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定理Theorem

环上的中国剩余定理

施工中 · 内容逐步修订

Chinese remainder theorem for rings

两两互素理想的交商与对应商环直积之间存在规范同构。

形式陈述 ​

设 R 为交换含幺环,理想 I1,…,In 两两互素,即 Ii+Ij=R(i≠j)。到各个商环的规范同态

Φ:R→∏i=1nR/Ii,r↦(r+I1,…,r+In)

是满射,核为 ⋂iIi。两两互素还保证⋂iIi=∏iIi,故第一同构定理给出

R/∏iIi≅∏iR/Ii.

对两个理想,取 1=a+b,其中 a∈I,b∈J。要同时实现 x+I 与 y+J,令 r=bx+ay 即可:模 I 时 a=0,b=1,故 r=x;模 J 时 a=1,b=0,故 r=y。这直接证明了满射性。

直觉

模一个理想,表示忽略落在这个理想中的差异。给定几个局部剩余类,CRT 回答怎样用一个环元素同时实现它们。条件 I+J=R 提供了上面的 a,b:一个保留第一坐标、另一个保留第二坐标,拼接时各司其职。

两个元素在所有局部坐标上相同,恰好表示它们的差落在每个 Ii 中,即落在交理想里。取商就把这些无法由局部坐标区分的元素合并。因此,唯一的是 R/⋂iIi 中的类;理想两两互素时,还能把分母写成乘积理想。

例子与边界

整数余数与多项式取值 ​

在 Z 中,(m)+(n)=Z 等价于 gcd(m,n)=1。例如取 (3) 与 (5),得到

Z/(15)≅Z/(3)×Z/(5)

这恢复了整数 CRT。换成 F[x] 中的互素多项式 f,g,便得到 F[x]/(fg)≅F[x]/(f)×F[x]/(g)。

取 f=x、g=x−1 时,两个局部坐标就是多项式在 0 与 1 处的值。若指定这两个值为 u,v,次数至多为一的多项式 p(x)=u+(v−u)x 就同时实现了它们。其他具有相同两点取值的多项式与 p 相差 x(x−1) 的倍数,所以它们在 F[x]/(x(x−1)) 中属于同一类。

共享约束限制局部坐标 ​

取整数理想 (2) 与 (4)。一个整数模 2 的余数由它模 4 的余数决定,因而局部坐标 (0mod2,1mod4) 无法实现,规范映射不是满射。它的核仍为交理想 (2)∩(4)=(4),而乘积理想是 (8);这也展示了失去互素条件后,交与积的区别。

有限性同样参与定理。在 Z 中,对所有素数 p 取理想 (p),它们仍两两互素,但映射 Z→∏pZ/pZ 不可能满射:左边只有可数多个整数,右边包含不可数多个余数组合。

推论与应用

在商环 R/∏iIi 中,对应坐标向量 (0,…,1,…,0) 的元素记为 ei。逐坐标计算得到 ei2=ei、eiej=0(i≠j)以及 ∑iei=1。这些正交幂等元把商环分成可分别计算、再重新拼合的部分,是有限交换环结构分解的一种基本工具。

多项式版本则把模乘积的运算拆成模各因子的运算。上述两点取值例子展示了插值如何成为余类拼接;更一般的模多项式计算与编码也采用这种局部计算、整体恢复的方式。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004,Ch. 7, Chinese remainder theorem for ideals。
  • Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011,Ch. 11, comaximal ideals and product decompositions。
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