#

定义
RR 为非空集合
RR 上定义两个运算:

  • 加法 +:R×RR,(a,b)a+b+:R \times R \to R,\ (a,b) \mapsto a + b
  • 乘法 :R×RR,(a,b)ab*:R \times R \to R,\ (a,b) \mapsto ab

RR 对加法,乘法封闭,且满足:

  • R1 RR 对加法构成交换群,即
    • G1 加法满足结合律:(a+b)+c=a+(b+c)(a + b) + c = a + (b + c)
    • G2 存在加法单位元 00,使得 aR,a+0=0+a=a{}^\forall a \in R,\ a + 0 = 0 + a = a
    • G3 对任意 aRa \in R,存在加法逆元 a-a,使得 a+(a)=(a)+a=0a + (-a) = (-a) + a = 0
    • G4 加法满足交换律:a+b=b+aa + b = b + a
  • R2 RR 对乘法满足结合律
    • (ab)c=a(bc)(ab)c = a(bc)
  • R3 RR 对加法和乘法满足分配律
    • a(b+c)=ab+ac,(b+c)a=ba+caa(b + c) = ab + ac ,\ (b + c)a = ba + ca
  • R4 RR 具有乘法单位元 ee
    • aR,ae=ea=a{}^\forall a \in R,\ ae = ea = a

则称 RR环 (Ring)「環」

简单来说,环是在 交换群的基础上,引入一个不要求可逆的新运算,并使两个运算可以分配

注意,环上定义的两个运算虽然称作加法和乘法,但是并不一定是一般意义下的实数加法和乘法。例如可以是矩阵乘法,或者映射积(复合),或者直和等等。

环的定义目前是具备争议的,并没有完全统一。有一部分观点认为环的定义不需要乘法的单位元,这种环也有被叫做伪环。
为避免混淆,本笔记规定 环具备乘法单位元

通常将加法的单位元记作 00,并称为 零元 (Zero element)「零元」,乘法单位元记作 11

对于 RR 上的元 aa,谈论其逆元的时候,只有加法逆元具有普遍性,加法逆元记作 a-a,乘法逆元不一定存在(一般情况下 a1a^{-1} 不具备意义)。

R2 和 R4 两条可以合并为对乘法构成 幺半群 (Monoid)「モノイド」

RR 上的有限个的和,积可以按一般的形式定义

a1++an=i=1nai,a1an=i=1naia_1 + \cdots +a_n = \sum_{i=1}^n a_i ,\quad a_1 \cdots a_n = \prod_{i=1}^n a_i

但是注意 积的顺序并不能默认可以交换(因为没有要求乘法满足交换律)。
乘法满足交换律时,称 RR交换环 (Commutative Ring)「可換環」

示例

  • Q,R,C\mathbb Q,\mathbb R,\mathbb C 对一般的加法,乘法构成交换环。
  • 映射 f:[0,1]Rf:[0,1] \to \mathbb R 全体构成的集合对函数加法,函数积构成交换环。
  • RR 为任意环,SS 为非空集,映射 f:SRf:S \to R 全体构成的集合 M(S,R)M(S,R) 对函数加法和函数积构成环。
  • 加法群 GG 的自同构映射全体构成的集合 End(G)\mathrm{End}(G) 对函数加法和函数积构成环。并称为 自同构环
  • nn 阶方阵全体 Mn(R)M_n(R) 对矩阵加法和矩阵乘法构成环,称为 矩阵环,零元为零矩阵 OO,单位元为单位矩阵 EnE_n,即使 RR 是交换环,Mn(R)M_n(R) 也不一定是交换环。
  • 取一个环 RR,定义集合 {xRx2=x}\{x \in R \mid x^2 = x\},即所有幂等元构成的集合,对一般的加法和乘法构成交换环,称为 幂等环Boole 环

以下示例比较重要,并且在后续章节也会频繁使用

示例

  • 整数 Z\mathbb Z 对一般的加法乘法构成交换环,称为 有理整数环。有理指的是通常意义下的整数(1,2,3,1,2,3,\cdots),整数论中常常会探究比较抽象的,更加广义的 "整数"。
  • R[x]:={a0+a1x++anxna1,,anR,nN}R[x] := \{a_0 + a_1 x + \cdots + a_n x^n \mid a_1,\cdots,a_n \in R, n \in \mathbb N\} 构成一个环,称为以 RR 为系数域的 多项式环,零元为 00,单位元为 1R1_R

