分式环
在本节中 R R R 是一个交换环。命题2表明,如果 a a a 既不是零也不是零因子,并且 a b = a c {ab} = {ac} ab = a c 在 R R R 中,那么 b = c b = c b = c 。因此,一个非零元素如果不是零因子,则具有一些与单位元相同的性质,但不一定在 R R R 中具有乘法逆元。另一方面,我们在第1节中看到,零因子 a a a 在 R R R 中不能是单位元,并且根据定义,如果 a a a 是零因子,我们无法在方程 a b = a c {ab} = {ac} ab = a c 中总是消去 a a a 以得到 b = c b = c b = c (例如取 c = 0 c = 0 c = 0 )。本节的目的是证明一个交换环 R R R 总是较大环 Q Q Q 的子环,在 Q Q Q 中 R R R 的每个非零元素如果不是零因子,则在 Q Q Q 中是单位元。这一结果的主要应用将是对整环,在这种情况下,这个环 Q Q Q 将是一个域 - 被称为它的分式域或商域。实际上,从 R R R 构造 Q Q Q 的范例是由从整环 Z \mathbb{Z} Z 构造有理数域的构造提供的。
为了看到从整环 Z \mathbb{Z} Z 构造域 Q \mathbb{Q} Q 的基本特征,我们回顾分数的基本性质。每个有理数都可以表示为两个整数的商的多种不同方式(例如,1 2 = 2 4 = 3 6 = … \frac{1}{2} = \frac{2}{4} = \frac{3}{6} = \ldots 2 1 = 4 2 = 6 3 = … 等)。这些表示通过
a b = c d if and only if a d = b c . \frac{a}{b} = \frac{c}{d}\;\text{ if and only if }\;{ad} = {bc}. b a = d c if and only if a d = b c .
更精确地说,分数 a b \frac{a}{b} b a 是整数对 (a,b) 的等价类,其中 b ≠ 0 b \neq 0 b = 0 在等价关系下:( a , b ) ∼ ( c , d ) \left( {a,b}\right) \sim \left( {c,d}\right) ( a , b ) ∼ ( c , d ) 当且仅当 a d = b c {ad} = {bc} a d = b c 。分数的算术运算由...
a b + c d = a d + b c b d and a b × c d = a c b d . \frac{a}{b} + \frac{c}{d} = \frac{{ad} + {bc}}{bd}\;\text{ and }\;\frac{a}{b} \times \frac{c}{d} = \frac{ac}{bd}. b a + d c = b d a d + b c and b a × d c = b d a c .
这些定义良好(独立于等价类代表的选择)并使得分数集合成为一个交换环(实际上是一个域),Q。整数 Z \mathbb{Z} Z 与 Q \mathbb{Q} Q 的子环 { a 1 ∣ a ∈ Z } \left\{ {\frac{a}{1} \mid a \in \mathbb{Z}}\right\} { 1 a ∣ a ∈ Z } 相关联,且每一个非零整数 a a a 在 Q \mathbb{Q} Q 中都有一个逆元 1 a \frac{1}{a} a 1 。
对于任意的交换环 R R R ,尝试遵循相同的步骤,允许任意的分母似乎是合理的。然而,如果 b b b 在 R R R 中为零或零因子,比如说 b d = 0 {bd} = 0 b d = 0 ,如果我们允许 b b b 作为分母,那么我们应该预期会有
d = d 1 = b d b = 0 b = 0 d = \frac{d}{1} = \frac{bd}{b} = \frac{0}{b} = 0 d = 1 d = b b d = b 0 = 0
在“分式环”中(为了方便,我们假设 R R R 有一个单位元)。因此,如果我们允许零或零因子作为分母,那么必然会有一些坍缩的意味,即我们不能期望 R R R 自然地作为这个“分式环”的子环出现。第二个限制更明显地是由加法和乘法的法则施加的:如果允许环元素 b b b 和 d d d 作为分母,那么 b d {bd} b d 也必须是一个分母,即分母的集合必须在 R R R 中对乘法封闭。本节的主要结果展示了这两个限制足以构造 R R R 的分式环。注意,这个定理包含了从 Z \mathbb{Z} Z 构造 Q \mathbb{Q} Q 作为特殊情况。
定理15
