Краткое описание

Определение. Кольцом называется алгебра К = ‹К, +, -, ·, 1› типа (2, 1, 2, 0), главные операции которой удовлетворяют следующим условиям:

Прикрепленные файлы: 1 файл

Кольцо. Определение. Примеры. Простейшие свойства колец. Гомоморфизм и изоморфизм колец.

Определение. Кольцом называется алгебра К = ‹К, +, -, ·, 1› типа (2, 1, 2, 0), главные операции которой удовлетворяют следующим условиям:

1. алгебра ‹К, +, -› есть абелева группа;
2. алгебра ‹К, ·, 1› есть моноид;
3. умножение дистрибутивно относительно сложения, то есть для любых элементов a, b, c из К

(a + b) · c = a · c + b · c, c· (a + b) = c · a + c · b.

Основное множество К кольца К обозначается также через |К|. Элементы множества К называются элементами кольца К.

Опред. Группа ‹К, +, -› называется аддитивной группой кольца К. Нуль этой группы, то есть нейтральный элемент относительно сложения, называется нулем кольца и обозначается 0 или 0 К.

Опред. Моноид ‹К, ·, 1› называется мультипликативным моноидом кольца К. Элемент 1, обозначаемый также через 1 К, являющийся нейтральным относительно умножения, называется единицей кольца К.

Кольцо К называется коммутативным, если a · b = b · a для любых элементов a , b кольца. Кольцо К называется нулевым, если |К| = {0 К }.

Опред. Кольцо К называется областью целостности, если оно коммутативно, 0 К ≠ 1 К и для любых a, b Î К из a· b = 0 следует a = 0 или b = 0.

Опред. Элементы a и b кольца К называются делителями нуля, если a ≠ 0, b ≠ 0 или ba = 0. (Любая область целостности не имеет делителей нуля.)

Пример. Пусть К – множество всех действительных функций, определенных на множестве R действительных чисел. Сумма f + g, произведение f · g, функция

f(-1) и единичная функция 1 определяются: (f + g) (х) = f (х) + g(х);

(f · g)(х) = f(х) · g(х); (–f) (х) =–f (х); 1(х) = 1. Непосредственная проверка показывает, что алгебра ‹К, +, -, ·, 1› является коммутативным кольцом.

Простейшие свойства. Пусть К – кольцо. Так как алгебра ‹К, +, -› есть абелева группа, то для любых элементов a, b, из К уравнение b + x = a имеет единственное решение a + (-b), которое обозначается также через a – b.

1. если a + b = a, то b = 0;
2. если a + b = 0, то b = -a;
3. – (-a) = a;
4. 0 · a = a · 0 = a;
5. (-a)b = a(-b) = -(ab);
6. (-a)(-b) = a · b;
7. (a – b)c = ac – bc и c(a – b) = ca – cb.

Пусть К = ‹К, +, -, ◦, 1› и К` = ‹К`, +, -, ·, 1`› - кольца. Говорят, что отображение h множества К в К` сохраняет главные операции кольца К, если выполнены условия:

1. h(a+b)=h(a)+h(b) для любых a, b из кольца К;
2. h(-a)=-h(a) для любого a из К;
3. h(a·b) = h(a)◦h(b) для любых a, b из К;
4. h(1) = 1`.

Опред. Гомоморфизмом кольца К в (на) кольцо К` называется отображение множества К в (на) К`, сохраняющее все главные операции кольца К. Гомоморфизм кольца К на К` называется эпиморфизмом.

Опред. Гомоморфизм h кольца К на кольцо К` называется изоморфизмом, если h является инъективным отображением множества K на К`. Кольца К и К` называются изоморфными, если существуют изоморфизм кольца К на кольцо К`.

Определение 4.1.1. Кольцо (K , +, ) – это алгебраическая система с непустым множеством K и двумя бинарными алгебраическими операциями на нем, которые будем называть сложением и умножением . Кольцо является абелевой аддитивной группой, а умножение и сложение связаны законами дистрибутивности: (a + b )  c = a  c + b  c и с  (a + b ) = c  a + c  b для произвольных a , b , c  K .

Пример 4.1.1. Приведем примеры колец.

