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|
Непустое множество К, на котором заданы две бинарные операции-сложение (+) и умножение ( ), удовлетворяющие условиям:
1) относительно операции сложения К - коммутативнаятруппа;
2) относительно операции умножения К - полугруппа;
3) операции сложения и умножения связаны законом дистрибутивности, т. е. (a+b)с=ас+bс, с(a+b) =ca+cb для всех а, b, c K , называется кольцом (К,+, ).
Структура (К, +) называется аддитивной группой кольца. Если операция умножения коммутативна, т. е. ab=ba. для всех а , b , то кольцо называется коммутативным.
Если относительно операции умножения существует единичный элемент, который в кольце принято обозначать единицей 1,. то говорят, что К есть кольцо с единицей.
Подмножество L кольца называется подкольцом, если L - подгруппа аддитивной группы кольца и L замкнуто относительно операции умножения, т. е. для всех a, b L выполняется а+b L и ab L.
Пересечение подколец будет подкольцом. Тогда, как и в случае групп, подкольцом, порожденным множеством S K, называется пересечение всех подколец К, содержащих S.
1. Множество целых чисел относительно операций умножения и сложения (Z, +, )-коммутативное кольцо. Множества nZ целых чисел, делящихся на п, будет подкольцом без единицы при п>1.
Аналогично множество рациональных и действительных чисел - коммутативные кольца с единицей.
2. Множество квадратных матриц порядка п относительно-операций сложения и умножения матриц есть кольцо с единицей Е - единичной матрицей. При п>1 оно некоммутативное.
3. Пусть K-произвольное коммутативное кольцо. Рассмотрим всевозможные многочлены
с переменной х и коэффициентами а 0 , а 1 , а 2 , ..., а n , из К. Относительно алгебраических операций сложения и умножения многочленов- это коммутативное кольцо. Оно называется кольцом многочленов К от переменной х над кольцом К (например, над кольцом целых, рациональных, действительных чисел). Аналогично определяется кольцо многочленов K от т переменных как кольцо многочленов от одной переменной х т над кольцом K.
4. Пусть X - произвольное множество, К -произвольное кольцо. Рассмотрим множество всех функций f: Х К, определенных на множестве X со значениями в К Определим сумму и произведение функций, как обычно, равенствами
(f+g)(x)=f(x)+g(x); (fg)(x)=f(x)g(x),
где + и - операции в кольце К.
Нетрудно проверить, что все условия, входящие в определение кольца, выполняются, и построенное кольцо будет коммутативным, если коммутативно исходное кольцо K . Оно называется кольцом функций на множестве X со значениями в кольце К.
Многие свойства колец - это переформулированные соответствующие свойства групп и полугрупп, например: a m a n =a m + n , (а т) п =а тп для всех m , n и всех a .
Другие специфические свойства колец моделируют свойства чисел:
1) для всех a a 0=0 a=0;
2) .(-а)b=а(-b)=-(ab) ;
3) - a=(-1)a .
Действительно:
2) 0=a (аналогично (-a)b=-(ab));
3) используя второе свойство, имеем-a= (-a)1 =a(-1) = (-1)a .
Поле
В кольцах целых, рациональных и действительных чисел из того, что произведение ab=0, следует, что либо а =0, либо b =0. Но в кольце квадратных матриц порядка n >1 это свойство уже не выполняется, так как, например, = .
Если в кольце К ab=0 при а 0, b , то а называется левым, а b - правым делителем нуля. Если в К нет делителей нуля (кроме элемента 0, который является тривиальным делителем нуля), то K называется кольцом без делителей нуля.
1. В кольце функции f: R R на множестве действительных чисел R рассмотрим функции f 1 (x)=|x|+x; f 2 (x) =|x|-x. Для них f 1 (x) =0 при x и f 2 (x )=0 при x , а поэтому произведение f 1 (x) f 2 (x) - нулевая функция, хотя f 1 (x) и f 2 (x) . Следовательно, в этом кольце есть делители нуля.
2. Рассмотрим множество пар целых чисел (а, b), в котором заданы операции сложения и умножения:
(a 1 , b 1)+(a 2 , b 2)=(a 1 +a 2 , b 1 +b 2);
(a 1 , b 1)(a 2 , b 2)= (a 1 a 2 , b 1 b 2).
