup_{\lambda \in L} a_\lambda 生成。

由⋃λ∈Laλ\bigcup_{\lambda \in L} a_\lambda生成的理想aa称为左理想*aλa_\lambda的*和,记为∑λ∈Laλ\sum_{\lambda \in L} a_\lambda(cf.II, § 1, no. 7)。特别地,两个左理想的和a1+a2a_1 + a_2由和a1+a2a_1 + a_2组成,其中a1∈a1a_1 \in a_1和a2∈a2a_2 \in a_2。

7. 商环

设AA为环。如果aa是AA的双面理想,AA的两个元素xx和yy被认为是*全等模*aa,写作x≡yx \equiv y(模aa)或x≡y(a)x \equiv y(a),如果x−y∈ax - y \in a。这是AA的等价关系。 关系x≡y(a)x \equiv y(a)和x′≡y′(a)x' \equiv y'(a)意味着x+x′≡y+y′(a)x + x' \equiv y + y'(a),aa的xx′≡xy′(a)xx' \equiv xy'(a)是左理想,xy′≡yy′(a)xy' \equiv yy'(a)对于aa是右理想,从而xx′≡yy′(a)xx' \equiv yy'(a)。相反,如果RR在AA上是等价关系,与加法和乘法兼容,则x≡0x \equiv 0 mod的集合aa。 RR 是双面理想,x≡yx \equiv y mod。 RR 相当于 x≡yx \equiv y mod。 aa。

令AA为环,且aa为AA的双面理想。 A/aA/a 表示 AA 除以等价关系 x≡y(a)x \equiv y(a) 的商集,加法和乘法为AA 的商(§1§ 1、no. 6、定义) 11)。我们证明 A/aA/a 是环:

(a) 在加法下,A/aA/a是加法群与AA的商交换群除以子群aa。

(b) 在乘法下,A/aA/a是幺半群(§2§ 2,no. 1)。

(c) 令ξ,η,ζ\xi, \eta, \zeta在A/aA/a中,并令π:A→A/a\pi : A \to A/a为典范映射;我们选择元素 x,y,zx, y, z 在 AA 中,这样 π(x)=ξ,π(y)=η\pi(x) = \xi, \pi(y) = \eta 和 π(z)=ζ\pi(z) = \zeta。然后

ξ(η+ζ)=π(x)π(y+z)=π(x(y+z))=π(xy+xz)=π(x)π(y)+π(x)π(z)=ξη+ξζ \xi(\eta + \zeta) = \pi(x)\pi(y + z) = \pi(x(y + z)) = \pi(xy + xz) = \pi(x)\pi(y) + \pi(x)\pi(z) = \xi\eta + \xi\zeta
关系(ξ+η)ζ=ξζ+ηζ(\xi + \eta)\zeta = \xi\zeta + \eta\zeta同样成立。

定义 6 05HH

设AA为环,aa为AA的双面理想。 AA除以aa的商环,用A/aA/a表示,是AA除以等价关系x≡y(a)x \equiv y(a)的商集,其中加法和乘法是AA上的商。

环A/{0}A/\{0\}与AA同构的,A/AA/A是零环。

定理 2 05HI

令AA为环,且aa为AA的双面理想。 (a) AA 到A/aA/a 的典范映射 π\pi 是环同态。 (b) 设BB为环,并将AA的ff同态代入BB。如果f(a)={0}f(a) = \{0\},则A/aA/a到BB中存在且仅有一个同态fˉ\bar{f}使得f=fˉ∘πf = \bar{f} \circ \pi。

引用了 1 · 被以下引用 8

引用了 命题 5, I § 4

被以下引用 命题 1, AC I § 3, 命题 8, AC I § 3, AC II § 1. 基本理想, 定义 1, AC II § 1, 推论 2, AC II § 2, 命题 8, AC II § 2, 引理 1, AC VI § 1, 定理 3

由构造、π(x+y)=π(x)+π(y)\pi(x + y) = \pi(x) + \pi(y) 和 π(xy)=π(x)π(y)\pi(xy) = \pi(x)\pi(y) 乘坐 AA 内的 x,yx, y;并且π(1)\pi(1)是A/aA/a、从而的单位ε\varepsilon(a)。

设A+A^+为AA的加法群,B+B^+为BB的加法群;因为ff是A+A^+的同态到B+B^+,零在A+A^+的子群aa,所以存在(§ 4, no. 4,命题 5)一个且仅有一个同态将A+/aA^+/a的fˉ\bar{f}转化为B+B^+,使得f=fˉ∘πf = \bar{f} \circ \pi。设ξ,η\xi, \eta在A/aA/a中; 选择x,yx, y在AA与π(x)=ξ\pi(x) = \xi和π(y)=η\pi(y) = \eta;然后ξη=π(xy)\xi \eta = \pi(xy),从而

fˉ(ξη)=fˉ(π(xy))=f(xy)=f(x)f(y)=fˉ(ξ)fˉ(η) \bar{f}(\xi \eta) = \bar{f}(\pi(xy)) = f(xy) = f(x)f(y) = \bar{f}(\xi)\bar{f}(\eta)

