☰本集目录
◎学习目标
- 掌握交换环和含幺环的定义,理解其作为环的特例的地位;
- 理解单位元的存在性与唯一性,知道 \(K[x]\) 有单位元 \(1\);
- 掌握零因子(左零因子、右零因子)的精确定义,区分平凡零因子(零元)与非平凡零因子;
- 掌握子环的定义,并会用充要条件(对减法和乘法封闭)判定子环;
- 理解矩阵多项式环\(K[A]\) 作为 \(M_n(K)\) 子环的结构,认识其交换性来源;
- 掌握环同构的定义,理解"保持运算的双射"这一核心思想;
- 通过 \(K \cong K \cdot I_n\) 的例证,建立数域与数量矩阵环之间的同构关系。
1交换环与含幺环 ⏱ 00:39
在一般环的基础上,丘老师引入两类重要的特殊环。
\(K[x]\) 是交换环——多项式乘法显然满足交换律。
\(K[x]\) 的单位元是常数多项式 \(1\)(即 \(1 \cdot x^0\))。⏱ 02:15
证明:单位元若存在则唯一
设 \(E_1, E_2\) 都是 \(R\) 的单位元,则:
故 \(E_1 = E_2\),单位元唯一。⏱ 02:50
2零因子的概念 ⏱ 04:00
丘老师从矩阵乘法的零因子现象引入此概念:
- 若存在 \(b \in R\),\(b \neq 0\),使 \(a \cdot b = 0\),称 \(a\) 为左零因子;
- 若存在 \(b \in R\),\(b \neq 0\),使 \(b \cdot a = 0\),称 \(a\) 为右零因子;
- 左零因子与右零因子统称为零因子。
证明:零元是零因子
对任意环 \(R\) 和任意 \(b \in R\),由分配律可证 \(0 \cdot b = b \cdot 0 = 0\)(见 P67 集)。因此零元对任何非零元 \(b\) 都满足 \(0 \cdot b = 0\),是平凡零因子。⏱ 09:30
矩阵环中的非平凡零因子:\(\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}\),两个非零矩阵乘积为零矩阵。故 \(M_n(K)\)(\(n \geq 2\))有非平凡零因子。⏱ 12:08
3子环的定义与判定 ⏱ 13:38
从偶数环是整数环的子集出发,自然引出子环概念。
子环的充要条件判定法
命题:环 \(R\) 的非空子集 \(R_1\) 是子环,当且仅当对任意 \(a, b \in R_1\):
必要性:若 \(R_1\) 是子环,则它对其自身的加法和乘法封闭。由于 \(R_1\) 中元素的负元也在 \(R_1\) 中,故 \(a - b = a + (-b) \in R_1\);乘法封闭即 \(ab \in R_1\)。
充分性:假设 \(a, b \in R_1 \Rightarrow a-b \in R_1\) 且 \(ab \in R_1\)。
- 取 \(c \in R_1\)(\(R_1\) 非空),则 \(c - c = 0 \in R_1\)(零元属于 \(R_1\));
- \(\forall b \in R_1\),\(0 - b = -b \in R_1\)(负元属于 \(R_1\));
- \(\forall a, b \in R_1\),\(a + b = a - (-b) \in R_1\)(加法封闭);
- 乘法封闭由条件直接给出。
因此 \(R_1\) 对加法和乘法均封闭。加法和乘法的结合律、交换律、分配律等由 \(R\) 继承(子集的运算限制)。故 \(R_1\) 是环,即 \(R\) 的子环。⏱ 19:00
4矩阵多项式环 \(K[A]\) ⏱ 23:05
给定数域 \(K\) 上的 \(n\) 阶矩阵 \(A\),考虑形如:
的所有矩阵组成的集合,记作 \(K[A]\),称为矩阵 \(A\) 的多项式环。⏱ 23:30
验证 \(K[A]\) 是 \(M_n(K)\) 的子环
对减法封闭:两个 \(K[A]\) 中元素的差仍具有相同形式(逐项相减系数),仍在 \(K[A]\) 中。