Это множество образует коммутативное кольцо с единицей (1,1) и делителями нуля, так как (1,0)(0,1)=(0,0).
Если в кольце нет делителей нуля, то в нем выполняется закон сокращения, т. е. ab=ac, а =с. Действительно, ab-ac=0 a(b-c)=0 (b-c)=0 b=c.
Пусть К - кольцо, с единицей. Элемент а называется обратимым, если существует такой элемент а -1 , для которого aa -1 =a -1 a=1 .
Обратимый элемент не может быть делителем нуля, так как. если ab =0 , то a -1 (ab) =0 (a -1 a)b=0 1b=0 b=0 (аналогично ba=0 ).
Теорема. Все обратимые элементы кольца К с единицей образуют группу относительно умножения.
Действительно, умножение в К
ассоциативно, единица содержится во множестве обратимых элементов и произведение не выводит из множества обратимых элементов, так как если а
и b
обратимы, то
(аb) -1 =b -1 a -1 .
Важную алгебраическую структуру образуют коммутативные кольца К, в которых каждый ненулевой элемент обратим, т. е. относительно операции умножения множество K \{0} образует группу. В таких кольцах определены три операции: сложение, умножение и деление.
Коммутативное кольцо Р с единицей 1 0, в котором каждый ненулевой элемент обратим, называется полем.
Относительно умножения все отличные от нуля элементы поля образуют группу, которая называется мультипликативной группой поля.
Произведение аb -1 записывается в виде дроби и имеет смысл лишь при b 0 . Элемент является единственным решением уравнения bx=a. Действия с дробями подчиняются привычным для нас правилам:
Докажем, например, второе из них. Пусть х= и у= - решения уравнений bx=a, dy=c. Из этих уравнений следует dbx=da, bdy=bc bd(x+y)=da+bc t= - единственное решение уравнения bdt=da+bc.
1. Кольцо целых чисел не образует поля. Полем является множество рациональных и множество действительных чисел.
8.7. Задания для самостоятельной работы по главе 8
8.1. Определить, является ли операция нахождения скалярного произведения векторов n-мерного евклидового пространства коммутативной и ассоциативной. Обосновать ответ.
8.2. Определить, является ли множество квадратных матриц порядка n относительно операции умножения матриц, группой или моноидом.
8.3. Указать, какие из следующих множеств образуют группу относительно операции умножения:
а) множество целых чисел;
б) множество рациональных чисел;
в) множество действительных чисел, отличных от нуля.
8.4. Определить, какие из следующих структур образует множество квадратных матриц порядка n с определителем, равным единице: относительно обычных операций сложения и умножения матриц:
а) группу;
б) кольцо;
8.5. Указать, какую структуру образует множество целых чисел относительно операции умножения и сложения:
а) некоммутативное кольцо;
б) коммутативное кольцо;
8.6. Какую из перечисленных ниже структур образует множество матриц вида с действительными a и b относительно обычных операций сложения и умножения матриц:
а) кольцо;
8.7. Какое число нужно исключить из множества действительных чисел, чтобы оставшиеся числа образовывали группу относительно обычной операции умножения:
8.8. Выяснить, какую из следующих структур образует множество, состоящее из двух элементов a и e, с бинарной операцией, определенной следующим образом:
ee=e, ea=a, ae=a, aa=e.
а) группу;
б) абелеву группу.
8.9. Являются ли кольцом четные числа относительно обычных операций сложения и умножения? Обосновать ответ.
8.10. Является ли кольцом совокупность чисел вида a+b , где a и b – любые рациональные числа, относительно операций сложения и умножения? Ответ обосновать.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИМЕРЫ ГРУППЫ.
Опр1 .Пусть G не пустое множество элементов произвольной природы. G называется группой
1) На множестве G задана бао °.
2) бао ° ассоциативна.
3) Существует нейтральный элемент nÎG.
4) Для любого элемента из G симметричный ему элемент всегда существует и принадлежит такжеG.
Пример. Множество Z – чисел с операцией +.
