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定义Definition

子模

施工中 · 内容逐步修订

Submodule

对加法和标量乘法封闭的模子集。

形式陈述 ​

左 R-模 M 的子集 N⊆M 称为子模,若它在加法下为子群且对标量作用封闭;等价地,N≠∅ 且对任意 x,y∈N、r,s∈R 有

rx+sy∈N.

任意子模族的交仍为子模。子集 S⊆M 生成的子模

⟨S⟩R={∑i=1nrisi:n≥0, ri∈R, si∈S}

是包含 S 的最小子模,其中 n 为整数,n=0 时的空和取零。两个子模的和 N+P={n+p:n∈N,p∈P} 是最小同时包含它们的子模;并集 N∪P 是子模当且仅当一者包含另一者。

直觉

把一组元素当作起点,允许反复相加、取负和乘环中的标量,所有有限步能得到的结果就组成它们生成的子模。子模的交保留共同允许的结果;子模的和则把两边的结果混合起来,再对线性运算封闭。直接取并集通常漏掉跨两边相加得到的元素。

子模推广了线性子空间,但直和补未必存在。例如 2Z 是 Z 的子模。若取另一个非零子模 mZ,二者都会包含非零元素 2m,交集不是零;若取零子模,二者的和又只有 2Z。因此没有子模能与 2Z 组成整个 Z 的直和。

例子与边界

Z 作为自身的模,其子模恰为理想 nZ。其中 2Z∪3Z 对整数倍封闭,却不对加法封闭:2,3 在并集中,2+3=5 不在。它们的和是 Z,因为 3−2=1,而交是同时被 2,3 整除的整数所成的 6Z。

在 Z-模 Z2 中取

N={(a,b)∈Z2:a+b≡0(mod2)}.

它是同态 φ(a,b)=a+b(mod2) 的核,因而是子模,并且

Z2/N≅Z/2Z.

若 (a,b)∈N,则 b−a 为偶数,因此

(a,b)=a(1,1)+b−a2(0,2).

两个系数都是整数,且表示唯一,所以 (1,1),(0,2) 构成 N 的一组基。这个子模仍有秩二,但在母模中只有两个陪集:坐标和为偶数的一类,以及为奇数的一类。仿射集合 {(a,b):a+b=1} 则不含零向量,因此不是子模。

推论与应用

模同态的核与像天然是子模。对一个子模 N,把差属于 N 的元素等同,便得到商模;标量作用之所以不依赖代表元,正是因为 m−m′∈N 蕴含 r(m−m′)∈N。同构定理、正合列和同调构造都使用这一步。

子模按包含关系形成格,交是下确界,和是上确界。若 M 的每个子模都有限生成,则称 M 为 Noether 模,等价地,子模升链最终稳定。

仅仅 M 自身有限生成还不够。取域 k 和 R=k[x1,x2,…],R 作为自身的模由 1 生成,但子模 (x1,x2,…) 不能有限生成:任何有限组候选生成元只涉及有限多个变量,将这些变量全部置零后,生成元及其任意线性组合都变成零,而尚未涉及的变量仍非零。

若子模包含一份 R/p,它对应某个非零元素的素零化子,进入伴随素理想的描述。对子模的另一种精细问题是理想幂滤过:Artin–Rees 引理在 Noether 有限模条件下,比较 N∩InM 与 InN,并说明两者虽不逐层相等,却给出相同的完备拓扑。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004,Ch. 10, submodules, sums, and generated modules。
  • Serge Lang, Algebra, revised 3rd ed., Springer, 2002,Part III, submodules and generators。
关系图谱36 个相邻概念 · 3 类关系

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