Кольца: определение, свойства, примеры. Понятие кольца, простейшие свойства колец Простейшие свойства групп

Пусть (K,+, ·) - кольцо. Так как (K, +) - абелева группа, учитывая свойства групп получим

СВ-ВО 1 . Во всяком кольце (K,+, ·) имеется единственный нулевой элемент 0 и для всякого a ∈ K имеется единственный противоположный ему элемент −a.

СВ-ВО 2. ∀ a, b, c ∈ K (a + b = a + c ⇒ b = c).

СВ-ВО 3. Для любых a, b ∈ K в кольце K существует единственная разность a − b, причем a − b = a + (−b). Таким образом, в кольце K определена операция вычитания, при этом она обладает свойствами 1′-8′.

СВ-ВО 4 . Операция умножения в K дистрибутивна относительно операции вычитания, т.е. ∀ a, b, c ∈ K ((a − b)c = ac − bc ∧ c(a − b) = ca − cb).

Док-во. Пусть a, b, c ∈ K. Учитывая дистрибутивность операции · в K относительно операции + и определение разности элементов кольца, получим (a − b)c + bc = ((a − b) + b)c = ac, откуда по определению разности следует, что (a − b)c = ac − bc.

Аналогично доказывается правый закон дистрибутивности операции умножения относительно операции вычитания.

СВ-В 5. ∀ a ∈ K a0 = 0a = 0.

Доказательство. Пусть a ∈ K и b-произвольный элемент из K. Тогда b − b = 0 и поэтому, учитывая предыдущее свойство, получим a0 = a(b − b) = ab − ab = 0.

Аналогично доказывается, что 0a = 0.

СВ-ВО 6. ∀ a, b ∈ K (−a)b = a(−b) = −(ab).

Доказательство. Пусть a, b ∈ K. Тогда (−a)b + ab = ((−a) + a)b =

0b = 0. Значит, (−a)b = −(ab).

Аналогично доказывается равенство a(−b) = −(ab).

СВ-ВО 7. ∀ a, b ∈ K (−a)(−b) = ab.

Доказательство. В самом деле, применяя дважды предыдущее свойство, получим (−a)(−b) = −(a(−b)) = −(−(ab)) = ab.

ЗАМЕЧАНИЕ. Свойства 6 и 7 называют правилами знаков в кольце.

Из дистрибутивности операции умножения в кольце K относительно операции сложения и свойств 6 и 7 вытекает следующее

СВ-ВО 8. Пусть k, l-произвольные целые числа. Тогда ∀ a, b ∈ K (ka)(lb) = (kl)ab.

Подкольцо

Подкольцом кольца (K,+, ·) называется подмножество H множества K, которое замкнуто относительно операций + и ·, определенных в K, и само является кольцом относительно этих операций.

Примеры подколец:

Так, Z -подкольцо кольца (Q,+, ·), Q-подкольцо кольца (R,+, ·), Rn×n -подкольцо кольца (Cn×n,+, ·), Z[x]-подкольцо кольца (R[x],+, ·), D -подкольцо кольца (C,+, ·).

Во всяком кольце (K,+, ·) само множество K, а также одноэлементное подмножество {0} являются подкольцами кольца (K,+, ·). Это так называемые тривиальные подкольца кольца (K,+, ·).

Простейшие свойства подколец.

Пусть H - подкольцо кольца (K,+, ·), т.е. (H,+, ·) само является кольцом. Значит, (H, +)-группа, т.е. H -подгруппа группы (K, +). Поэтому справедливы следующие утверждения.

СВ-ВО 1. Нулевой элемент подкольца H кольца K совпадает с нулевым элементом кольца K.

СВ-ВО 2 . Для всякого элемента a подкольца H кольца K противоположный ему элемент в H совпадает с −a, т.е. с противоположным ему элементом в K.

СВ-ВО 3. Для любых элементов a и b подкольца H их разность в H совпадает с элементом a − b, т.е. с разностью этих элементов в K.

Признаки подкольца.

ТЕОРЕМА 1 (первый признак подкольца).

Непустое подмножество H кольца K с операциями + и · является подкольцом кольцаK тогда итолькотогда, когда оно удовлетворяет следующим условиям:

∀ a, b ∈ H a + b ∈ H, (1)

∀ a ∈ H − a ∈ H, (2)

∀ a, b ∈ H ab ∈ H. (3)

Необходимость. Пусть H - подкольцо кольца (K,+, ·). Тогда H -подгруппа группы (K, +). Поэтому по первому признаку подгруппы (в аддитивной формулировке), H удовлетворяет условиям (1) и (2). Кроме того, H замкнуто относительно операции умножения, определенной в K, т.е. H

удовлетворяет и условию (3).

