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同态基本定理

同态基本定理(第一同构定理)是整个环同态理论的基石。它连接了同态的核、像与商环——任何一个环同态本质上就是一个商环映射。

第一同构定理(同态基本定理)

定理:设 φ:RS\varphi: R \to S 为环同态。则 R/kerφimφR / \ker \varphi \cong \operatorname{im} \varphi 由同构 ψ:R/kerφimφ\psi: R/\ker \varphi \to \operatorname{im} \varphiψ(r+kerφ)=φ(r)\psi(r + \ker \varphi) = \varphi(r) 给出。

证明思路

  1. kerφ\ker \varphi 是理想,故 R/kerφR/\ker \varphi 是商环
  2. 验证 ψ\psi 是良定义的、环同态、单射、满射
  3. 良定义性由同态性质保证;单射由 φ(r)=0    rkerφ\varphi(r) = 0 \iff r \in \ker \varphi 保证

直观理解

同态把"模掉核"等同于"压缩到像"。

R ──φ──→ S
│ ↑
│ │
↓ │
R/ker φ ≅ im φ

第二同构定理(子环-理想定理)

定理:设 RR 为环,SRS \leqslant R(子环),IRI \trianglelefteq R(理想)。则 S/(SI)(S+I)/IS / (S \cap I) \cong (S + I) / I

这一定理与群论的第二同构定理形式上完全一致。

第三同构定理(商环-商环定理)

定理:设 IJI \subseteq J 均为 RR 的理想。则 (R/I)/(J/I)R/J(R/I) / (J/I) \cong R/J

对应定理(Lattice 同构定理)

定理:设 IRI \trianglelefteq Rπ:RR/I\pi: R \to R/I 为自然投影。则 π\pi 给出 RR 中包含 II 的理想与 R/IR/I 的理想之间的一一对应:

{理想 JIJR}{理想 JJR/I}\{\text{理想 } J \mid I \subseteq J \subseteq R\} \longleftrightarrow \{\text{理想 } \overline{J} \mid \overline{J} \trianglelefteq R/I\}

且此对应保持包含关系、素理想和极大理想。

重要推论

  • R/IR/I 是单环     \iff II 是极大理想
  • R/IR/I 是整环     \iff II 是素理想

同构定理总结

定理内容群论对应
第一同构定理R/kerφimφR/\ker \varphi \cong \operatorname{im} \varphiG/kerφimφG/\ker \varphi \cong \operatorname{im} \varphi
第二同构定理S/(SI)(S+I)/IS/(S \cap I) \cong (S + I)/I完全相同
第三同构定理(R/I)/(J/I)R/J(R/I)/(J/I) \cong R/J完全相同
对应定理理想的一一对应子群/正规子群的对应

应用实例

证明 R[x]/(x2+1)C\mathbb{R}[x] / (x^2 + 1) \cong \mathbb{C}

考虑赋值同态 evi:R[x]C\operatorname{ev}_i: \mathbb{R}[x] \to \mathbb{C}ff(i)f \mapsto f(i)。由第一同构定理:

R[x]/kereviimevi\mathbb{R}[x] / \ker \operatorname{ev}_i \cong \operatorname{im} \operatorname{ev}_i

由于 f(i)=0    (x2+1)f(x)f(i) = 0 \iff (x^2 + 1) \mid f(x)(在此环中),知 kerevi=(x2+1)\ker \operatorname{ev}_i = (x^2 + 1);且 evi\operatorname{ev}_i 满射(所有复数都可表为实多项式在 ii 处的值),故:

R[x]/(x2+1)C\mathbb{R}[x] / (x^2 + 1) \cong \mathbb{C}