设 R R R 是一个交换环。设 D D D 是 R R R 的任意非空子集,不包含0,不包含任何零因子,并且在乘法下封闭(即,对于所有 a , b ∈ D a,b \in D a , b ∈ D ,有 a b ∈ D {ab} \in D ab ∈ D )。那么存在一个带有单位元的交换环 Q Q Q ,使得 Q Q Q 包含 R R R 作为子环,并且 D D D 中的每个元素在 Q Q Q 中都是单位元。环 Q Q Q 还具有以下附加性质。
(1)Q Q Q 中的每个元素都可以表示为 r d − 1 r{d}^{-1} r d − 1 的形式,对于某些 r ∈ R r \in R r ∈ R 和 d ∈ D d \in D d ∈ D 。特别地,如果 D = R − { 0 } D = R - \{ 0\} D = R − { 0 } ,那么 Q Q Q 是一个域。
(2)(Q Q Q 的唯一性)环 Q Q Q 是包含 R R R 且使 D D D 中所有元素成为单位元的“最小”环,其含义如下。设 S S S 是任意带有单位元的交换环,并设 φ : R → S \varphi : R \rightarrow S φ : R → S 是任意单射环同态,使得对于每个 d ∈ D d \in D d ∈ D ,φ ( d ) \varphi \left( d\right) φ ( d ) 在 S S S 中是单位元。那么存在一个单射同态 Φ : Q → S \Phi : Q \rightarrow S Φ : Q → S ,使得 Φ ∣ R = φ {\left. \Phi \right| }_{R} = \varphi Φ ∣ R = φ 。换句话说,任何包含一个与 R R R 同构的副本,并且使 D D D 中所有元素成为单位元的环,也必须包含一个与 Q Q Q 同构的副本。
注:在第15.4节中给出了一个更一般的构造。一般结果的证明更为技术性,但依赖于与定理15证明相同的基本原理和步骤。希望获得更大一般性的读者可以一起阅读下面的证明和第15.4节的开头部分。
证明:设 F = { ( r , d ) ∣ r ∈ R , d ∈ D } \mathcal{F} = \{ \left( {r,d}\right) \mid r \in R,d \in D\} F = { ( r , d ) ∣ r ∈ R , d ∈ D } 并在 F \mathcal{F} F 上定义关系 ∼ \sim ∼ 为
( r , d ) ∼ ( s , e ) if and only if r e = s d . \left( {r,d}\right) \sim \left( {s,e}\right) \;\text{ if and only if }\;{re} = {sd}. ( r , d ) ∼ ( s , e ) if and only if re = s d .
立即可得这个关系是自反的和对称的。假设 ( r , d ) ∼ ( s , e ) \left( {r,d}\right) \sim \left( {s,e}\right) ( r , d ) ∼ ( s , e ) 且 ( s , e ) ∼ ( t , f ) \left( {s,e}\right) \sim \left( {t,f}\right) ( s , e ) ∼ ( t , f ) 。那么 r e − s d = 0 {re} - {sd} = 0 re − s d = 0 且 s f − t e = 0 {sf} - {te} = 0 s f − t e = 0 。将这两个方程的第一个乘以 f f f ,第二个乘以 d d d 并相加得到 ( r f − t d ) e = 0 \left( {{rf} - {td}}\right) e = 0 ( r f − t d ) e = 0 。由于 e ∈ D e \in D e ∈ D 既不是零也不是零因子,我们必须有 r f − t d = 0 {rf} - {td} = 0 r f − t d = 0 ,即 ( r , d ) ∼ ( t , f ) \left( {r,d}\right) \sim \left( {t,f}\right) ( r , d ) ∼ ( t , f ) 。这证明了 ∼ \sim ∼ 是传递的,因此是一个等价关系。将 (r,d) 的等价类表示为 r d \frac{r}{d} d r :
r d = { ( a , b ) ∣ a ∈ R , b ∈ D and r b = a d } . \frac{r}{d} = \{ \left( {a,b}\right) \mid a \in R,b \in D\text{ and }{rb} = {ad}\} . d r = { ( a , b ) ∣ a ∈ R , b ∈ D and r b = a d } .