Достаточность. Пусть H ⊂ K, H 6= ∅ и H удовлетворяет условиям (1) − (3). Из условий (1) и (2) по первому признаку подгруппы следует, что H -подгруппа группы (K, +), т.е. (H, +)-группа. При этом, так как (K, +)-абелева группа, (H, +) также абелева. Кроме того, из условия (3) следует, что умножение является бинарной операцией на множестве H. Ассоциативность операции · в H и ее дистрибутивность относительно операции + следуют из того, что такими свойствами обладают операции + и · в K.

ТЕОРЕМА 2 (второй признак подкольца).

Непустое подмножество H кольца K с операциями + и · является

подкольцом кольца K т. и т. т, когда оно удовлетворяет следующим условиям:

∀ a, b ∈ H a − b ∈ H, (4)

∀ a, b ∈ H ab ∈ H. (5)

Доказательство этой теоремы аналогично доказательству теоремы 1.

При этом используется теорема 2′ (второй признак подгруппы в аддитивной формулировке) и замечание к ней.

7.Поле (определение, виды, свойства, признаки).

Полем называется коммутативное кольцо с единицей e не равно 0, в котором всякий элемент, отличный отнуля имеет обратный.

Классическими примерами числовых полей являются поля (Q,+, ·), (R,+, ·), (C,+, ·).

СВОЙСТВО 1. Во всяком поле F справедлив закон сокращения

на общий множитель, отличный от нуля, т.е.

∀ a, b, c ∈ F (ab = ac ∧ a не равно 0 ⇒ b = c).

СВОЙСТВО 2. Во всяком поле F нет делителей нуля.

СВОЙСТВО 3. Кольцо (K,+, ·) является полем тогда и только

тогда, когда множество K \ {0} есть коммутативная группа относительно операции умножения.

СВОЙСТВО 4 . Конечное ненулевое коммутативное кольцо (K,+, ·) без делителей нуля является полем.

Частное элементов поля.

Пусть (F,+, ·)-поле.

Частным элементов a и b поля F, где b не равно 0,

называется такой элемент c ∈ F, что a = bc.

СВОЙСТВО 1. Для любых элементов a и b поля F, где b не равно 0, существует единственное частное a/b, причем a/b= ab−1.

СВОЙСТВО 2. ∀ a ∈ F \ {0}

a/a= e и ∀ a ∈ F a/e= a.

СВОЙСТВО 3. ∀ a, c ∈ F ∀ b, d ∈ F \ {0}

a/b=c/d ⇔ ad = bc.

СВОЙСТВО 4. ∀ a, c ∈ F ∀ b, d ∈ F \ {0}

СВОЙСТВО 5. ∀ a ∈ F ∀ b, c, d ∈ F \ {0}

(a/b)/(c/d)=ad/bc

СВОЙСТВО 6. ∀ a ∈ F ∀ b, c ∈ F \ {0}

СВОЙСТВО 7. ∀ a ∈ F ∀ b, c ∈ F \ {0}

СВОЙСТВО 8. ∀ a, b ∈ F ∀ c ∈ F \ {0}

Поле F, единица которого имеет конечный порядок p в группе (F, +)p.

Поле F единица, которого имеет бесконечный порядок в группе (F, +), называется полем характеристики 0.

8. Подполе (определение, виды, свойства, признаки)

Подполем поля (F,+, ·) называется подмножество S множества F, которое замкнуто относительно операций + и ·, определенных в F, и само является полем относительно этих операций.

Приведем некоторые примеры подполей Q-подполе поля (R,+, ·);

R-подполе поля (C,+, ·);

справедливы следующие утверждения.

СВОЙСТВО 1. Нулевой элемент подполя S поля F совпадает с

нулевым элементом поля F.

СВОЙСТВО 2 . Для всякого элемента a подполя S поля F противоположный ему элемент в S совпадает с −a, т.е. с противоположным ему элементом в F.

СВОЙСТВО 3. Для любых элементов a и b подполя S поля F их

разность в S совпадает с a−b т.е. с разностью этих элементов в F.

