域的定义
设 F 为交换含幺环,F={0}。若 F 中每个非零元均有乘法逆元,即
∀a∈F,a=0,∃a−1∈F, 使 aa−1=a−1a=1
则称 F 为一个域(Field)。
等价定义:域 = 交换的除环 = 整环 + 非零元可逆。
域 vs 环的分类关系
环 Ring
├── 交换环
│ ├── 整环(无零因子)
│ │ └── 域(非零元可逆)
│ └── 有零因子的交换环(如 Z_6)
└── 非交换环(如矩阵环 M_n(F))
└── 除环(非零元可逆但不交换,如四元数 H)
包含关系:域 ⊂ 整环 ⊂ 交换含幺环 ⊂ 环
域的基本性质
- 域是无零因子的:ab=0⇒a=0 或 b=0
- 非零元构成乘法群:F×=F∖{0} 在乘法下成群
- 域只有平凡理想:{0} 和 F(因为若 I={0},取 a∈I,a=0,则 1=a−1a∈I,故 I=F)
- 有限整环必为域:若 R 是有限整环,则 R 是域
子域与扩域
设 E 是域。若 F⊆E 且在 E 的运算下 F 自身也是域,则称 F 是 E 的子域,E 是 F 的扩域(Extension Field)。
子域判定(定理)
F⊆E 是子域 ⟺ 0,1∈F,且 F 对加减乘除封闭。
常见域的例子
| 域 | 特征 | 元素个数 | 说明 |
|---|
| Q | 0 | 无限 | 有理数域,最小特征 0 域 |
| R | 0 | 无限 | 实数域 |
| C | 0 | 无限 | 复数域,代数闭域 |
| Fp=Zp | p | p | p 元有限域(p 为素数) |
| Fpn | p | pn | pn 元有限域(Galois 域) |
| Q(2) | 0 | 无限 | {a+b2∣a,b∈Q} |
| Q(i) | 0 | 无限 | 高斯有理数域 |
| H | — | 无限 | 四元数除环(非交换,故不是域) |
特别注意:Zn 是域当且仅当 n 是素数。n 合数时 Zn 是含幺交换环但不是整环(有零因子),更不是域。
域与商环的关系
R 为交换含幺环,I⊴R。则:
R/I 是域 ⟺I 是极大理想
这是判断商环是否为域的核心定理,也是构造新域的标准方法。