和fˉ(ε)=f(π(1))=f(1)\bar{f}(\varepsilon) = f(\pi(1)) = f(1),因此fˉ\bar{f}是环同态。

定理 3 05HJ

设AA和BB为AA的环和ff同态到BB。 (a) ff 的核 aa 是BB 的双面理想。 (b) ff 的像 B′=f(B)B' = f(B) 是BB 的子环。 (c) 令 π:A→A/a\pi : A \to A/a 和 i:B′→Bi : B' \to B 为规范的态射。 A/aA/a到B′B'中存在且仅有一个态射fˉ\bar{f},使得f=i∘fˉ∘πf = i \circ \bar{f} \circ \pi和fˉ\bar{f}是同构。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 定理 2, E II § 6. 等价关系

被以下引用 命题 5

由于ff是AA的加法群的态射到BB的aa是AA的子群。如果x∈ax \in a和a∈Aa \in A,则f(ax)=f(a)f(x)=0f(ax) = f(a)f(x) = 0,因此ax∈aax \in a,类似地xa∈axa \in a;因此aa是AA的双面理想。 断言 (b) 是显而易见的。由于ff在aa上是零,因此A/aA/a中存在态射fˉ\bar{f}进入B′B',使得f=i∘fˉ∘πf = i \circ \bar{f} \circ \pi(定理2)。 fˉ\bar{f}的唯一性以及fˉ\bar{f}是同构的事实源自集合理论,II, § 6, no. 4。

8. 子环和商环的理想

命题 5 05HK

令AA和A′A'为AA的两个环、ff同态转化为A′A'和ff的aa核。 (a) 设B′B'为A′A'中的子环。那么B=f−1(B′)B = f^{-1}(B')就是AA包含aa中的子环。如果 ff 是满射,则当经过到 B/aB/a 的商同构到 B′B' 时,f(B)=B′f(B) = B' 和 f∣Bf|_B 定义。 (b) 令 b′b' 为 A′A' 的左(或右、两侧)理想。那么b=f−1(b′)b = f^{-1}(b')是AA包含aa的左(或右,两侧)理想。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 定理 3

被以下引用 推论

(c) *如果b′b'是A′A'的双面理想,则规范态射A′→A′/b′A' \to A'/b'和f:A→A′f : A \to A'定义的复合映射,当经过为商时,单射态射fˉ\bar{f} A/bA/b 变为 A′/b′A'/b'。如果 ff 是满射,fˉ\bar{f} 是 A/bA/b 的同构到 A′/b′A'/b'。

(d) *假设 ff 是满射。令 Φ\Phi 为 AA 包含 aa 的子环(分别为左理想、右理想、双边理想)的集合。令 Φ′\Phi' 为 A′A' 的子环(分别为左理想、右理想、两侧理想)中的集合。 映射 B→f(B)B \to f(B) 和 B′↦fˉ(B′)−1B' \mapsto \bar{f}(B')^{-1} 是 Φ\Phi 到 Φ′\Phi' 的逆双射和Φ′\Phi' 到 Φ\Phi。

(a) 和 (b) 是显而易见的,除了 (a) 的最后一个断言是从 no. 7、定理 3 得出的。

(c) 中考虑的复合态射 g:A→A′→A′/b′g : A \to A' \to A'/b' 具有核 bb,因此 fˉ\bar{f} 是 A/bA/b 到 A′/b′A'/b' 的单射态射 (§ 8, no. 7, 定理 3)。如果 ff 是满射,则 gg 是满射,因此 fˉ\bar{f} 是满射。

假设 ff 是满射。由上式可知,映射θ:B′↦fˉ(B′)−1\theta : B' \mapsto \bar{f}(B')^{-1}等于Φ′\Phi'中的映射变成Φ\Phi。显然,映射 η:B↦f(B)\eta : B \mapsto f(B) 是 Φ\Phi 的映射到 Φ′\Phi'。然后θ∘η=IdΦ,η∘θ=IdΦ′,\theta \circ \eta = \mathrm{Id}_{\Phi}, \eta \circ \theta = \mathrm{Id}_{\Phi'},从而(d)。

注 05HL

在上面的记号、θ\theta和η\eta中,集合同构排序(Φ\Phi和Φ′\Phi'按包含排序)。

推论 05HM

令AA为环,且aa为AA的双面理想。 (a) A/aA/a 的每个左(或右、两侧)理想都可以唯一地写成形式 b/ab/a,其中 bb 是 AA 包含 aa 的左(或右、两侧)理想。 (b) 如果bb是双面的,当经过与A/bA/b的商同构到(A/a)/(b/a)(A/a)/(b/a)时,合成同态A→A/a→(A/a)/(b/a)A \to A/a \to (A/a)/(b/a)定义。

