定义 3.3.1. 设 R,S 是两个环。如果映射 ϕ:R→S 满足 ∀a,b∈R,都有
ϕ(a+b)=ϕ(a)+ϕ(b),ϕ(ab)=ϕ(a)ϕ(b).
则称 ϕ 是一个环同态。
在此基础上,我们补充以下具体的同态分类定义(原文省略部分):
- 单同态 (Monomorphism): 若 ϕ 是单射(即 ∀a,b∈R,若 ϕ(a)=ϕ(b) 则 a=b),称 ϕ 为单同态。
- 满同态 (Epimorphism): 若 ϕ 是满射(即 ∀s∈S,∃r∈R 使得 ϕ(r)=s),称 ϕ 为满同态。
- 同构 (Isomorphism): 若 ϕ 既是单射又是满射(即双射),称 ϕ 为同构。若 R,S 之间存在同构,记为 R≅S。
- 自同态 (Endomorphism): 若 S=R,即从环 R 到自身的同态,称 ϕ 为自同态。所有 R 的自同态构成的集合记为 End(R)。
- 自同构 (Automorphism): 若 ϕ 是 R 到 R 的同构,称 ϕ 为自同构。所有 R 的自同构构成的集合记为 Aut(R)(它关于映射复合构成一个群)。
定义. 设 ϕ:R→S 是环同态。
- 核 (Kernel): kerϕ={a∈R∣ϕ(a)=0}。
- 像 (Image): Imϕ={ϕ(a)∣a∈R}。
命题 3.3.1. 设 ϕ:R→S 是一个环同态。
(i) kerϕ⊲R (核是 R 的理想), Imϕ≤S (像是 S 的子环).
(ii) ϕ 是单射,当且仅当 kerϕ={0}.
证明 (补全作业):
(i) 证明 kerϕ⊲R 和 Imϕ≤S
- 1. 证明 kerϕ 是 R 的理想:
- 非空性: 因为 ϕ 是加法群同态,故 ϕ(0R)=0S,所以 0R∈kerϕ,即 kerϕ=∅。
- 加法封闭性 (对减法封闭): ∀a,b∈kerϕ,有 ϕ(a)=0,ϕ(b)=0。
ϕ(a−b)=ϕ(a)−ϕ(b)=0−0=0⟹a−b∈kerϕ.
- 吸收律: ∀a∈kerϕ (即 ϕ(a)=0), ∀r∈R。
ϕ(ra)=ϕ(r)ϕ(a)=ϕ(r)⋅0=0⟹ra∈kerϕ.ϕ(ar)=ϕ(a)ϕ(r)=0⋅ϕ(r)=0⟹ar∈kerϕ.
综上,kerϕ 是 R 的理想,即 kerϕ⊲R。
- 2. 证明 Imϕ 是 S 的子环:
- 减法封闭: ∀x,y∈Imϕ,存在 a,b∈R 使得 x=ϕ(a),y=ϕ(b)。
x−y=ϕ(a)−ϕ(b)=ϕ(a−b)∈Imϕ.
- 乘法封闭:
xy=ϕ(a)ϕ(b)=ϕ(ab)∈Imϕ.
综上,Imϕ 是 S 的子环,即 Imϕ≤S。
(ii) 证明 ϕ 是单射 ⟺kerϕ={0}
- (⇒) 设 ϕ 是单射。已知 ϕ(0)=0。若 a∈kerϕ,则 ϕ(a)=0=ϕ(0)。由单射定义知 a=0。故 kerϕ={0}。
- (⇐) 设 kerϕ={0}。若 ∀a,b∈R 满足 ϕ(a)=ϕ(b),则:
ϕ(a)−ϕ(b)=0⟹ϕ(a−b)=0.
这意味着 a−b∈kerϕ。因为 kerϕ={0},所以 a−b=0,即 a=b。故 ϕ 是单射。 □
命题 3.3.2. ϕ:R→S 是一个环同态, J⊲S. 则 ϕ−1(J)={a∈R∣ϕ(a)∈J}⊲R.