对乘法封闭:利用分配律及 \(A^i \cdot A^j = A^{i+j}\),两个多项式相乘后仍为 \(A\) 的多项式形式。⏱ 26:14
由子环判定定理,\(K[A]\) 是 \(M_n(K)\) 的子环。
\(K[A]\) 的单位元是单位矩阵 \(I\)。
5环的同构映射 ⏱ 30:18
丘老师通过 \(K\) 与 \(KI\) 之间的明显对应关系,抽象出"环同构"的概念。
- \(\sigma\) 是双射;
- \(\sigma\) 保持加法:\(\sigma(a + b) = \sigma(a) + \sigma(b)\),\(\forall a,b \in R\);
- \(\sigma\) 保持乘法:\(\sigma(a \cdot b) = \sigma(a) \cdot \sigma(b)\),\(\forall a,b \in R\)。
例:\(K \cong KI\)(数域与数量矩阵环同构)
定义映射 \(\sigma: K \to KI\),\(\sigma(k) = kI\)(\(k\) 对应到主对角线全为 \(k\) 的数量矩阵)。
双射性:
- 单射:若 \(k \neq l\),则 \(kI \neq lI\)(至少一个对角元不同),故 \(\sigma(k) \neq \sigma(l)\);
- 满射:对任意 \(kI \in KI\),存在 \(k \in K\) 使 \(\sigma(k) = kI\)。
保持加法:
保持乘法:
故 \(\sigma\) 是环同构,\(K \cong KI\)。⏱ 33:20
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 子环判定只用加法封闭不够:必须同时验证对减法和乘法封闭。仅验证加法封闭可能漏掉零元或负元不属于子集的情况。
- 混淆"交换环"与"含幺环":二者是独立概念。矩阵环 \(M_n(K)\) 含幺但不交换;偶数环 \(2\mathbb{Z}\) 交换但无单位元。
- 误认为子环必须与原环有相同单位元:子环可以有自己独立的单位元(或无单位元)。例如 \(2\mathbb{Z}\) 是 \(\mathbb{Z}\) 的子环,但 \(2\mathbb{Z}\) 没有单位元。
- 零因子定义漏掉"非零元"条件:定义要求 \(a \neq 0\) 且 \(b \neq 0\)。零元本身不是"非平凡零因子"。
- 同构映射只需单射或满射:同构必须是双射,同时保持两种运算。
- 忽略 \(K[A]\) 的交换性来源:\(K[A]\) 是交换环的原因不是矩阵乘法一般可交换,而是因为所有元素都是同一个矩阵 \(A\) 的多项式,而同矩阵的幂彼此可交换。
✎自测与作业
- (基础)证明:在含幺环 \(R\) 中,单位元 \(E\) 的负元 \(-E\) 满足 \((-E) \cdot a = a \cdot (-E) = -a\)(对一切 \(a \in R\))。
- (判定)判断下列集合是否为给定环的子环,说明理由:
(a) 所有对角矩阵集合 \(\subseteq M_n(K)\);
(b) 所有行列式为 1 的矩阵集合 \(SL_n(K) \subseteq M_n(K)\);
(c) 所有上三角矩阵集合 \(\subseteq M_n(K)\)。 - (证明)证明:在交换环 \(R\) 中,若 \(a\) 是可逆元(存在 \(a^{-1}\) 使 \(aa^{-1}=a^{-1}a=E\)),则 \(a\) 不是零因子。
- (计算)设 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\),写出 \(K[A]\) 中所有元素的一般形式,并验证其中任意两元素乘法可交换。
- (概念)解释为什么 \(K[A]\) 是交换环,而 \(M_n(K)\) 不是。二者在结构上有何本质区别?
- (进阶)设 \(\sigma: R \to R'\) 是环同构。证明:若 \(R\) 有单位元 \(E\),则 \(\sigma(E)\) 是 \(R'\) 的单位元。