Опр2 .Группа называется абелевой , если она коммутативна относительно заданной бао °.
Примеры групп:
1) Z,R,Q «+» (Z+)
Простейшие свойства групп
В группе существует единственный нейтральный элемент
В группе для каждого элемента существует единственный симметричный ему элемент
Пусть G - группа с бао °, тогда уравнения вида:
a°x=b и x°a=b (1) - разрешимы и имеют единственное решение.
Доказательство . Рассмотрим уравнения (1) относительно x. Очевидно, что для а $! а". Так как операция ° - ассоциативна, то очевидно x=b°a" - единственное решение.
34. ЧЕТНОСТЬ ПОДСТАНОВКИ*
Определение 1 . Подстановка называется четной , если она разлагается в произведение четного числа транспозиций, и нечетная в противном случае.
Предложение 1 .Подстановка
Является четной <=> - четная перестановка. Следовательно, количество четных подстановок
из n чисел равно n!\2.
Предложение 2 . Подстановки f и f - 1 имеют один характер четности.
> Достаточно проверить, что если - произведение транспозиций, то <
Пример:
ПОДГРУППА. КРИТЕРИЙ ПОДГРУППЫ.
Опр. Пусть G - группа c бао ° и не пустое подмножество HÌG, тогда H называют подгруппой группы G, если H -подгруппа относительно бао° (т.е. ° - бао на Н. И Н с этой операцией группа).
Теорема (критерий подгруппы). Пусть G - группа относительно операции°, ƹHÎG. H является подгруппой <=> "h 1 ,h 2 ÎH выполняется условие h 1 °h 2 "ÎH (где h 2 " - симметричный элемент к h 2).
Док-во. =>: Пусть H - подгруппа (нужно доказать, что h 1 °h 2 "ÎH). Возьмем h 1 ,h 2 ÎH, тогда h 2 "ÎH и h 1 °h" 2 ÎH (так как h" 2 - симметричный элемент к h 2).
<=: (надо доказать, что H - подгруппа).
Раз H¹Æ , то там есть хотя бы один элемент. Возьмем hÎH, n=h°h"ÎH, т.е. нейтральный элемент nÎH. В качестве h 1 берем n, а в качестве h 2 возьмём h тогда h"ÎH Þ " hÎH симметричный элемент к h также принадлежит H.
Докажем, что композиция любых элементов из Н принадлежит Н.
Возьмём h 1 , а в качестве h 2 возьмём h" 2 Þ h 1 °(h 2 ") " ÎH, Þ h 1 °h 2 ÎH.
Пример. G=S n , n>2, α - некоторый элемент из Х={1,…,n}. В качестве H возьмём не пустое множество H= S α n ={fÎ S n ,f(α)=α}, при действии отображения из S α n α остаётся на месте. Проверяем по критерию. Возьмём любые h 1 ,h 2 ÎH. Произведение h 1 . h 2 "ÎH, т.е H - подгруппа, которая называется стационарной подгруппой элемента α.
КОЛЬЦО, ПОЛЕ. ПРИМЕРЫ.
Опр. Пусть К непустое множество с двумя алгебраическими операциями: сложением и умножением. К называется кольцом , если выполняются следующие условия:
1) К- абелевагруппа(коммутативна относительно заданной бао °) относительно сложения;
2) умножение ассоциативно;
3) умножение дистрибутивно относительно сложения().
Если умножение коммутативно, то К называют коммутативным кольцом . Если относительно умножения есть нейтральный элемент, то К называют кольцом с единицей .
Примеры.
1)Множество Z целых чисел образует кольцо относительно обычных операций сложения и умножения. Это кольцо коммутативно, ассоциативно и обладает единицей.
2) Множества Q рациональных чисел и R действительных чисел являются полями
относительно обычных операций сложения и умножения чисел.
Простейшие свойства колец.
1. Так как К абелева группа относительно сложения, то на К переносятся простейшие свойства групп.
2. Умножение дистрибутивно относительно разности: a(b-c)=ab-ac.
Доказательство. Т.к. ab-ac+ac=ab и a(b-c)+ac=a((b-c)+c)=a(b-c+c)=ab, то a(b-c)=ab-ac.