一般地,环具有以下性质

命题
RR 为环,a,b,cR:{}^\forall a,b,c \in R:

  • 0a=a0=00a = a0 = 0
  • (1)a=a(-1)a = -a
  • (a)b=(ab)(-a)b = -(ab)
  • (1)2=1(-1)^2 = 1
  • a1,,am,b1,,bna_1,\cdots,a_m,b_1,\cdots,b_nRR 上的元,则 (a1++am)(b1+bn)=i=1mj=1naibj(a_1 + \cdots + a_m)(b_1 + \cdots b_n) = \sum\limits_{i=1}^m \sum\limits_{j=1}^n a_i b_j
证明

(1)

0a=(0+0)a=0a+0a0a=00a = (0+0)a = 0a + 0a \implies 0a = 0

(2)

(1)a+a=(1+1)a=0(1)a=a(-1)a + a = (-1 + 1)a = 0 \implies (-1)a = -a

(3)

(a)b+ab=(a+a)b=0(a)b=(ab)(-a)b + ab = (-a + a)b = 0 \implies (-a)b = -(ab)

(4)

(1)2+1=(1+1)(1)=0(1)2=1(-1)^2 + 1 = (-1 + 1)(-1) = 0 \implies (-1)^2 = 1

(5)
用数学归纳法证明
m=1m=1,先对 nn 归纳
n=1n=1 时,显然成立
假设 n=kn=k 时成立,则 n=k+1n=k+1

(a1)(b1++bk+bk+1)=(a1)(b1++bk)+(a1)bk+1=j=1ka1bj+a1bk+1=j=1k+1a1bj(a_1)(b_1 + \cdots + b_k + b_{k+1}) = (a_1)(b_1 + \cdots + b_k) + (a_1)b_{k+1} = \sum_{j=1}^k a_1 b_j + a_1 b_{k+1} = \sum_{j=1}^{k+1} a_1 b_j

所以对任意 nn 成立
再对 mm 归纳
m=1m=1 时,显然成立
假设 m=km=k 时成立,则 m=k+1m=k+1

(a1++ak+1)(b1++bn)=(a1++ak)(b1++bn)+(ak+1)(b1++bn)=i=1kj=1naibj+j=1nak+1bj=i=1k+1j=1naibj\begin{aligned} (a_1 + \cdots + a_{k+1})(b_1 + \cdots + b_n) &= (a_1 + \cdots + a_k)(b_1 + \cdots + b_n) + (a_{k+1})(b_1 + \cdots + b_n) \\ &= \sum_{i=1}^k \sum_{j=1}^n a_i b_j + \sum_{j=1}^n a_{k+1} b_j \\ &= \sum_{i=1}^{k+1} \sum_{j=1}^n a_i b_j \end{aligned}

\square

与子群类似的,如果环 RR 的子集 JJ 成为环且对原运算封闭,则称 JJ子环 (Subring)「部分環」
实际上验证加法子群 JRJ \subset R 为子环只需要验证:

  • 1RJ1_R \in J
  • JJ 对乘法封闭

示例

  • Z\mathbb ZQ\mathbb Q 的子环。
  • 2Z2\mathbb Z 虽然是 Z\mathbb Z 的加法子群,但是不构成子环(没有单位元 1)。

两个子环的交集和直积仍然是环

命题
RR 为环,R1,R2RR_1,R_2 \subset RRR 的子环,则

  • R1R2R_1 \cap R_2RR 的子环
  • R1×R2:={(a,b)aR1,bR2}R_1 \times R_2 := \{(a,b) \mid a \in R_1, b \in R_2\} 对逐点加法和逐点乘法构成环
证明

(1)
依照子群性质,R1R2R_1 \cap R_2 成为加法子群
1RR1R21_R \in R_1 \cap R_2,并且对任意 a,bR1R2a,b \in R_1 \cap R_2,有 abR1,abR2ab \in R_1, ab \in R_2,所以 abR1R2ab \in R_1 \cap R_2,所以 R1R2R_1 \cap R_2RR 的子环

