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极大理想

Maximal ideal

在真理想按包含关系中极大的理想,其商环为域。

条目类型
定义

形式陈述

R交换含幺环。真理想 m 称为极大理想,若不存在真理想 I 满足 mIR。等价地,商环 R/m 是域:商中每个非零类 a+m 对应理想 (m,a),极大性迫使其为全环,从而产生乘法逆元。

每个极大理想都是素理想。存在性则是后续定理:借助Zorn 引理,非零含幺交换环中的每个真理想都包含于某个极大理想。含幺环同态到域的核总是素理想,只有同态满射时才能由第一同构定理推出其核极大。

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

Z 中极大理想恰为 (p)p 素数。F[x,y](xa,yb) 极大,商为 F;若 F 非代数闭,极大理想不必都具有这一线性形式。(0) 在域中极大,但在 Z 中不极大。F[x,y](x) 是素而非极大。极大性是理想偏序中的性质,不表示理想元素数目最大。零环没有真理想,故按标准定义没有极大理想;存在性定理需排除零环。极大理想的像在任意同态下未必极大,商映射和满射情形需单独使用对应定理。在高斯整数环 Z[i] 中,理想 (1+i) 是极大理想,因为映射

a+bia+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(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,也直接说明该商不是域。检查极大性时,“商环是否为域”通常比在全部理想中逐一排除中间项更有效。

推论与应用

商环 R/m 称为剩余域,它把一部分交换代数问题转成域上的线性问题。极大理想还用于局部化、Jacobson 根与 Nullstellensatz;与素理想相比,它对应的不是一般整环商,而是更强的域商。

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。
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