引用了 1

引用了 命题 5

它足以将应用命题 5 转换为AA 到A/aA/a 的规范态射。

9. 乘法理想

令AA为环以及aa和bbAA的两侧理想。 形式x1y1+⋯+xnynx_1 y_1 + \cdots + x_n y_n的元素的集合与n≥0,xi∈an \geq 0, x_i \in a和yi∈by_i \in b对于1≤i≤n1 \leq i \leq n,显然是AA的双面理想,用abab表示,称为双面理想的*乘积* aa 和 bb。在这个乘法下,AA的双面理想的集合是一个幺半群,单位元是双面理想AA。如果a,b,ca, b, c是AA的两侧理想,则a(b+c)=ab+ac,(b+c)a=ba+caa(b+c) = ab + ac, (b+c)a = ba + ca。如果 AA 是可交换的,则乘法的理想也是可交换的。

ab⊂aA⊂aab \subset aA \subset a 和 ab⊂Ab⊂bab \subset Ab \subset b,因此

ab⊂a∩b. ab \subset a \cap b.

(21)

命题 6 05HN

设a,b1,…,bna, b_1, \ldots, b_n为AA的两侧理想。如果 A=a+biA = a + b_i 对于所有 ii,则 A=a+b1b2…bn=a+(b1∩b2∩⋯∩bn)A = a + b_1 b_2 \ldots b_n = a + (b_1 \cap b_2 \cap \cdots \cap b_n)。

被以下引用 4

被以下引用 推论, AC III § 2, 习题 2, § 8, 命题 7, 命题 9

由(21)足以证明A=a+b1b2…bnA = a + b_1 b_2 \ldots b_n。到归纳,就足以考虑n=2n = 2的情况。到假设,存在a,a′∈a,b1∈b1,b2∈b2a, a' \in a, b_1 \in b_1, b_2 \in b_2使得1=a+b1=a′+b21 = a + b_1 = a' + b_2。然后

1=a′+(a+b1)b2=(a′+ab2)+b1b2∈a+b1b2, 1 = a' + (a + b_1) b_2 = (a' + a b_2) + b_1 b_2 \in a + b_1 b_2,
从而A=a+b1b2A = a + b_1 b_2。

命题 7 05HO

令b1,…,bnb_1, \ldots, b_n为AA的两侧理想,使得bi+bj=Ab_i + b_j = A对应于i≠ji \neq j。然后b1∩b2∩⋯∩bn=∑σ∈Snbσ(1)bσ(2)⋯bσ(n)b_1 \cap b_2 \cap \cdots \cap b_n = \sum_{\sigma \in S_n} b_{\sigma(1)} b_{\sigma(2)} \cdots b_{\sigma(n)}。特别是,如果 AA 是可交换的,则 b1∩b2∩⋯∩bn=b1b2…bnb_1 \cap b_2 \cap \cdots \cap b_n = b_1 b_2 \ldots b_n (cf. 习题 2).

引用了 2 · 被以下引用 2

引用了 习题 2, § 8, 命题 6

被以下引用 命题 10, 命题 9

假设首先n=2n = 2。存在a1∈b1,a2∈b2a_1 \in b_1, a_2 \in b_2使得a1+a2=1a_1 + a_2 = 1。如果x∈b1∩b2x \in b_1 \cap b_2,则x=x(a1+a2)=xa1+xa2∈b2b1+b1b2x = x(a_1 + a_2) = x a_1 + x a_2 \in b_2 b_1 + b_1 b_2。因此b1∩b2=b1b2+b2b1b_1 \cap b_2 = b_1 b_2 + b_2 b_1。

假设现在对于所有整数 <n< n 都成立了命题的方程。 命题 6,bn+(b1b2…bn−1)=Ab_n + (b_1 b_2 \ldots b_{n-1}) = A,因此

b1∩b2∩⋯∩bn=(b1∩b2∩⋯∩bn−1)bn+bn(b1∩b2∩⋯∩bn−1) b_1 \cap b_2 \cap \cdots \cap b_n = (b_1 \cap b_2 \cap \cdots \cap b_{n-1}) b_n + b_n (b_1 \cap b_2 \cap \cdots \cap b_{n-1})
=(∑σ∈Sn−1bσ(1)bσ(2)⋯bσ(n−1))bn = \left( \sum_{\sigma \in S_{n-1}} b_{\sigma(1)} b_{\sigma(2)} \cdots b_{\sigma(n-1)} \right) b_n
+bn(∑σ∈Sn−1bσ(1)bσ(2)⋯bσ(n−1)) + b_n \left( \sum_{\sigma \in S_{n-1}} b_{\sigma(1)} b_{\sigma(2)} \cdots b_{\sigma(n-1)} \right)
⊂∑τ∈Snbτ(1)bτ(2)⋯bτ(n)⊂b1∩b2∩⋯∩bn. \subset \sum_{\tau \in S_n} b_{\tau(1)} b_{\tau(2)} \cdots b_{\tau(n)} \subset b_1 \cap b_2 \cap \cdots \cap b_n.

