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分式域

分式域(Field of Fractions)是将整环"域化"的最经济方法——正如 Q\mathbb{Q} 由 Z\mathbb{Z} 构造而来,任意整环都可以嵌入一个域中。

构造​

设 RR 为整环。在集合 R×(R∖{0})R \times (R \setminus \{0\}) 上定义等价关系:

(a,b)∼(c,d)  ⟺  ad=bc(a, b) \sim (c, d) \iff ad = bc

将等价类 ab\frac{a}{b}(即 (a,b)(a, b) 所在的等价类)全体记为 Frac⁡(R)\operatorname{Frac}(R)。定义加法和乘法:

ab+cd=ad+bcbd,ab⋅cd=acbd\frac{a}{b} + \frac{c}{d} = \frac{ad + bc}{bd}, \qquad \frac{a}{b} \cdot \frac{c}{d} = \frac{ac}{bd}

则 (Frac⁡(R),+,⋅)(\operatorname{Frac}(R), +, \cdot) 构成域,称为 RR 的分式域(Field of Fractions)或商域。

基本性质​

  1. 嵌入:映射 i:R→Frac⁡(R)i: R \to \operatorname{Frac}(R),i(r)=r1i(r) = \frac{r}{1} 是单同态。因此可视为 R⊆Frac⁡(R)R \subseteq \operatorname{Frac}(R)。
  2. 最小性:若 FF 是域且 R⊆FR \subseteq F,则 Frac⁡(R)\operatorname{Frac}(R) 同构于 FF 中由 RR 生成的子域。
  3. 泛性质:任意单同态 R→FR \to F(FF 为域)可唯一延拓为 Frac⁡(R)→F\operatorname{Frac}(R) \to F。

经典例子​

整环分式域说明
Z\mathbb{Z}Q\mathbb{Q}整数 → 有理数
F[x]F[x](FF 域)F(x)F(x)多项式 → 有理函数
Z[i]\mathbb{Z}[i]Q(i)\mathbb{Q}(i)高斯整数 → 高斯有理数
R[x]\mathbb{R}[x]R(x)\mathbb{R}(x)实系数有理函数域
Zp\mathbb{Z}_p(pp 素数)Zp\mathbb{Z}_p 自身已是域,分式域即自身

分式域与局部化​

分式域是环的局部化(Localization)在"所有非零元"处的特例。局部化的更一般形式允许只对乘法子集 S⊆RS \subseteq R 做"分式化":

S−1R={rs  |  r∈R,s∈S}S^{-1}R = \left\{ \frac{r}{s} \;\middle|\; r \in R, s \in S \right\}

  • 当 RR 是整环且 S=R∖{0}S = R \setminus \{0\} 时,S−1R=Frac⁡(R)S^{-1}R = \operatorname{Frac}(R)(分式域)
  • 当 S=R∖PS = R \setminus P(PP 为素理想)时,S−1RS^{-1}R 称为 RR 在 PP 处的局部环,记作 RPR_P

分式域在同构理论中的应用​

  1. Frac⁡(Z[x])=Q(x)\operatorname{Frac}(\mathbb{Z}[x]) = \mathbb{Q}(x)
  2. Frac⁡(F[x,y])=F(x,y)\operatorname{Frac}(F[x, y]) = F(x, y)
  3. 若 R≅SR \cong S 为整环同构,则 Frac⁡(R)≅Frac⁡(S)\operatorname{Frac}(R) \cong \operatorname{Frac}(S)

分式域是构造域的基本手段,也是代数几何中研究有理函数域的基础。