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◎学习目标
- 掌握无限维线性空间的判定方法:证明一组无穷集合线性无关;
- 理解并记忆多项式⏱ 00:02次数公式 \(\deg(f+g) \leq \max(\deg f, \deg g)\) 和 \(\deg(fg) = \deg f + \deg g\);
- 掌握无零因子性及其推论——消去律的证明;
- 理解从具体代数结构(整数环、矩阵环、多项式环)中抽象出"环"这一概念的方法论;
- 熟练掌握环的六条运算律:加法四条(结合、交换、零元、负元)+ 乘法两条(结合、分配)。
1\(K[x]\) 是无限维线性空间 ⏱ 00:00
由前一集(P66)知,\(K[x]\) 是数域 \(K\) 上的线性空间。现在来研究它的维数。
考虑集合 \(\omega = \{1, x, x^2, x^3, \ldots\}\),即所有非负整数次幂的集合。
证明 \(\omega\) 线性无关
步骤 1:任取 \(\omega\) 的有限子集 \(\{1, x, x^2, \ldots, x^m\}\),证明其线性无关。⏱ 01:05
设 \(k_0 \cdot 1 + k_1 x + \cdots + k_m x^m = 0\)(零多项式)。
由一元多项式的定义(表法唯一),等号两端系数必须完全相同。右端零多项式所有系数均为 0,故:
因此 \(\{1, x, \ldots, x^m\}\) 线性无关。⏱ 03:22
步骤 2:由于 \(\omega\) 的任一有限子集均线性无关,由定义知 \(\omega\) 本身无限线性无关。
结论:\(\omega\) 是 \(K[x]\) 的一个⏱ 04:46无限基,故 \(K[x]\) 是无限维线性空间。这是本課程中第一个真正的无限维线性空间实例。
2多项式次数的基本性质 ⏱ 07:00
设 \(f(x), g(x) \in K[x]\) 均非零,\(\deg f = n\),\(\deg g = m\),首项分别为 \(a_n x^n\) 和 \(b_m x^m\)。
(加法的次数上界)
等号在 \(\deg f \neq \deg g\) 时一定成立;当 \(\deg f = \deg g\) 时,若首项系数互为相反数则可能严格小于。
(乘法的次数等式)
乘法次数公式的证明
\(f(x)\) 的首项为 \(a_n x^n\)(\(a_n \neq 0\)),\(g(x)\) 的首项为 \(b_m x^m\)(\(b_m \neq 0\))。
按乘法定义,\(f \cdot g\) 的最高次项来自首项相乘:⏱ 11:18
由于 \(K\) 是数域(无零因子),\(a_n \neq 0\) 且 \(b_m \neq 0\),故 \(a_n b_m \neq 0\)。
因此 \(f \cdot g\) 的首项就是 \(a_n b_m x^{n+m}\),次数为 \(n + m = \deg f + \deg g\)。⏱ 12:00
零多项式情形:若 \(g = 0\),则 \(f \cdot g = 0\),\(\deg(fg) = -\infty\),而 \(\deg f + \deg g = n + (-\infty) = -\infty\),等式仍成立。这正是规定 \(\deg 0 = -\infty\) 的意义所在。⏱ 12:46
证明:由命题一,\(\deg(fg) = \deg f + \deg g\),两边均非 \(-\infty\),故 \(fg \neq 0\)。
3多项式乘法的消去律 ⏱ 15:00
证明
由 \(fg = fh\),移项得:
由分配律:
由无零因子性(推论),\(f \neq 0\),故必须有 \(g(x) - h(x) = 0\),即 \(g(x) = h(x)\)。证毕。⏱ 16:00
4环的概念引入 ⏱ 17:10
丘老师从几个熟悉的代数结构出发,通过共性提取抽象出"环"的概念。
| 结构 | 加法运算律 | 乘法运算律 | 单位元 |
|---|---|---|---|
| 整数环 \(\mathbb{Z}\) | 结合、交换、零元 0、负元 | 结合、交换 | 有(1) |
| 矩阵环 \(M_n(K)\) | 结合、交换、零元 \(O\)、负元 | 结合(不交换) | 有(\(I_n\)) |
