定义
令 R 为非空集合
于 R 上定义两个运算:
- 加法 +:R×R→R, (a,b)↦a+b
- 乘法 ∗:R×R→R, (a,b)↦ab
若 R 对加法,乘法封闭,且满足:
- R1 R 对加法构成交换群,即
- G1 加法满足结合律:(a+b)+c=a+(b+c)
- G2 存在加法单位元 0,使得 ∀a∈R, a+0=0+a=a
- G3 对任意 a∈R,存在加法逆元 −a,使得 a+(−a)=(−a)+a=0
- G4 加法满足交换律:a+b=b+a
- R2 R 对乘法满足结合律
- (ab)c=a(bc)
- R3 R 对加法和乘法满足分配律
- a(b+c)=ab+ac, (b+c)a=ba+ca
- R4 R 具有乘法单位元 e
- ∀a∈R, ae=ea=a
则称 R 为 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 0,并称为 零元 (Zero element)「零元」,乘法单位元记作 1。
对于 R 上的元 a,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,乘法逆元不一定存在(一般情况下 a−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」
R 上的有限个的和,积可以按一般的形式定义
a1+⋯+an=i=1∑nai,a1⋯an=i=1∏nai
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 R 为 交换环 (Commutative Ring)「可換環」
示例
- Q,R,C 对一般的加法,乘法构成交换环。
- 映射 f:[0,1]→R 全体构成的集合对函数加法,函数积构成交换环。
- 令 R 为任意环,S 为非空集,映射 f:S→R 全体构成的集合 M(S,R) 对函数加法和函数积构成环。
- 加法群 G 的自同构映射全体构成的集合 End(G) 对函数加法和函数积构成环。并称为 自同构环。
- n 阶方阵全体 Mn(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 O,单位元为单位矩阵 En,即使 R 是交换环,Mn(R) 也不一定是交换环。
- 取一个环 R,定义集合 {x∈R∣x2=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 或 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 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,⋯),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+⋯+anxn∣a1,⋯,an∈R,n∈N} 构成一个环,称为以 R 为系数域的 多项式环,零元为 0,单位元为 1R
一般地,环具有以下性质
命题
令 R 为环,∀a,b,c∈R:
- 0a=a0=0
- (−1)a=−a
- (−a)b=−(ab)
- (−1)2=1
- 若 a1,⋯,am,b1,⋯,bn 为 R 上的元,则 (a1+⋯+am)(b1+⋯bn)=i=1∑mj=1∑naibj
证明
(1)
0a=(0+0)a=0a+0a⟹0a=0
(2)
(−1)a+a=(−1+1)a=0⟹(−1)a=−a
(3)
(−a)b+ab=(−a+a)b=0⟹(−a)b=−(ab)
(4)
(−1)2+1=(−1+1)(−1)=0⟹(−1)2=1
(5)
用数学归纳法证明
令 m=1,先对 n 归纳
当 n=1 时,显然成立
假设 n=k 时成立,则 n=k+1 时
(a1)(b1+⋯+bk+bk+1)=(a1)(b1+⋯+bk)+(a1)bk+1=j=1∑ka1bj+a1bk+1=j=1∑k+1a1bj
所以对任意 n 成立
再对 m 归纳
当 m=1 时,显然成立
假设 m=k 时成立,则 m=k+1 时
(a1+⋯+ak+1)(b1+⋯+bn)=(a1+⋯+ak)(b1+⋯+bn)+(ak+1)(b1+⋯+bn)=i=1∑kj=1∑naibj+j=1∑nak+1bj=i=1∑k+1j=1∑naibj
□
与子群类似的,如果环 R 的子集 J 成为环且对原运算封闭,则称 J 为 子环 (Subring)「部分環」
实际上验证加法子群 J⊂R 为子环只需要验证:
- 1R∈J
- J 对乘法封闭
示例
- Z 是 Q 的子环。
- 2Z 虽然是 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
令 R 为环,R1,R2⊂R 为 R 的子环,则
- R1∩R2 为 R 的子环
- R1×R2:={(a,b)∣a∈R1,b∈R2} 对逐点加法和逐点乘法构成环
证明
(1)
依照子群性质,R1∩R2 成为加法子群
1R∈R1∩R2,并且对任意 a,b∈R1∩R2,有 ab∈R1,ab∈R2,所以 ab∈R1∩R2,所以 R1∩R2 为 R 的子环
(2)
(1R1,1R2) 成为单位元,并且对任意 (a,b),(c,d)∈R1×R2,有 (a,b)(c,d)=(ac,bd)∈R1×R2,所以 R1×R2 对乘法封闭,所以 R1×R2 为环
□
二项式展开依赖于乘法 ab=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
令 R 为交换环,a,b∈R,则对任意 n∈N 有
(a+b)n=k=0∑n(kn)akbn−k,(kn)=k!(n−k)!n!
