Loading AI tools
алгебраическая структура с операциями сложения и умножения (не обязательно с мультипликативной единицей) Из Википедии, свободной энциклопедии
Кольцо́ (также ассоциативное кольцо) в общей алгебре — алгебраическая структура, в которой определены операция обратимого сложения и операция умножения, по свойствам похожие на соответствующие операции над числами. Простейшими примерами колец являются совокупности чисел (целых, вещественных, комплексных), совокупности числовых функций, определённых на заданном множестве. Во всех случаях имеется множество, похожее на совокупности чисел в том смысле, что его элементы можно складывать и умножать, причём эти операции ведут себя естественным образом[1].
Понятие кольца[2] было введено для изучения общих свойств операций умножения и сложения, их внутренней связи между собой, безотносительно природы элементов, над которыми операции производятся.
Кольца являются основным объектом изучения теории колец — крупного раздела общей алгебры, в котором разработаны инструментальные средства, нашедшие широкое применение в алгебраической геометрии, алгебраической теории чисел, алгебраической -теории, теории инвариантов.
Бурное развитие алгебры как науки началось в XIX веке. Одной из главных задач теории чисел в 1860—1870-е годы было построение теории делимости в общих полях алгебраических чисел. Решение этой задачи было опубликовано Рихардом Дедекиндом («X Дополнение к лекциям по теории чисел Дирихле», 1871 год). В этой работе было впервые рассмотрено понятие кольца целых числового поля, в этом контексте были определены понятия модуля и идеала[3].
Этот раздел не завершён. |
Кольцо — множество , на котором заданы две бинарные операции: и (называемые сложение и умножение), со следующими свойствами, выполняющимися для любых :
Иными словами, кольцо — универсальная алгебра , являющаяся абелевой группой относительно сложения , полугруппой относительно умножения и обладающая двусторонней дистрибутивностью относительно .
Часто отдельно изучаются кольца, обладающие одним или обоими следующими дополнительными свойствами:
Иногда под кольцом понимают только кольца с единицей[4] (то есть требуют, чтобы полугруппа была моноидом), но изучаются также и кольца без единицы (например, кольцо чётных чисел является коммутативным ассоциативным кольцом без единицы[5]).
Вместо символа часто используют символ (либо вовсе его опускают).
Группа называется аддитивной группой кольца , а полугруппа — мультипликативной полугруппой этого же кольца.
Непосредственно из аксиом кольца можно вывести следующие свойства:
Пусть в кольце есть элементы, отличные от нуля (кольцо не является тривиальнымделитель нуля — ненулевой элемент кольца для которого существует ненулевой элемент кольца , такой что . Аналогично определяется правый делитель нуля. В коммутативных кольцах эти понятия совпадают. Например, для кольца непрерывных функций на интервале выбрав и будет иметь место , то есть и являются делителями нуля. Здесь условие означает, что является функцией, отличной от нуля, но не означает, что нигде не принимает значение [7].
). Тогда левыйНильпотентный элемент — элемент такой что для некоторого . Пример: матрица . Нильпотентный элемент всегда является делителем нуля (если только кольцо состоит не из одного нуля), обратное в общем случае неверно[8].
Идемпотентный элемент — такой элемент, что . Например, идемпотентен любой оператор проектирования, в частности, следующий: в кольце матриц [9].
Если — произвольный элемент кольца с единицей то левым обратным элементом к называется такой, что . Правый обратный элемент определяется аналогично. Если у элемента есть как левый, так и правый обратный элемент, то последние совпадают, и говорят, что обладает обратным элементом, который определён однозначно и обозначается . Сам элемент называется обратимым элементом.[7]
Подмножество называется подкольцом если само является кольцом относительно операций, определённых в . При этом говорят, что — расширение кольца [10]. Другими словами, непустое подмножество является подкольцом, если:
По определению, подкольцо непусто, поскольку содержит нулевой элемент. Нуль и единица кольца являются нулем и единицей любого его подкольца[11].
Подкольцо наследует свойство коммутативности[12].
Пересечение любого множества подколец является подкольцом. Наименьшее подкольцо, содержащее подмножество называется подкольцом, порождённым , а — системой образующих для кольца . Такое подкольцо всегда существует, так как пересечение всех подколец, содержащих , удовлетворяет этому определению[11].
Подкольцо кольца с единицей , порождённое его единицей, называется наименьшим или главным подкольцом кольца . Такое подкольцо содержится в любом подкольце кольца [13].
Определение и роль идеала кольца сходны с определением нормальной подгруппы в теории групп[14].
Непустое подмножество кольца называется левым идеалом, если:
Из первого свойства следует и замкнутость относительно умножения внутри себя, так что является подкольцом.
Аналогично определяется правый идеал, замкнутый относительно умножения на элемент кольца справа.
Двусторонний идеал (или просто идеал) кольца — любое непустое подмножество, являющееся одновременно левым, так и правым идеалом.
