理想(Ideal)是环论中最重要的子结构。它在环论中的地位,类似正规子群在群论中的地位——恰好是"能用来构造商结构"的子环。
设 R 为环,I⊆R 为非空子集。若满足:
- 加法子群:∀a,b∈I,有 a−b∈I(即 (I,+)⩽(R,+))
- 吸收性:∀r∈R,a∈I,有 ra∈I 和 ar∈I
则称 I 为 R 的**(双边)理想**。若只满足 ra∈I(或 ar∈I),则称为左理想(或右理想)。
直观理解:理想在加法下封闭,在乘法下被整个环"吸收"——环中任意元素乘以理想中的元素,结果仍在理想中。
与正规子群类比:群论中,正规子群的陪集构成商群;环论中,理想是加法正规子群 + 乘法吸收性,理想的陪集构成商环。
理想的生成
设 S⊆R。R 中包含 S 的最小理想称为由 S 生成的理想,记作 ⟨S⟩ 或 (S)。
特殊生成的描述
| 生成集 | 生成的理想 | 记号 |
|---|
| 单个元素 {a} | {ra+as+∑riasi+na∣r,s,ri,si∈R,n∈Z} | ⟨a⟩ 或 (a) |
| R 为交换含幺环时单个元素 | {ra∣r∈R} | (a)=Ra |
| 有限集 {a1,…,an} | 有限和 ∑riai(交换时) | (a1,…,an) |
理想的运算
| 运算 | 定义 | 说明 |
|---|
| 和 | I+J={a+b∣a∈I,b∈J} | 包含 I,J 的最小理想 |
| 交 | I∩J | 仍为理想 |
| 积 | IJ={∑aibi∣ai∈I,bi∈J} | 由 {ab∣a∈I,b∈J} 生成的理想 |
| 商理想 | (I:J)={r∈R∣rJ⊆I} | 理想论的"除法" |
平凡理想与单环
- {0} 和 R 总是 R 的理想,称为平凡理想
- 若 R={0} 且只有平凡理想,称 R 为单环
- 域是单环(因为非零元可逆,任意非零理想必含 1,从而等于全环)
常见例子
| 理想 | 原环 | 说明 |
|---|
| nZ=(n) | Z | Z 的所有理想都是主理想 |
| (x) | F[x] | 常数项为零的多项式全体 |
| (x,y) | F[x,y] | 常数项为零的二元多项式(非主理想) |
| 迹为零的矩阵全体 | Mn(F) | Mn(F) 只有平凡理想 |