СВОЙСТВО 4. Единица подполя S поля F совпадает с единицей

e поля F.

СВОЙСТВО 5 . Для всякого элемента a подполя S поля F, от-

личного от нуля, обратный к нему элемент в S совпадает с a−1, т.е. с элементом, обратным к a в F.

Признаки подполя.

ТЕОРЕМА 1 (первый признак подполя).

Подмножество H поля F c операциями +, ·, содержащее ненулевой

(F,+, ·)

∀ a, b ∈ H a + b ∈ H, (1)

∀ a ∈ H − a ∈ H, (2)

∀ a, b ∈ H ab ∈ H, (3)

∀ a ∈ H \ {0} a−1 ∈ H. (4)

ТЕОРЕМА2 (второй признак подполя).

Подмножество H поля F c операциями +, ·, содержащее ненулевой

элемент, является подполем поля (F,+, ·) тогда и только тогда, когда оно удовлетворяет следующим условиям:

∀ a, b ∈ H a − b ∈ H, (5)

∀ a ∈ H ∀ b ∈ H\{0} a/b ∈ H. (6)

10. Отношение делимости в кольце Z

Утверждение: для любых элементов a,b,c коммутативного кольца на множестве R, справедливы следующие импликации:

1) а|b, b|c => a|c

2) a|b, a|c => a| (b c)

3) a|b => a|bc

для любого a, b Z справедливо:

2) a|b, b≠0 => |a|≤|b|

3)a|b и b|a ó |a|=|b|

Разделить с остатком целое число а на целое число b , значит найти такие целые числа q и r, что можно представить a=b*q + r, 0≤r≥|b|, где q – неполное частное, r- остаток

Теорема: Если a и b Z , b≠0, то а можно разделить на b с остатком,причем неполное частное и остаток определяются однозначно.

Следствие,если a и b Z , b≠0, то b|a ó

11. НОД и НОК

Наибольший общий делитель(НОД) чисел Z называется некоторое число d, удовлетворяющее следующим условиям

1) d является общим делителем т.е. d| , d| …d|

2) d делится на любой общий делитель чисел т.е. d| , d| …d| => d| , d| …d|

Понятие кольца, простейшие свойства колец.

Алгебра (K , +, ∙) называется кольцом, если выполняются следующие аксиомы:

1. (K , +) – коммутативная группа;

2.
a(b+c ) = ab+ac (b+c )a = ba+ca ;

3. a (bc ) = (ab ) c .

Если операция умножения в кольце коммутативная, то кольцо называется коммутативным.

Пример. Алгебры (Z, +, ∙), (Q , +, ∙), (R , + ,∙) являются кольцами.

Кольцо обладает следующими свойствами: имеет место

1) a + b = a => b = 0;

2) a + b = 0 => b = - a ;

3) – (- a ) = a ;

4) 0∙a = a ∙0 = 0 (0 – ноль кольца);

5) (-a )∙b = a ∙(-b ) = -a ∙b ;

6) (a – b )∙c = a ∙c – b ∙c , где a – b = a + (-b) .

Докажем свойство 6. (a – b )∙c = (a + (-b ))∙c = a ∙c + (-b )∙c = a ∙c +(-b ∙c )= =a ∙c – b ∙c .

Пусть (K A K называется подкольцом кольца (K ,+,∙), если оно является кольцом относительно операций в кольце (K , +, ∙).

Теорема. Пусть (K , +, ∙) – кольцо. Непустое подмножество A K , является подкольцом кольца К тогда и только тогда, когда
a - b , a ∙b
.

Пример. Кольцо (Q, +, ∙) является подкольцом кольца (А , +, ∙), где A = ={a + b | a , b Q}.

Понятие поля. Простейшие свойства полей .

Определение. Коммутативное кольцо (Р , +, ∙) с единицей, где ноль кольца не совпадает с единицей кольца, называется полем, если
a ≠0 существует ему обратный элемент а -1 , а ∙ а -1 = е , е – единица кольца.

Все свойства колец справедливы для полей. Для поля (Р ,+,∙) справедливы также следующие свойства:

1)
a ≠0 уравнение ах = b имеет решение и притом единственное;

2) ab = e |=> a ≠0 b = а -1 ;

3)

c ≠0 ac = bc => a=b ;

4) ab = 0
a = 0 b = 0;

5) ad = bc (b ≠0, d ≠0);

6)
;

.