(2)
(1R1,1R2)(1_{R_1},1_{R_2}) 成为单位元,并且对任意 (a,b),(c,d)R1×R2(a,b),(c,d) \in R_1 \times R_2,有 (a,b)(c,d)=(ac,bd)R1×R2(a,b)(c,d) = (ac,bd) \in R_1 \times R_2,所以 R1×R2R_1 \times R_2 对乘法封闭,所以 R1×R2R_1 \times R_2 为环
\square

二项式展开依赖于乘法 ab=baab = ba 的对称,所以在交换环中有二项定理的推广形式

命题 二项定理
RR交换环a,bRa,b \in R,则对任意 nNn \in \mathbb N

(a+b)n=k=0n(nk)akbnk,(nk)=n!k!(nk)!(a + b)^n = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} a^k b^{n-k},\qquad \binom{n}{k} = \frac{n!}{k!(n-k)!}

证明

用数学归纳法证明
n=1n=1 时,显然成立
假设 n=kn=k 时成立,则 n=k+1n=k+1

(a+b)k+1=(a+b)k(a+b)=(i=0k(ki)aibki)(a+b)=i=0k(ki)ai+1bki+i=0k(ki)aibki+1=ak+1+i=1k((ki)+(ki1))aibk+1i+bk+1=i=0k+1(k+1i)aibk+1i\begin{aligned} (a + b)^{k+1} &= (a + b)^k (a + b) \\ &= \left(\sum_{i=0}^k \binom{k}{i} a^i b^{k-i}\right)(a + b) \\ &= \sum_{i=0}^k \binom{k}{i} a^{i+1} b^{k-i} + \sum_{i=0}^k \binom{k}{i} a^i b^{k-i+1} \\ &= a^{k+1} + \sum_{i=1}^k \left(\binom{k}{i} + \binom{k}{i-1}\right) a^i b^{k+1-i} + b^{k+1} \\ &= \sum_{i=0}^{k+1} \binom{k+1}{i} a^i b^{k+1-i} \end{aligned}

\square

# 整环

环中具有两个关键的运算的单位元,通常来说其写作 0011
但是请不要混淆:这并非一定是整数 0011,而是环 RR 中的加法单位元和乘法单位元,分别记作 0R0_R1R1_R
所以,这两个单位元是确实存在有一致的可能性的
如果环中两个运算的单位元一致,即 1=01=0,那么由于

aR:a=1a=0a=0\forall a \in R:\ a = 1a = 0a = 0

所以这个环中只有 00 一个元,称为 零环 (Zero Ring)「零環」

1=01 = 0 看起来是荒谬的等式,但是在环中这是真实可成立的,实际上严格来说应该写为 1R=0R1_R = 0_R

零环不具备任何可以研究的意义,所以接下来考虑的环一律默认非零环


环中有两类元比较特殊:单位和零因子

单位简单来说即为可逆元,可以理解为 “拥有较好性质”

如果一个元 aRa \in R 具备乘法逆元,那么 a1a^{-1} 具备意义,并且称其为 单位 (Unit)「単元」

RR 的单位全体构成的集合记作 R×R^\times,其对乘法构成群

示例

  • Z×={1,1}\mathbb Z^\times = \{ 1, -1 \} \quad
  • (Z/nZ)×={a+nZ1a<n,gcd(a,n)=1}(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\times = \{ a + n\mathbb Z \mid 1 \leq a < n,\ \gcd(a,n) = 1 \} \quad

另一边,零因子可以理解为 “性质较差”
它就像一个不稳定的因素,可能会导致乘法黑洞

在通常的环中,两个非 00 的元 a,ba,b 的积也可能是 00,称这样的 a,ba, b零因子 (Zero Divisor)「零因子」。利用零因子可以定义:

  • RR整环 (Integral Domain)「整域」,当且仅当环 RR 中不存在零因子,且为交换环

整环是环论中非常重要的一类环,尤其是在交换代数中讨论的对象几乎全是整环

注:

