考虑一个看起来有些神奇的情况:
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」

注意,我们接下来考虑的环一律默认非零环。


先定义两类比较特殊的环中的元

第一个是单元,单元可以简单理解为 “性质特别好的成员”

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 单元 (Unit)「単元」

RR 的单元全体记作 R×R^\times,其对乘法构成群

示例

  • Z×={1,1}\mathbb Z^\times = \{ 1, -1 \} \quad
  • (Z/nZ)×={x+mZgcd(x,m)=1}(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\times = \{x + m\mathbb Z \mid \gcd(x,m) = 1\} \quad

第二个是零因子,可以简单理解为 “性质特别差的成员”,这是两个极端

通常的环中,两个非 00 的元 a,ba,b 的积也可能是 00
这样的元被称为 零因子 (Zero Divisor)「零因子」
(例如矩阵乘法中就有这样的零因子)
研究零因子是将环的性质强化到下一个阶段(域)的钥匙

定义
RR 为环,aR{0}a \in R \setminus \{0\} \quad

  • aa左零因子 (Left Zero Divisor)「左零因子」 defbR{0}:ab=0\stackrel{def}{\iff} \exists b \in R \setminus \{0\} : ab = 0
  • aa右零因子 (Right Zero Divisor)「右零因子」 defcR{0}:ca=0\stackrel{def}{\iff} \exists c \in R \setminus \{0\} : ca = 0
  • aa零因子 (Zero Divisor)「零因子」 def\stackrel{def}{\iff} aa 为左零因子或右零因子
  • RR整环 (Integral Domain)「整域」 def\stackrel{def}{\iff} RR 不具有零因子

示例
例 1 有理整数环 Z\mathbb Z 是整环。
例 2 映射 f:[0,1]Rf:[0,1] \to \mathbb R 全体构成的交换环并非整环。例如我们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}

例 3 非零加法群 AA 的自同态环 End(A)End(A) 的单元其实就是 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)Aut(A)

如果一个环 RR 内所有非 00 的元都是单元,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。
如果其进一步满足乘法交换律,则称为 域 (Field)「体」

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

示例
例 1 QRC\mathbb Q \subset \mathbb R \subset \mathbb C 都是域。
例 2 有理整数环 Z\mathbb Z 不是域(单元仅 1,11,-1)。
例 3 多项式环 R[x]R[x] 不是域。

通过研究零因子(整环),我们其实就可以研究环是否为域。
注意明确

  • 整环的关键性质是没有零因子
  • 域的关键性质是所有非零元都是单元(可逆)

命题

  • 任意的域都是整环
  • 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元,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\mathbb QR\mathbb R 的子域。