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整环

整环(Integral Domain)是整数环 Z\mathbb{Z} 的最直接推广——交换、含幺、无零因子。在整环中,我们熟悉的"消去律"和"因式分解"等初等算术性质得以成立。

定义​

设 RR 为交换含幺环,R≠{0}R \neq \{0\}。若 RR 满足:

ab=0⟹a=0 或 b=0ab = 0 \Longrightarrow a = 0 \ \text{或}\ b = 0

则称 RR 为整环。

等价刻画:整环 = 交换含幺环 + 消去律成立(ab=ac,a≠0⇒b=cab = ac, a \neq 0 \Rightarrow b = c)

整环的基本性质​

1. 消去律​

在整环中,若 a≠0a \neq 0 且 ab=acab = ac,则 b=cb = c。

证明:ab=ac⇒a(b−c)=0ab = ac \Rightarrow a(b - c) = 0。因 a≠0a \neq 0 且无零因子,故 b−c=0b - c = 0,即 b=cb = c。

2. 有限整环必为域​

定理:有限整环必为域。

证明:设 RR 为有限整环,a∈Ra \in R,a≠0a \neq 0。考虑映射 La:R→RL_a: R \to R,La(x)=axL_a(x) = ax。由消去律,LaL_a 是单射。因 RR 有限,LaL_a 也是满射,故 ∃x∈R\exists x \in R 使 ax=1ax = 1,aa 可逆。因此 RR 是域。

3. 子环与扩环​

  • 整环的子环仍是整环(若保持含幺性)
  • Z\mathbb{Z} 是"最小"的整环:任意整环都包含一个同构于 Z\mathbb{Z} 或 Zp\mathbb{Z}_p 的子环(其特征子环)

不可约元与素元​

在整环中可讨论因式分解:

概念定义
整除a∣b  ⟺  ∃c∈R,b=aca \mid b \iff \exists c \in R, b = ac
相伴a∼b  ⟺  a∣ba \sim b \iff a \mid b 且 b∣ab \mid a,即 b=uab = ua(uu 可逆)
不可约元p≠0p \neq 0 不可逆,且 p=ab⇒ap = ab \Rightarrow a 可逆或 bb 可逆
素元p≠0p \neq 0 不可逆,且 p∣ab⇒p∣ap \mid ab \Rightarrow p \mid a 或 p∣bp \mid b

素元 vs 不可约元:素元必为不可约元,但反之不一定成立。在唯一分解整环(UFD)中,两者等价。

常见整环例子​

整环说明
Z\mathbb{Z}整数环,所有整环的"原型"
Z[i]\mathbb{Z}[i]高斯整数环(Gauss 整数)
F[x]F[x](FF 为域)域上的一元多项式环
Z[−5]\mathbb{Z}[\sqrt{-5}]非 UFD 的经典例子
Zp\mathbb{Z}_p(pp 素数)有限整环,从而为域

整环的分式域​

任意整环可嵌入一个域——其分式域(Field of Fractions)。分式域是"最经济的域化"构造,详见分式域章节。

例如:

  • Q=Frac⁡(Z)\mathbb{Q} = \operatorname{Frac}(\mathbb{Z})
  • F(x)=Frac⁡(F[x])F(x) = \operatorname{Frac}(F[x])