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环论补充:极大理想求法、根理想与 CRT

怎样求极大理想:Zn\mathbb{Z}_n 的实例​

整数剩余类环 Zn\mathbb{Z}_n​

Zn\mathbb{Z}_n 的理想与整除 nn 的正因子一一对应。具体地:

Zn\mathbb{Z}_n 的所有理想为 ⟨dˉ⟩=(d)\langle \bar{d} \rangle = (d) 对每个 d∣nd \mid n。

这些理想都是主理想,由 dˉ=d mod n\bar{d} = d \bmod n 生成。

Zn\mathbb{Z}_n 的极大理想判定​

定理:在 Zn\mathbb{Z}_n 中,理想 (d)(d) 是极大理想当且仅当 dd 是 nn 的一个素因子。

等价地:

Zn 的极大理想  ⟷  {(p)∣p 是 n 的素因子}\mathbb{Z}_n \text{ 的极大理想} \;\longleftrightarrow\; \{ (p) \mid p \text{ 是 } n \text{ 的素因子} \}

理由:Zn/(d)≅Zd\mathbb{Z}_n / (d) \cong \mathbb{Z}_d,商环是域   ⟺  d\iff d 是素数   ⟺  (d)\iff (d) 极大。

例子:求 Z12\mathbb{Z}_{12} 的所有极大理想​

12=22×312 = 2^2 \times 3,素因子为 2,32, 3。因此极大理想为:

(2)={0,2,4,6,8,10},(3)={0,3,6,9}(2) = \{0, 2, 4, 6, 8, 10\}, \quad (3) = \{0, 3, 6, 9\}

所有理想:(1)=Z12(1) = \mathbb{Z}_{12},(2)(2),(3)(3),(4)={0,4,8}(4) = \{0,4,8\},(6)={0,6}(6) = \{0,6\},(12)=(0)={0}(12) = (0) = \{0\}。

其中极大理想:(2)(2) 和 (3)(3)。 素理想:(2)(2)、(3)(3) 是极大理想故而也是素理想。(0)(0) 不是素理想(因为 Z12\mathbb{Z}_{12} 不是整环)。

例子:求 Z[x]/(x2+1)\mathbb{Z}[x]/(x^2+1) 的极大理想​

Z[x]/(x2+1)≅Z[i]\mathbb{Z}[x]/(x^2+1) \cong \mathbb{Z}[i](高斯整数环)。其极大理想为:

(p) 对素数 p≡3(mod4)(p) \text{ 对素数 } p \equiv 3 \pmod{4}

以及素分解对应的理想。这是一个 PID,所以所有非零素理想都是极大理想。

根理想(√I)​

定义​

设 I⊴RI \trianglelefteq R 为交换环 RR 的理想。II 的根理想(Nilradical)定义为:

I={r∈R∣rn∈I 对某个 n≥1}\sqrt{I} = \{r \in R \mid r^n \in I \text{ 对某个 } n \geq 1\}

直观理解:根理想收集了所有"幂次落入 II"的元素。

基本性质​

  1. I\sqrt{I} 是理想,且 I⊆II \subseteq \sqrt{I}
  2. I=I\sqrt{\sqrt{I}} = \sqrt{I}
  3. I∩J=I∩J\sqrt{I \cap J} = \sqrt{I} \cap \sqrt{J}
  4. I=R  ⟺  I=R\sqrt{I} = R \iff I = R
  5. 若 PP 是素理想,则 P=P\sqrt{P} = P

素理想与根理想​

若 I=PI = P 是素理想,则 P=P\sqrt{P} = P。素理想的根就是自身。

命题:I\sqrt{I} 是包含 II 的所有素理想的交​

I=⋂P⊇IP\sqrt{I} = \bigcap_{P \supseteq I} P

其中 PP 取遍包含 II 的素理想。这是根理想最重要的刻画。

举例​

Z\mathbb{Z} 中:对 (n)(n),分解 n=∏piein = \prod p_i^{e_i},则:

(n)=(p1p2⋯pk)\sqrt{(n)} = (p_1 p_2 \cdots p_k)

即根理想由 nn 的无平方部分生成。

例如:(12)=(22⋅3)=(6)\sqrt{(12)} = \sqrt{(2^2 \cdot 3)} = (6)。

中国剩余定理(环论版)​

定理陈述​

若 I1,I2,…,InI_1, I_2, \ldots, I_n 是交换含幺环 RR 中两两互素的理想(即 Ii+Ij=RI_i + I_j = R),则: R/(I1I2⋯In)≅R/I1×R/I2×⋯×R/InR / (I_1 I_2 \cdots I_n) \cong R/I_1 \times R/I_2 \times \cdots \times R/I_n 同构映射为 φ:r+⋂Ii↦(r+I1,r+I2,…,r+In)\varphi: r + \bigcap I_i \mapsto (r + I_1, r + I_2, \ldots, r + I_n)

特例:整数环​

若 m=∏i=1nmim = \prod_{i=1}^{n} m_i 且各 mim_i 两两互素,则:

Zm≅Zm1×Zm2×⋯×Zmn\mathbb{Z}_m \cong \mathbb{Z}_{m_1} \times \mathbb{Z}_{m_2} \times \cdots \times \mathbb{Z}_{m_n}

如何构造同构映射​

标准同构映射为 a mod m↦(a mod m1,a mod m2,…,a mod mn)a \bmod m \mapsto (a \bmod m_1, a \bmod m_2, \ldots, a \bmod m_n)。

反向映射:给定 (a1,…,an)(a_1, \ldots, a_n),用扩展欧几里得算法解同余方程组:

x≡ai(modmi),i=1,…,nx \equiv a_i \pmod{m_i}, \quad i = 1, \ldots, n

举例​

m=15=3×5m = 15 = 3 \times 5(gcd⁡(3,5)=1\gcd(3, 5) = 1):

Z15≅Z3×Z5\mathbb{Z}_{15} \cong \mathbb{Z}_3 \times \mathbb{Z}_5

映射:x mod 15↦(x mod 3,x mod 5)x \bmod 15 \mapsto (x \bmod 3, x \bmod 5)。例如 7↦(1,2)7 \mapsto (1, 2)。

应用​

  1. 通过 Zn\mathbb{Z}_n 的分解理解其理想结构
  2. 简化多项式环商环的计算(如 Z[x]/(x2−1)\mathbb{Z}[x]/(x^2-1) 的分解)
  3. 与 Sylow 定理结合判断群的直积分解