证明: 利用命题 3.2.3, ∀a,b∈ϕ−1(J),r∈R, 都有
ϕ(a−b)=ϕ(a)−ϕ(b)∈J,ϕ(ra)=ϕ(r)ϕ(a)∈J,ϕ(ar)=ϕ(a)ϕ(r)∈J.
因此 ϕ−1(J)⊲R. □
定理 3.3.1 (典范同态). 设 I⊲R. 则映射 π:R→R/I 定义为 π(r)=r+I 是一个环同态,称为典范同态。
证明 (补全作业):
我们需要验证 π 保持加法和乘法运算。回顾商环 R/I 的运算定义:(a+I)+(b+I)=(a+b)+I 以及 (a+I)(b+I)=ab+I。
- 保持加法: ∀a,b∈R,
π(a+b)=(a+b)+I=(a+I)+(b+I)=π(a)+π(b).
- 保持乘法: ∀a,b∈R,
π(ab)=ab+I=(a+I)(b+I)=π(a)π(b).
显见 π 是满射。故 π 是一个满的环同态。 □
定理 3.3.2 (第零同态定理 / 通用性质). 设 I⊲R, ϕ:R→S 是环同态,且 I≤kerϕ(即 I 包含在核内)。则存在唯一的环同态 ϕˉ:R/I→S, 满足 ϕ=ϕˉ∘π, 其中 π:R→R/I 是典范同态。
定理 3.3.3 (第一同态定理). 设 ϕ:R→S 是环同态。则 R/kerϕ≅Imϕ.
(注:这是环论中最核心的定理,它建立了同态像与商环之间的代数同构关系。)
推论 3.3.1.
(i) 如果 ϕ:R→R 是单的环同态。则 R≅Imϕ≤S.
(ii) 设 ϕ:R→S 是满的环同态。则 R/kerϕ≅S, 称 S 是 R 的一个同态像。
定理 3.3.4 (第二同态定理 / 对应定理). 设 I⊲R. 则 R/I 的子环(理想)与 R 的包含 I 的子环(理想)一一对应。如果 I⊲J⊲R, 则有 R/J≅(R/I)/(J/I).
定理 3.3.5 (第三同态定理). 设 I⊲R,K≤R. 则 I+K≤R,I∩K⊲K, 且
(I+K)/I≅K/(I∩K).
证明 (补全作业):
此定理描述了子环与理想之和的商结构。证明思路是构造一个从 K 到 (I+K)/I 的满同态,并利用第一同态定理。
- 构造映射: 定义 ψ:K→(I+K)/I,规则为 ψ(k)=k+I。
注意:这里 k∈K⊆I+K,所以 k+I 确实是商环 (I+K)/I 中的元素。
- 验证同态: ∀k1,k2∈K,
- ψ(k1+k2)=(k1+k2)+I=(k1+I)+(k2+I)=ψ(k1)+ψ(k2).
- ψ(k1k2)=(k1k2)+I=(k1+I)(k2+I)=ψ(k1)ψ(k2).
所以 ψ 是环同态。
- 验证满射:
(I+K)/I 中的任意元素形式为 (i+k)+I,其中 i∈I,k∈K。
根据商环陪集的性质,(i+k)+I=k+(i+I)=k+I(因为 i∈I)。
即任意元素均可写成 ψ(k) 的形式,故 ψ 是满同态。
- 计算核 (kerψ):
kerψ={k∈K∣ψ(k)=0(I+K)/I}={k∈K∣k+I=I}={k∈K∣k∈I}=K∩I.
- 应用第一同态定理:
根据定理 3.3.3,对于满同态 ψ,有 K/kerψ≅Imψ。
即 K/(I∩K)≅(I+K)/I。 □
例 3.3.1.
(i) 典范态射 π:Z→Zn 是一个满的环同态。
(ii) 设 A∈M(n,R) 是可逆矩阵。则 ϕ:M(n,R)→M(n,R),ϕ(X)=AXA−1 是一个环同构。称为内自同构。
(iii) 设 R 是 [0,1] 上的连续实函数环, a∈R. ϕ:R→R,ϕ(f)=f(a) 是一个满的环同态。 kerϕ={f∈R∣f(a)=0}⊲R. 特别的, ∀S⊆[0,1],
IS={f∈R∣f(S)=0}⊲R.
