高校生物553211 views
中学理科1633649 views
LaTeX965557 views
小学理科721729 views
数学講師2913151 views
中学社会670081 views
MathPython501700 views
高校国語790013 views
英語617403 views
中学数学625176 views
Help
Tools

English

なぜ部分環では割れないのか?剰余環と準同型定理

可換環 とそのイデアル から、新しい環 を作れます[1,3]。差が に入る元どうしを同じものと見なす、という作り方です。

の属する類を と書き、これを元とする集合が になる[1]。

の倍数だけ違う整数を同じと見なせば 。時計の文字盤と同じ発想です。

折りたたむ

整数を で割った余りで分けると、無限にある整数が 個の類に落ちる。

同じ箱に入った整数は、 では区別されません。無限の情報を有限に畳んだうえで、足し算とかけ算だけは生き残らせる操作です。

なぜ部分環では割れないか

割る相手にイデアルを選ぶのには理由がある。演算が代表元のとり方によらないためには、吸収の条件が要る[1]。

足し算のほうは楽です。、 なら で、部分群であれば足りる。

かけ算で条件が効く。差を書き出すと次のようになる。

右辺の 項が に入るには、 の元に環の元を掛けても から出ないことが要る。これがイデアルの吸収の条件です[1]。

部分環では足りません。 を含んでいる以上、掛け算で全体に広がってしまう。

標準射影と核

で定めた は全射の環準同型です[1,3]。核はちょうど になる。

逆に、どんな環準同型の核もイデアルです[1,2]。つまりイデアルとは、準同型の核として現れる部分集合にほかなりません。

「割れる相手」と「潰せる相手」が一致する、という言い方もできる。

普遍性

を環準同型とし、 が成り立つとします。このとき は を一意に経由する[1,4]。

で定めるだけです。 が核に含まれているので、代表元を変えても値が動きません。

この性質が剰余環を特徴づける[1]。「 を に潰す写像のうち、いちばん情報を残すもの」が だと読めます。

第一同型定理

普遍性を の場合に当てると、同型が出ます[1,2,4]。

核で割ってから送る写像が単射になる。それがこの定理の中身です。潰すべきものを先に潰しておけば、あとは一対一で移る。

はイデアル、 は部分環になる[2]。写像を「潰す部分」と「残る部分」に分けた形です。

ネーターが 年の論文でこの形にまとめました[2]。

対応定理

のイデアルは、 を含む のイデアルと一対一に対応します[2]。包含関係も保たれる。

対応は と で与えられます。互いに逆になる。

この対応で素イデアルは素イデアルへ、極大イデアルは極大イデアルへ移る。割った先の構造を、もとの環の中で読めるようになる。

第二同型定理

部分環 とイデアル があるとき、次が成り立ちます[2,4]。

と が作るひし形の、向かい合う 辺が同じ形になるという主張です。ダイヤモンド同型定理とも呼ばれる[2]。

は のイデアル、 は部分環になります[2]。

第三同型定理

を のイデアルとすると、次が成り立ちます[2,4]。

段階に分けて割っても、一度に割っても同じ。割る操作が積み重ねられることを述べている。

で 、 とすれば になる。

例: 整数を n で割る

は のイデアルで、 は 個の元を持つ環です[1,3]。合同式の計算がそのまま環の演算になる。

が素数なら体になります。 が合成数なら零因子が出る。

割る相手が変われば、出てくる環の性質も変わる。イデアルの性質が剰余環の性質へ翻訳される。

例: 実数から複素数を作る

を で割ると、複素数体が出ます[1,3,4]。

の類が にあたる。 という関係を強制的に入れた、と読めます。

体 上の既約多項式 で割れば、いつでも の拡大体が出ます[1]。 が の中で根を持つ形になる。

有限体もすべてこの形で作れます[3]。 の上の多項式環を、既約多項式で割ればよい。

例: 両端で割る

で割ると何も潰れません。 です[1]。

で割ると全部が潰れます。 は零環になる[1,4]。

この つが両端で、あいだのイデアルが「どれだけ潰すか」を決める。

割った先で何が分かるか

剰余環の性質が、そのままイデアルの分類になります[3]。

が整域であることと、 が素イデアルであることは同値である。
が体であることと、 が極大イデアルであることは同値である。
が零環であることと、 であることは同値である。

イデアルを直接調べるより、割った先を見るほうが早い場面が多くなる。素イデアルや極大イデアルの定義が商の言葉で書けるのは、この対応のためです。

よくある誤り

部分環で割ることはできません。かけ算が代表元によらないためには吸収の条件が要ります。
の元は の元ではありません。元は類であって、代表元とは別のものです。
が部分環だと思うと足りません。イデアルであることまで言えます。
第一同型定理の右辺は ではありません。像であって、全射でなければ より小さくなります。
対応定理はすべてのイデアルを拾いません。 を含むものだけが対応します。
が整域なら も整域、とはなりません。向きは商から の性質への翻訳です。
段階に分けて割ると結果が変わる、と考えると外します。第三同型定理が同じだと述べています。

参考文献

Quotient ring(英語版 Wikipedia)
Isomorphism theorems(英語版 Wikipedia)
Faktorring(ドイツ語版 Wikipedia)
Anneau quotient(フランス語版 Wikipedia)
差がイデアルに入る元を同じと見なして環を折りたたむと剰余環ができます。かけ算が代表元によらないためには吸収の条件が要る、という一点が部分環では割れない理由です。標準射影と核、割った先を必ず経由するという普遍性を書き下し、第一・第二・第三同型定理と対応定理を並べます。Z/nZ、R[X]/(X²+1) が複素数体になる例、両端で割る場合まで。