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理想

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。

定义

RR 为环,IRI \subseteq R 为非空子集。若满足:

  1. 加法子群a,bI\forall a, b \in I,有 abIa - b \in I(即 (I,+)(R,+)(I, +) \leqslant (R, +)
  2. 吸收性rR,aI\forall r \in R, a \in I,有 raIra \in IarIar \in I

则称 IIRR 的**(双边)理想**。若只满足 raIra \in I(或 arIar \in 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

SRS \subseteq RRR 中包含 SS 的最小理想称为由 SS 生成的理想,记作 S\langle S \rangle(S)(S)

特殊生成的描述

生成集生成的理想记号
单个元素 {a}\{a\}{ra+as+riasi+nar,s,ri,siR,nZ}\{ra + as + \sum r_i a s_i + na \mid r, s, r_i, s_i \in R, n \in \mathbb{Z}\}a\langle a \rangle(a)(a)
RR 为交换含幺环时单个元素{rarR}\{ra \mid r \in R\}(a)=Ra(a) = Ra
有限集 {a1,,an}\{a_1, \ldots, a_n\}有限和 riai\sum r_i a_i(交换时)(a1,,an)(a_1, \ldots, a_n)

理想的运算

运算定义说明
I+J={a+baI,bJ}I + J = \{a + b \mid a \in I, b \in J\}包含 I,JI, J 的最小理想
IJI \cap J仍为理想
IJ={aibiaiI,biJ}IJ = \{\sum a_i b_i \mid a_i \in I, b_i \in J\}{abaI,bJ}\{ab \mid a \in I, b \in J\} 生成的理想
商理想(I:J)={rRrJI}(I : J) = \{r \in R \mid rJ \subseteq I\}理想论的"除法"

平凡理想与单环

  • {0}\{0\}RR 总是 RR 的理想,称为平凡理想
  • R{0}R \neq \{0\} 且只有平凡理想,称 RR单环
  • 域是单环(因为非零元可逆,任意非零理想必含 11,从而等于全环)

常见例子

理想原环说明
nZ=(n)n\mathbb{Z} = (n)Z\mathbb{Z}Z\mathbb{Z} 的所有理想都是主理想
(x)(x)F[x]F[x]常数项为零的多项式全体
(x,y)(x, y)F[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)M_n(F)Mn(F)M_n(F) 只有平凡理想