Из двух колец в одно примеры. Кольца
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.
Непустое множество К, на котором заданы две бинарные операции-сложение (+) и умножение ( ), удовлетворяющие условиям:
1) относительно операции сложения К - коммутативнаятруппа;
2) относительно операции умножения К - полугруппа;
3) операции сложения и умножения связаны законом дистрибутивности, т. е. (a+b)с=ас+bс, с(a+b) =ca+cb для всех а, b, c K , называется кольцом (К,+, ).
Структура (К, +) называется аддитивной группой кольца. Если операция умножения коммутативна, т. е. ab=ba. для всех а , b , то кольцо называется коммутативным.
Если относительно операции умножения существует единичный элемент, который в кольце принято обозначать единицей 1,. то говорят, что К есть кольцо с единицей.
Подмножество L кольца называется подкольцом, если L - подгруппа аддитивной группы кольца и L замкнуто относительно операции умножения, т. е. для всех a, b L выполняется а+b L и ab L.
Пересечение подколец будет подкольцом. Тогда, как и в случае групп, подкольцом, порожденным множеством S K, называется пересечение всех подколец К, содержащих S.
1. Множество целых чисел относительно операций умножения и сложения (Z, +, )-коммутативное кольцо. Множества nZ целых чисел, делящихся на п, будет подкольцом без единицы при п>1.
Аналогично множество рациональных и действительных чисел - коммутативные кольца с единицей.
2. Множество квадратных матриц порядка п относительно-операций сложения и умножения матриц есть кольцо с единицей Е - единичной матрицей. При п>1 оно некоммутативное.
3. Пусть K-произвольное коммутативное кольцо. Рассмотрим всевозможные многочлены
с переменной х и коэффициентами а 0 , а 1 , а 2 , ..., а n , из К. Относительно алгебраических операций сложения и умножения многочленов- это коммутативное кольцо. Оно называется кольцом многочленов К от переменной х над кольцом К (например, над кольцом целых, рациональных, действительных чисел). Аналогично определяется кольцо многочленов K от т переменных как кольцо многочленов от одной переменной х т над кольцом K.
4. Пусть X - произвольное множество, К -произвольное кольцо. Рассмотрим множество всех функций f: Х К, определенных на множестве X со значениями в К Определим сумму и произведение функций, как обычно, равенствами
(f+g)(x)=f(x)+g(x); (fg)(x)=f(x)g(x),
где + и - операции в кольце К.
Нетрудно проверить, что все условия, входящие в определение кольца, выполняются, и построенное кольцо будет коммутативным, если коммутативно исходное кольцо K . Оно называется кольцом функций на множестве X со значениями в кольце К.
Многие свойства колец - это переформулированные соответствующие свойства групп и полугрупп, например: a m a n =a m + n , (а т) п =а тп для всех m , n и всех a .
Другие специфические свойства колец моделируют свойства чисел:
1) для всех a a 0=0 a=0;
2) .(-а)b=а(-b)=-(ab) ;
3) - a=(-1)a .
Действительно:
2) 0=a (аналогично (-a)b=-(ab));
3) используя второе свойство, имеем-a= (-a)1 =a(-1) = (-1)a .
Поле
В кольцах целых, рациональных и действительных чисел из того, что произведение ab=0, следует, что либо а =0, либо b =0. Но в кольце квадратных матриц порядка n >1 это свойство уже не выполняется, так как, например, = .
Если в кольце К ab=0 при а 0, b , то а называется левым, а b - правым делителем нуля. Если в К нет делителей нуля (кроме элемента 0, который является тривиальным делителем нуля), то K называется кольцом без делителей нуля.
1. В кольце функции f: R R на множестве действительных чисел R рассмотрим функции f 1 (x)=|x|+x; f 2 (x) =|x|-x. Для них f 1 (x) =0 при x и f 2 (x )=0 при x , а поэтому произведение f 1 (x) f 2 (x) - нулевая функция, хотя f 1 (x) и f 2 (x) . Следовательно, в этом кольце есть делители нуля.
2. Рассмотрим множество пар целых чисел (а, b), в котором заданы операции сложения и умножения:
(a 1 , b 1)+(a 2 , b 2)=(a 1 +a 2 , b 1 +b 2);
(a 1 , b 1)(a 2 , b 2)= (a 1 a 2 , b 1 b 2).