10. 乘积 / 环

设(Ai)i∈I(A_i)_{i \in I}是环的一个家庭。设AA为乘积集合∏i∈IAi\prod_{i \in I} A_i。在 AA 加法和乘法上由公式定义

(xi)+(yi)=(xi+yi),(xi)(yi)=(xiyi). (x_i) + (y_i) = (x_i + y_i), \quad (x_i)(y_i) = (x_i y_i).
立即验证AA是环称为环AiA_i的*乘积*,与零元素0=(0i)i∈I0 = (0_i)_{i \in I},其中0i0_i是AiA_i的零,并且单位 1=(1i)i∈I1 = (1_i)_{i \in I},其中 1i1_i 是 AiA_i 的单位。如果AiA_i是可交换的,那么AA也是可交换的。如果CiC_i是AiA_i的中心,则AA的中心就是∏i∈ICi\prod_{i \in I} C_i。

对于所有i∈Ii \in I,AA到AiA_i的投影pri\mathrm{pr}_i是环同态。如果BB是环并且fi:B→Aif_i : B \to A_i是同态的族,则存在唯一同态f:B→Af : B \to A,使得fi=pri∘ff_i = \mathrm{pr}_i \circ f对于所有i∈Ii \in I;它由f(b)=(fi(b))i∈If(b) = (f_i(b))_{i \in I}给出。

对于所有i∈Ii \in I,令aia_i为AiA_i的左理想。那么a=∏i∈Iaia = \prod_{i \in I} a_i是AA的左理想。对于正理想、双面理想和子环也有类似的结果。

假设aia_i是所有i∈Ii \in I的双面理想,并让fif_i表示AiA_i到Ai/aiA_i / a_i的典范映射。那么∏i∈IAi\prod_{i \in I} A_i的映射f:(xi)i∈I↦(fi(xi))i∈If : (x_i)_{i \in I} \mapsto (f_i(x_i))_{i \in I}到∏i∈I(Ai/ai)\prod_{i \in I} (A_i / a_i)的环同态等于核∏i∈Iai\prod_{i \in I} a_i,因此定义当经过与同构的商(∏i∈IAi)/(∏i∈Iai)\left( \prod_{i \in I} A_i \right) / \left( \prod_{i \in I} a_i \right) 到∏i∈I(Ai/ai)\prod_{i \in I} (A_i / a_i)。

令(Iλ)λ∈L(I_\lambda)_{\lambda \in L}为II中的划分。 ∏i∈IAi\prod_{i \in I} A_i到∏λ∈L(∏i∈IλAi)\prod_{\lambda \in L} \left( \prod_{i \in I_\lambda} A_i \right)的规范双射是环同构,根据它可以识别这两个环。

让J⊂IJ \subset I。让eJe_J表示AA的元素(xi)i∈I(x_i)_{i \in I},对于i∈Ji \in J由xi=1ix_i = 1_i定义,对于i∈I−Ji \in I - J由xi=0ix_i = 0_i定义。那么eJe_J是AA的中心幂等(§1§ 1,no. 4)。紧接着是以下公式:

eI=1;e∅=0;eJ∩K=eJeKfor J⊂I,K⊂I;eJ∪K=eJ+eKfor J⊂I,K⊂I,J∩K=∅;∑λeJλ=1if (Jλ) is a finite partition of I. \begin{align*} e_I &= 1; \\ e_\varnothing &= 0; \\ e_{J \cap K} &= e_J e_K & \text{for } J \subset I, K \subset I; \\ e_{J \cup K} &= e_J + e_K & \text{for } J \subset I, K \subset I, J \cap K = \varnothing; \\ \sum_\lambda e_{J_\lambda} &= 1 & \text{if } (J_\lambda) \text{ is a finite partition of } I. \end{align*}

让AJ=∏i∈JAiA_J = \prod_{i \in J} A_i。令ηJ\eta_J为AA到AJA_J的规范投影。对于x=(xi)i∈J∈AJx = (x_i)_{i \in J} \in A_J,令εJ(x)\varepsilon_J(x)为AA的元素(yi)i∈I(y_i)_{i \in I},对于i∈Ji \in J由yi=xiy_i = x_i定义,对于i∈I−Ji \in I - J由yi=0iy_i = 0_i定义。则ηJ\eta_J在AJA_J上是AA环同态,εJ\varepsilon_J在AA上和图表上是AJA_J加法群单同态

