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数学 / ideal-ring-theory

理想(环论)

理想是环中对环元素的乘法具有吸收性的加法子群,可用于构造商环,并将整除概念推广到一般的环。

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环(数学)整数域(数学)等价关系陪集同态模算术素数理想(环论…

理想是环(数学)的一个子集,它对加法和取加法逆元封闭,并对环中任意元素的乘法具有吸收性。在交换环中,这种吸收性意味着:只要 aa 属于理想、rr 属于环,rara 就属于理想。在非交换环中,必须区分左理想、右理想和双边理想。理想是构造商环所需的子集,也将整数整除性的某些性质推广到更一般的代数结构中。(math.ucla.edu)

定义与约定

设 RR 为有单位元的结合环。双边理想 I⊆RI\subseteq R 满足:

  1. II 是 RR 的加法子群。
  2. 对任意 a∈Ia\in I 和 r∈Rr\in R,都有 ra∈Ira\in I 且 ar∈Iar\in I。

等价地,II 非空,对减法封闭,并满足上述乘法条件。左理想只要求 ra∈Ira\in I;右理想只要求 ar∈Iar\in I。当 RR 中的乘法满足交换律时,这些概念相同。除非另有说明,下文讨论的都是有单位元的交换环。(math.ucla.edu)

每个环都有零理想 (0)={0}(0)=\{0\} 和单位理想 R=(1)R=(1)。不等于整个环的理想称为真理想。包含 11 或任何可逆元素的理想都等于 RR:若 u∈Iu\in I 可逆,则 u−1u=1∈Iu^{-1}u=1\in I,因此每个 r=r1r=r1 都属于 II。所以,真理想虽然对其内部的加法和乘法封闭,却不包含环的单位元。(math.ucla.edu)

生成的理想与例子

由子集 S⊆RS\subseteq R 生成的理想记为 (S)(S),是包含 SS 的最小理想。在交换环中,它由所有形如

r1s1+⋯+rmsm,ri∈R,si∈Sr_1s_1+\cdots+r_ms_m, \qquad r_i\in R,\quad s_i\in S

的有限和组成。 对于有限个生成元,记作 (a1,…,am)(a_1,\ldots,a_m)。由一个元素生成的理想称为主理想:

(a)=aR={ar:r∈R}.(a)=aR=\{ar:r\in R\}.

生成元不一定唯一。(kconrad.math.uconn.edu)

典型的例子包括:

  • 在整数环 Z\mathbb Z 中,每个理想都可写成 nZ=(n)n\mathbb Z=(n),其中 nn 是唯一确定的非负整数。
  • 域(数学)只有 (0)(0) 和整个域这两个理想,因为每个非零元素都可逆。
  • 在域上的多项式环 k[x]k[x] 中,每个理想都是主理想。
  • 在 k[x,y]k[x,y] 中,理想 (x,y)(x,y) 由常数项为零的多项式组成,它不是主理想。因此,有时必须使用多个生成元。(kconrad.math.uconn.edu)

理想所属的环至关重要。例如,Z\mathbb Z 是 Q\mathbb Q 的加法子群和子环,却不是 Q\mathbb Q 的理想:将 1∈Z1\in\mathbb Z 乘以 1/2∈Q1/2\in\mathbb Q,所得结果不再属于 Z\mathbb Z。吸收性比子集内部对乘法封闭的要求更强。(math.ucla.edu)

商环与同态

理想 II 定义了一个等价关系:

a≡b(modI)⟺a−b∈I.a\equiv b\pmod I \quad\Longleftrightarrow\quad a-b\in I.

商环 R/IR/I 由加法陪集 a+Ia+I 组成,其运算为

(a+I)+(b+I)=(a+b)+I,(a+I)+(b+I)=(a+b)+I,
(a+I)(b+I)=ab+I.(a+I)(b+I)=ab+I.

吸收性保证了乘法不依赖于代表元的选择。自然投影 R→R/IR\to R/I 是一个核为 II 的环同态。反过来,每个环同态的核都是双边理想。(kconrad.math.uconn.edu)

对于环同态 φ\varphi,第一同构定理给出

R/ker⁡φ≅im⁡φ.R/\ker\varphi\cong\operatorname{im}\varphi.

此外,通过 J↦J/IJ\mapsto J/I,R/IR/I 的理想与 RR 中包含 II 的理想一一对应。因此,取商可以理解为施加代数关系。例如,

Z/(n)\mathbb Z/(n)

是模算术中使用的环,而

R[x]/(x2+1)≅C\mathbb R[x]/(x^2+1)\cong\mathbb C

则施加了关系 x2=−1x^2=-1。(math.mit.edu)

理想的运算

对于理想 I,J⊆RI,J\subseteq R,它们的和与积分别为

I+J={a+b:a∈I, b∈J},I+J=\{a+b:a\in I,\ b\in J\},
IJ={∑ν=1maνbν:aν∈I, bν∈J}.IJ= \left\{ \sum_{\nu=1}^{m}a_\nu b_\nu: a_\nu\in I,\ b_\nu\in J \right\}.