Это множество образует коммутативное кольцо с единицей (1,1) и делителями нуля, так как (1,0)(0,1)=(0,0).
Если в кольце нет делителей нуля, то в нем выполняется закон сокращения, т. е. ab=ac, а =с. Действительно, ab-ac=0 a(b-c)=0 (b-c)=0 b=c.
Пусть К - кольцо, с единицей. Элемент а называется обратимым, если существует такой элемент а -1 , для которого aa -1 =a -1 a=1 .
Обратимый элемент не может быть делителем нуля, так как. если ab =0 , то a -1 (ab) =0 (a -1 a)b=0 1b=0 b=0 (аналогично ba=0 ).
Теорема. Все обратимые элементы кольца К с единицей образуют группу относительно умножения.
Действительно, умножение в К
ассоциативно, единица содержится во множестве обратимых элементов и произведение не выводит из множества обратимых элементов, так как если а
и b
обратимы, то
(аb) -1 =b -1 a -1 .
Важную алгебраическую структуру образуют коммутативные кольца К, в которых каждый ненулевой элемент обратим, т. е. относительно операции умножения множество K \{0} образует группу. В таких кольцах определены три операции: сложение, умножение и деление.
Коммутативное кольцо Р с единицей 1 0, в котором каждый ненулевой элемент обратим, называется полем.
Относительно умножения все отличные от нуля элементы поля образуют группу, которая называется мультипликативной группой поля.
Произведение аb -1 записывается в виде дроби и имеет смысл лишь при b 0 . Элемент является единственным решением уравнения bx=a. Действия с дробями подчиняются привычным для нас правилам:
Докажем, например, второе из них. Пусть х= и у= - решения уравнений bx=a, dy=c. Из этих уравнений следует dbx=da, bdy=bc bd(x+y)=da+bc t= - единственное решение уравнения bdt=da+bc.
1. Кольцо целых чисел не образует поля. Полем является множество рациональных и множество действительных чисел.
8.7. Задания для самостоятельной работы по главе 8
8.1. Определить, является ли операция нахождения скалярного произведения векторов n-мерного евклидового пространства коммутативной и ассоциативной. Обосновать ответ.
8.2. Определить, является ли множество квадратных матриц порядка n относительно операции умножения матриц, группой или моноидом.
8.3. Указать, какие из следующих множеств образуют группу относительно операции умножения:
а) множество целых чисел;
б) множество рациональных чисел;
в) множество действительных чисел, отличных от нуля.
8.4. Определить, какие из следующих структур образует множество квадратных матриц порядка n с определителем, равным единице: относительно обычных операций сложения и умножения матриц:
а) группу;
б) кольцо;
8.5. Указать, какую структуру образует множество целых чисел относительно операции умножения и сложения:
а) некоммутативное кольцо;
б) коммутативное кольцо;
8.6. Какую из перечисленных ниже структур образует множество матриц вида с действительными a и b относительно обычных операций сложения и умножения матриц:
а) кольцо;
8.7. Какое число нужно исключить из множества действительных чисел, чтобы оставшиеся числа образовывали группу относительно обычной операции умножения:
8.8. Выяснить, какую из следующих структур образует множество, состоящее из двух элементов a и e, с бинарной операцией, определенной следующим образом:
ee=e, ea=a, ae=a, aa=e.
а) группу;
б) абелеву группу.
8.9. Являются ли кольцом четные числа относительно обычных операций сложения и умножения? Обосновать ответ.
8.10. Является ли кольцом совокупность чисел вида a+b , где a и b – любые рациональные числа, относительно операций сложения и умножения? Ответ обосновать.
Аннотация: В данной лекции рассматриваются понятия колец. Приведены основные определения и свойства элементов кольца, рассмотрены ассоциативные кольца. Рассмотрен ряд характерных задач, доказаны основные теоремы, а также приведены задачи для самостоятельного рассмотрения
Кольца
Множество R с двумя бинарными операциями (сложением + и умножением ) называется ассоциативным кольцом с единицей , если:
Если операция умножения коммутативна, то кольцо называется коммутативным кольцом. Коммутативные кольца являются одним из главных объектов изучения в коммутативной алгебре и алгебраической геометрии.
Замечания 1.10.1 .