AJ→εJA→ηI−JAI−J A_J \xrightarrow{\varepsilon_J} A \xrightarrow{\eta_{I-J}} A_{I-J}

ηI−J\eta_{I-J}的核aJa_J等于εJ\varepsilon_J的像。那么εJ(xx′)=εJ(x)εJ(x′)\varepsilon_J(xx') = \varepsilon_J(x)\varepsilon_J(x')对于所有x,x′∈AJx, x' \in A_J;但 εJ\varepsilon_J 并不是一般的环同态代表 εJ(1)=eJ\varepsilon_J(1) = e_J。显然aJ=eJA=AeJa_J = e_J A = A e_J。

让e(i)=eie_{(i)} = e_i和ai=a(i)=eiA=Aeia_i = a_{(i)} = e_i A = A e_i代表所有i∈Ii \in I。然后ei2=eie_i^2 = e_i,

eiej=ejei=0 e_i e_j = e_j e_i = 0

i≠ji \neq j。如果II是有限的,则∑i∈Iei=1\sum_{i \in I} e_i = 1、加法群、AA是双面理想aia_i的直和,并且如果x∈Ax \in A其在aia_i中的分量是xeix e_i。立即推导出以下命题。

命题 8 05HP

假设 II 是有限的。如果bb是AA的左理想或右理想,则bb是b∩aib \cap a_i的直和。

被以下引用 3

被以下引用 习题 10, § 9, 命题 3, VIII § 12, 命题 8, VIII § 5

11. 直接分解 / 环

设AA为环和(bi)i∈I(b_i)_{i \in I},AA的双面理想族。我们会拨打同态

x↦(ϕi(x))i∈I, x \mapsto (\phi_i(x))_{i \in I},

其中ϕi\phi_i是AA的典范同态到A/biA/b_i,典范同态到AA到∏i∈I(A/bi)\prod_{i \in I} (A/b_i)。

命题 9 05HQ

令AA为环和(b1,…,bn)(b_1, \ldots, b_n)AA的两侧理想,使得bi+bj=Ab_i + b_j = A为i≠ji \neq j。 AA到∏i=1n(A/bi)\prod_{i=1}^n (A/b_i)的典范同态是核⋂i=1nbi=∑σ∈Snbσ(1)bσ(2)⋯bσ(n).\bigcap_{i=1}^n b_i = \sum_{\sigma \in S_n} b_{\sigma(1)} b_{\sigma(2)} \cdots b_{\sigma(n)}.的满射

引用了 2 · 被以下引用 5

引用了 命题 6, 命题 7

被以下引用 命题 10, 命题 11, 推论 1, V § 15, 命题 4, VII § 1, 命题 3, VIII § 8

显然核是⋂i=1nbi\bigcap_{i=1}^n b_i。为了证明满射性,有必要证明,对于AA的元素的每个族(xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n},都存在x∈Ax \in A,使得对于所有1≤i≤n1 \leq i \leq n都有x≡xi(bi)x \equiv x_i (b_i)。我们通过归纳在II的基数nn上证明断言,情况n≤1n \leq 1是微不足道的。到归纳假设,存在y∈Ay \in A,使得y≡xi(bi)y \equiv x_i (b_i)对应于1≤i≤n−11 \leq i \leq n-1。我们寻找形式 y+zy + z 和 z∈Az \in A 的 xx。 i<ni < n必然需要z≡0(bi)z \equiv 0 (b_i),即z∈b=⋂i=1n−1biz \in b = \bigcap_{i=1}^{n-1} b_i,另一方面z≡xn−y(bn)z \equiv x_n - y (b_n)。现在bn+b=Ab_n + b = A由no. 9、命题6、从而存在zz。最后,核的第二个表达式是从no. 9、命题7得出的。

定义 7 05HR

令AA为环。 AA双面理想的有限族(bi)i∈I(b_i)_{i \in I},使得AA的典范同态进入∏i∈I(A/bi)\prod_{i \in I} (A/b_i)是同构,称为AA的直接分解。

被以下引用 1

被以下引用 VII § 2. 。 挠元模超过主理想整环

命题 10 05HS

令AA为环,A′A'其中心和(bi)i∈I(b_i)_{i \in I}为AA的两侧理想的有限族。以下条件是等效的:

