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域的定义与基本例子

域的定义

FF 为交换含幺环,F{0}F \neq \{0\}。若 FF 中每个非零元均有乘法逆元,即

aF,a0,a1F, 使 aa1=a1a=1\forall a \in F, a \neq 0, \exists a^{-1} \in F, \text{ 使 } aa^{-1} = a^{-1}a = 1

则称 FF 为一个(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 \subset 整环 \subset 交换含幺环 \subset

域的基本性质

  1. 域是无零因子的ab=0a=0ab = 0 \Rightarrow a = 0b=0b = 0
  2. 非零元构成乘法群F×=F{0}F^{\times} = F \setminus \{0\} 在乘法下成群
  3. 域只有平凡理想{0}\{0\}FF(因为若 I{0}I \neq \{0\},取 aI,a0a \in I, a \neq 0,则 1=a1aI1 = a^{-1}a \in I,故 I=FI = F
  4. 有限整环必为域:若 RR 是有限整环,则 RR 是域

子域与扩域

EE 是域。若 FEF \subseteq E 且在 EE 的运算下 FF 自身也是域,则称 FFEE子域EEFF扩域(Extension Field)。

子域判定(定理)

FEF \subseteq E 是子域     \iff 0,1F0, 1 \in F,且 FF 对加减乘除封闭。

常见域的例子

特征元素个数说明
Q\mathbb{Q}00无限有理数域,最小特征 00
R\mathbb{R}00无限实数域
C\mathbb{C}00无限复数域,代数闭域
Fp=Zp\mathbb{F}_p = \mathbb{Z}_ppppppp 元有限域(pp 为素数)
Fpn\mathbb{F}_{p^n}pppnp^npnp^n 元有限域(Galois 域)
Q(2)\mathbb{Q}(\sqrt{2})00无限{a+b2a,bQ}\{a+b\sqrt{2} \mid a,b\in\mathbb{Q}\}
Q(i)\mathbb{Q}(i)00无限高斯有理数域
H\mathbb{H}无限四元数除环(非交换,故不是域)

特别注意Zn\mathbb{Z}_n 是域当且仅当 nn 是素数。nn 合数时 Zn\mathbb{Z}_n 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

RR 为交换含幺环,IRI \trianglelefteq R。则:

R/I 是域     I 是极大理想R/I \text{ 是域 } \iff I \text{ 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。