7.5 分式环

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分式环

在本节中 RR 是一个交换环。命题2表明,如果 aa 既不是零也不是零因子,并且 ab=ac{ab} = {ac}RR 中,那么 b=cb = 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 RR 中具有乘法逆元。另一方面,我们在第1节中看到,零因子 aaRR 中不能是单位元,并且根据定义,如果 aa 是零因子,我们无法在方程 ab=ac{ab} = {ac} 中总是消去 aa 以得到 b=cb = c (例如取 c=0c = 0 )。本节的目的是证明一个交换环 RR 总是较大环 QQ 的子环,在 QQRR 的每个非零元素如果不是零因子,则在 QQ 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 QQ 将是一个域 - 被称为它的分式域或商域。实际上,从 RR 构造 QQ 的范例是由从整环 Z\mathbb{Z} 构造有理数域的构造提供的。

为了看到从整环 Z\mathbb{Z} 构造域 Q\mathbb{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,12=24=36=\frac{1}{2} = \frac{2}{4} = \frac{3}{6} = \ldots 等)。这些表示通过

ab=cd   if and only if   ad=bc.\frac{a}{b} = \frac{c}{d}\;\text{ if and only if }\;{ad} = {bc}.

更精确地说,分数 ab\frac{a}{b} 是整数对 (a,b) 的等价类,其中 b0b \neq 0 在等价关系下:(a,b)(c,d)\left( {a,b}\right) \sim \left( {c,d}\right) 当且仅当 ad=bc{ad} = {bc} 。分数的算术运算由...

ab+cd=ad+bcbd   and   ab×cd=acbd.\frac{a}{b} + \frac{c}{d} = \frac{{ad} + {bc}}{bd}\;\text{ and }\;\frac{a}{b} \times \frac{c}{d} = \frac{ac}{bd}.

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}Q\mathbb{Q} 的子环 {a1aZ}\left\{ {\frac{a}{1} \mid a \in \mathbb{Z}}\right\} 相关联,且每一个非零整数 aaQ\mathbb{Q} 中都有一个逆元 1a\frac{1}{a}

对于任意的交换环 RR,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 bbRR 中为零或零因子,比如说 bd=0{bd} = 0,如果我们允许 bb 作为分母,那么我们应该预期会有

d=d1=bdb=0b=0d = \frac{d}{1} = \frac{bd}{b} = \frac{0}{b} = 0

在“分式环”中(为了方便,我们假设 RR 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 RR 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 bbdd 作为分母,那么 bd{bd} 也必须是一个分母,即分母的集合必须在 RR 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 RR 的分式环。注意,这个定理包含了从 Z\mathbb{Z} 构造 Q\mathbb{Q} 作为特殊情况。

定理15

RR 是一个交换环。设 DDRR 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,bDa,b \in D ,有 abD{ab} \in D)。那么存在一个带有单位元的交换环 QQ,使得 QQ 包含 RR 作为子环,并且 DD 中的每个元素在 QQ 中都是单位元。环 QQ还具有以下附加性质。

(1)QQ 中的每个元素都可以表示为 rd1r{d}^{-1} 的形式,对于某些 rRr \in RdDd \in D。特别地,如果 D=R{0}D = R - \{ 0\},那么 QQ 是一个域。

(2)(QQ 的唯一性)环 QQ 是包含 RR 且使 DD 中所有元素成为单位元的“最小”环,其含义如下。设 SS 是任意带有单位元的交换环,并设 φ:RS\varphi : R \rightarrow S 是任意单射环同态,使得对于每个 dDd \in Dφ(d)\varphi \left( d\right)SS 中是单位元。那么存在一个单射同态 Φ:QS\Phi : Q \rightarrow S,使得 ΦR=φ{\left. \Phi \right| }_{R} = \varphi。换句话说,任何包含一个与 RR 同构的副本,并且使 DD 中所有元素成为单位元的环,也必须包含一个与 QQ 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)rR,dD}\mathcal{F} = \{ \left( {r,d}\right) \mid r \in R,d \in D\} 并在 F\mathcal{F} 上定义关系 \sim

(r,d)(s,e)   if and only if   re=sd.\left( {r,d}\right) \sim \left( {s,e}\right) \;\text{ if and only if }\;{re} = {sd}.