(a) 家庭(bi)i∈I(b_i)_{i \in I}是AA的直接分解; (b) 存在A′A'的幂等族(ei)i∈I(e_i)_{i \in I},使得eiej=0e_i e_j = 0对应i≠ji \neq j,1=∑i∈Iei1 = \sum_{i \in I} e_i,bi=A(1−ei)b_i = A(1 - e_i)对应i∈Ii \in I; (c) bi+bj=Ab_i + b_j = A 代表 i≠ji \neq j 和 ⋂i∈Ibi={0}\bigcap_{i \in I} b_i = \{0\}; (d) bi+bj=Ab_i + b_j = A 对应i≠ji \neq j,∏i∈Ibi={0}\prod_{i \in I} b_i = \{0\}对应II的总阶; (e) 存在 A′A' 的直接分解 (bi′)i∈I(b'_i)_{i \in I},使得 bi=Abi′b_i = A b'_i 对应 i∈Ii \in I。

引用了 2 · 被以下引用 3

引用了 命题 7, 命题 9

被以下引用 注, 引理 8, VIII § 16, 推论, VIII § 8

(a) ⇒\Rightarrow (b)。如果条件(a)成立,则AA可与环∏i∈I(A/bi)\prod_{i \in I} (A/b_i)等同,而bib_i可与核等同于pri\mathrm{pr}_i。 eie_i 的存在性具有 (b) 中的属性,然后从 no. 10 得出。

(b) ⇒\Rightarrow (d)。假设 eie_i 存在且具有 (b) 中的性质。对于 i≠ji \neq j、1−ei∈bi, ei=ei(1−ej)∈bj1 - e_i \in b_i, \ e_i = e_i(1 - e_j) \in b_j,因此为 1∈bi+bj1 \in b_i + b_j 和 A=bi+bjA = b_i + b_j。另一方面,如果 I 被赋予全序并且 (xi)i∈I(x_i)_{i \in I} 是 A 的元素族,那么,由于 eie_i 是中心,

∏i∈Ixi(1−ei)=(∏i∈Ixi)(∏i∈I(1−ei))=(∏i∈Ixi)(1−∏i∈Iei)=0 \prod_{i \in I} x_i (1 - e_i) = \left( \prod_{i \in I} x_i \right) \left( \prod_{i \in I} (1 - e_i) \right) = \left( \prod_{i \in I} x_i \right) \left( 1 - \prod_{i \in I} e_i \right) = 0

因此∏i∈Ibi={0}\prod_{i \in I} b_i = \{0\}。

(d) ⇒\Rightarrow (c)。这是从 no. 9、命题 7 得出的。

(c) ⇒\Rightarrow (a)。这是从命题 9 得出的。

因此条件 (a), (b), (c) 和 (d) 是等价的。假设他们持有。到 (b) ⇒\Rightarrow (a) 时,bi′=A′(1−ei)b'_i = A'(1 - e_i) 的族是 A′A' 的直系分解。然后 bi=A(1−ei)=Abi′b_i = A(1 - e_i) = Ab'_i 对于所有 i∈Ii \in I。因此条件(e)成立。

最后,假设条件 (e) 成立。通过(a)⇒\Rightarrow(b),存在A′A'幂等族(ei)i∈I(e_i)_{i \in I},使得eiej=0e_i e_j = 0对应i≠ji \neq j,1=∑i∈Iei1 = \sum_{i \in I} e_i和bi′=A′(1−ei)b'_i = A'(1 - e_i)对应i∈Ii \in I。那么 bi=Abi′=A(1−ei)b_i = Ab'_i = A(1 - e_i) 对应 i∈Ii \in I,因此条件 (b) 成立。

注 05HT

设 A 为环。令(ai)i∈I(a_i)_{i \in I}是A的加法群A+A^+的子群的有限族,使得A+A^+是aia_i的直和。假设aiai⊂aia_i a_i \subset ai代表i∈Ii \in I,aiaj={0}a_i a_j = \{0\}代表i≠ji \neq j。那么aia_i对于所有i∈Ii \in I来说都是A的双面理想。通过A上的那些诱导出加法和乘法,aia_i是环,而单位元是1∈A1 \in A在aia_i中的分量。如果 bi=∑j≠iajb_i = \sum_{j \neq i} a_j,显然是命题 10 的 bib_i 满足条件 (c),因此 (bi)i∈I(b_i)_{i \in I} 是 A 的直接分解,据说它是由* (ai)i∈I(a_i)_{i \in I} *定义的。