1. (Z , +, ), (Q , +, ), (R , +, ), (C , +, ) – соответственно кольца целых, рациональных, вещественных и комплексных чисел с обычными операциями сложения и умножения. Данные кольца называются числовыми .

2. (Z /n Z , +, ) – кольцо классов вычетов по модулю n  N с операциями сложения и умножения.

3. Множество M n (K ) всех квадратных матриц фиксированного порядка n  N с коэффициентами из кольца (K , +, ) с операциями матричного сложения и умножения. В частности, K может быть равно Z , Q , R , C или Z /n Z приn  N .

4. Множество всех вещественных функций, определенных на фиксированном интервале (a ; b ) вещественной числовой прямой, с обычными операциями сложения и умножения функций.

5. Множество полиномов (многочленов) K [x ] с коэффициентами из кольца (K , +, ) от одной переменной x с естественными операциями сложения и умножения полиномов. В частности, кольца полиномов Z [x ], Q [x ], R [x ], C [x ], Z /n Z [x ] приn  N .

6. Кольцо векторов (V 3 (R ), +, ) c операциями сложения и векторного умножения.

7. Кольцо ({0}, +, ) с операциями сложения и умножения: 0 + 0 = 0, 0  0 = = 0.

Определение 4.1.2. Различают конечные и бесконечные кольца (по числу элементов множества K ), но основная классификация ведется по свойствам умножения. Различают ассоциативные кольца, когда операция умножения ассоциативна (пункты 1–5, 7 примера 4.1.1) и неассоциативные кольца (пункт 6 примера 4.1.1: здесь ,). Ассоциативные кольца делятся на кольца с единицей (есть нейтральный элемент относительно умножения) и без единицы , коммутативные (операция умножения коммутативна) и некоммутативные .

Теорема 4.1.1. Пусть (K , +, ) – ассоциативное кольцо с единицей. Тогда множество K * обратимых относительно умножения элементов кольца K – мультипликативная группа.

Проверим выполнение определения группы 3.2.1. Пусть a , b  K * . Покажем, что a  b  K * .  (a  b ) –1 = b –1  а –1  K . Действительно,

(a  b )  (b –1  а –1) = a  (b  b –1)  а –1 = a  1  а –1 = 1,

(b –1  а –1)  (a  b ) = b –1  (а –1  a )  b = b –1  1  b = 1,

где а –1 , b –1  K – обратные элементы к a и b соответственно.

1) Умножение в K * ассоциативно, так как K – ассоциативное кольцо.

2) 1 –1 = 1: 1  1 = 1  1  K * , 1 – нейтральный элемент относительно умножения в K * .

3) Для  a  K * , а –1  K * , так как (а –1)  a = a  (а –1) = 1
(а –1) –1 = a .

Определение 4.1.3. Множество K * обратимых относительно умножения элементов кольца (K , +, ) называют мультипликативной группой кольца .

Пример 4.1.2. Приведем примеры мультипликативных групп различных колец.

1. Z * = {1, –1}.

2. M n (Q ) * = GL n (Q ), M n (R ) * = GL n (R ), M n (C ) * = GL n (C ).

3. Z /n Z * – множество обратимых классов вычетов, Z /n Z * = { | (k , n ) = 1, 0  k < n }, при n > 1 | Z /n Z * | =  (n ), где  – функция Эйлера.

4. {0} * = {0}, так как в данном случае 1 = 0.

Определение 4.1.4. Если в ассоциативном кольце (K , +, ) с единицей группа K * = K \{0}, где 0 – нейтральный элемент относительно сложения, то такое кольцо называют телом или алгеброй с делением . Коммутативное тело называется полем .

Из данного определения очевидно, что в теле K *   и 1  K * , значит, 1  0, поэтому минимальное тело, являющееся полем, состоит из двух элементов: 0 и 1.

Пример 4.1.3.

1. (Q , +, ), (R , +, ), (C , +, ) – соответственно числовые поля рациональных, вещественных и комплексных чисел.

2. (Z /p Z , +, ) – конечное поле из p элементов, если p – простое число. Например, (Z /2Z , +, ) – минимальное поле из двух элементов.

