除环(division ring),亦称体(sfield)或斜域(skew field),接近于域的一类条件很强的环。设是一个有单位元的环。若中至少含有一个非零元,且每个非零元都是可逆元,则称为除环。
环论起源于19世纪关于实数域和超
复数系的研究,以及
德国数学家、理论家
戴德金(Dedekind,J.W.R.)、
英国数学家
哈密顿(Hamilton,W.R.)等学者对超复数系的建立和研究。19世纪中后期,德国数学家费罗贝尼乌斯(Frobenius)提出了费罗贝尼乌斯
定理,对
实数上的有限维除
代数进行分类。不久后,数学家
摩尔(E. H. Moore)完成了对
有限域的分类。大约1905年,数学家韦德伯恩(J. H. M. Wedderburn)提出Wedderburn定理,即所有有限除环都是可交换的。20世纪20-30年代,
德国数学家
艾米·诺特(Noether,E.)建立了环的理想理论。到了20世纪50年代中期,数学家阿密苏(Amitsur,S.A.)和库洛什(Kurosh,A.)创立了根的一般理论,使
环论逐渐趋于完善。
除环中具有一些性质,如,一个除环没有零因子等。与除环相关的定理包括著名的嘉当-布饶尔-华罗庚定理(Cartan-Brauer- Huatheorem)等。与除环相关的概念有域、整环以及理想子环等。
克利福德(Cliford)
代数,一种
交换环上的有限维结合代数,可以看作是
复数域和Hamilton四元数除环的推广。除此之外,除环上的矩阵分解是
应用数学中矩阵论和除环理论中的一个很重要的内容。
简史
环论的起源可以追溯到19世纪关于实数域的扩张与分类,以及
德国数学家、理论家
戴德金(Dedekind,J.W.R.)、
英国数学家
哈密顿(Hamilton,W.R.)等学者对超复数系的建立和研究。19世纪中后期,德国数学家费罗贝尼乌斯(Frobenius)提出了费罗贝尼乌斯
定理,对
实数上的有限维除
代数进行分类。不久后,数学家
摩尔(E. H. Moore)完成了对
有限域的分类。大约1905年,数学家韦德伯恩(J. H. M. Wedderburn)提出Wedderburn定理,即所有有限除环都是可交换的。20世纪20-30年代,德国数学家
艾米·诺特 (Noether,E.)建立了环的理想理论。到了20世纪50年代中期,数学家阿密苏(Amitsur,S.A.)和库洛什(Kurosh,A.)创立了根的一般理论,使
环论逐渐趋于完善。
定义
环
在非空集合中定义加法“”和乘法“”运算,使得中任意元,,适合条件:
(左分配律),
(右分配律);
则称为结合环,简称环(通常写为),是
环论研究的主要对象。
除环
除环(division ring),是接近于域的一类条件很强的环。设是一个有单位元的环,若中至少含有一个非零元,且每个非零元都是可逆元,则称为除环。交换的除环称为域,非交换的除环有时亦称为斜域或体。除环是由加群与乘群凑合而成的。
概念
零因子
零因子(zero divisor),亦称零除元,环的一种特殊的非零元。环中一个元,若有使得或,称是环的零因子。在非
交换环中有左、右零因子之分,如上时,称左零因子;时,称右零因子。若环有零因子,则消去律不成立。与零因子意义完全相反的元,即不是零因子的非零元,称为正则元。
单位元
环的单位元(identity element or unit element of ring),乘法半群的左(右)单位元,称为环的左(右)单位元。乘法半群的单位元称为环的单位元。
单位群
环的单位群(unit group of a ring),环中可逆元构成的群。环有单位元,是中非零元,若存在中元有(或),则称是的一个右逆元(或左逆元)。若,则称为的逆元,记为。环中有逆元的元,称为可逆元,也称为环的单位。环中一切单位的集合,对的乘法构成一个群,称为的单位群,常用表示。若中至少含有一个非零元,且每个非零元都是可逆元,则称为除环。