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)(s,e)(t,f)\left( {s,e}\right) \sim \left( {t,f}\right) 。那么 resd=0{re} - {sd} = 0sfte=0{sf} - {te} = 0 。将这两个方程的第一个乘以 ff ,第二个乘以 dd 并相加得到 (rftd)e=0\left( {{rf} - {td}}\right) e = 0 。由于 eDe \in D 既不是零也不是零因子,我们必须有 rftd=0{rf} - {td} = 0 ,即 (r,d)(t,f)\left( {r,d}\right) \sim \left( {t,f}\right) 。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 rd\frac{r}{d}

rd={(a,b)aR,bD and rb=ad}.\frac{r}{d} = \{ \left( {a,b}\right) \mid a \in R,b \in D\text{ and }{rb} = {ad}\} .

QQ 是在 \sim 下的等价类集合。注意 rd=rede\frac{r}{d} = \frac{re}{de}QQ 中对于所有 eDe \in D 成立,因为 DD 在乘法下是封闭的。

我们现在在 QQ 上定义加法和乘法结构:

ab+cd=ad+bcbd   and   ab×cd=acbd.\frac{a}{b} + \frac{c}{d} = \frac{{ad} + {bc}}{bd}\;\text{ and }\;\frac{a}{b} \times \frac{c}{d} = \frac{ac}{bd}.

为了证明 QQ 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) QQ 在加法下是一个阿贝尔群,其中加法单位元是 0d\frac{0}{d} 对于任何 dDd \in Dad\frac{a}{d} 的加法逆元是 ad\frac{-a}{d}

(3) 乘法是结合的、分配的和交换的,以及

(4) QQ 对于任何 dD)\left. {d \in D}\right) 有一个单位元 (=dd\left( { = \frac{d}{d}}\right.

这些都是仅涉及 RR 中的算术和 \sim 定义的完全直接的计算。同样,我们需要 DD 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 ab=ab\frac{a}{b} = \frac{{a}^{\prime }}{{b}^{\prime }}(即 ab=aba{b}^{\prime } = {a}^{\prime }b)和 cd=cd\frac{c}{d} = \frac{{c}^{\prime }}{{d}^{\prime }}(即 cd=cdc{d}^{\prime } = {c}^{\prime }d)。我们必须证明 ad+bcbd=ad+bcbd\frac{{ad} + {bc}}{bd} = \frac{{a}^{\prime }{d}^{\prime } + {b}^{\prime }{c}^{\prime }}{{b}^{\prime }{d}^{\prime }},即,

(ad+bc)(bd)=(ad+bc)(bd).\left( {{ad} + {bc}}\right) \left( {{b}^{\prime }{d}^{\prime }}\right) = \left( {{a}^{\prime }{d}^{\prime } + {b}^{\prime }{c}^{\prime }}\right) \left( {bd}\right) .

这个方程的左边是 abdd+cdbba{b}^{\prime }d{d}^{\prime } + c{d}^{\prime }b{b}^{\prime },用 ab{a}^{\prime }b 替换 aba{b}^{\prime }cd{c}^{\prime }d 替换 cdc{d}^{\prime } 得到 abdd+cdbb{a}^{\prime }{bd}{d}^{\prime } + {c}^{\prime }{db}{b}^{\prime },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 RR 嵌入 QQ

ι:RQ   by   ι:rrdd 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{. }

由于 rdd=ree\frac{rd}{d} = \frac{re}{e} 对于所有 d,eD,ι(r)d,e \in D,\iota \left( r\right) 来说,不依赖于 dDd \in D 的选择。因为 DD 在乘法下是封闭的,直接验证 ι\iota 是一个环同态。