Пример. Алгебры (Q, +, ∙), (А , +, ∙), где А = {a +b | a , b Q}, (R , +, ∙) – поля.

Пусть (Р ,+,∙) – поле. Непустое подмножество F P , являющееся полем относительно операции в поле (Р ,+,∙) называется подполем поля Р .

Пример. Поле (Q,+,∙) является подполем поля действительных чисел (R,+,∙).

Задачи для самостоятельного решения

1. Покажите, что множество относительно операции умножения есть абелева группа.

2. На множестве Q\{0}определена операция а b =
. Докажите, что алгебра (Q\{0},) является группой.

3. На множестве Z задана бинарная алгебраическая операция, определенная по правилу, а b = а+ b – 2. Выясните, является ли алгебра (Z,) группой.

4. На множестве А = {(a , b )
} определена операция (а, b ) (c , d ) = (ac – bd , ad + bc ). Докажите, что алгебра (А, ) – группа.

5. Пусть Т – множество всех отображений
заданных правилом
, где а, b Q, a
Докажите, что Т является группой относительно композиции отображений.

6. Пусть А ={1,2,…,n }. Взаимнооднозначное отображение f :
называется подстановкой n – ой степени. Подстановку n – ой степени удобно записывать виде таблицы
, где Произведение двух подстановок
множества А определяется как композиция отображений . По определению

Доказать, что множество всех подстановок n – ой степени является группой относительно произведения подстановок.

7. Выясните, образует ли кольцо относительно сложения, умножения:

a ) N ; b ) множество всех нечетных целых чисел; c)множество всех четных целых чисел; d ) множество чисел вида
где а, b

8. Является ли кольцом множество К ={а +b
} относительно операций сложения и умножения.

9. Покажите, что множество А ={a +b } относительно операций сложения и умножения есть кольцо.

10. На множестве Z определены две операции: a b =a +b +1, ab = ab + a + b . Доказать, что алгебра

11. На множестве классов вычетов по модулю m заданы две бинарные операции:Доказать, что алгебра
коммутативное кольцо с единицей.

12 . Опишите все подкольца кольца
.

13. Выясните, какие из следующих множеств действительных чисел являются полями относительно операций сложения и умножения:

a ) рациональные числа с нечетными знаменателями;

b ) числа вида
c рациональными а, b ;

c ) числа вида
с рациональными а , b ;

d ) числа вида
с рациональными a , b , c .

§5. Поле комплексных чисел. Операции над комплексными

числами в алгебраической форме

Поле комплексных чисел .

Пусть заданы две алгебры (А ,+,∙), (Ā , , ◦). Отображение f : A в(на) >Ā , удовлетворяющее условиям:
f (a +b ) = f (a ) f (b ) f (a ◦b ) = f (a ) ◦ f (b ), называется гомоморфизмом алгебры (А , +, ∙) в(на) алгебру (Ā , , ◦).

Определение. Гомоморфное отображение f алгебры (А , +, ∙) на алгебру (Ā , , ◦) называется изоморфным отображением, если отображение f множества А на Ā инъективно. С точки зрения алгебры изоморфные алгебры неразличимы, т.е. обладают одинаковыми свойствами.

Над полем R уравнение вида x 2 +1 = 0 не имеет решений. Построим поле, которое содержит подполе, изоморфное полю (R ,+,∙), и в котором уравнение вида x 2 +1 = 0 имеет решение.

На множестве C = R × R = {(a , b ) | a , b R } введем операции сложения и умножения следующим образом: (a , b ) (c , d ) = (a + c , b + d ), (a , b ) ◦ (c , d ) = (ac -bd , ad +bc ). Нетрудно доказать, что алгебра (C, ,◦) коммутативное кольцо с единицей. Пара (0,0) – ноль кольца, (1,0) – единица кольца. Покажем, что кольцо (С , ,◦) – поле. Пусть (a , b ) C, (a , b ) ≠ (0,0) и (x ,y ) C такая пара чисел, что (a , b )◦(x , y ) = (1,0). (a , b )◦(x , y ) = (1,0) (ax – by , ay + bx ) = (1,0)

(1)

Из (1) =>
,
(a , b ) -1 =
. Следовательно (С, +, ∙) – поле. Рассмотрим множество R 0 = {(a ,0) | aR }. Так как (a ,0) (b ,0) = (a - b ,0)R 0 , (a ,0)◦(b ,0) = (ab ,0) R 0 ,
(a ,0) ≠ (0,0) (a ,0) -1 = (,0) R 0 , то алгебра (R 0, ,◦) – поле.