  • Domain 单指没有零因子的环,并不要求交换律
  • Integral Domain 强调交换律

Integral 源于对整数(Integers, Z\mathbb Z)性质的抽象和推广,体现在它保留了整数环 Z\mathbb{Z} 最核心的代数 “操守”—— 没有零因子。正因为没有零因子,整环才允许我们做类似整数的 “消去” 操作

ab=ac(a0)b=cab = ac \quad (\text{且 } a \neq 0) \implies b = c

示例

  • 有理整数环 Z\mathbb Z 是整环。
  • 映射 f:[0,1]Rf:[0,1] \to \mathbb R 全体构成的交换环并非整环。例如可以这样获得零因子f,gf,g

f(t)={0(0t12)1(12<t1),g(t)={1(0t12)0(12<t1)f(t) = \begin{cases} 0 & (0 \leq t \leq \frac{1}{2}) \\ 1 & (\frac{1}{2} < t \leq 1) \end{cases}, \quad g(t) = \begin{cases} 1 & (0 \leq t \leq \frac{1}{2}) \\ 0 & (\frac{1}{2} < t \leq 1) \end{cases}

  • 非零加法群 AA 的自同态环 End(A)\mathrm{End}(A) 的单位其实就是 AA 的自同构(映射),其全体构成的乘法群无非就是自同构群 Aut(A)\mathrm{Aut}(A)

#

如果一个环 RR 内所有非 00 的元都是单位,则称这个环为 除环 (Division Ring)「斜体」
语义理解为在这个环上的乘法可以定义除法,所以是除环,或者说和域的性质已经非常接近了。即:

R为除环R{0}=R×R \text{ 为除环} \iff R \setminus \{0\} = R^\times

如果其进一步满足 乘法交换律,则称为 域 (Field)「体」

示例

  • QRC\mathbb Q \subset \mathbb R \subset \mathbb C 都是域。
  • 有理整数环 Z\mathbb Z 不是域(单位仅 1,11,-1)。
  • 多项式环 R[x]R[x] 不是域。

注意明确

  • 整环的关键性质是没有零因子,并且可交换
  • 域的关键性质是所有非零元都是单位(可逆),并且可交换

再次重申:没有零因子等于可以应用消去律,这意味着一种 “稳定” 的乘法结构。在有限的整环中,单射可以等价于满射,所以这种稳定性进一步保证了每个非零元都能找到一个乘法逆元,从而形成域。

命题

  1. 任意的域都是整环
  2. 有限的整环为域
证明

(1)
在域 FF 下,由于所有非零元都对乘法构成交换群,所以只要 a0,b0a \neq 0, b \neq 0,则一定 ab0ab \neq 0,成为整环

(2)
设有限整环 RR,任取 aR{0}a \in R \setminus \{0\},考虑映射 f:RR,f(x)=axf:R \to R, f(x) = ax
假设 ax=ayax = ay,移项 a(xy)=0a(x-y) = 0,由整环的性质可得 x=yx=y,所以 ff 是单射
由于 RR 有限,单射必为满射
这意味着一定存在一个元 xRx \in R 使得 ax=1ax = 1
由于 aa 是任意选取的非零元,所以 RR 中所有非零元都是单位,成为域
\square

同样的,如果域的子集成为域,则称为 子域 (Subfield)「部分体」

示例

  • Q\mathbb QR\mathbb R 的子域。
  • R\mathbb RC\mathbb C 的子域。

# 多项式环

接下来让我们讨论一类非常核心的环:多项式环
多项式本身并不陌生,但是至今为止并没有研究过多项式全体构成的集合上的各种结构。
通过研究多项式环,我们可以知道不同的系数会对内部的结构产生怎样的影响

最基本的,多项式环需要系数是一个交换环。以下令 RR 为交换环
P:={f:N{0}R}P := \{ f:\mathbb N \cup \{0\} \to R \}

PP 中的元实为非负整数系数到环 RR 中元的映射,所以其可以被当作数列处理
对于 fP,nN{0}f \in P,\ n \in \mathbb N \cup \{0\}f(n)=anRf(n) = a_n \in R,则

f=(a0,a1,a2,)f = (a_0, a_1, a_2, \ldots)