此外,ι\iota 是单射,因为

ι(r)=0rdd=0drd2=0r=0\iota \left( r\right) = 0 \Leftrightarrow \frac{rd}{d} = \frac{0}{d} \Leftrightarrow r{d}^{2} = 0 \Leftrightarrow r = 0

因为 dd(因此还有 d2{d}^{2})既不是零也不是零因子。因此,QQ 的子环 ι(R)\iota \left( R\right)RR 同构。从现在起,我们将每个 rRr \in Rι(r)\iota \left( r\right) 等同起来,因此将 RR 视为 QQ 的子环。

接下来注意,每个 dDd \in DQQ 中都有一个乘法逆元:即,如果 dd 由分数 dee\frac{de}{e} 表示,那么它的乘法逆元是 ede\frac{e}{de}。然后可以看到 QQ 的每个元素都可以写成 rd1r \cdot {d}^{-1} 的形式,其中有一些 rRr \in R 和一些 dDd \in D。特别是,如果   D=R{0},\;D = R - \{ 0\} ,,那么   Q  \;Q\; 的每个非零元素都有一个乘法逆元,QQ 是一个域。

仍需确定 QQ 的唯一性属性。假设 φ:RS\varphi : R \rightarrow S 是一个单射环同态,使得对于所有 dDd \in Dφ(d)\varphi \left( d\right)SS 中是一个单位。将 φ\varphi 扩展为一个映射 Φ:QS\Phi : Q \rightarrow S ,通过定义 Φ(rd1)=φ(r)φ(d)1\Phi \left( {r{d}^{-1}}\right) = \varphi \left( r\right) \varphi {\left( d\right) }^{-1} 对于所有 rR,dDr \in R,d \in D 。这个映射是良定义的,因为 rd1=se1r{d}^{-1} = s{e}^{-1} 意味着 re=sd{re} = {sd} ,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) ,然后

Φ(rd1)=φ(r)φ(d)1=φ(s)φ(e)1=Φ(se1).\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) .

很容易验证 Φ\Phi 是一个环同态——具体细节留作练习。最后,Φ\Phi 是单射的,因为 rd1kerΦr{d}^{-1} \in \ker \Phi 意味着 rkerΦR=kerφr \in \ker \Phi \cap R = \ker \varphi ;由于 φ\varphi 是单射的,这迫使 rr 为零,因此 rd1r{d}^{-1} 也为零。这完成了证明。

定义

R,DR,DQQ 如定理15中所述。

(1)环 QQ 被称为相对于 RRDD 的分式环,记作 D1R{D}^{-1}R

(2)如果 RR 是一个整环,D=R{0},QD = R - \{ 0\} ,Q 被称为 RR 的分式域或商域。

如果 AA 是一个域 FF 的子集(例如,如果 AAFF 的子环),那么所有包含 AAFF 的子域的交集是 FF 的一个子域,并被称为由 AA 生成的子域。这个子域是包含 AAFF 的最小子域(即,即任何包含 AAFF 的子域都包含由 AA 生成的子域)。

下一个推论表明,包含一个整环 RR 的最小域是其分式域。

推论 16

RR 是一个整环,QQRR 的分式域。如果域 FF 包含一个与 RR 同构的子环 R{R}^{\prime },那么 FF 中由 R{R}^{\prime } 生成的子域与 QQ 同构。