二者都是理想,I∩JI\cap J 也是理想。积的定义必须包括有限和:仅由单个乘积组成的集合不一定对加法封闭。总有

IJ⊆I∩J.IJ\subseteq I\cap J.

通过重复相乘可定义幂 InI^n。任意多个理想的交仍是理想,而任意并一般不是理想。(math.mit.edu)

理想商,也称冒号理想,定义为

(I:J)={r∈R:rJ⊆I}.(I:J)=\{r\in R:rJ\subseteq I\}.

它刻画了哪些乘子能将 JJ 乘入 II;它是 RR 的理想,而不是商环。(math.ucla.edu)

若 I+J=RI+J=R,则称两个理想互素。此时 IJ=I∩JIJ=I\cap J。更一般地,中国剩余定理指出,对于有限个两两互素的理想,

R/(I1⋯Im)≅∏ν=1mR/Iν.R/(I_1\cdots I_m) \cong \prod_{\nu=1}^{m}R/I_\nu.

对于整数环中的理想,和与交体现了熟悉的算术运算:

(a)+(b)=(gcd⁡(a,b)),(a)∩(b)=(lcm⁡(a,b)).(a)+(b)=(\gcd(a,b)),\qquad (a)\cap(b)=(\operatorname{lcm}(a,b)).

这说明了理想运算如何推广整除性。(stacks.math.columbia.edu)

素理想、极大理想、根理想与准素理想

这些类别刻画了商环及因式分解的不同性质。

素理想与极大理想

若真理想 p\mathfrak p 满足

ab∈p⟹a∈p 或 b∈p,ab\in\mathfrak p \quad\Longrightarrow\quad a\in\mathfrak p\ \text{或}\ b\in\mathfrak p,

则称其为素理想。 等价地,R/pR/\mathfrak p 是整环,即没有非零零因子的非零交换环。(stacks.math.columbia.edu)

若没有真理想严格包含真理想 m\mathfrak m,则称 m\mathfrak m 为极大理想。等价地,R/mR/\mathfrak m 是域。每个极大理想都是素理想,反之则不成立。例如,在 k[x,y]k[x,y] 中,(x)(x) 是素理想,因为相应的商环是 k[y]k[y];但它不是极大理想,因为 k[y]k[y] 不是域。在 Z\mathbb Z 中,非零素理想恰好是素数 pp 所生成的理想 (p)(p),且它们都是极大理想。(stacks.math.columbia.edu)

有单位元的交换环中的每个真理想都包含于某个极大理想。通常的一般性存在证明使用佐恩引理。(stacks.math.columbia.edu)

根理想

II 的根定义为

I={r∈R:存在 n≥1,使得 rn∈I}.\sqrt I=\{r\in R:\text{存在 }n\geq1\text{,使得 }r^n\in I\}.

若 I=II=\sqrt I,则称 II 为根理想。等价地,R/IR/I 没有非零幂零元;幂零元是指某个正整数次幂为零的元素。每个素理想都是根理想。更一般地,

I=⋂p⊇Ip 为素理想p.\sqrt I= \bigcap_{\substack{\mathfrak p\supseteq I\\ \mathfrak p\text{ 为素理想}}}\mathfrak p.

根 (0)\sqrt{(0)} 称为环的幂零根。(kconrad.math.uconn.edu)

准素理想

若真理想 QQ 满足

ab∈Q,a∉Q⟹存在 n≥1,使得 bn∈Q,ab\in Q,\quad a\notin Q \quad\Longrightarrow\quad \text{存在 }n\geq1\text{,使得 }b^n\in Q,

则称其为准素理想。 等价地,R/QR/Q 中的每个零因子都是幂零元。素理想都是准素理想,准素理想的根是素理想。例如,对于素数 pp 和 e≥1e\geq1,(pe)⊆Z(p^e)\subseteq\mathbb Z 是准素理想,但只有在 e=1e=1 时才是素理想。(kconrad.math.uconn.edu)

有限生成与分解

若交换环的每个理想都有限生成,则称其为诺特环。等价地,每个升链

I1⊆I2⊆I3⊆⋯I_1\subseteq I_2\subseteq I_3\subseteq\cdots

最终都会稳定。希尔伯特基定理指出,诺特环上的有限变量多项式环仍是诺特环。因此,k[x1,…,xn]k[x_1,\ldots,x_n] 中的理想都有有限生成集。(math.mit.edu)

拉斯克–诺特定理指出,诺特环中的每个真理想都具有有限的准素分解:

I=Q1∩⋯∩Qt.I=Q_1\cap\cdots\cap Q_t.