3. Некоммутативным телом является тело кватернионов – совокупность кватернионов , то есть выражений вида h = a + bi + cj + dk , где a , b , c , d  R , i 2 = = j 2 = k 2 = – 1, i  j = k = – j  i , j  k = i = – k  j , i  k = – j = – k  i , с операциями сложения и умножения. Кватернионы складываются и перемножаются почленно с учетом указанных выше формул. Для всякого h  0 обратный кватернион имеет вид:
.

Различают кольца с делителями нуля и кольца без делителей нуля.

Определение 4.1.5. Если в кольце найдутся ненулевые элементы a и b такие, что a  b = 0, то их называют делителями нуля , а само кольцо – кольцом с делителями нуля . В противном случае кольцо называется кольцом без делителей нуля .

Пример 4.1.4.

1. Кольца (Z , +, ), (Q , +, ), (R , +, ), (C , +, ) – кольца без делителей нуля.

2. В кольце (V 3 (R ), +, ) каждый отличный от нуля элемент является делителем нуля, поскольку
для всех
V 3 (R ).

3. В кольце матриц M 3 (Z ) примерами делителей нуля являются матрицы
и
, так как A  B = O (нулевая матрица).

4. В кольце (Z /n Z , +, ) с составным n = k  m , где 1 < k , m < n , классы вычетов иявляются делителями нуля, так как.

Ниже приведем основные свойства колец и полей.

называется порядком элемента а. Если такого n не существует, то элемент а называется элементом бесконечного порядка.

Теорема 2.7 (малая теорема Ферма). Если a G и G конечная группа, то a |G| =e .

Примем без доказательства.

Напомним, что каждая группа G, ° является алгеброй с одной бинарной операцией, для которой выполняются три условия, т.е. указанные аксиомы группы.

Подмножество G 1 множества G с той же операцией, что и в группе, называется подгруппой, если G 1 , ° является группой.

Можно доказать, что непустое подмножество G 1 множества G является подгруппой группы G, ° тогда и только тогда, когда множество G 1 вместе с любыми элементами а и b содержит элемент а° b -1 .

Можно доказать следующую теорему.

Теорема 2.8 . Подгруппа циклической группы является циклической.

§ 7. Алгебра с двумя операциями. Кольцо

Рассмотрим алгебры с двумя бинарными операциями.

Кольцом называется непустое множество R , на котором введены две бинарные операции + и ° , называемые сложением и умножением такие, что:

1) R; + является абелевой группой;

2) умножение ассоциативно, т.е. для a,b,c R: (a ° b ° ) ° c=a ° (b ° c) ;

3) умножение дистрибутивно относительно сложения, т.е. для

a,b,c R: a° (b+c)=(a° b)+(а ° c) и (а +b)° c= (a° c)+(b° c).

Кольцо называется коммутативным, если для a,b R: a ° b=b ° a .

Кольцо записываем как R; +, ° .

Так как R является абелевой (коммутативной) группой относительно сложения, то она имеет аддитивную единицу, которую обозначают через 0 или θ и называют нулем. Аддитивную обратную для a R обозначают через -а. При этом в любом кольце R имеем:

0 +x=x+ 0 =x, x+(-x)=(-x)+x=0 , -(-x)=x.

Тогда получаем, что

x° y=x° (y+ 0 )=x° y+ x° 0 x° 0 =0 для х R; x° y=(х + 0 )° y=x° y+ 0 ° y 0 ° y=0 для y R.

Итак, мы показали, что для х R: x ° 0 = 0° х = 0. Однако из равенства x ° y=0 не следует, что х= 0 или у= 0. Покажем это на примере.

Пример. Рассмотрим множество непрерывных на отрезке функций. Введем для этих функций обычные операции сложения и умножения: f(x)+ ϕ (x) и f(x)· ϕ (x) . Как легко видеть, получим кольцо, которое обозначается C . Рассмотрим функцию f(x) и ϕ (x) , изображенные на рис. 2.3. Тогда получим, что f(x) ≡ / 0 и ϕ (x) ≡ / 0, но f(x)· ϕ (x) ≡0.

Мы доказали, что произведение равно нулю, если равен нулю один из множителей: a ° 0= 0 для a R и на примере показали, что может быть, что a ° b= 0 для a ≠ 0 и b ≠ 0.