Построим отображение f : R
R 0 , определенное условием f (a )=(a ,0) . Так как f – биективное отображение и f (a + b )= (a + b ,0) = =(a ,0)(b ,0) = f (a )f (b ), f (a ∙b ) = (a ∙ b ,0) = (a ,0)◦(b ,0) =f (a )◦f (b ), то f – изоморфное отображение. Следовательно, (R , +,∙)
(R 0, ,◦). (R 0, ,◦) – поле действительных чисел.

Покажем, что уравнение вида х 2 +1 = 0 в поле (C , , ◦) имеет решения. (х,у ) 2 + (1,0) = (0,0) (x 2 - y 2 +1, 2xy ) = (0,0)

(2)

(0,1), (0, -1) – решения системы (2).

Построенное поле (C , ,◦) называется полем комплексных чисел, а его элементы комплексными числами.

Алгебраическая форма комплексного числа. Операции над комплексными числами в алгебраической форме.

Пусть (С, +, ∙) поле комплексных чисел,
C,
=(a , b ). Так как (R 0 ,+, ∙) (R , +, ∙), то любую пару (a ,0) отождествим с действительным числом a . Обозначим через ί = (0,1). Так как ί 2 = (0,1)∙(0,1) = (-1,0) = -1, то ί называется мнимой единицей. Представим комплексное число
=(a ,b ) в виде: =(a ,b )=(a ,0) +(b ,0) ◦(0,1)=a +b ∙ί. Представление комплексного числа в виде, = а + b ί называется алгебраической формой записи числа . a называется действительной частью комплексного числа и обозначается Re, b – мнимая часть комплексного числа и обозначается Im.

Сложение комплексных чисел:

α = а+ bί , β = с+ d ί , α +β = (а, b ) + (c , d ) = (a + c , b + d ) = a + c + (b + d )ί.

Умножение комплексных чисел:

α∙β = (a , b )(c , d ) = (a ∙ c – b ∙ d , a ∙ d + b ∙ c ) = a ∙ c - b ∙ d + (a ∙ d + b ∙ c )ί.

Чтобы найти произведение комплексных чисел а+ bί и с+ d ί , нужно умножить а+ bί на с+ d ί как двучлен на двучлен, учитывая, что ί 2 = -1.

Частным от деления на β , β ≠ 0 называется такое комплексное число γ, что = γ∙β .

= γ∙β => γ = ∙β -1 . Так как
, то =∙β -1 = =(a , b )∙
Таким образом

Эту формулу можно получить, если числитель и знаменатель дроби умножить на комплексное число, сопряженное знаменателю, т.е. на

с – dί .

Пример. Найти сумму, произведение, частное комплексных чисел

2+ 3ί , β = 3 - 4ί .

Решение. + β =(2 + 3ί ) + (3 – 4ί ) =5– ί, ∙β = (2 + 3ί) (3– 4ί ) = 6 –8ί + 9ί – –12ί 2 = 18 + ί .

§6. Извлечение корня n -ой степени из комплексного числа в тригонометрической форме

Тригонометрическая форма комплексного числа.

На плоскости в прямоугольной системе координат комплексное число

z = a + bί будем изображать точкой А (а, b ) или радиусом вектором
.

Изобразим комплексное число z = 2 – 3ί .

Определение. Число
называется модулем комплексного числа z = a + bί и обозначается | z |.

Угол, образованный между положительным направлением оси Ох и радиусом вектором , изображающим комплексное число z = a + bί , называется аргументом числа z и обозначается Arg z .

Argz определен с точностью до слагаемое 2πk , .

Аргумент комплексного числа z , удовлетворяющий условию 0≤ < 2π , называется главным значением аргумента комплексного числа z и обозначается arg z .

Из OAA 1 =>a =
cos, b = sin
. Представление комплексного числа z = a + bί в виде z = r (cos+ ί sin) называется тригонометрической формой записи числа z (r =). Чтобы записать комплексное число z = a + bί в тригонометрической форме, необходимо знать |z | и Arg z , которые определяются из формул
, cos =
sin =

Пусть z 1 = r 1 (cos φ 1 + ί sin φ 1), z 2 = r 2 (cos φ 2 + ί sin φ 2). Тогда z 1∙ z 2 = =r 1∙ r 2 [(cosφ 1 ∙cosφ 2 – sin φ 1∙ sin φ 2)+i ]= r 1∙ r 2 [(cos (φ 1+ φ 2) + i sin (φ 1+ φ 2)] . Отсюда следует, что |z 1 z 2 | = |z 1 | |z 2 |, Arg z 1 ∙z 2 = Arg z 1 + Arg z 2 .