设 Q Q Q 是在 ∼ \sim ∼ 下的等价类集合。注意 r d = r e d e \frac{r}{d} = \frac{re}{de} d r = d e re 在 Q Q Q 中对于所有 e ∈ D e \in D e ∈ D 成立,因为 D D D 在乘法下是封闭的。
我们现在在 Q Q Q 上定义加法和乘法结构:
a b + c d = a d + b c b d and a b × c d = a c b d . \frac{a}{b} + \frac{c}{d} = \frac{{ad} + {bc}}{bd}\;\text{ and }\;\frac{a}{b} \times \frac{c}{d} = \frac{ac}{bd}. b a + d c = b d a d + b c and b a × d c = b d a c .
为了证明 Q Q Q 是一个带有单位元的交换环,需要验证以下事项:
(1) 这些操作是良定义的(即不依赖于等价类代表元的选择),
(2) Q Q Q 在加法下是一个阿贝尔群,其中加法单位元是 0 d \frac{0}{d} d 0 对于任何 d ∈ D d \in D d ∈ D ,a d \frac{a}{d} d a 的加法逆元是 − a d \frac{-a}{d} d − a ,
(3) 乘法是结合的、分配的和交换的,以及
(4) Q Q Q 对于任何 d ∈ D ) \left. {d \in D}\right) d ∈ D ) 有一个单位元 ( = d d \left( { = \frac{d}{d}}\right. ( = d d 。
这些都是仅涉及 R R R 中的算术和 ∼ \sim ∼ 定义的完全直接的计算。同样,我们需要 D D D 在乘法下是封闭的,以便定义加法和乘法。
例如,为了检查加法是否定义良好,假设 a b = a ′ b ′ \frac{a}{b} = \frac{{a}^{\prime }}{{b}^{\prime }} b a = b ′ a ′ (即 a b ′ = a ′ b a{b}^{\prime } = {a}^{\prime }b a b ′ = a ′ b )和 c d = c ′ d ′ \frac{c}{d} = \frac{{c}^{\prime }}{{d}^{\prime }} d c = d ′ c ′ (即 c d ′ = c ′ d c{d}^{\prime } = {c}^{\prime }d c d ′ = c ′ d )。我们必须证明 a d + b c b d = a ′ d ′ + b ′ c ′ b ′ d ′ \frac{{ad} + {bc}}{bd} = \frac{{a}^{\prime }{d}^{\prime } + {b}^{\prime }{c}^{\prime }}{{b}^{\prime }{d}^{\prime }} b d a d + b c = b ′ d ′ a ′ d ′ + b ′ c ′ ,即,
( a d + b c ) ( b ′ d ′ ) = ( a ′ d ′ + b ′ c ′ ) ( b d ) . \left( {{ad} + {bc}}\right) \left( {{b}^{\prime }{d}^{\prime }}\right) = \left( {{a}^{\prime }{d}^{\prime } + {b}^{\prime }{c}^{\prime }}\right) \left( {bd}\right) . ( a d + b c ) ( b ′ d ′ ) = ( a ′ d ′ + b ′ c ′ ) ( b d ) .
这个方程的左边是 a b ′ d d ′ + c d ′ b b ′ a{b}^{\prime }d{d}^{\prime } + c{d}^{\prime }b{b}^{\prime } a b ′ d d ′ + c d ′ b b ′ ,用 a ′ b {a}^{\prime }b a ′ b 替换 a b ′ a{b}^{\prime } a b ′ 和 c ′ d {c}^{\prime }d c ′ d 替换 c d ′ c{d}^{\prime } c d ′ 得到 a ′ b d d ′ + c ′ d b b ′ {a}^{\prime }{bd}{d}^{\prime } + {c}^{\prime }{db}{b}^{\prime } a ′ b d d ′ + c ′ d b b ′ ,这是右边。因此,分数的加法是良好定义的。在 (1) 到 (4) 的其他部分检查细节涉及更简单的操作,因此留作练习。
接下来,我们通过定义将 R R R 嵌入 Q Q Q 中
ι : R → Q by ι : r ↦ r d d where d is any element of D . \iota : R \rightarrow Q\;\text{ by }\;\iota : r \mapsto \frac{rd}{d}\text{ where }d\text{ is any element of }D\text{. } ι : R → Q by ι : r ↦ d r d where d is any element of D .