Также идеал кольца может определяться как ядро некоторого гомоморфизма [15].
Если — элемент кольца , то множество элементов вида (соответственно, ) называется левым (соответственно, правым) главным идеалом, порождённым . Если кольцо коммутативно, эти определения совпадают и главный идеал, порождённый обозначается . Например, множество всех чётных чисел образует идеал в кольце целых чисел, этот идеал порождён элементом 2. Можно доказать, что все идеалы в кольце целых чисел являются главными[16].
Идеал кольца, не совпадающий со всем кольцом, называется простым, если факторкольцо по этому идеалу не имеет делителей нуля. Идеал кольца, не совпадающий со всем кольцом и не содержащийся ни в каком большем идеале, не равном кольцу, называется максимальным[17].
Гомоморфизм колец (кольцевой гомоморфизм) — отображение, сохраняющее операции сложения и умножения. А именно, гомоморфизм из кольца в кольцо — функция такая что
В случае колец с единицей иногда требуют также условия [18][19].
Гомоморфизм колец называется изоморфизмом, если существует обратный гомоморфизм колец. Любой биективный гомоморфизм колец является изоморфизмом. Автоморфизм — гомоморфизм из кольца в себя, который является изоморфизмом. Пример: тождественное отображение кольца на себя является автоморфизмом[20].
Если — гомоморфизм колец, множество элементов переходящих в ноль, называется ядром (обозначается ). Ядро любого гомоморфизма является двусторонним идеалом[21]. С другой стороны, образ не всегда является идеалом, но является подкольцом [15] (обозначается ).
Определение факторкольца по идеалу аналогично определению факторгруппы. Более точно, факторкольцо кольца по двустороннему идеалу — множество классов смежности аддитивной группы по аддитивной подгруппе со следующими операциями:
Аналогично случаю групп, существует канонический гомоморфизм , задаваемый как . Ядром при этом является идеал .
Аналогично теореме о гомоморфизме групп существует теорема о гомоморфизме колец: пусть тогда изоморфен факторкольцу по ядру гомоморфизма [22].
Произведение колец и можно снабдить естественной структурой кольца: для любых , :
Сходная конструкция существует для произведения произвольного семейства колец (сложение и умножение задаются покомпонентно)[33].
Пусть — коммутативное кольцо и — попарно взаимно простые идеалы в нём (идеалы называются взаимно простыми, если их сумма равна всему кольцу). Китайская теорема об остатках утверждает, что отображение:
сюръективно, а его ядро — (произведение идеалов, пересечение идеалов)[18].
Множество эндоморфизмов абелевой группы образует кольцо, обозначаемое . Сумма двух эндоморфизмов определяется покомпонентно: , а произведение — как композиция: . Если — неабелева группа, то , вообще говоря, не равно , тогда как сложение в кольце должно быть коммутативным[34].
Для целостного кольца существует конструкция, позволяющая построить наименьшее поле, содержащее его. Поле частных кольца — множество классов эквивалентности формальных дробей по следующему отношению эквивалентности:
с обычными операциями: и .
Не вполне очевидно, что заданное отношение действительно является отношением эквивалентности: для доказательства приходится воспользоваться целостностью кольца. Существует обобщение данной конструкции на произвольные коммутативные кольца: мультипликативно замкнутая система в коммутативном кольце (то есть подмножество, содержащее единицу и не содержащее нуля; произведение любых двух элементов из подмножества снова ему принадлежит) — кольцо частных — множество классов эквивалентности формальных дробей по отношению эквивалентности:
Также эту конструкцию называют локализацией кольца (так как в алгебраической геометрии она позволяет исследовать локальные свойства многообразия в отдельной его точке). Пример: кольцо десятичных дробей — локализация кольца целых чисел по мультипликативной системе .
Существует естественное отображение . Его ядро состоит из таких элементов , для которых существует , такое что . В частности, для целостного кольца это отображение инъективно[35][36].
Кольца вместе с гомоморфизмами колец образуют категорию, обычно обозначаемую (иногда так обозначают категорию колец с единицей, а категорию обычных колец обозначают ). Категория колец с единицей обладает многими полезными свойствами: в частности, она полна и кополна. Это значит, что в ней существуют все малые пределы и копределы (например, произведения, копроизведения, ядра и коядра). Категория колец с единицей обладает начальным объектом (кольцо ) и терминальным объектом (нулевое кольцо).
Можно дать следующее категорное определение кольца: ассоциативное кольцо с единицей — моноид в категории абелевых групп (абелевы группы образуют моноидальную категорию относительно операции тензорного произведения). Действие кольца R на абелевой группе (кольца, рассматриваемого как моноид по умножению) превращает абелеву группу в R-модуль. Понятие модуля обобщает понятие векторного пространства: грубо говоря, модуль — «векторное пространство над кольцом».[29][30]
Обобщения — неассоциативное кольцо, полукольцо, почтикольцо.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.