这是将理想表示为若干准素理想之交的分解,一般并非将其分解为素理想的乘积。定理的假设至关重要:在任意环中,理想并不一定有限生成,也不一定具有有限准素分解。(kconrad.math.uconn.edu)

代数几何与计算

在代数几何中,多项式理想用于表示方程组。对于 I⊆k[x1,…,xn]I\subseteq k[x_1,\ldots,x_n],定义

V(I)={a∈kn:对每个 f∈I,都有 f(a)=0}.V(I)=\{a\in k^n:\text{对每个 }f\in I\text{,都有 }f(a)=0\}.

将方程组替换为它们生成的理想,不会改变其公共零点。若 kk 是代数闭域,希尔伯特零点定理指出

I(V(I))=I,I(V(I))=\sqrt I,

其中 I(V(I))I(V(I)) 表示在该零点集上恒为零的所有多项式。因此,几何零点集对应的是根理想,而不是任意理想。(kconrad.math.uconn.edu)

更一般地,环的谱 Spec⁡R\operatorname{Spec}R 是 RR 的素理想集合,并赋予扎里斯基拓扑学中的拓扑。其闭集为

V(I)={p:I⊆p}.V(I)=\{\mathfrak p:I\subseteq\mathfrak p\}.

这里同样有 V(I)=V(I)V(I)=V(\sqrt I)。(stacks.math.columbia.edu)

对于域上的多项式理想,格勒布纳基提供了判定多项式是否属于理想的方法:一个多项式属于该理想,当且仅当它除以格勒布纳基所得的余式为零。这种基也可用于消元和商环中的计算。任意生成集一般不具备同样的余式判定性质。(ocw.mit.edu)

数论与历史发展

理想理论起源于十九世纪对代数数环中因式分解的研究。理查德·戴德金于 1871 年首次发表了他的理想理论,建立了以环的子集代替元素作为分解对象的理论框架。(arxiv.org)

其核心算术结果涉及戴德金整环,数域中的代数整数环也属于这一类:每个非零真理想都能分解为非零素理想的乘积,且这种分解除因子次序外唯一。即使元素不具有唯一分解性,这一结论仍然成立。(jmilne.org)

戴德金整环的非零分式理想在乘法下构成一个群。将这个群对主分式理想组成的子群取商,得到理想类群。它衡量理想偏离主理想的程度;戴德金整环的理想类群是平凡群,当且仅当其每个理想都是主理想。这些分解性和可逆性是相应类别的环所特有的,并非一般理想都具有的性质。(jmilne.org)

非交换情形的区别

在非交换代数中,左理想是左正则模(数学) RR{}_RR 的子模,右理想则是 RRR_R 的子模。对左理想取商可得到左模,但通常的商乘法只有在取商所用的理想是双边理想时,才能定义一个环。(math.mit.edu)

例如,在矩阵环 Mn(k)M_n(k) 中,当 n≥2n\geq2 时,第一列为零的矩阵组成一个左理想,但不是右理想。然而,Mn(k)M_n(k) 只有两个双边理想,即 (0)(0) 和整个环:它是一个单环。因此,非交换环可以有许多单边理想,却没有非平凡的双边理想;交换环中以商环为域来刻画极大理想的结论,也不能原封不动地推广到非交换情形。(math.mit.edu)

参考来源

  1. Abstract Algebra — Chapter 3 Ring theory, Romyar Sharifimath.ucla.edu
  2. Notes on Ideals, Keith Conradkconrad.math.uconn.edu
  3. Algebraic Geometry, MIT lecture notesmath.mit.edu
  4. Rings, Ideals, and Modules, Pavel Etingofmath.mit.edu
  5. Basic notions — The Stacks Projectstacks.math.columbia.edu
  6. The spectrum of a ring — The Stacks Projectstacks.math.columbia.edu
  7. Chinese remainder — The Stacks Projectstacks.math.columbia.edu
  8. Maximal Ideals in Polynomial Rings, Keith Conradkconrad.math.uconn.edu
  9. Noetherian Rings, Keith Conradkconrad.math.uconn.edu
  10. Lecture 14: Monomial Orderings, MIT 6.972ocw.mit.edu
  11. Dedekind on Higher Congruences and Index Divisors, 1871 and 1878arxiv.org
  12. Algebraic Number Theory, J. S. Milnejmilne.org