引用了 1

引用了 命题 10

例 05HU

理想和商环*Z\mathbf{Z}

Z\mathbf{Z}的理想是Z\mathbf{Z}的子群的加法,因此形式n.Zn.\mathbf{Z}与n⩾0n \geqslant 0的加法;相反,对于每个整数n⩾0n \geqslant 0,集合n.Zn.\mathbf{Z}都是一个理想,即主理想(n)(n)。因此,Z\mathbf{Z}的每个理想都是主要的,并且在形式nZn\mathbf{Z}和n⩾0n \geqslant 0中唯一地表示。理想的(1)(1)等于Z\mathbf{Z},理想的(0)(0)由0组成,与Z\mathbf{Z}和{0}\{0\}不同的理想因此为形式nZn\mathbf{Z}和n>1n > 1。如果m⩾1m \geqslant 1和n⩾1n \geqslant 1,mZ⊃nZm\mathbf{Z} \supset n\mathbf{Z}当且仅当n∈m.Zn \in m.\mathbf{Z},即mm除nn。因此,要使理想的nZn\mathbf{Z}极大,不存在不同于nn并除以nn的整数m>1m > 1是充分必要的;在其他字中,*Z\mathbf{Z}的最大理想是形式*pZp\mathbf{Z}*其中*pp*是素数数*(§ 4, no. 10,定义16)。

令mm和nn为两个整数⩾1\geqslant 1。理想mZ+nZm\mathbf{Z} + n\mathbf{Z}为主,从而有整数d⩾1d \geqslant 1,以dZ=mZ+nZd\mathbf{Z} = m\mathbf{Z} + n\mathbf{Z}为特征;对于每个整数 r \geqslant 1,关系“r 除 d”相当于rZ⊃dZr\mathbf{Z} \supset d\mathbf{Z},因此相当于“rZ⊃mZr\mathbf{Z} \supset m\mathbf{Z}和rZ⊃nZr\mathbf{Z} \supset n\mathbf{Z}”,即“r 除 m和n”。由此可见,m和n的公共的除子是d的除子,d对于m和n来说是除子⩾1\geqslant 1公共的的*最大的*; d 称为 m 和 n 的 最大的公共的除子(缩写为 g.c.d.)。作为dZ=mZ+nZd\mathbf{Z} = m\mathbf{Z} + n\mathbf{Z},存在两个整数 x 和y,使得d=mx+nyd = mx + ny。如果 m 和 n 的 g.c.d. 则被称为“互质”。等于 1。假设存在整数 x 和 y,且mx+ny=1mx + ny = 1 也同样存在。

理想mZm\mathbf{Z}和nZn\mathbf{Z}的交对于包含mnmn来说是非零的,因此是形式rZr\mathbf{Z}和r⩾1r \geqslant 1。 Arguing as above, it is seen that the multiples of r are the common multiples of m and n and that r is the least of the integers ⩾1\geqslant 1 which are common multiples of m and n; it is called the least common multiple (l.c.m.) of m and n.

对于x1,…,yr∈Zx_1, \ldots, y_r \in \mathbf{Z},理想mZm\mathbf{Z}和nZn\mathbf{Z}的乘积是∑i=1rmxinyi=mn(∑i=1rxiyi)\sum_{i=1}^{r} mx_i ny_i = mn \left( \sum_{i=1}^{r} x_i y_i \right)的集合,因此等于mnZmn\mathbf{Z}。

对于每个整数n⩾1n \geqslant 1,商环Z/nZ\mathbf{Z}/n\mathbf{Z}被称为整数模n*的*环;它有 n 个元素,即类对整数 0, 1, 2, ..., n−1n - 1 的模 n。对于n=1n = 1,我们得到零环。

引用了 1

引用了 定义 16, I § 4

命题 11 05HV

设n1,…,ndn_1, \ldots, n_d为整数⩾1\geqslant 1,它们在对和n=n1…nrn = n_1 \ldots n_r互质。 Z\mathbf{Z}的典范同态进入乘积环∏i=1rZ/niZ\prod_{i=1}^{r} \mathbf{Z}/n_i\mathbf{Z}是核nZn\mathbf{Z}和Z/nZ\mathbf{Z}/n\mathbf{Z}的定义环同构到∏i=1rZ/niZ\prod_{i=1}^{r} \mathbf{Z}/n_i\mathbf{Z}的满射。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 命题 9, VII § 1. 。 主理想整环

被以下引用 V § 12. 。 有限域

让ai=niZa_i = n_i\mathbf{Z}换成i=1,…,ri = 1, \ldots, r。 假设,ai+aj=Za_i + a_j = \mathbf{Z} i≠ji \neq j。然后从命题 9 得出命题。

上述结果以及有关分解到素数因子的结果,将推广到致力于研究主理想整环的章 VII, § 1 和致力于研究阶乘域的 交换代数、章 VII, § 3 中。

12. 环 / 分数

定理 4 05HW

设 A 为 A 的交换环,S 子集。设 ASA_S 为 A 的分数的幺半群(仅提供乘法),分母为 S (§ 2, no. 4)。让 ε:A→AS\varepsilon : A \to A_S 成为规范的态射。在ASA_S上存在且仅有一个加法满足以下条件: (a) ASA_S,加上这个加法及其乘法,就是交换环; (b) ε\varepsilon 为环同态。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 I § 2. 。 单位元素;可取消元素; 可逆元

