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定义Definition

环

施工中 · 内容逐步修订

Ring

带加法阿贝尔群和相容乘法的代数结构。

形式陈述 ​

环是三元组 (R,+,⋅),其中 (R,+) 是阿贝尔群,乘法是 R 上满足结合律的二元运算,并满足左右分配律:

a(b+c)=ab+ac,(a+b)c=ac+bc(a,b,c∈R).

加法的单位元记为 0,a 的加法逆元记为 −a。乘法结合但不必交换;一般必须保留因子次序。

这里采用允许无乘法单位元的环定义。若存在 1R 使 1Ra=a1R=a,则称为含幺环。只含一个元素的零环也满足这些公理,此时 0=1;非零含幺环则满足 0≠1。

相应地,环同态只要求保持加法与乘法;含幺环之间还满足 φ(1R)=1S 的同态称为保幺环同态。子环也可不与大环共享乘法单位元,共享时称为含幺子环。有些教材将“含幺”和“保幺”直接纳入环及环同态的定义,两种术语约定的差别就在这里。

直觉

整数里的加、减、乘满足一套共同规律,多项式和矩阵也服从这些规律。环把这部分算术提取出来,同时保留“不能随意除法”和“乘法可能不交换”的空间。

分配律把两种运算联系起来:先相加再乘一个量,与分别相乘后相加一致。展开 (a+b)(c+d) 时,先用右分配得到 a(c+d)+b(c+d),再用左分配得到 ac+ad+bc+bd。两条分配律各自处理一侧的和,整个过程保留了因子次序,因此同样适用于矩阵这样的非交换乘法。

例子与边界

零吸收律是推论 ​

由分配律,a0=a(0+0)=a0+a0;在加法群中两边减去 a0,得到 a0=0。同理 0a=0。再由 ab+a(−b)=a(b−b)=0,得到 a(−b)=−(ab)。这些熟悉的符号规则来自公理,且没有使用乘法单位元。

这一证明用到了加法群的消去律。半环的加法只要求构成交换幺半群,未必可消去,因此半环的定义另行要求零对乘法吸收。

交换、含幺、可逆是不同条件 ​

Z 是交换含幺环,但 2 没有乘法逆元。偶整数 2Z 对加减乘封闭,是无幺环;若存在单位元 e,由 2e=2 得 e=1,与 e∈2Z 矛盾。

M2(R) 以单位矩阵为幺元,却不交换。例如令

A=(0100),B=(0010),

则 AB=diag(1,0),而 BA=diag(0,1)。矩阵相加仍交换;环公理只强制加法交换。

在 Z/6Z 中,[2][3]=[0]=[2][0],但 [3]≠[0],所以乘法不能消去非零因子 [2]。自然数的加法缺少正整数的加法逆元,因此 N 不是环。

同态不一定保幺 ​

映射 φ:Z→Z×Z,n↦(n,0) 保持加法与乘法,但 φ(1)=(1,0)≠(1,1)。因此它是环同态,却不是保幺环同态。它的像 Z×{0} 自身有单位元 (1,0),也展示了子环的单位元可以不同于大环的单位元。

推论与应用

一般环用理想规定哪些元素可以一致地当作零,并由商环实现这一识别。交换性再使左右理想合一,通向交换代数中的素理想、局部化等构造。

把环元素用作标量会得到模。若环是非零交换含幺环且每个非零元素可逆,就得到域;域上的模是熟悉的向量空间。

若一个含幺环还指定了域 k 到其中心的保幺环同态,就得到域上的含幺结合代数;相应的标量作用使环成为 k-向量空间,并使乘法双线性。上三角矩阵的三维例子展示:同一个向量空间可承载不同乘法,表示还必须逐项保持乘法表。

参考资料
关系图谱186 个相邻概念 · 3 类关系

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