以下验证 PP 成为交换环。对于 f,gPf,g \in P 的数列表示
RR 的封闭性可得

  • 加法 f+g=(a0+b0,a1+b1,a2+b2,)Pf + g = (a_0 + b_0, a_1 + b_1, a_2 + b_2, \ldots) \in P
  • 乘法 fg=(c0,c1,c2,)Pfg = (c_0, c_1, c_2, \ldots) \in P,其中 卷积 cn=i=0naibnic_n = \sum\limits_{i=0}^n a_i b_{n-i} \quad
  • 加法零元 0=(0,0,0,)P0 = (0,0,0,\ldots) \in P
  • 乘法单位元 1=(1R,0,0,)P1 = (1_R,0,0,\ldots) \in P
  • 标量乘法 rR,rf=(ra0,ra1,ra2,)Pr \in R,\ rf = (r a_0, r a_1, r a_2, \ldots) \in P

所以 PP 成为交换环

通过定义一系列特殊的元

  • x=(0,1R,0,0,)Px = (0,1_R,0,0,\ldots) \in P
  • x2=(0,0,1R,0,0,)Px^2 = (0,0,1_R,0,0,\ldots) \in P
  • xn=(0,0,,0,1R,0,)Px^n = (0,0,\ldots,0,1_R,0,\ldots) \in P,其中 1R1_R 在第 nn+1 位

所以可以将 ff 写成多项式形式

f=a0+a1x+a2x2+f = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \cdots

此时称 PPRR 上的 形式幂级数环 (Formal Power Series Ring)「形式的べき級数環」,记作 P=R[[x]]P = R[[x]]


对于形式幂级数环 P=R[[x]]P = R[[x]],通过对其项数的限制,让其控制在有限项数内,可以得到多项式环的定义

定义
PP 上的子环

R[x]:={fPnZ0,N>n:aN=0}R[x] := \{ f \in P \mid {}^\exists n \in \mathbb Z_{\geq 0},\ {}^\forall N > n : a_N = 0 \}

RR 上的 多项式环 (Polynomial Ring)「多項式環」

多项式环中的多项式在高次项上系数均为零,即项数有限

  • 零元为常数多项式 f=0f = 0
  • 单位元为常数多项式 f=1f = 1

接下来讨论多项式环中的元,取

f=a0+a1x+a2x2++anxnR[x],an0f = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \cdots + a_n x^n \in R[x],\quad a_n \neq 0

称满足 an0a_n \neq 0 的最小的 nn 为多项式的 次数 (Degree)「次数」,记作 deg(f)=n\deg(f) = n
同时,称 ana_nff最高次系数 (Leading Coefficient)「最高次係数」,记作 lc(f)=anl_c(f) = a_n
lc(f)=1l_c(f) = 1 时,称 ff首一多项式 (Monic)「モニック」


此处针对符号记法和概念 P,R[[x]],R[x]P,\ R[[x]], R[x] 作补充说明

这一章节对多项式的处理,实际上是将多项式看作一个映射,由变量 xx 映射到多项式
“变量” 这一说法实际上并不准确,但是便于理解

接着通过锁定自然数到环的映射 f:NRf:\mathbb N \to R,确定系数:

f(n)=anRf(n) = a_n \in R

此时多项式得以转为映射,所有可能的映射构成的集合即为 PP

反过来,如果直接将 PP 中的映射作为多项式处理,那么其成为形式幂级数环 R[[x]]R[[x]]
特别地,在有限项数下成为多项式环 R[x]R[x]

PP 本身在数学中还有其他重要应用,不只是在此处为了导出多项式环
但是在本课程中,大概是没有机会真正意义上使用这个记号了


多项式环的定义本身只需要考虑在交换环上,但是对多项式环的性质讨论往往建立在整环上。

整环上,多项式的次数具有以下基本性质

命题
RR 为整环,非零元 f,gR[x]f,g \in R[x]

  • deg(fg)=deg(f)+deg(g)\deg(fg) = \deg(f) + \deg(g)
  • deg(f+g)max(deg(f),deg(g))\deg(f+g) \leq \max(\deg(f),\deg(g))
证明

an=lc(f),bm=lc(g)a_n = l_c(f), b_m = l_c(g)