Если в кольце R имеем, что a ° b= 0, то а называется левым, а b правым делителями нуля. Элемент 0 считаем тривиальным делителем нуля.

Коммутативное кольцо без делителей нуля, отличных от тривиального делителя нуля, называют целостным кольцом или областью целостности.

Легко видеть, что

0 =x° (y+(-y))=x° y+x° (-y), 0 =(x+(-x))° y=x° y+(-x)° y

и поэтому x ° (-y)=(-x) ° y является обратным элементом для элемента х° у, т.е.

х ° (-у ) = (-х )° у = -(х ° у ).

Аналогично можно показать, что (- х) ° (- у) = х° у.

§ 8. Кольцо с единицей

Если в кольце R существует единица относительно умножения, то эту мультипликативную единицу обозначают через 1.

Легко доказать, что мультипликативная единица (как и аддитивная) единственна. Мультипликативную обратную для a R (обратную по умножению) будем обозначать через а-1 .

Теорема 2.9 . Элементы 0 и 1 являются различными элементами ненулевого кольца R .

Доказательство. Пусть R содержит не только 0. Тогда для a ≠ 0 имеем а° 0= 0 и а° 1= а ≠ 0, откуда следует, что 0 ≠ 1, ибо если бы 0= 1, то и их произведения на а совпадали бы.

Теорема 2.10 . Аддитивная единица, т.е. 0, не имеет мультипликативного обратного.

Доказательство. а° 0= 0° а= 0 ≠ 1 для а R . Таким образом, ненулевое кольцо никогда не будет группой относительно умножения.

Характеристикой кольца R называют наименьшее натуральное число k

такое, что a + a + ... + a = 0 для всех a R . Характеристика кольца

k − раз

записывается k=char R . Если указанного числа k не существует, то полагаем char R= 0.

Пусть Z – множество всех целых чисел;

Q – множество всех рациональных чисел;

R – множество всех действительных чисел; С – множество всех комплексных чисел.

Каждое из множеств Z, Q, R, C с обычными операциями сложения и умножения является кольцом. Эти кольца являются коммутативными, с мультипликативной единицей, равной числу 1. Эти кольца не имеют делителей нуля, следовательно, являются областями целостности. Характеристика каждого из этих колец равна нулю.

Кольцо непрерывных на функций (кольцо C ) тоже является кольцом с мультипликативной единицей, которая совпадает с функцией, тождественно равной единице на . Это кольцо имеет делители нуля, поэтому не является областью целостности и char C= 0.

Рассмотрим ещё один пример. Пусть М - непустое множество и R= 2M - множество всех подмножеств множества М. На R введем две операции: симметрическую разность А+ В= А В (которую назовём сложением) и пересечение (которое назовём умножением). Можно убедиться, что получили

кольцо с единицей; аддитивной единицей этого кольца будет , а мультипликативной единицей кольца будет множество М. Для этого кольца при любом А, А R , имеем: А+ А = А А= . Следовательно, charR = 2.

§ 9. Поле

Полем называется коммутативное кольцо, у которого ненулевые элементы образуют коммутативную группу относительно умножения.

Приведем прямое определение поля, перечисляя все аксиомы.

Поле – это множество P с двумя бинарными операциями «+ » и «° », называемыми сложением и умножением, такими, что:

1) сложение ассоциативно: для a, b, c R: (a+b)+c=a+(b+c) ;

2) существует аддитивная единица: 0 P, что для a P: a+0 =0 +a=a;

3) существует обратный элемент по сложению: для a P (-a) P:

(-a)+a=a+(-a)=0;

4) сложение коммутативно: для a, b P: a+b=b+a ;

(аксиомы 1 – 4 означают, что поле есть абелева группа по сложению);

5) умножение ассоциативно: для a, b, c P: a ° (b ° c)=(a ° b) ° c ;

6) существует мультипликативная единица: 1 P , что для a P:

1 ° a=a° 1 =a;

7) для любого ненулевого элемента (a ≠ 0) существует обратный элемент по умножению: для a P, a ≠ 0, a -1 P: a -1 ° a = a ° a -1 = 1;

8) умножение коммутативно: для a,b P: a ° b=b ° a ;

(аксиомы 5 – 8 означают, что поле без нулевого элемента образует коммутативную группу по умножению);

9) умножение дистрибутивно относительно сложения: для a, b, c P: a° (b+c)=(a° b)+(a° c), (b+c) ° a=(b° a)+(c° a).