| 数域 \(K\) | 结合、交换、零元 0、负元 | 结合、交换 | 有(1) |
| 偶数集合 \(2\mathbb{Z}\) | 结合、交换、零元 0、负元 | 结合(不交换时需注意) | 无 |
- 加法结合律:\((a+b)+c = a+(b+c)\),\(\forall a,b,c \in R\);
- 加法交换律:\(a+b = b+a\),\(\forall a,b \in R\);
- 加法零元:存在 \(0 \in R\),使 \(a+0 = 0+a = a\),\(\forall a \in R\);
- 加法负元:\(\forall a \in R\),存在 \(-a \in R\),使 \(a+(-a)=(-a)+a=0\);
- 乘法结合律:\((ab)c = a(bc)\),\(\forall a,b,c \in R\);
- 左右分配律:\(a(b+c)=ab+ac\),\((a+b)c=ac+bc\),\(\forall a,b,c \in R\)。
5环的进一步讨论 ⏱ 24:00
环的定义中,不要求乘法交换,也不要求存在乘法单位元。这样定义的目的在于尽可能包容更多结构(如矩阵环没有交换律,偶数环没有单位元)。
- 零元性质:对任意 \(a \in R\),\(a \cdot 0 = 0 \cdot a = 0\)。证明只用分配律:⏱ 06:36
证明:\(a \cdot 0 = 0\)
由加法零元定义:\(0 + 0 = 0\)。对任意 \(a \in R\),用分配律:
两边同时加上 \(-(a \cdot 0)\)(加法负元存在):
同理可证 \(0 \cdot a = 0\)。证毕。
- 交换环:乘法满足交换律 \(ab = ba\) 的环;
- 含幺环:存在乘法单位元 \(E\)(\(Ea = aE = a\))的环;
- 零因子:存在 \(a \neq 0\),使得存在 \(b \neq 0\) 满足 \(ab = 0\)(或 \(ba = 0\))。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 误认为乘法必须交换:环的定义不要求乘法交换!矩阵环是典型的非交换环,忽略这一点会导致后续学习 confusion。
- 误认为环必须有单位元:偶数环 \(2\mathbb{Z}\) 没有乘法单位元,它是环但不是含幺环。题目问"是否含单位元"时需单独验证。
- 混淆零元与零因子:零元 \(0\) 是加法单位元,是"平凡零因子";零因子是指非零元素 \(a\),存在非零 \(b\) 使 \(ab=0\)。二者概念不同。
- \(\deg(f+g) = \max(\deg f, \deg g)\) 无条件成立:仅当 \(\deg f \neq \deg g\) 时等号恒成立;当首项系数互为相反数时可能严格小于。
- 证明 \(\omega\) 线性无关时思路不清:必须明确"无限线性无关"的定义——任意有限子集线性无关;不能直接假设一个"无限线性组合"等于 0。
✎自测与作业
- (基础)证明:在环 \(R\) 中,对任意 \(a \in R\),有 \((-a) \cdot b = -(a \cdot b)\)。(提示:利用分配律和负元的定义。)
- (计算)设 \(f(x) = 3x^3 - 2x + 1\),\(g(x) = -3x^3 + x^2 + 2x - 5\),计算 \(f+g\) 并验证 \(\deg(f+g) < \max(\deg f, \deg g)\)。
- (证明)证明:若 \(f(x) \cdot g(x) = 0\),则 \(f(x) = 0\) 或 \(g(x) = 0\)。(利用 \(\deg(fg) = \deg f + \deg g\)。)
- (概念辨析)下列集合对通常加法和乘法是否构成环?说明理由:
(a) 正实数集合 \(\mathbb{R}^+\);(b) 所有偶数集合 \(2\mathbb{Z}\);(c) 所有 \(2 \times 2\) 对称矩阵集合。 - (思考)为什么环的定义不要求乘法交换?举一个乘法不交换但满足其他六条运算律的具体例子,并验证。
- (进阶)证明:环 \(R\) 中的零元 \(0\) 满足 \(a \cdot 0 = 0 \cdot a = 0\)(对一切 \(a \in R\))。