由于 r d d = r e e \frac{rd}{d} = \frac{re}{e} d r d = e re 对于所有 d , e ∈ D , ι ( r ) d,e \in D,\iota \left( r\right) d , e ∈ D , ι ( r ) 来说,不依赖于 d ∈ D d \in D d ∈ D 的选择。因为 D D D 在乘法下是封闭的,直接验证 ι \iota ι 是一个环同态。
此外,ι \iota ι 是单射,因为
ι ( r ) = 0 ⇔ r d d = 0 d ⇔ r d 2 = 0 ⇔ r = 0 \iota \left( r\right) = 0 \Leftrightarrow \frac{rd}{d} = \frac{0}{d} \Leftrightarrow r{d}^{2} = 0 \Leftrightarrow r = 0 ι ( r ) = 0 ⇔ d r d = d 0 ⇔ r d 2 = 0 ⇔ r = 0
因为 d d d (因此还有 d 2 {d}^{2} d 2 )既不是零也不是零因子。因此,Q Q Q 的子环 ι ( R ) \iota \left( R\right) ι ( R ) 与 R R R 同构。从现在起,我们将每个 r ∈ R r \in R r ∈ R 与 ι ( r ) \iota \left( r\right) ι ( r ) 等同起来,因此将 R R R 视为 Q Q Q 的子环。
接下来注意,每个 d ∈ D d \in D d ∈ D 在 Q Q Q 中都有一个乘法逆元:即,如果 d d d 由分数 d e e \frac{de}{e} e d e 表示,那么它的乘法逆元是 e d e \frac{e}{de} d e e 。然后可以看到 Q Q Q 的每个元素都可以写成 r ⋅ d − 1 r \cdot {d}^{-1} r ⋅ d − 1 的形式,其中有一些 r ∈ R r \in R r ∈ R 和一些 d ∈ D d \in D d ∈ D 。特别是,如果 D = R − { 0 } , \;D = R - \{ 0\} , D = R − { 0 } , ,那么 Q \;Q\; Q 的每个非零元素都有一个乘法逆元,Q Q Q 是一个域。
仍需确定 Q Q Q 的唯一性属性。假设 φ : R → S \varphi : R \rightarrow S φ : R → S 是一个单射环同态,使得对于所有 d ∈ D d \in D d ∈ D ,φ ( d ) \varphi \left( d\right) φ ( d ) 在 S S S 中是一个单位。将 φ \varphi φ 扩展为一个映射 Φ : Q → S \Phi : Q \rightarrow S Φ : Q → S ,通过定义 Φ ( r d − 1 ) = φ ( r ) φ ( d ) − 1 \Phi \left( {r{d}^{-1}}\right) = \varphi \left( r\right) \varphi {\left( d\right) }^{-1} Φ ( r d − 1 ) = φ ( r ) φ ( d ) − 1 对于所有 r ∈ R , d ∈ D r \in R,d \in D r ∈ R , d ∈ D 。这个映射是良定义的,因为 r d − 1 = s e − 1 r{d}^{-1} = s{e}^{-1} r d − 1 = s e − 1 意味着 r e = s d {re} = {sd} re = s d ,所以 φ ( r ) φ ( e ) = φ ( s ) φ ( d ) \varphi \left( r\right) \varphi \left( e\right) = \varphi \left( s\right) \varphi \left( d\right) φ ( r ) φ ( e ) = φ ( s ) φ ( d ) ,然后
Φ ( r d − 1 ) = φ ( r ) φ ( d ) − 1 = φ ( s ) φ ( e ) − 1 = Φ ( s e − 1 ) . \Phi \left( {r{d}^{-1}}\right) = \varphi \left( r\right) \varphi {\left( d\right) }^{-1} = \varphi \left( s\right) \varphi {\left( e\right) }^{-1} = \Phi \left( {s{e}^{-1}}\right) . Φ ( r d − 1 ) = φ ( r ) φ ( d ) − 1 = φ ( s ) φ ( e ) − 1 = Φ ( s e − 1 ) .