Примеры 1.10.2 (примеры ассоциативных колец) .
Мы уже убедились, что группа вычетов (Z n ,+)={C 0 ,C 1 ,...,C n-1 }, C k =k+nZ , по модулю n с операцией сложения , является коммутативной группой (см. пример 1.9.4, 2)).
Определим операцию умножения, полагая . Проверим корректность этой операции . Если C k =C k" , C l =C l" , то k"=k+nu , l"=l+nv , , и поэтому C k"l" =C kl .
Так как (C k C l)C m =C (kl)m =C k(lm) =C k (C l C m), C k C l =C kl =C lk =C l C k , C 1 C k =C k =C k C 1 , (C k +C l)C m =C (k+l)m =C km+lm =C k C m +C l C m , то является ассоциативным коммутативным кольцом с единицей C 1 кольцом вычетов по модулю n ).
Свойства колец (R,+,.)
Лемма 1.10.3 (бином Ньютона) . Пусть R - кольцо с 1 , , . Тогда:
Доказательство.
Определение 1.10.4 . Подмножество S кольца R называется подкольцом , если:
а) S - подгруппа относительно сложения в группе (R,+) ;
б)для имеем ;
в)для кольца R с 1 предполагается, что .
Примеры 1.10.5 (примеры подколец) .
Задача 1.10.6 . Описать все подкольца в кольце вычетов Z n по модулю n .
Замечание 1.10.7 . В кольце Z 10 элементы, кратные 5 , образуют кольцо с 1 , не являющееся подкольцом в Z 10 (у этих колец различные единичные элементы).
Определение 1.10.8 . Если R - кольцо, и , , ab=0 , то элемент a называется левым делителем нуля в R , элемент b называется правым делителем нуля в R .
Замечание 1.10.9 . В коммутативных кольцах, естественно, нет различий между левыми и правыми делителями нуля.
Пример 1.10.10 . В Z , Q , R нет делителей нуля.
Пример 1.10.11 . Кольцо непрерывных функций C имеет делители нуля. Действительно, если
то , , fg=0 .
Пример 1.10.12
. Если n=kl
, 1 Лемма 1.10.13
. Если в кольце R
нет (левых) делителей нуля, то из ab=ac
, где , , следует, что b=c
(т. е. возможность сокращать на ненулевой элемент слева, если нет левых делителей нуля; и справа, если нет правых делителей нуля). Доказательство. Если ab=ac
, то a(b-c)=0
. Так как a
не является левым делителем нуля, то b-c=0
, т. е. b=c
. Определение 1.10.14
. Элемент называется нильпотентным
, если x n =0
для некоторого . Наименьшее такое натуральное число n
называется степенью нильпотентности элемента
. Ясно, что нильпотентный элемент является делителем нуля (если n>1
, то , ). Обратное утверждение неверно (в Z 6
нет нильпотентных элементов, однако 2
, 3
, 4
- ненулевые делители нуля). Упражнение 1.10.15
. Кольцо Z n
содержит нильпотентные элементы тогда и только тогда, когда n
делится на m 2
, где , . Определение 1.10.16
. Элемент x
кольца R
называется идемпотентом
, если x 2 =x
. Ясно, что 0 2 =0
, 1 2 =1
. Если x 2 =x
и , , то x(x-1)=x 2 -x=0
, и поэтому нетривиальные идемпотенты
являются делителями нуля. Через U(R)
обозначим множество обратимых элементов ассоциативного кольца R
, т. е. тех , для которых существует обратный элемент s=r -1
(т. е. rr -1 =1=r -1 r
). 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. 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. f(x)·ϕ(x)≡0
ϕ
(x) 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. 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.
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
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 оси, 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
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
3.
В
кольце матриц M
3 (Z
)
примерами делителей нуля являются
матрицы
4.
В
кольце (Z
/
n
Z
, +, )
с
составным n
=
k
m
,
где 1 < k
,
m
< n
,
классы вычетов
и
являются делителями нуля, так как
.
Ниже приведем
основные свойства колец и полей.§ 7.
Алгебра с двумя операциями.
Кольцо
§ 8.
Кольцо с единицей
§ 9. Поле
(а
–1) –1
=
a
.
.
для всех
V
3 (R
).
и
,
так как A
B
=
O
(нулевая матрица).