Arg
Arg– Arg.

Извлечение корня n – ой степени из комплексного числа в тригонометрической форме.

Пусть z C , n N . n – ой степенью комплексного числа z называется произведение
обозначается оно z n . Пусть m =- n . По определению положим, что
z≠0, z 0 = 1, z m = . Если z =r (cosφ + ί sinφ ) , то z n =

= r n (cosnφ + ί sinnφ ). При r = 1 имеем z n = cosnφ + ί sinnφ – формула Муавра. Формула Муавра имеет место
.

Корнем n z называется такое комплексное число ω , что ω n = z . Справедливо утверждение.

Теорема. Существует n различных значений корня n –ой степени из комплексного числа z = r (cosφ + ί sinφ ) . Все они получаются из формулы при k = 0, 1, … , n -1. В этой формуле
– арифметический корень.

Обозначим через, ω 0 , ω 1 ,…, ω n -1 – значения корня n -ой степени из z , которые получаются при k = 0, 1, ... , n -1. Так как |ω 0 | = |ω 1 | = |ω 2 |= … =|ω n -1 |,

arg ω 0 = , ω 1 = arg ω 0 +
, … , arg ω n -1 = arg ω n - 2 + , то комплексные числа ω 0 , ω 1 ,…, ω n -1 на плоскости изображаются точками круга с радиусом равным
и делят этот круг на n равных частей.

Определение 2.5. Кольцом называют алгебру

R = (R, +, ⋅,0 , 1 ),

сигнатура которой состоит из двух бинарных и двух нульарных операций, причем для любых a, b, c ∈ R выполняются равенства:

1. a+(b+c) = (a+b)+c;
2. a+b = b+a;
3. а + 0 = a;
4. для каждого а ∈ R существует элемент а", такой, что a+a" = 0
5. а-(b-с) = (а-b)-с;
6. а ⋅ 1 = 1 ⋅ а = а;
7. а⋅(b + с) =а⋅b + а⋅с, (b + с) ⋅ а = b⋅ а + с⋅а.

Операцию + называют сложением кольца , операцию умножением кольца , элемент 0 - нулем кольца , элемент 1 - единицей кольца .

Равенства 1-7, указанные в определении, называют аксиомами кольца . Рассмотрим эти равенства с точки зрения понятия группы и моноида .

Аксиомы кольца 1-4 означают, что алгебра (R, +, 0 ), сигнатура которой состоит только из операций сложения кольца + и нуля кольца 0 , является абелевой группой . Эту группу называют аддитивной группой кольца R и говорят также, что по сложению кольцо есть коммутативная (абелева) группа.

Аксиомы кольца 5 и 6 показывают, что алгебра (R, ⋅, 1), сигнатура которой включает только умножение кольца ⋅ и еди- единицу кольца 1, есть моноид. Этот моноид называют мультипликативным моноидом кольца R и говорят, что по умножению кольцо есть моноид.

Связь между сложением кольца и умножением кольца устанавливает аксиома 7, согласно которой операция умножения дистрибутивна относительно операции сложения.

Учитывая сказанное выше, отметим, что кольцо - это алгебра с двумя бинарными и двумя нульарными операциями R =(R, +, ⋅,0 , 1 ), такая, что:

1. алгебра (R, +, 0 ) - коммутативная группа;
2. алгебра (R, ⋅, 1 ) - моноид;
3. операция ⋅ (умножения кольца) дистрибутивна относительно операции + (сложения кольца).

Замечание 2.2. В литературе встречается иной состав аксиом кольца, относящихся к умножению. Так, могут отсут- отсутствовать аксиома 6 (в кольце нет 1 ) и аксиома 5 (умножение не ассоциативно). В этом случае выделяют ассоциативные коль- кольца (к аксиомам кольца добавляют требование ассоциативности умножения) и кольца с единицей. В последнем случае добавля- добавляются требования ассоциативности умножения и существования единицы.

Определение 2.6. Кольцо называют коммутативным , если его операция умножения коммутативна.

