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定义 设<R,+,*>是代数系统,“+”和“*”是二元运算,它们具有下述三个性质。
(1)<R,+>是可交换群;
(2)<R,*>是半群;
(3)乘法“*”对加法“+”可分配,即对任意a,b,c∈R,a*(b+c) = a*b+a*c, (b+c)*a = b*a+ c*a。
则我们称<R,+,*>是一个环(Ring)。称<R,+>为加法群,将<R,+>中元素a的逆元a-1写成-a,单位元记为0,称为零元。
定义 设<R,+,*>为一个环,对a,b∈R且a,b是非零元,当a*b = 0时,则称a,b为零因子,存在零因子的环称为含零因子环,否则称为无零因子环。如果半群<R,*>是可交换的,则称<R,+,*>为可交换环,如果<R,+,*>是无零因子,且<R,*>是可交换的含幺半群,则称<R,+,*>为整环,记<R,*>的幺元为1。
例1 证明<Z,+,×>是整环,其中运算“+”与“×”分别是整数集合Z上的普通加法和乘法。
证明 显然<Z,+>是一个交换群,<Z,×>是一个含幺半群,其中幺元为1,且“×”对“+”满足分配律,所以<Z,+,×>是一个环,又对任意的a,b∈R,如果a×b = 0,显然有a = 0或者b = 0,所以<Z,+,×>是一个无零因子环。
另外,运算“×”满足交换律。
所以<Z,+,×>是整环。
我们已经知道<n,+n>是交换群,现在集合n上定义一个运算×n:
对任意a,b∈n,a×nb = a×b (mod n)
其中,“×”是普通乘法。则<n,+n,⊙>是否是环呢?
例2 证明<4,+4,×4>是一个环,并判断它是否是整环。
证明 (1)显然<4,+4>是交换群,其中单位元为0。
(2)由×4的定义,对任意a,b∈4,则a×4b∈4,所以×4满足封闭性。
又对任意a,b,c∈4,有
(a×4b)×4c = (a×b (mod 4))×4c = a×b×c (mod 4) = a×4(b×4c)
所以结合律成立,进而<4,×4>是半群。
(3)任意a,b,c∈4,有
a×4(b+4c) = a×((b+c)(mod 4)) = (a×b+a×c)(mod 4)
= ((a×b)(mod 4)+( a×c)(mod 4))(mod 4)
= a×4b+4a×4c
又由×4的定义,运算×4满足交换律,所以自然有
(b+4c)×4a = b×4a+4c×4a
所以分配律成立。
综上,<4,+4,×4>是一个环。
2∈n,2×42 = 0,所以2是一个零因子,故<4,+4,×4>不是整环。
推广 <n,+n,×n>是一个环。