证明:设 φ:RRF\varphi : R \cong {R}^{\prime } \subseteq F 是从 RRR{R}^{\prime } 的(环)同构。特别地,φ:RF\varphi : R \rightarrow F 是从 RR 到域 FF 的单射同态。设 Φ:QF\Phi : Q \rightarrow F 是如定理中所述从 φ\varphiQQ 的扩展。根据定理 15,Φ\Phi 是单射,因此 Φ(Q)\Phi \left( Q\right) 是包含 φ(R)=R\varphi \left( R\right) = {R}^{\prime }FF 中的 QQ 的同构副本。现在,任何包含 R=φ(R){R}^{\prime } = \varphi \left( R\right)FF 的子域都包含所有 r1,r2R{r}_{1},{r}_{2} \in R 的元素 φ(r1)φ(r2)1=φ(r1r21)\varphi \left( {r}_{1}\right) \varphi {\left( {r}_{2}\right) }^{-1} = \varphi \left( {{r}_{1}{r}_{2}^{-1}}\right)。由于 QQ 的每个元素都可以表示为某些 r1,r2R{r}_{1},{r}_{2} \in R 的形式 r1r21{r}_{1}{r}_{2}^{-1},因此任何包含 R{R}^{\prime }FF 的子域都包含域 Φ(Q)\Phi \left( Q\right),因此 Φ(Q)\Phi \left( Q\right) 是由 R{R}^{\prime } 生成的 FF 的子域,从而证明了推论。

示例

(1)如果 RR 是一个域,那么它的分式域就是 RR 本身。

(2)整数Z\mathbb{Z}是整数域,其分数域是有理数的字段Q\mathbb{Q}。第1节的二次整数环O\mathcal{O}是整数域,其分数域是二次域Q(D)\mathbb{Q}\left(\sqrt{D}\right)

(3)Z\mathbb{Z}的子环 2Z2\mathbb{Z}也没有零因子(但没有恒等式)。它的分数字段也是Q\mathbb{Q}。请注意恒等式在分数字段中是如何“出现”的。

(4)如果RR是任意整环,那么多项式环R[x]R[x]也是整环。相关的分式域是变量xxRR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)},其中p(x)p(x)q(x)q(x)是系数在RR中的多项式,且q(x)q(x)不是零多项式。特别地,p(x)p(x)q(x)q(x)都可以是常多项式,所以有理函数域包含RR的分式域:形式为ab\frac{a}{b}的元素,其中a,bRa,b\in Rb0b\neq0。如果FF是一个域,我们将有理函数域记为F(x)F(x)。因此,如果FF是整环RR的分式域,那么在RR上的有理函数域与在FF上的有理函数域相同,即F(x)F(x)

例如,假设 R=ZR = \mathbb{Z} ,那么 F=QF = \mathbb{Q} 。如果 p(x),q(x)p\left( x\right) ,q\left( x\right)Q[x]\mathbb{Q}\left\lbrack x\right\rbrack 中的多项式,那么对于某个整数 N,Np(x),Nq(x)N,{Np}\left( x\right) ,{Nq}\left( x\right) ,它们有整数系数(例如,让 NN 成为 p(x)p\left( x\right)q(x)q\left( x\right) 中所有系数的公共分母)。那么 p(x)q(x)=Np(x)Nq(x)\frac{p\left( x\right) }{q\left( x\right) } = \frac{{Np}\left( x\right) }{{Nq}\left( x\right) } 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 的分式域与 Z[x]\mathbb{Z}\left\lbrack x\right\rbrack 的分式域相同。

(5) 如果 RR 是带有单位元的交换环,并且 ddRR 中既不是零也不是零因子,我们可以通过设置 D={1,d,d2,d3,}D = \{ 1,d,{d}^{2},{d}^{3},\ldots \} 并定义 R[1/d]R\left\lbrack {1/d}\right\rbrack 为分式环 D1R{D}^{-1}R 来形成环 R[1/d]R\left\lbrack {1/d}\right\rbrack 。注意 RR 是形式为 r1\frac{r}{1} 的元素的子环。这样,RR 中任何非零且不是零因子的元素都可以在包含 RR 的更大环中求逆。注意 R[1/d]R\left\lbrack {1/d}\right\rbrack 的元素看起来像 1/d1/d 的多项式,系数在 RR 中,这解释了该记法。