很容易验证 Φ \Phi Φ 是一个环同态——具体细节留作练习。最后,Φ \Phi Φ 是单射的,因为 r d − 1 ∈ ker Φ r{d}^{-1} \in \ker \Phi r d − 1 ∈ ker Φ 意味着 r ∈ ker Φ ∩ R = ker φ r \in \ker \Phi \cap R = \ker \varphi r ∈ ker Φ ∩ R = ker φ ;由于 φ \varphi φ 是单射的,这迫使 r r r 为零,因此 r d − 1 r{d}^{-1} r d − 1 也为零。这完成了证明。
定义
令 R , D R,D R , D 和 Q Q Q 如定理15中所述。
(1)环 Q Q Q 被称为相对于 R R R 的 D D D 的分式环,记作 D − 1 R {D}^{-1}R D − 1 R 。
(2)如果 R R R 是一个整环,D = R − { 0 } , Q D = R - \{ 0\} ,Q D = R − { 0 } , Q 被称为 R R R 的分式域或商域。
如果 A A A 是一个域 F F F 的子集(例如,如果 A A A 是 F F F 的子环),那么所有包含 A A A 的 F F F 的子域的交集是 F F F 的一个子域,并被称为由 A A A 生成的子域。这个子域是包含 A A A 的 F F F 的最小子域(即,即任何包含 A A A 的 F F F 的子域都包含由 A A A 生成的子域)。
下一个推论表明,包含一个整环 R R R 的最小域是其分式域。
推论 16
设 R R R 是一个整环,Q Q Q 是 R R R 的分式域。如果域 F F F 包含一个与 R R R 同构的子环 R ′ {R}^{\prime } R ′ ,那么 F F F 中由 R ′ {R}^{\prime } R ′ 生成的子域与 Q Q Q 同构。
证明:设 φ : R ≅ R ′ ⊆ F \varphi : R \cong {R}^{\prime } \subseteq F φ : R ≅ R ′ ⊆ F 是从 R R R 到 R ′ {R}^{\prime } R ′ 的(环)同构。特别地,φ : R → F \varphi : R \rightarrow F φ : R → F 是从 R R R 到域 F F F 的单射同态。设 Φ : Q → F \Phi : Q \rightarrow F Φ : Q → F 是如定理中所述从 φ \varphi φ 到 Q Q Q 的扩展。根据定理 15,Φ \Phi Φ 是单射,因此 Φ ( Q ) \Phi \left( Q\right) Φ ( Q ) 是包含 φ ( R ) = R ′ \varphi \left( R\right) = {R}^{\prime } φ ( R ) = R ′ 的 F F F 中的 Q Q Q 的同构副本。现在,任何包含 R ′ = φ ( R ) {R}^{\prime } = \varphi \left( R\right) R ′ = φ ( R ) 的 F F F 的子域都包含所有 r 1 , r 2 ∈ R {r}_{1},{r}_{2} \in R r 1 , r 2 ∈ R 的元素 φ ( r 1 ) φ ( r 2 ) − 1 = φ ( r 1 r 2 − 1 ) \varphi \left( {r}_{1}\right) \varphi {\left( {r}_{2}\right) }^{-1} = \varphi \left( {{r}_{1}{r}_{2}^{-1}}\right) φ ( r 1 ) φ ( r 2 ) − 1 = φ ( r 1 r 2 − 1 ) 。由于 Q Q Q 的每个元素都可以表示为某些 r 1 , r 2 ∈ R {r}_{1},{r}_{2} \in R r 1 , r 2 ∈ R 的形式 r 1 r 2 − 1 {r}_{1}{r}_{2}^{-1} r 1 r 2 − 1 ,因此任何包含 R ′ {R}^{\prime } R ′ 的 F F F 的子域都包含域 Φ ( Q ) \Phi \left( Q\right) Φ ( Q ) ,因此 Φ ( Q ) \Phi \left( Q\right) Φ ( Q ) 是由 R ′ {R}^{\prime } R ′ 生成的 F F F 的子域,从而证明了推论。
示例
(1)如果 R R R 是一个域,那么它的分式域就是 R R R 本身。
