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商模

Quotient module

按子模诱导的陪集等价关系取商并继承模运算的结构。

条目类型
定义

形式陈述

NM 为左 R-子模。商 M/N 的底层商集由加法陪集 m+N 组成,运算定义为

(m+N)+(m+N)=(m+m)+N,r(m+N)=rm+N.

子模对加法和标量封闭保证这些定义与代表元无关。规范投影 π:MM/N 是满模同态,核为 N。它满足泛性质:若模同态 f:MPN 上为零,则存在唯一 f¯:M/NP 使 f=f¯π。因为模的加法群阿贝尔,任意子模作为加法子群自动正规,不需额外正规性条件。

直觉

商模把子模 N 中的方向统一视为零,只保留模 M 沿这些方向之外的差异。两个元素代表同一商类,当且仅当它们的差属于 N;子模对加法与标量作用封闭,正好保证商类上的两种运算不依赖代表元。

例子与边界

Z/nZZ-模 Z 对子模 nZ 的商。向量空间 R2/span(e1) 把水平差异忽略,只保留竖直坐标,并同构于 R。若子集 S 不是子模,标量乘可能依赖代表元,不能形成商模。陪集 m+N 本身是集合,不应与代表元 m 混同;等式 m+N=m+N 当且仅当 mmN。商模维数公式 dim(M/N)=dimMdimN 只在有限维向量空间或相应秩条件下成立,对一般模无统一维数。

M=Z2 与子模 N=2Z×{0}。映射

(a,b)([a]2,b)

的核正是 N,于是

M/NZ/2ZZ.

这个商模同时保留一个自由方向并产生一个挠方向,说明一般模的商不能只用“维数相减”理解。若拿非子模的子集取商,加法或标量乘法会依赖代表元,运算便没有良定义。

推论与应用

商模编码“加入线性关系”。规范映射 MM/N 的核为 N模同态第一同构定理据此把任意像写成核的商;对任意 f:MP,取 N=imf 就得到余核。典型的短正合列

0NMM/N0

同时组织子模、母模与商模。这个商是否能由同态选回 M,正是分裂正合列所检验的额外条件;商模本身并不提供这样的截面。有限呈示模是自由模按关系子模取商,在 PID 上可用Smith 正规形计算,并由结构定理分解其自由与挠部分。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004,Ch. 10, quotient modules and homomorphism theorems。
  • Serge Lang, Algebra, revised 3rd ed., Springer, 2002,Part III, factor modules and universal property。
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