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定义Definition

域

Field

非零元素在乘法下均可逆的交换环。

形式陈述 ​

域是含幺交换环 (F,+,⋅),满足 1≠0,且每个 a∈F∖{0} 都存在 a−1∈F 使

aa−1=1.

等价地,域是这样一个集合 F 连同两个运算:(F,+) 是阿贝尔群(零元记 0),(F∖{0},⋅) 也是阿贝尔群(幺元记 1),并且乘法对加法满足分配律 a(b+c)=ab+ac。

直觉

域允许在同一个集合中进行加、减、乘以及除以非零元素。除法是乘逆元的简写:b/a=a−1b;它不是额外独立给定的运算。零不能作为分母,因为 0c=0 对任何 c 都成立,无法等于 1≠0。

常见代数结构逐步增加了运算能力:环里能加减乘;整环要求非零、交换、含幺且没有零因子,非零乘数可以约去;域再要求这些乘数拥有逆元。约去只能从 ax=ay 推出 x=y,有逆元却还能保证 ax=b 对每个 b 都有解 x=a−1b。例如在整数中 2x=1 无解,在有理数中则可解为 1/2。

条件 1≠0 保证域至少有两个元素;若 1=0,则任意 a=a⋅1=a⋅0=0,得到的是只有一个元素的零环。

例子与边界

Q、R、C 都是域。对素数 p,Z/pZ 是有限域:每个非零剩余类都与 p 互素,由 Bézout 恒等式可逆;例如在 Z/5Z 中 2⋅3=6≡1,故 2−1=3。

Z 是整环但不是域,因为 2 的逆元 1/2 不在 Z 中。合数 n 时,Z/nZ 还会出现零因子;如模 6 时 2⋅3=0,两个因子却都非零。域没有零因子:若 ab=0 且 a≠0,乘 a−1 便得 b=0。

有限整环必是域。固定 a≠0,乘法映射 x↦ax 因可约去而单射;有限集合上的单射自动满射,于是 1 落在像中,给出 a 的逆元。因此“整环而非域”的现象只能发生在无限结构上。

推论与应用

向量空间以域为标量集合。高斯消元中,若主元为 a≠0,将该行乘以 a−1 就能把主元变成 1,再用行相减消去同列其他元素。这些行操作都有逆操作,因此保持方程组的解集。

域上的一元多项式环 F[x] 是欧几里得整环:除式的最高次系数可逆,使带余除法能逐次降低次数,进而计算最大公因式。在域中添加多项式的根则引出域扩张;例如从 R 加入 x2+1 的根 i,得到 C,其中每个元素唯一写成 a+bi。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004, §7.1 and Chapter 13.
  • Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011, §3.2 and Chapter 15.
关系图谱296 个相邻概念 · 3 类关系

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