3. В кольце могут быть делители нуля, т.е. ab=0, но отсюда не следует,что a=0 b=0.
Например, в кольце матриц размера 2´2, существуют элементы не равные нулю такие, что их произведение будет нуль: ,где - играет роль нулевого элемента.
4. a·0=0·а=0.
Доказательство. Пусть 0=b-b. Тогда a(b-b)=ab-ab=0. Аналогично 0·а=0.
5. a(-b)=(-a)·b=-ab.
Доказательство: a(-b)+ab=a((-b)+b)=a·0=0.
6. Если в кольце К существует единица и оно состоит более, чем из одного элемента, то единица не равна нулю, где 1─ нейтральный элемент при умножении; 0 ─ нейтральный элемент при сложении.
7. Пусть К кольцо с единицей, тогда множество обратимых элементов кольца образуют группу относительно умножения, которую называют мультипликативной группой кольца K и обозначают K* .
Опр. Коммутативное кольцо с единицей, содержащее не менее двух элементов, в котором любой отличный от нуля элемент обратим, называется полем .
Простейшие свойства поля
1. Т.к. поле - кольцо, то все свойства колец переносятся и на поле.
2. В поле нет делителей нуля,т.е. если ab=0 ,то a=0 или b=0.
Доказательство.
Если a¹0 ,то $ a -1 . Рассмотрим a -1 (ab)=(a -1 a)b=0 , а если a¹0 ,то b=0, аналогично если b¹0
3. Уравнение вида a´x=b, a¹0, b – любое, в поле имеет единственное решение x= a -1 b, или х=b/a.
Решение этого уравнения называется частным.
Примеры. 1)PÌC, P - числовое поле. 2)P={0;1};
Аннотация: В данной лекции рассматриваются понятия колец. Приведены основные определения и свойства элементов кольца, рассмотрены ассоциативные кольца. Рассмотрен ряд характерных задач, доказаны основные теоремы, а также приведены задачи для самостоятельного рассмотрения
Кольца
Множество R с двумя бинарными операциями (сложением + и умножением ) называется ассоциативным кольцом с единицей , если:
Если операция умножения коммутативна, то кольцо называется коммутативным кольцом. Коммутативные кольца являются одним из главных объектов изучения в коммутативной алгебре и алгебраической геометрии.
Замечания 1.10.1 .
Примеры 1.10.2 (примеры ассоциативных колец) .
Мы уже убедились, что группа вычетов (Z n ,+)={C 0 ,C 1 ,...,C n-1 }, C k =k+nZ , по модулю n с операцией сложения , является коммутативной группой (см. пример 1.9.4, 2)).
Определим операцию умножения, полагая . Проверим корректность этой операции . Если C k =C k" , C l =C l" , то k"=k+nu , l"=l+nv , , и поэтому C k"l" =C kl .
Так как (C k C l)C m =C (kl)m =C k(lm) =C k (C l C m), C k C l =C kl =C lk =C l C k , C 1 C k =C k =C k C 1 , (C k +C l)C m =C (k+l)m =C km+lm =C k C m +C l C m , то является ассоциативным коммутативным кольцом с единицей C 1 кольцом вычетов по модулю n ).
Свойства колец (R,+,.)
Лемма 1.10.3 (бином Ньютона) . Пусть R - кольцо с 1 , , . Тогда:
Доказательство.
Определение 1.10.4 . Подмножество S кольца R называется подкольцом , если:
а) S - подгруппа относительно сложения в группе (R,+) ;
б)для имеем ;
в)для кольца R с 1 предполагается, что .
Примеры 1.10.5 (примеры подколец) .
Задача 1.10.6 . Описать все подкольца в кольце вычетов Z n по модулю n .
Замечание 1.10.7 . В кольце Z 10 элементы, кратные 5 , образуют кольцо с 1 , не являющееся подкольцом в Z 10 (у этих колец различные единичные элементы).
Определение 1.10.8 . Если R - кольцо, и , , ab=0 , то элемент a называется левым делителем нуля в R , элемент b называется правым делителем нуля в R .