Примеры полей:

1) R;+, - поле вещественных чисел;

2) Q;+, - поле рациональных чисел;

3) C;+, - поле комплексных чисел;

4) пусть Р 2 ={0,1}. Определим, что 1 +2 0=0 +2 1=1,

1 +2 1=0, 0 +2 0=0, 1×0=0×1=0×0=0, 1×1=1. Тогда F 2 = P 2 ;+ 2 , является полем и называется двоичной арифметикой.

Теорема 2.11 . Если а ≠ 0, то в поле единственным образом разрешимо уравнение а° х=b .

Доказательство . a° x=b a-1 ° (a° x)=a-1 ° b (a-1 ° a)° x=a-1 ° b

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИМЕРЫ ГРУППЫ.

Опр1 .Пусть G не пустое множество элементов произвольной природы. G называется группой

1) На множестве G задана бао °.

2) бао ° ассоциативна.

3) Существует нейтральный элемент nÎG.

4) Для любого элемента из G симметричный ему элемент всегда существует и принадлежит такжеG.

Пример. Множество Z – чисел с операцией +.

Опр2 .Группа называется абелевой , если она коммутативна относительно заданной бао °.

Примеры групп:

1) Z,R,Q «+» (Z+)

Простейшие свойства групп

В группе существует единственный нейтральный элемент

В группе для каждого элемента существует единственный симметричный ему элемент

Пусть G - группа с бао °, тогда уравнения вида:

a°x=b и x°a=b (1) - разрешимы и имеют единственное решение.

Доказательство . Рассмотрим уравнения (1) относительно x. Очевидно, что для а $! а". Так как операция ° - ассоциативна, то очевидно x=b°a" - единственное решение.

34. ЧЕТНОСТЬ ПОДСТАНОВКИ*

Определение 1 . Подстановка называется четной , если она разлагается в произведение четного числа транспозиций, и нечетная в противном случае.

Предложение 1 .Подстановка

Является четной <=> - четная перестановка. Следовательно, количество четных подстановок

из n чисел равно n!\2.

Предложение 2 . Подстановки f и f - 1 имеют один характер четности.

> Достаточно проверить, что если - произведение транспозиций, то <

Пример:

ПОДГРУППА. КРИТЕРИЙ ПОДГРУППЫ.

Опр. Пусть G - группа c бао ° и не пустое подмножество HÌG, тогда H называют подгруппой группы G, если H -подгруппа относительно бао° (т.е. ° - бао на Н. И Н с этой операцией группа).

Теорема (критерий подгруппы). Пусть G - группа относительно операции°, ƹHÎG. H является подгруппой <=> "h 1 ,h 2 ÎH выполняется условие h 1 °h 2 "ÎH (где h 2 " - симметричный элемент к h 2).

Док-во. =>: Пусть H - подгруппа (нужно доказать, что h 1 °h 2 "ÎH). Возьмем h 1 ,h 2 ÎH, тогда h 2 "ÎH и h 1 °h" 2 ÎH (так как h" 2 - симметричный элемент к h 2).

<=: (надо доказать, что H - подгруппа).

Раз H¹Æ , то там есть хотя бы один элемент. Возьмем hÎH, n=h°h"ÎH, т.е. нейтральный элемент nÎH. В качестве h 1 берем n, а в качестве h 2 возьмём h тогда h"ÎH Þ " hÎH симметричный элемент к h также принадлежит H.

Докажем, что композиция любых элементов из Н принадлежит Н.

Возьмём h 1 , а в качестве h 2 возьмём h" 2 Þ h 1 °(h 2 ") " ÎH, Þ h 1 °h 2 ÎH.

Пример. G=S n , n>2, α - некоторый элемент из Х={1,…,n}. В качестве H возьмём не пустое множество H= S α n ={fÎ S n ,f(α)=α}, при действии отображения из S α n α остаётся на месте. Проверяем по критерию. Возьмём любые h 1 ,h 2 ÎH. Произведение h 1 . h 2 "ÎH, т.е H - подгруппа, которая называется стационарной подгруппой элемента α.

