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数学 / field-mathematics

域(数学)

域是一种代数结构,支持加法、减法、乘法以及除以任意非零元素的运算。

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抽象代数公理环(数学)有理数实数复数整数矩阵(数学)域(数学)

域是一个配备了加法和乘法的集合,这两种运算满足特定规则,使减法和除以非零元素的运算得以成立。常见的例子包括有理数、实数和复数,但域也可以只包含有限多个元素。在抽象代数中,域这一概念刻画了这些系统共有的代数性质,而不要求其中的元素是通常意义上的数。(math.mit.edu)

定义与公理

域 FF 具有两种二元运算,即加法 ++ 和乘法 ⋅\cdot,以及两个不同的元素 00 和 11。定义域的公理要求:

  • 结合律: (a+b)+c=a+(b+c)(a+b)+c=a+(b+c),且 (ab)c=a(bc)(ab)c=a(bc)。
  • 交换律: a+b=b+aa+b=b+a,且 ab=baab=ba。
  • 单位元: a+0=aa+0=a,且 a⋅1=aa\cdot1=a。
  • 加法逆元: 每个 aa 都有一个元素 −a-a,满足 a+(−a)=0a+(-a)=0。
  • 乘法逆元: 每个 a≠0a\ne0 都有一个元素 a−1a^{-1},满足 aa−1=1aa^{-1}=1。
  • 分配律: a(b+c)=ab+aca(b+c)=ab+ac。

这两种运算的输入和结果均为 FF 中的元素。减法就是加上加法逆元;除法就是乘以乘法逆元。除以零没有定义。(math.mit.edu)

等价地说,域是一个满足 1≠01\ne0、且每个非零元素都可逆的交换环(数学)。它的加法结构,以及非零元素组成的乘法结构,都是阿贝尔群。若去掉乘法交换律这一要求,就得到更广泛的除环概念。(math.mit.edu)

例子与反例

有理数 Q\mathbb Q、实数 R\mathbb R 和复数 C\mathbb C 在通常的运算下都是域。整数 Z\mathbb Z 则不是域:例如,22 在 Z\mathbb Z 中没有乘法逆元。同样,阶数至少为二的实数方矩阵也不构成域,因为有些非零矩阵不可逆。(homepages.ucl.ac.uk)

对于素数 pp,剩余类集合 Z/pZ\mathbb Z/p\mathbb Z 在模算术运算下构成一个域,记作 Fp\mathbb F_p。例如,在 F5\mathbb F_5 中,3+4=23+4=2,且 2−1=32^{-1}=3,因为模 55 时 2⋅3=12\cdot3=1。如果模数是合数,得到的环就不是域:在模 66 的情况下,非零剩余类 22 和 33 的乘积为零。(homepages.ucl.ac.uk)

特征与有限域

域的特征是使 nn 个 11 相加得到零的最小正整数 nn。如果不存在这样的整数,则特征为零。正特征必定是素数。每个域都包含一个最小子域,称为它的素子域;特征为零时,素子域同构于 Q\mathbb Q,特征为 pp 时则同构于 Fp\mathbb F_p。(jmilne.org)

每个有限域的元素个数都为 pnp^n,其中 pp 是某个素数,nn 是正整数。反过来,对于每个素数幂 pnp^n,都存在一个具有这么多元素的域,并且在同构意义下唯一;同构是保持域运算的双射。这个域记作 Fpn\mathbb F_{p^n} 或 GF⁡(pn)\operatorname{GF}(p^n)。它的特征是 pp,而不是 pnp^n。(math.mit.edu)

这样的域可以通过将 Fp\mathbb F_p 上的多项式对一个 nn 次不可约多项式取模来构造。例如,

F4≅F2[x]/(x2+x+1).\mathbb F_4\cong\mathbb F_2[x]/(x^2+x+1).

用 α\alpha 表示 xx 所在的剩余类,则这个域的元素为 0,1,α,1+α0,1,\alpha,1+\alpha,且 α2=α+1\alpha^2=\alpha+1。它并不是模四整数环。(math.mit.edu)

子域与扩张

子域是一个在原有运算下自身也构成域的子集。当 KK 是 LL 的子域时,L/KL/K 是一个域扩张。较大的域是较小的域上的向量空间;它的维数(向量空间)记作 [L:K][L:K],称为该扩张的次数。(jmilne.org)

如果扩张中的某个元素满足一个系数属于 KK 的非零多项式方程,就称该元素在 KK 上是代数的;否则称其为超越的。例如,

Q(2)={a+b2:a,b∈Q}\mathbb Q(\sqrt2)=\{a+b\sqrt2:a,b\in\mathbb Q\}

在 Q\mathbb Q 上的扩张次数为二。如果一个域上的每个非常数多项式都在该域中有根,就称这个域是代数闭的。代数基本定理表明 C\mathbb C 具有这一性质。(jmilne.org)

线性代数与应用

域为线性代数提供标量。向量、矩阵和线性方程都可以在任意域上研究,而不仅限于实数域或复数域。非零标量具有逆元,因此可以进行涉及除法的运算;选择不同的域会改变运算规则,但不必改变其基本框架。(homepages.ucl.ac.uk)

伽罗瓦理论通过保持运算的对称性来研究域扩张。对于有限伽罗瓦扩张,其基本定理将中间域与相应伽罗瓦群的子群联系起来,从而把域的结构与群论联系起来。(jmilne.org)

密码学中有一个具体应用:高级加密标准将字节视为 F256\mathbb F_{256} 中的元素。加法是按位异或,而乘法则使用系数为二进制值的多项式,并对一个指定的不可约多项式取模。这些是域运算,而不是普通的模 256256 整数运算。(nvlpubs.nist.gov)