Пример 2.12. а. Алгебра (ℤ, +, ⋅, 0, 1) есть коммутативное кольцо. Отметим, что алгебра (ℕ 0 , +, ⋅, 0, 1) кольцом не будет, поскольку (ℕ 0 , +) - коммутативный моноид, но не группа.

б. Рассмотрим алгебру ℤ k = ({0,1,..., k - 1}, ⊕ k , ⨀ k , 0,1) (к>1) с операцией ⊕ k сложения по модулю л и ⨀ k (умножения по модулю л). Последняя аналогична операции сложения по модулю л: m ⨀ k n равно остатку от деления на k числа m ⋅ n. Эта алгебра есть коммутативное кольцо, которое называют кольцом вычетов по модулю k.

в. Алгебра (2 A , Δ, ∩, ∅, А) - коммутативное кольцо, что следует из свойств пересечения и симметрической разности множеств.

г. Пример некоммутативного кольца дает множество всех квадратных матриц фиксированного порядка с операциями сложения и умножения матриц. Единицей этого кольца является единичная матрица, а нулем - нулевая.

д. Пусть L - линейное пространство. Рассмотрим множество всех линейных операторов, действующих в этом пространстве.

Напомним, что суммой двух линейных операторов А и В называют оператор А + В , такой, что (А + В ) х = Ах + Вх , х ∈ L .

Произведением линейных операторов А и В называют линей- линейный оператор АВ , такой, что (АВ )х = А (Вх ) для любого х ∈ L .

Используя свойства указанных операций над линейными операторами, можно показать, что множество всех линейных операторов, действующих в пространстве L , вместе с операциями сложения и умножения операторов образует кольцо. Нулем этого кольца служит нулевой оператор , а единицей - тождественный оператор .

Это кольцо называют кольцом линейных операторов в линейном пространстве L. #

Аксиомы кольца называют также основными тождествами кольца . Тождество кольца - это равенство, ливость которого сохраняется при подстановке вместо фигурирующих в нем переменных любых элементов кольца. Основные тождества постулируются, и из них затем могут быть выведе- выведены как следствия другие тождества. Рассмотрим некоторые из них.

Напомним, что аддитивная группа кольца коммутативна и в ней определена операция вычитания .

Теорема 2.8. В любом кольце выполняются следующие тождества:

1. 0 ⋅ а = a ⋅ 0 = 0 ;
2. (-a) ⋅ b = -(a ⋅ b) = a ⋅ (-b);
3. (a-b) ⋅ c = a ⋅ c - b ⋅ c, c ⋅ (a-b) = c ⋅ a - c ⋅ b.

◀Докажем тождество 0 ⋅ а = 0 . Запишем для произвольного а:

a+0 ⋅ a = 1 ⋅ a + 0 ⋅ a = (1 +0 ) ⋅ a = 1 ⋅ a = a

Итак, а + 0 ⋅ а = а. Последнее равенство можно рассматривать как уравнение в аддитивной группе кольца относительно неизвестного элемента 0 ⋅ а. Так как в аддитивной группе любое уравнение вида а + х = b имеет единственное решение х=b - а, то 0 ⋅ а = а - а = 0 . Тождество а⋅ 0 = 0 доказывается аналогично.

Докажем теперь тождество - (a ⋅ b) = a ⋅ (-b). Имеем

a ⋅ (-b)+a ⋅ b = a ⋅ ((-b) + b) = a ⋅ 0 = 0 ,

откуда а ⋅ (-b) = -(а ⋅ b). Точно так же можно доказать, что (-a) ⋅ b = -(a ⋅ b).

Докажем третью пару тождеств. Рассмотрим первое из них. С учетом доказанного выше имеем

а ⋅ (b - с) = a ⋅ (b+(-c)) = a ⋅ b + a ⋅ (-c) =a ⋅ b - a ⋅ c,

т.е. тождество справедливо. Второе тождество этой пары доказывается аналогично.

Следствие 2.1 . В любом кольце справедливо тождество (-1 ) ⋅ х = x ⋅ (-1 ) = -x.

◀Указанное следствие вытекает из второго тождества теоремы 2.8 при a = 1 и b = x.

Первые два тождества из доказанных в теореме 2.8 выражают свойство, называемое аннулирующим свойством нуля в кольце. Третья же пара тождеств указанной теоремы выражает свойство дистрибутивности операции умножения кольца относительно операции вычитания. Таким образом, производя вычисления в любом кольце, можно раскрывать скобки и менять знаки так же, как и при сложении, вычитании и умножении действительных чисел.