被以下引用 定义 8

假设已经为 ASA_S 满足条件 (a) 和 (b) 找到了加法。

让x,y∈ASx, y \in A_S。令S′S'为SS生成的AA的稳定乘法子幺半群。存在a,b∈Aa, b \in A和p,q∈S′p, q \in S'使得x=a/p,y=b/qx = a/p, y = b/q。然后

x=ε(aq)ε(pq)−1,y=ε(bp)ε(pq)−1, x = \varepsilon(aq)\varepsilon(pq)^{-1}, \quad y = \varepsilon(bp)\varepsilon(pq)^{-1},

从而

(23)

x+y=(ε(aq)+ε(bp))ε(pq)−1=ε(aq+bp)ε(pq)−1=(aq+bp)/pq. \begin{align*} x + y &= (\varepsilon(aq) + \varepsilon(bp))\varepsilon(pq)^{-1} \\ &= \varepsilon(aq + bp)\varepsilon(pq)^{-1} \\ &= (aq + bp)/pq. \end{align*}

这就证明了唯一性或加法。

我们现在*定义* 加法于ASA_S由设定x+y=(aq+bp)/pqx + y = (aq + bp)/pq。有必要证明这个定义不依赖于a,b,p,qa, b, p, q的选择。现在,如果a′,b′∈A,p′,q′∈S′a', b' \in A, p', q' \in S'使得x=a′/p′,y=b′/q′x = a'/p', y = b'/q',则S′S'中存在ss和tt使得ap′s=a′ps,bq′t=b′qtap's = a'ps, bq't = b'qt,从而

(aq+bp)(p′q′)(st)=(a′q′+b′p′)(pq)(st) (aq + bp)(p'q')(st) = (a'q' + b'p')(pq)(st)

因此

(aq+bp)/pq=(a′q′+b′p′)/p′q′. (aq + bp)/pq = (a'q' + b'p')/p'q'.

很容易验证ASA_S中的加法是结合律和交换律,对于加法来说0/10/1是单位元素,(−a)/p(-a)/p是a/pa/p的负数,对于所有x,y,z∈ASx, y, z \in A_S来说x(y+z)=xy+xzx(y + z) = xy + xz。如果a,b∈Aa, b \in A,那么

ε(a+b)=(a+b)/1=a/1+b/1=ε(a)+ε(b) \varepsilon(a + b) = (a + b)/1 = a/1 + b/1 = \varepsilon(a) + \varepsilon(b)

因此 ε\varepsilon 是环同态。

定义 8 05HX

在定理 4 中定义的环称为分数的环,与SS相关,或与SS中的分母相关,并用A[S−1]A[S^{-1}]表示。

引用了 2

引用了 定理 4, 命题 6, I § 2

A[S−1]A[S^{-1}]的零是0/10/1,A[S−1]A[S^{-1}]的单位是1/11/1。

我们将回到*交换代数*、章II, § 2中A[S−1]A[S^{-1}]的属性。

若SS为AA可取消元素集合,环A[S−1]A[S^{-1}]称为AA的分数总环。然后通过映射 ε\varepsilon 将AA 与A[S−1]A[S^{-1}] 的子环进行识别,然后它是单射的 (I, § 2, no. 4, 命题 6)。

定理 5 05HY

设AA为AA的交换环、SS子集、BB环和AA的ff同态到BB,使得每个f(S)f(S) 的元素是可逆的。 A[S−1]A[S^{-1}] 中存在且仅有一个 fˉ\bar{f} 进入BB,使得 f=fˉ∘εf = \bar{f} \circ \varepsilon。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 定理 1, I § 2

被以下引用 命题 3, I § 9

我们知道(§ 2, no. 4,定理 1),乘法幺半群A[S−1]A[S^{-1}]到乘法幺半群BB之间存在且仅有一个态射fˉ\bar{f}使得f=fˉ∘εf = \bar{f} \circ \varepsilon。令a,b∈A,p,q∈S′a, b \in A, p, q \in S'(由SS生成的AA的稳定乘法子幺半群)。由于f(A)f(A)的元素在对通勤,

fˉ(a/p+b/q)=fˉ((aq+bp)/pq)=f(aq+bp)f(pq)−1=(f(a)f(q)+f(b)f(p))f(p)−1f(q)−1=f(a)f(p)−1+f(b)f(q)−1=fˉ(a/p)+fˉ(b/q). \bar{f}(a/p + b/q) = \bar{f}((aq + bp)/pq) = f(aq + bp)f(pq)^{-1} = (f(a)f(q) + f(b)f(p))f(p)^{-1}f(q)^{-1} = f(a)f(p)^{-1} + f(b)f(q)^{-1} = \bar{f}(a/p) + \bar{f}(b/q).
因此fˉ\bar{f}是环同态。

习题

参见习题为 § 8。

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