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第三章 环与域

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的加法和乘法可验证作成一个环,但我们知道矩阵的乘法是不满交换律与消去律的。由于环的定义中对乘法的要求只有适合结合律一条,所以在环中对乘法的运算往往需要附加一定的条件,由此产生各种类型的环。

1、交换律

因为在环的定义里没有要求乘法适合交换律,所以在环R里对

?a,b?R,未必有ab?ba。如矩阵环Pn?n就不适合交换律,当然也有

适合交换律的环,如整数环。

若环R的乘法适合交换律(即?a,b?R,有ab?ba),则称环R为交换环。

当环R是交换环时,?a,b?R,?n?Z,n?0,有

(ab)n?anbn

例 若环R的每一个元素a都适合a2?a,则称R是布尔环。证明,布尔环是交换环。

证明:?a,b?R,有(a?b)2?a?b,(2a)2?2a,于是有

a2?ab?ba?b2?a?b,4a2?2a,即ab?ba?0,2a?0,即

ab??ba?b(?a),a??a,所以ab?ba,故布尔环R是交换环。

2、单位元

在群论里。我们已经看到了单位元的重要性。在环的定义里,没有要求一个环要有一个对于乘法来说的单位元,但一个环如果有这样一个元,我们可以想象这个元也会占有一个很重要的地位。事实上,有些环确实有单位元,如:整数环Z就有乘法单位元1;数域P上n阶

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方阵环Pn?n也有乘法单位元,即单位矩阵E。但并不是所有环都有单位元,如偶数环2Z就没有乘法单位元。

若环R存在元素e,使得?a?R,有ea?ae?a,则称e是R的单位元。此时环R也叫做有单位元环。

一般地,一个环未必有单位元。但如果有的话,一定是唯一的。因为,若e,e/都是环R的单位元,则e?ee/?e。

例1(P85)

在一个有单位元的环里,这个唯一的单位元习惯上常用1来表示。注意,这里的1不是普通的整数1.

在有单位元的环R里,和群一样,规定a0?1(?a?R)。 设R是有单位元1的环,a,b?R,若ab?ba?1,则称a(b)是可逆元,b(a)是a(b)的一个逆元。

在有单位元的环R里,未必每个元素都有逆元,如整数环Z是一个有单位元的环,但除了?1外,其它的整数都没有逆元。又如在矩阵环Pn?n中非可逆矩阵就没有逆元。

但是如果a?R有逆元,则其逆元是唯一的。因为,若a有两个逆元b和b/,则b?b1?b(ab/)?(ba)b/?1b/?b/。

当a是可逆元时,其唯一的逆元记作a?1。并规定

a?n?(a?1)n (n是正整数)

这样规定以后,当a是可逆元时

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n?????aa?a?an??1?(a?1)?n??n是正整数 n?0n是负整数公式

aman?am?n,(am)n?amn

对任何整数m,n都成立。

3、零因子

前面在讨论环R的运算性质时,曾有结论0a?a0?0,即当环R中的两个元素a,b中有一个是零元时,ab?0。那么,反过来当ab?0时,是否也有a?0或b?0呢?结论是在一般的环里是不成立的。

例2(P86) 在模n剩余类集合Zn?{[0],[1],?,[n?1]}中,我们在第一章定义了加法和乘法:

[a]?[b]?[a?b],[a]?[b]?[ab](?[a],[b]?Zn)并在第

二章证明了Zn关于加法构成加群。又因为

([a]?[b])?[c]?[ab]?[c]?[(ab)c]?[a(bc)]

?[a]?[bc]?[a]?([b]?[c])[a]?([b]?[c])?[a]?[b?c]?[a(b?c)]?[ab?ac]?[ab]?[ac] ?[a]?[b]?[a]?[c]([b]?[c])?[a]?[b?c]?[a]?[(b?c)a]?[ba?ca]?[ba]?[ca] ?[b]?[a]?[c]?[a]所以Zn关于剩余类的加法和乘法构成一个环。这个环叫做模n剩余类环,它有单位元[1]。

当n(?1)不是素数时,n?ab(1?a,b?n),则n?于是在Zn|a,n|b?,

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中[a]?[0],[b]?[0],而[a]?[b]?[ab]?[0],这里[0]是Zn的零元素。

定义 若环R中两个非零元a,b,使得ab?0,则称a是环R的左零因子,b是环R的右零因子。

注:左,右零因子统称零因子。若R是交换环,则它的一个左零因子也是右零因子,反之也一样。但在非交换环中,一个左零因子未必是右零因子,同样一个右零因子也未必是左零因子。

另外,未必每一个环都有零因子,例如整数环Z就没有零因子。 显然,?a,b?R,由ab?0可推出a?0或b?0当且仅当环R没有零因子。

例3 设[a]?Zn,则[a]不是Zn零因子?(a,n)?1。

证明:(?)因为(a,n)?1,所以存在p,q?Z,使得pa?qn?1。

?[b]?Zn,若[a][b]?[0],则由pab?qnb?b,有

[b]?[pab?qnb]?[p][a][b]?[q][n][b]?[p][0]?[q][0][b]?[0],所以[a]不是Zn零因子。

(?)若(a,n)?d?1,则?Z且0?ndn?n??n,所以??是Zn中非零d?d?n??n??a??a??a?元,但[a]??a?n?[n]?[0]?[0]与[a]不是Zn零因子矛??????????ddddd??????????盾,所以d?1,即(a,n)?1。

例4(P88)

定理 若环R没有零因子,则

a?0,ab?ac?b?c(左消去律) a?0,ba?ca?b?c(右消去律)

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