证明
用数学归纳法证明
当 n=1 时,显然成立
假设 n=k 时成立,则 n=k+1 时
(a+b)k+1=(a+b)k(a+b)=(i=0∑k(ik)aibk−i)(a+b)=i=0∑k(ik)ai+1bk−i+i=0∑k(ik)aibk−i+1=ak+1+i=1∑k((ik)+(i−1k))aibk+1−i+bk+1=i=0∑k+1(ik+1)aibk+1−i
□
# 整环
环中具有两个关键的运算的单位元,通常来说其写作 0 和 1
但是请不要混淆:这并非一定是整数 0 和 1,而是环 R 中的加法单位元和乘法单位元,分别记作 0R 和 1R
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=0,那么由于
∀a∈R: a=1a=0a=0
所以这个环中只有 0 一个元,称为 零环 (Zero Ring)「零環」
1=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=0R
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 a∈R 具备乘法逆元,那么 a−1 具备意义,并且称其为 单位 (Unit)「単元」
R 的单位全体构成的集合记作 R×,其对乘法构成群
示例
- Z×={1,−1}
- (Z/nZ)×={a+nZ∣1≤a<n, gcd(a,n)=1}
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 0 的元 a,b 的积也可能是 0,称这样的 a,b 为 零因子 (Zero Divisor)「零因子」。利用零因子可以定义:
- 称 R 为 整环 (Integral Domain)「整域」,当且仅当环 R 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)性质的抽象和推广,体现在它保留了整数环 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(且 a=0)⟹b=c
示例
- 有理整数环 Z 是整环。
- 映射 f:[0,1]→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,g:
f(t)={01(0≤t≤21)(21<t≤1),g(t)={10(0≤t≤21)(21<t≤1)
- 非零加法群 A 的自同态环 End(A) 的单位其实就是 A 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)
如果一个环 R 内所有非 0 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×
如果其进一步满足 乘法交换律,则称为 域 (Field)「体」
示例
- Q⊂R⊂C 都是域。
- 有理整数环 Z 不是域(单位仅 1,−1)。
- 多项式环 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
- 任意的域都是整环
- 有限的整环为域
证明
(1)
在域 F 下,由于所有非零元都对乘法构成交换群,所以只要 a=0,b=0,则一定 ab=0,成为整环
(2)
设有限整环 R,任取 a∈R∖{0},考虑映射 f:R→R,f(x)=ax
假设 ax=ay,移项 a(x−y)=0,由整环的性质可得 x=y,所以 f 是单射
由于 R 有限,单射必为满射
这意味着一定存在一个元 x∈R 使得 ax=1
由于 a 是任意选取的非零元,所以 R 中所有非零元都是单位,成为域
□
同样的,如果域的子集成为域,则称为 子域 (Subfield)「部分体」
示例
- Q 是 R 的子域。
- R 是 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 R 为交换环
令 P:={f:N∪{0}→R}
P 中的元实为非负整数系数到环 R 中元的映射,所以其可以被当作数列处理
对于 f∈P, n∈N∪{0} 令 f(n)=an∈R,则
f=(a0,a1,a2,…)
以下验证 P 成为交换环。对于 f,g∈P 的数列表示
由 R 的封闭性可得
- 加法 f+g=(a0+b0,a1+b1,a2+b2,…)∈P
- 乘法 fg=(c0,c1,c2,…)∈P,其中 卷积 cn=i=0∑naibn−i
- 加法零元 0=(0,0,0,…)∈P
- 乘法单位元 1=(1R,0,0,…)∈P
- 标量乘法 r∈R, rf=(ra0,ra1,ra2,…)∈P
所以 P 成为交换环
通过定义一系列特殊的元
- x=(0,1R,0,0,…)∈P
- x2=(0,0,1R,0,0,…)∈P
- xn=(0,0,…,0,1R,0,…)∈P,其中 1R 在第 n+1 位
所以可以将 f 写成多项式形式
f=a0+a1x+a2x2+⋯
此时称 P 为 R 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]]
对于形式幂级数环 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
称 P 上的子环
R[x]:={f∈P∣∃n∈Z≥0, ∀N>n:aN=0}
为 R 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=0
- 单位元为常数多项式 f=1
接下来讨论多项式环中的元,取
f=a0+a1x+a2x2+⋯+anxn∈R[x],an=0
称满足 an=0 的最小的 n 为多项式的 次数 (Degree)「次数」,记作 deg(f)=n
同时,称 an 为 f 的 最高次系数 (Leading Coefficient)「最高次係数」,记作 lc(f)=an