性质
相关定理
嘉当-布饶尔-华罗庚定理
嘉当-布饶尔-华罗庚定理(Cartan-Brauer- Huatheorem),是关于除环的一个著名定理。该定理断言:除环在它的所有内自同构下不变的子除环仅有本身和的中心。
埃里·嘉当(Cartan,H.)于1947年用
伽罗瓦群证明有限情况;
理查德·布饶尔(Brauer,R. (D. ))于1949年证明此定理;同年,华罗庚独立地给出了另一证明。当的特征时,这一
定理对求导也成立。
Wedderburn定理
任何
有限域都是交换的。假定是环,是它的根基。如果是可离
代数,可以把写成两个子代数的和,但这和只能是
向量空间的直和,不是环的直和。假定是可换体的有穷维代数,是它的根基,是可离代数,那末有子代数存在使得,并且看成向量空间时是与的直和,即。
费罗贝尼乌斯定理
费罗贝尼乌斯定理,是上仅有的有限维可除的结合代数,其作为上的线性空间,维数分别为1,2,4。
进一步,又有:推广的费罗贝尼乌斯
定理,是
实数域上仅有的有限维可除交错(非结合)
代数,其维数分别为1,2,4,8。这里,非结合交错代数的意义是指在整体上不满足通常的
结合律,但在局部上可能是满足通常的结合律的。例如,八元数代数是非结合的,但是它的子代数系中乘法都是适合结合律的。费罗贝尼乌斯定理及推广的费罗贝尼乌斯定理表明,在放弃了乘法交换律和结合律之后,实数域上的(有限维)代数仍然是有限的。在
同构意义之下,它们只能是实数域,
复数域,四元数系和八元数系。也就是说,从考虑实数域上的
代数的角度,“数系”扩充到八元数,又是一个结束。
相关概念
整环
没有零因子的非零环称为整区(integral domain)。环是整区当且仅当且消去律成立。交换整区称为整环,它是
交换代数研究的重要对象。
域
域(field),代数学的基本概念之一,即具有两个运算的代数系。设是至少含两个元的集合,在中定义了两个二元运算:一个称加法,使成为加群,它的单位元称为的零元;一个称乘法,使的非零元构成一个交换群,加法与乘法满足
分配律,此时称为域。例如,全体
有理数、全体
实数和全体
复数在通常的加法与乘法下都构成域,分别称为有理数域、实数域和复数域。域是许多数学分支研究的基础,尤其对
代数、代数数论、
代数几何等更为重要。一个交换除环就是一个域。
理想子环
环的一个非空子集,叫做一个理想子环,简称理想。一个环至少有两个理想:只包含零元的集合,这个理想叫做的零想;自己,这个理想叫做的单位理想。一个除环只有两个理想,就是零理想和单位理想。
推广
英国的几何代数学家
克利福德(Willian Kingdon Cliford)建立了克利福德(Cliford)代数,他提出了一种新的乘法运算符号,即几何积,几何积将Hamilton的四元数和Grassmann的扩张代数(外代数)结合,能够进行高维的几何计算和分析。克利福德
代数将矢量、四元数、
张量等都统一到同一个代数框架内,不仅保留矩阵代数、
向量代数和四元数代数的优点,是一个结合的非
交换代数,而且还更具有概括性。Clifford代数对于几何体几何关系和几何变具有不依赖于坐标的、通用和易于计算的符号表示。这是一种
交换环上的有限维结合代数,可以看作是
复数域和Hamilton四元数除环的推广。
应用
除环上的矩阵分解是矩阵论和除环理论中的一个很重要的内容,很多研究者对除环上的矩阵理论做出了突出的贡献。教授
王卿文和荷兰
代尔夫特理工大学教授vanderWoude等研究了除环上具有相同行数的3个矩阵的等价标准型
定理。更进一步的,王卿文和vanderWoude研究了除环上4个矩阵的等价标准型。
其中矩阵,,,为除环上给定的矩阵,且维数分别为,,,。