(1)
fgfg 中比 m+nm+n 次数还要大的所有项的系数均为零,且 m+nm+n 次数的系数为 anbma_n b_m
假设 anbm=0a_n b_m = 0,整环性质给出 an=0a_n = 0bm=0b_m = 0,与定义矛盾
所以 lc(fg)=anbm,deg(fg)=m+nl_c(fg) = a_n b_m,\ \deg(fg) = m+n

(2)

lc(f+g)={an(n>m)bm(n<m)an+bm(n=m,an+bm0)0(n=m,an+bm=0)l_c(f+g) = \begin{cases} a_n & (n > m) \\ b_m & (n < m) \\ a_n + b_m & (n = m, a_n + b_m \neq 0) \\ 0 & (n = m, a_n + b_m = 0) \end{cases}

所以 deg(f+g)max(deg(f),deg(g))\deg(f+g) \leq \max(\deg(f),\deg(g))
\square

多项式环可以继承整环性质,这是后续研究的基本

命题

R为整环R[x]为整环R \text{ 为整环} \implies R[x] \text{ 为整环}

证明

f,gR[x]f,g \in R[x]fg=0fg = 0,此时

deg(fg)=deg(f)+deg(g)=\deg(fg) = \deg(f) + \deg(g) = -\infty

所以 deg(f)=\deg(f) = -\inftydeg(g)=\deg(g) = -\infty,即 f=0f = 0g=0g = 0
\square

# 四元数环

Hamilton 四元数 (Hamilton Quaternion)「四元数」 指代的一般是 1,i,j,k1, i, j, k 四个基元,并且其平方满足:

i2=j2=k2=1i^2 = j^2 = k^2 = -1

相互乘积关系,注意其乘积不可交换

ij=k,jk=i,ki=jji=k,kj=i,ik=jij = k, jk = i, ki = j\\ ji = -k, kj = -i, ik = -j

乘法表如下:

11iijjkk111iijjkk111iijjkkiii11kkjjiii11kkjjjjjkk11iijjjkk11iikkkjjii11kkkjjii11\begin{array}{c|cccccccc} & 1 & -1 & i & -i & j & -j & k & -k \\ \hline 1 & 1 & -1 & i & -i & j & -j & k & -k \\ -1 & -1 & 1 & -i & i & -j & j & -k & k \\ i & i & -i & -1 & 1 & k & -k & -j & j \\ -i & -i & i & 1 & -1 & -k & k & j & -j \\ j & j & -j & -k & k & -1 & 1 & i & -i \\ -j & -j & j & k & -k & 1 & -1 & -i & i \\ k & k & -k & j & -j & -i & i & -1 & 1 \\ -k & -k & k & -j & j & i & -i & 1 & -1 \\ \end{array}

在这样的计算性质下,可以用基元来生成一些代数结构

由四元数生成的群叫做 四元数群 (Quaternion Group)「四元数群」
记作 Q8Q_8,一共八个元

Q8={±1,±i,±j,±k}Q_8 = \{\pm 1, \pm i, \pm j, \pm k\}

其单位元是 11,每个元的逆元是其相反数

可以逐个分析元的阶

  • 11 的阶为 11
  • 1-1 的阶为 22
  • i,i,j,j,k,ki, -i, j, -j, k, -k 的阶均为 44

以及群的性质

  • 中心 Z(Q8)={1,1}Z(Q_8) = \{1, -1\} \quad
  • 共轭类 {1},{1},{i,i},{j,j},{k,k}\{1\}, \{-1\}, \{i, -i\}, \{j, -j\}, \{k, -k\} \quad

并且 Q8Q_8 是最小的 Hamilton 群(每个子群都正规的非阿贝尔群)


接下来如果从环 RR 里面向 Q8Q_8 中添加元,并添加加法运算,使其封闭
就可以构成 四元数环 (Quaternion Ring)「四元数环」
记作 H\mathbb H

H={a+bi+cj+dka,b,c,dR}\mathbb H = \{a + bi + cj + dk \mid a,b,c,d \in \mathbb R\}

此时 H\mathbb H 实际上成为了一个四维向量空间的代数结构
其基底为 {1,i,j,k}\{1, i, j, k\} \quad

加法和乘法定义如下
加法(各个分量各自相加)