Замечание 1.10.9 . В коммутативных кольцах, естественно, нет различий между левыми и правыми делителями нуля.
Пример 1.10.10 . В Z , Q , R нет делителей нуля.
Пример 1.10.11 . Кольцо непрерывных функций C имеет делители нуля. Действительно, если
то , , fg=0 .
Пример 1.10.12
. Если n=kl
, 1 Лемма 1.10.13
. Если в кольце R
нет (левых) делителей нуля, то из ab=ac
, где , , следует, что b=c
(т. е. возможность сокращать на ненулевой элемент слева, если нет левых делителей нуля; и справа, если нет правых делителей нуля). Доказательство. Если ab=ac
, то a(b-c)=0
. Так как a
не является левым делителем нуля, то b-c=0
, т. е. b=c
. Определение 1.10.14
. Элемент называется нильпотентным
, если x n =0
для некоторого . Наименьшее такое натуральное число n
называется степенью нильпотентности элемента
. Ясно, что нильпотентный элемент является делителем нуля (если n>1
, то , ). Обратное утверждение неверно (в Z 6
нет нильпотентных элементов, однако 2
, 3
, 4
- ненулевые делители нуля). Упражнение 1.10.15
. Кольцо Z n
содержит нильпотентные элементы тогда и только тогда, когда n
делится на m 2
, где , . Определение 1.10.16
. Элемент x
кольца R
называется идемпотентом
, если x 2 =x
. Ясно, что 0 2 =0
, 1 2 =1
. Если x 2 =x
и , , то x(x-1)=x 2 -x=0
, и поэтому нетривиальные идемпотенты
являются делителями нуля. Через U(R)
обозначим множество обратимых элементов ассоциативного кольца R
, т. е. тех , для которых существует обратный элемент s=r -1
(т. е. rr -1 =1=r -1 r
). Понятие кольца, простейшие свойства колец.
Алгебра (K
, +, ∙) называется кольцом, если выполняются следующие аксиомы: 1. (K
, +) – коммутативная группа; 2. 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 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 Все свойства колец справедливы для полей. Для поля (Р
,+,∙) справедливы также следующие свойства: 1) 2) ab = e
|=> a
≠0 b =
а
-1 ; 3) 4) ab
= 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
= 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
) 5. Пусть Т
– множество всех отображений 6. Пусть А
={1,2,…,n
}. Взаимнооднозначное отображение f
: 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 8. Является ли кольцом множество К
={а
+b
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 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
) числа вида d
) числа вида §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: 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) => Построим отображение f
: R 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, 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 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 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
= 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 Извлечение корня
n
– ой степени из комплексного числа в тригонометрической форме.
Пусть z
C
, n
N
. n
– ой степенью комплексного числа z
называется произведение =
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 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 +
a(b+c
) = ab+ac
(b+c
)a
= ba+ca
;
a
-
b
, a
∙b
.
a
≠0 существует ему обратный элемент а
-1 , а
∙ а
-1 = е
, е
– единица кольца.
a
≠0 уравнение ах =
b
имеет решение и притом единственное;
c
≠0 ac = bc
=> a=b
;
a
= 0 b
= 0;
;
. Докажите, что алгебра (Q\{0},) является группой.
} определена операция (а,
b
) (c
,
d
) = (ac
–
bd
, ad
+
bc
). Докажите, что алгебра (А,
) – группа.
заданных правилом
, где а,
b
Q, a
Докажите, что Т
является группой относительно композиции отображений.
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.
где а,
b
} относительно операций сложения и умножения.
коммутативное кольцо с единицей.
.
c рациональными а,
b
;
с рациональными а
, b
;
с рациональными a
, b
, c
.
f
(a
+b
) =
f
(a
) f
(b
) f
(a
◦b
) = f
(a
) ◦ f
(b
), называется гомоморфизмом алгебры (А
, +, ∙) в(на) алгебру (Ā
, , ◦).
,
(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.
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.
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.
, то =∙β
-1 = =(a
,
b
)∙
Таким образом
.
называется модулем комплексного числа z
=
a
+
bί
и обозначается | z
|.
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 =
Arg– Arg.
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
=
.
– арифметический корень.
, … , 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.