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定义Definition

极大理想

施工中 · 内容逐步修订

Maximal ideal

在真理想按包含关系中极大的理想,其商环为域。

形式陈述 ​

设 R 为交换含幺环。真理想 m 称为极大理想,若不存在理想 I 满足 m⊊I⊊R。等价地,商环 R/m 是域。

若 m 极大且 a∉m,则 (m,a)=R,故存在 m∈m、r∈R 使 m+ra=1。取剩余类便得 [r][a]=[1],给出了 [a] 的逆元。反过来,若商环是域,任何严格包含 m 的理想在商中都含非零元素,从而含 1;原理想也就等于全环。

每个极大理想都是素理想,因为域是整环。借助Zorn 引理,还能证明非零含幺交换环中的每个真理想都包含于某个极大理想。

直觉

极大理想是还能保持非零商环的最大可压缩部分。再加入任何不在其中的元素,生成的理想就会成为全环;翻译到商环,这恰好表示每个非零剩余类都有逆元。因此“极大”说的是理想包含偏序中的极值,不是理想含有最多元素。

例子与边界

在 Z 中,极大理想恰为 (p),其中 p 为素数,商环为 Fp。零理想在域中极大,在 Z 中则不极大,因为 (0)⊊(2)⊊Z。

在 F[x,y] 中,求值于 (a,b) 的核 (x−a,y−b) 是极大理想,商环为 F。若底域为 R,还会出现 (x2+1,y),其商环是 C。它不来自实平面中的坐标点,却同样是极大理想。

在高斯整数环 Z[i] 中,理想 (1+i) 是极大理想,因为映射

a+bi⟼a+b(mod2)

给出同构 Z[i]/(1+i)≅F2。相比之下,(2) 不是极大理想:由于 2 与 (1+i)2 只相差单位,存在严格包含

(2)⊊(1+i)⊊Z[i].

在商环 Z[i]/(2) 中,1+i 的剩余类非零却平方为零,这也直接说明该商不是域。

对保幺同态 φ:R→K,其中 K 为域,第一同构定理给出 R/ker⁡φ≅imφ。因此核总是素理想,而它是否极大取决于像是否为域。例如 Z↪Q 的核不极大;Q↪R 虽非满射,核 (0) 仍极大,因为像 Q 本身是域。

推论与应用

商环 R/m 称为剩余域。对任意 R-模 M,商模 M/mM 自然成为这个域上的向量空间:若两个标量相差 m 中的元素,它们作用于 M 的差便落在 mM 中。例如 R=Z、m=(p) 时,M/pM 可用 Fp 上的线性代数研究。

素理想记录商环中的消去律,极大理想进一步给出域值。代数闭域上的 Hilbert 零点定理正是利用这一点,把有限型代数的极大理想识别为方程组的坐标点。

参考资料
  • M. F. Atiyah and I. G. Macdonald, Introduction to Commutative Algebra, Addison-Wesley, 1969,Chs. 1–2, maximal ideals and residue fields。
  • Serge Lang, Algebra, revised 3rd ed., Springer, 2002,Part II, maximal ideals and quotient fields。
关系图谱27 个相邻概念 · 4 类关系

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