Ненулевые элементы а и b кольца R называют делителями нуля , если а ⋅ b = 0 или b ⋅ а = 0 . Пример кольца с делителем нуля дает любое кольцо вычетов по модулю k, если k - составное число. В этом случае произведение по модулю k любых тип, дающих при обычном перемножении число, кратное k, будет равно нулю. Например, в кольце вычетов по модулю 6 элементы 2 и 3 являются делителями нуля, поскольку 2 ⨀ 6 3 = 0. Другой пример дает кольцо квадратных матриц фиксированного порядка (не меньшего двух). Например, для матриц второго порядка имеем

При отличных от нуля а и b приведенные матрицы являются делителями нуля.

По умножению кольцо является только моноидом. Поставим вопрос: в каких случаях кольцо по умножению будет группой? Прежде всего заметим, что множество всех элементов кольца, в котором 0 ≠ 1 , не может образовывать группы по умножению, так как нуль не может иметь обратного. Действительно, если предположить, что такой элемент 0" существует, то, с одной стороны, 0 ⋅ 0" = 0" ⋅ 0 = 1 , а с другой - 0 ⋅ 0" = 0" ⋅ 0 = 0 , откуда 0 = 1. Это противоречит условию 0 ≠ 1 . Таким образом, поставленный выше вопрос можно уточнить так: в каких случаях множество всех ненулевых элементов кольца образует группу по умножению?

Если в кольце имеются делители нуля, то подмножество всех ненулевых элементов кольца не образует группы по умножению уже хотя бы потому, что это подмножество не замкнуто относительно операции умножения, т.е. существуют ненулевые элементы, произведение которых равно нулю.

Кольцо, в котором множество всех ненулевых элементов по умножению образует группу, называют телом , коммутативное тело - полем , а группу ненулевых элементов тела (поля) по умножению - мультипликативной группой этого тела (поля ). Согласно определению, поле есть частный случай кольца, в котором операции обладают дополнительными свойствами. Выпишем все свойства, выполнение которых требуется для операций поля. Их еще называют аксиомами поля .

Поле есть алгебра F = (F, +, ⋅, 0, 1), сигнатура которой состоит из двух бинарных и двух нульарных операций, причем справедливы тождества:

1. a+(b+c) = (a+b)+c;
2. a+b = b+a;
3. a+0 = a;
4. для каждого а ∈ F существует элемент -а, такой, что a+ (-a) = 0;
5. a ⋅ (b ⋅ c) = (a ⋅ b) ⋅ c;
6. a ⋅ b = b ⋅ a
7. a ⋅ 1 = 1 ⋅ a = a
8. для каждого а ∈ F, отличного от 0, существует элемент а -1 , такой, что а ⋅ а -1 = 1;
9. a ⋅ (b+c) = a ⋅ b + a ⋅ c.

Пример 2.13. а. Алгебра (ℚ, +, ⋅, 0, 1) есть поле, называемое полем рациональных чисел .

б. Алгебры (ℝ , +, ⋅, 0, 1) и (ℂ, +, ⋅, 0, 1) есть поля, называемые полями действительных и комплексных чисел соответственно.

в. Примером тела, не являющегося полем, может служить алгебра кватернионов . #

Итак, мы видим, что известным законам сложения и умножения чисел соответствуют аксиомы поля. Занимаясь числовыми расчетами, мы „работаем в полях", а именно имеем дело преимущественно с полями рациональных и вещественных чисел, иногда „переселяемся" в поле комплексных чисел.

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.

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:

∃ v 1: v 1 u = 1 {\displaystyle \exists v_{1}:v_{1}\,u=1} ∃ v 2: u v 2 = 1 {\displaystyle \exists v_{2}:u\,v_{2}=1} (a 1 + μ 1 1) (a 2 + μ 2 1) = a 1 a 2 + μ 1 a 2 + μ 2 a 1 + μ 1 μ 2 1 {\displaystyle (a_{1}+\mu _{1}{\mathbf {1} })(a_{2}+\mu _{2}{\mathbf {1} })=a_{1}a_{2}+\mu _{1}a_{2}+\mu _{2}a_{1}+\mu _{1}\mu _{2}{\mathbf {1} }}

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