(a+bi+cj+dk)+(a+bi+cj+dk)=(a+a)+(b+b)i+(c+c)j+(d+d)k(a + bi + cj + dk) + (a' + b'i + c'j + d'k) = (a+a') + (b+b')i + (c+c')j + (d+d')k

乘法(用分配律计算)

(a+bi+cj+dk)(a+bi+cj+dk)=(aabbccdd)+(ab+ab+cddc)i+(ac+ac+dbbd)j+(ad+ad+bccb)k(a + bi + cj + dk)(a' + b'i + c'j + d'k) = (aa' - bb' - cc' - dd') + (ab' + a'b + cd' - dc')i + (ac' + a'c + db' - bd')j + (ad' + a'd + bc' - cb')k

实际上和复数空间上的计算定义是完全一样的,所以可以看作是复数空间的扩展

H\mathbb H 的每个元都有其逆元,所以构成除环。来试着实际找一下乘法逆元

给定四元数 q=a+bi+cj+dkq = a + b i + c j + d k,设其逆元为 q1=a+bi+cj+dkq^{-1} = a' + b' i + c' j + d' k,根据逆元的运算
qq1=(a+bi+cj+dk)(a+bi+cj+dk)=1qq^{-1} = (a+bi+cj+dk)(a'+b'i+c'j+d'k) = 1,整理对比系数

  • 实部:aabbccdda a' - b b' - c c' - d d'
  • ii 系数:ab+ab+cddca b' + a' b + c d' - d c'
  • jj 系数:ac+ac+dbbda c' + a' c + d b' - b d'
  • kk 系数:ad+ad+bccba d' + a' d + b c' - c b'

于是得到线性方程组:

{aabbccdd=1ba+abdc+cd=0ca+db+acbd=0dacb+bc+ad=0\begin{cases} a a' - b b' - c c' - d d' = 1 \\ b a' + a b' - d c' + c d' = 0 \\ c a' + d b' + a c' - b d' = 0 \\ d a' - c b' + b c' + a d' = 0 \end{cases}

构造增广矩阵并化简:

(abcd1badc0cdab0dcba0)(1000aa2+b2+c2+d20100ba2+b2+c2+d20010ca2+b2+c2+d20001da2+b2+c2+d2)\begin{pmatrix} a & -b & -c & -d & 1 \\ b & a & -d & c & 0 \\ c & d & a & -b & 0 \\ d & -c & b & a & 0 \end{pmatrix} \longrightarrow \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & \dfrac{a}{a^2 + b^2 + c^2 + d^2} \\ 0 & 1 & 0 & 0 & -\dfrac{b}{a^2 + b^2 + c^2 + d^2} \\ 0 & 0 & 1 & 0 & -\dfrac{c}{a^2 + b^2 + c^2 + d^2} \\ 0 & 0 & 0 & 1 & -\dfrac{d}{a^2 + b^2 + c^2 + d^2} \end{pmatrix}

由此可得 一般的乘法逆元 为(反方向乘法直接代入计算即可验证)

q1=1a2+b2+c2+d2(abicjdk),q^{-1} = \frac{1}{a^{2}+b^{2}+c^{2}+d^{2}}(a - bi - cj - dk),\quad \square

但是与四元数群一样,四元数环的乘法也是不可交换的,所以它构成除环但不是交换环
这决定了它 不是域

四元数环是 Hurwitz 定理中给出的四种有限维实数除环之一:

  • 实数域 R\mathbb R
  • 复数域 C\mathbb C
  • 四元数环 H\mathbb H
  • 八元数环 O\mathbb O(不可结合代数)

在几何,物理,计算机图形学等领域中,常用 H\mathbb H 来表示旋转(替代旋转矩阵)

简要介绍一下 Hurwitz 定理(不予证明):

定理 Hurwitz 定理
AA 是一个附带范数的有限维实数除代数
并且存在一个良好性质的范数 NN,使得对任意 x,yAx, y \in A 都有

N(xy)=N(x)N(y)N(xy) = N(x)N(y)

那么 AA 必然同构于 R,C,H\mathbb R, \mathbb C, \mathbb HO\mathbb O 之一