当 lc(f)=1 时,称 f 为 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] 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 x 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:N→R,确定系数:
f(n)=an∈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 P
反过来,如果直接将 P 中的映射作为多项式处理,那么其成为形式幂级数环 R[[x]]
特别地,在有限项数下成为多项式环 R[x]
P 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。
在整环上,多项式的次数具有以下基本性质
命题
令 R 为整环,非零元 f,g∈R[x]
- deg(fg)=deg(f)+deg(g)
- deg(f+g)≤max(deg(f),deg(g))
证明
令 an=lc(f),bm=lc(g)
(1)
在 fg 中比 m+n 次数还要大的所有项的系数均为零,且 m+n 次数的系数为 anbm
假设 anbm=0,整环性质给出 an=0 或 bm=0,与定义矛盾
所以 lc(fg)=anbm, deg(fg)=m+n
(2)
lc(f+g)=⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎧anbman+bm0(n>m)(n<m)(n=m,an+bm=0)(n=m,an+bm=0)
所以 deg(f+g)≤max(deg(f),deg(g))
□
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
证明
令 f,g∈R[x],fg=0,此时
deg(fg)=deg(f)+deg(g)=−∞
所以 deg(f)=−∞ 或 deg(g)=−∞,即 f=0 或 g=0
□
# 四元数环
Hamilton 四元数 (Hamilton Quaternion)「四元数」 指代的一般是 1,i,j,k 四个基元,并且其平方满足:
i2=j2=k2=−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=−j
乘法表如下:
1−1i−ij−jk−k11−1i−ij−jk−k−1−11−ii−jj−kkii−i−11−kkj−j−i−ii1−1k−k−jjjj−jk−k−11−ii−j−jj−kk1−1i−ikk−k−jji−i−11−k−kkj−j−ii1−1
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 Q8,一共八个元
Q8={±1,±i,±j,±k}
其单位元是 1,每个元的逆元是其相反数
可以逐个分析元的阶
- 1 的阶为 1
- −1 的阶为 2
- i,−i,j,−j,k,−k 的阶均为 4
以及群的性质
- 中心 Z(Q8)={1,−1}
- 共轭类 {1},{−1},{i,−i},{j,−j},{k,−k}
并且 Q8 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 R 里面向 Q8 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
H={a+bi+cj+dk∣a,b,c,d∈R}
此时 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}
加法和乘法定义如下
加法(各个分量各自相加)
(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′+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 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+dk,设其逆元为 q−1=a′+b′i+c′j+d′k,根据逆元的运算
qq−1=(a+bi+cj+dk)(a′+b′i+c′j+d′k)=1,整理对比系数
- 实部:aa′−bb′−cc′−dd′
- i 系数:ab′+a′b+cd′−dc′
- j 系数:ac′+a′c+db′−bd′
- k 系数:ad′+a′d+bc′−cb′
于是得到线性方程组:
⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎧aa′−bb′−cc′−dd′=1ba′+ab′−dc′+cd′=0ca′+db′+ac′−bd′=0da′−cb′+bc′+ad′=0
构造增广矩阵并化简:
⎝⎜⎜⎜⎛abcd−bad−c−c−dab−dc−ba1000⎠⎟⎟⎟⎞⟶⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛1000010000100001a2+b2+c2+d2a−a2+b2+c2+d2b−a2+b2+c2+d2c−a2+b2+c2+d2d⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞
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)
q−1=a2+b2+c2+d21(a−bi−cj−dk),□
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
- 复数域 C
- 四元数环 H
- 八元数环 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 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
若 A 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 N,使得对任意 x,y∈A 都有
N(xy)=N(x)N(y)
那么 A 必然同构于 R,C,H 或 O 之一