(2)整数Z \mathbb{Z} Z 是整数域,其分数域是有理数的字段Q \mathbb{Q} Q 。第1节的二次整数环O \mathcal{O} O 是整数域,其分数域是二次域Q ( D ) \mathbb{Q}\left(\sqrt{D}\right) Q ( D ) 。
(3)Z \mathbb{Z} Z 的子环 2 Z 2\mathbb{Z} 2 Z 也没有零因子(但没有恒等式)。它的分数字段也是Q \mathbb{Q} Q 。请注意恒等式在分数字段中是如何“出现”的。
(4)如果R R R 是任意整环,那么多项式环R [ x ] R[x] R [ x ] 也是整环。相关的分式域是变量x x x 在R R R 上的有理函数域。这个域的元素形式为p ( x ) q ( x ) \frac{p(x)}{q(x)} q ( x ) p ( x ) ,其中p ( x ) p(x) p ( x ) 和q ( x ) q(x) q ( x ) 是系数在R R R 中的多项式,且q ( x ) q(x) q ( x ) 不是零多项式。特别地,p ( x ) p(x) p ( x ) 和q ( x ) q(x) q ( x ) 都可以是常多项式,所以有理函数域包含R R R 的分式域:形式为a b \frac{a}{b} b a 的元素,其中a , b ∈ R a,b\in R a , b ∈ R 且b ≠ 0 b\neq0 b = 0 。如果F F F 是一个域,我们将有理函数域记为F ( x ) F(x) F ( x ) 。因此,如果F F F 是整环R R R 的分式域,那么在R R R 上的有理函数域与在F F F 上的有理函数域相同,即F ( x ) F(x) F ( x ) 。
例如,假设 R = Z R = \mathbb{Z} R = Z ,那么 F = Q F = \mathbb{Q} F = Q 。如果 p ( x ) , q ( x ) p\left( x\right) ,q\left( x\right) p ( x ) , q ( x ) 是 Q [ x ] \mathbb{Q}\left\lbrack x\right\rbrack Q [ x ] 中的多项式,那么对于某个整数 N , N p ( x ) , N q ( x ) N,{Np}\left( x\right) ,{Nq}\left( x\right) N , Np ( x ) , Nq ( x ) ,它们有整数系数(例如,让 N N N 成为 p ( x ) p\left( x\right) p ( x ) 和 q ( x ) q\left( x\right) q ( x ) 中所有系数的公共分母)。那么 p ( x ) q ( x ) = N p ( x ) N q ( x ) \frac{p\left( x\right) }{q\left( x\right) } = \frac{{Np}\left( x\right) }{{Nq}\left( x\right) } q ( x ) p ( x ) = Nq ( x ) Np ( x ) 可以写成两个具有整数系数的多项式的商,因此 Q [ x ] \mathbb{Q}\left\lbrack x\right\rbrack Q [ x ] 的分式域与 Z [ x ] \mathbb{Z}\left\lbrack x\right\rbrack Z [ x ] 的分式域相同。
(5) 如果 R R R 是带有单位元的交换环,并且 d d d 在 R R R 中既不是零也不是零因子,我们可以通过设置 D = { 1 , d , d 2 , d 3 , … } D = \{ 1,d,{d}^{2},{d}^{3},\ldots \} D = { 1 , d , d 2 , d 3 , … } 并定义 R [ 1 / d ] R\left\lbrack {1/d}\right\rbrack R [ 1/ d ] 为分式环 D − 1 R {D}^{-1}R D − 1 R 来形成环 R [ 1 / d ] R\left\lbrack {1/d}\right\rbrack R [ 1/ d ] 。注意 R R R 是形式为 r 1 \frac{r}{1} 1 r 的元素的子环。这样,R R R 中任何非零且不是零因子的元素都可以在包含 R R R 的更大环中求逆。注意 R [ 1 / d ] R\left\lbrack {1/d}\right\rbrack R [ 1/ d ] 的元素看起来像 1 / d 1/d 1/ d 的多项式,系数在 R R R 中,这解释了该记法。