定义 3.3.2. 设 I,J⊲R. 如果 I+J=R, 则称 I,J 互素。
命题 3.3.3. 设 R 是幺环, I,J⊲R. 则 I,J 互素,当且仅当存在 i∈I,j∈J, 使得 1=i+j.
证明:⇒: 若 I+J=R,因为 R 是幺环,1∈R=I+J。故存在 i∈I,j∈J 使得 1=i+j。
⇐: 若存在 i∈I,j∈J, 使得 1=i+j. 则 1∈I+J. 对于任意 r∈R,有 r=r⋅1∈I+J(因为 I+J 是理想)。因此 R⊆I+J,故 I+J=R, 即 I,J 互素。 □
定义 3.3.3. 由命题 3.2.5 知,两个理想的积也是理想。递归的可以定义有限个理想的积,设 I1,…,Ik⊲R, 定义
I1⋯Ik=(I1⋯Ik−1)Ik.(注:理想的积 IJ 是由所有形式为 ∑akbk (ak∈I,bk∈J) 的有限和构成的集合,而不仅仅是元素乘积的集合。)
命题 3.3.4. 设 R 是交换幺环, I,J⊲R. 若 I,J 互素,则 IJ=I∩J=JI.
证明:
一方面,显然有 IJ⊆I∩J(这是理想积的一般性质)。
反过来,如果 I,J 互素,则 I+J=R. 由命题 3.3.3,存在 i∈I,j∈J 使得 1=i+j.
∀x∈I∩J, 有
x=1⋅x=(i+j)x=ix+jx.
因为 x∈J⟹ix∈IJ (理想性质),且 x∈I⟹jx∈JI=IJ (交换环中 JI=IJ)。
所以 x∈IJ+IJ=IJ。
因此 I∩J⊆IJ. 综上 IJ=I∩J。 □
命题 3.3.5. 设 R 是幺环, I1,…,Ik,J⊲R. 若 Is,J 都互素(即对于每个 s, Is+J=R),则 I1∩⋯∩Ik 与 J 也互素。
证明 (详细展开):
对 k 用数学归纳法。
- k=1 时,由已知条件显然成立。
- 假设 k−1 时结论成立,即设 A=I1∩⋯∩Ik−1,有 A+J=R。
- 现在考虑 k 的情况。令 B=Ik。已知 A+J=R 且 B+J=R。我们只需证明 (A∩B)+J=R。
考察乘积 (A+J)(B+J)。
由于 R 是幺环,
R=R⋅R=(A+J)(B+J).
展开上式(利用理想加法和乘法的分配律):
R=AB+AJ+JB+J2.
分析各项的包含关系:- AB⊆A∩B (两个理想的积总是包含在交集中)。
- AJ⊆J (理想的定义)。
- JB⊆J。
- J2⊆J。
因此,
R=AB+AJ+JB+J2⊆(A∩B)+J+J+J=(A∩B)+J.
显然 (A∩B)+J⊆R。
故 (A∩B)+J=R。
即 I1∩⋯∩Ik 与 J 互素。 □
推论 3.3.2. 设 R 是交换幺环, I1,…,Ik,J⊲R. 若 Is,J 都互素,则 I1⋯Ik 与 J 也互素。
(注:这是因为在交换幺环中,若 Is,J 互素,则积 I1⋯Ik 包含了交集 I1∩⋯∩Ik 与 J 的某种组合关系,或者直接利用命题 3.3.5 证明交集互素后,再利用包含关系 I1⋯Ik⊆I1∩⋯∩Ik 并不足以直接推出互素,这里通常需要重新利用 (I1+J)⋯(Ik+J) 的展开式或者利用根理想性质。但在本讲义的逻辑流中,通常是利用 I1∩⋯∩Ik⊇I1⋯Ik,如果交集与 J 互素,我们需要更强的条件。更正:实际上,推论通常是由命题 3.3.5 结合 R=∏(Is+J)⊆∏Is+J 得到的。即 R=(I1+J)…(Ik+J)⊆I1…Ik+J, 从而得证。)