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定义Definition

自由模

Free module

具有基、因而每个元素可唯一写为有限线性组合的模。

形式陈述 ​

左 R-模 M 称为自由模,若存在子集 B⊆M,使每个 m∈M 都能唯一写成有限和

m=∑b∈Brbb,

其中只有有限多个 rb≠0。B 称为基,因而 M≅⨁b∈BR。自由模满足泛性质:任意函数 B→N 唯一延拓为 R-模同态 M→N。在非零交换环上,任意两个有限基的元素数相同,称为该自由模的秩;更一般的环在满足不变基数性质(invariant basis number)时,也可这样定义有限秩。

直觉

自由基同时提供生成性与唯一性。生成性让每个元素都有坐标,唯一性让同一个元素不会对应两组不同坐标;等价地,基元素之间的有限线性关系只能是系数全为零的关系。

因此可以自由指定基元素的像。若给定 g:B→N,延拓同态只能取 ∑rbb↦∑rbg(b);坐标唯一保证这个公式没有冲突。对一般生成集,生成元之间可能已有关系,指定的像就必须满足相同关系。

例子与边界

对非零含幺环 R,Rn 是自由模,标准基为坐标向量 e1,…,en。域上的向量空间也都自由。相反,n>1 时的 Z/nZ 不是自由 Z-模:非零元素 [1] 满足 n[1]=0,而在自由整数模中,逐坐标相乘说明非零整数倍只会把零元素送到零。

自由模的子模也可能不自由。例如 I=(2,x)⊂Z[x] 由两个元素生成,却不是主理想。若 I=(f),则 f 同时整除 2 和 x,只能是单位,从而 I=Z[x];但把系数模 2 并令 x=0 后,I 中所有元素都映到零,1 却不为零,矛盾。

若 I 自由,把标量扩张到分式域 Q(x) 后,自由基就成为这个域上的向量空间基。这次扩张也就是按局部化将 I 的标量扩张:允许除以非零多项式后,I 中的 2 给出 1=2/2,所以局部化后的理想是整个 Q(x),维数为一。原来的自由基因此只能有一个元素,又会使 I 成为主理想,矛盾。

对于 PID,自由模的每个子模仍自由。有限秩情形有一个直接证明:把子模投影到首坐标,像理想由一个元素生成,选其原像作为一个基向量,再对投影的核归纳。完整论证见PID 上有限生成模结构定理;它还说明关系子模有有限基,因而有限生成模可由有限矩阵呈示。

对非零环 R 和无限集合 I,有限支撑函数组成的

R(I)=⨁i∈IR

以坐标向量 ei 为基,是自由模。每个元素可以选用不同的有限坐标集合,但单个元素的非零坐标总是有限的。直积 RI 还包含恒等于 1 的函数,它无法写成有限多个 ei 的线性组合,所以这些坐标向量不生成整个直积。

推论与应用

自由模的泛性质给出描述一般模的方法:为 M 选一组生成元 S,把自由模 R(S) 的各个基向量送到相应生成元,就得到满射 R(S)↠M。其核收集生成元之间的全部关系,继续为核取自由模覆盖,就得到自由分解。

自由模也是投射模:给定满模同态 q:N↠P 与 f:M→P,逐个为基向量的像 f(b) 选取 q 下的原像,再按自由模泛性质延拓,就得到 qf~=f。无限基的同时选择采用通常的选择公理背景。

自由基还简化张量积计算。对右 R-模 N,有 N⊗RR(S)≅N(S),同构把 n⊗es 送到第 s 个坐标中的 n。因此把一个模表示为自由模的商后,可以从自由坐标开始计算张量积,再加入关系。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004,Ch. 10, free modules, bases, and universal property。
  • Serge Lang, Algebra, revised 3rd ed., Springer, 2002,Part III, free modules and rank。
关系图谱38 个相邻概念 · 3 类关系

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