КОЛЬЦО, ПОЛЕ. ПРИМЕРЫ.

Опр. Пусть К непустое множество с двумя алгебраическими операциями: сложением и умножением. К называется кольцом , если выполняются следующие условия:

1) К- абелевагруппа(коммутативна относительно заданной бао °) относительно сложения;

2) умножение ассоциативно;

3) умножение дистрибутивно относительно сложения().

Если умножение коммутативно, то К называют коммутативным кольцом . Если относительно умножения есть нейтральный элемент, то К называют кольцом с единицей .

Примеры.

1)Множество Z целых чисел образует кольцо относительно обычных операций сложения и умножения. Это кольцо коммутативно, ассоциативно и обладает единицей.

2) Множества Q рациональных чисел и R действительных чисел являются полями

относительно обычных операций сложения и умножения чисел.

Простейшие свойства колец.

1. Так как К абелева группа относительно сложения, то на К переносятся простейшие свойства групп.

2. Умножение дистрибутивно относительно разности: a(b-c)=ab-ac.

Доказательство. Т.к. ab-ac+ac=ab и a(b-c)+ac=a((b-c)+c)=a(b-c+c)=ab, то a(b-c)=ab-ac.

3. В кольце могут быть делители нуля, т.е. ab=0, но отсюда не следует,что a=0 b=0.

Например, в кольце матриц размера 2´2, существуют элементы не равные нулю такие, что их произведение будет нуль: ,где - играет роль нулевого элемента.

4. a·0=0·а=0.

Доказательство. Пусть 0=b-b. Тогда a(b-b)=ab-ab=0. Аналогично 0·а=0.

5. a(-b)=(-a)·b=-ab.

Доказательство: a(-b)+ab=a((-b)+b)=a·0=0.

6. Если в кольце К существует единица и оно состоит более, чем из одного элемента, то единица не равна нулю, где 1─ нейтральный элемент при умножении; 0 ─ нейтральный элемент при сложении.

7. Пусть К кольцо с единицей, тогда множество обратимых элементов кольца образуют группу относительно умножения, которую называют мультипликативной группой кольца K и обозначают K* .

Опр. Коммутативное кольцо с единицей, содержащее не менее двух элементов, в котором любой отличный от нуля элемент обратим, называется полем .

Простейшие свойства поля

1. Т.к. поле - кольцо, то все свойства колец переносятся и на поле.

2. В поле нет делителей нуля,т.е. если ab=0 ,то a=0 или b=0.

Доказательство.

Если a¹0 ,то $ a -1 . Рассмотрим a -1 (ab)=(a -1 a)b=0 , а если a¹0 ,то b=0, аналогично если b¹0

3. Уравнение вида a´x=b, a¹0, b – любое, в поле имеет единственное решение x= a -1 b, или х=b/a.

Решение этого уравнения называется частным.

Примеры. 1)PÌC, P - числовое поле. 2)P={0;1};

Содержащее единицу, называется кольцом с единицей . Обозначается единица, как правило, цифрой «1» (что отражает таковые свойства одноимённого числа) или иногда (например, в матричной алгебре), латинской буквой I или E .

Разные определения алгебраических объектов могут как требовать наличие единицы, так и оставлять её необязательным элементом. Односторонний нейтральный элемент единицей не называется. Единица единственна по общему свойству двустороннего нейтрального элемента.

Иногда единицами кольца называют его обратимые элементы , что может вносить путаницу.

Единица, нуль и теория категорий

Единица является единственным элементом кольца как идемпотентным, так и обратимым.

Обратимость

Обратимым называется всякий элемент u кольца с единицей, являющийся двусторонним делителем единицы, то есть:

с сохранением таких свойств как ассоциативность и коммутативность умножения. Элемент 1 будет являться единицей расширенной алгебры. Если в алгебре уже была единица, то после расширения она превратится в необратимый идемпотент.

С кольцом такое тоже можно проделать, например потому, что всякое кольцо является ассоциативной алгеброй над