抽象代数 · 课程学习笔记

第 32 讲 · 欧氏整区与主理想整区

Euclidean Domains and Principal Ideal Domains
音频时长 40:02 进度 32 / 38 讲 核心概念:主理想整环 · 欧氏整环 · 高斯整环 Z[i] · 不可约/素元
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◎学习目标

  1. 掌握欧氏整环(Euclidean domain)的定义:存在欧氏范数 \(N:R\setminus\{0\}\to\mathbb{N}_0\) 满足带余除法(除法性质),并理解第二个(子乘性)条件的作用;
  2. 会用定义验证 \(\mathbb{Z}\)(范数 = 绝对值)与 \(F[x]\)(范数 = 次数)是欧氏整环;
  3. 掌握高斯整环 \(\mathbb{Z}[i]\) 是欧氏整环的证明:范数取模的平方 \(N(a+bi)=a^2+b^2\),关键在于把 \(\tfrac{a}{b}\) 四舍五入成整数商 \(q\);
  4. 理解并会证定理「欧氏整环必为主理想整环(PID)」:取理想中欧氏范数最小的非零元 \(b\),证明它能生成整个理想;
  5. 认识主理想整环(PID)→ 唯一分解整环(UFD)的链条,并理解不可约元、素元与素理想的关系。

1回顾与引入 ⏱ 00:00

本讲继续学习欧氏整环(欧氏整区)与主理想整环(PID)。

本讲统一设定 本讲考虑的环都是带单位元的交换整环(即整区)。所谓「整环」就是无零因子的交换环:\(ab=0\) 且 \(a\neq0\) 时必有 \(b=0\)。这是本讲所有环需要满足的前提 ⏱ 00:37。
本讲路线 定义欧氏整环(欧氏范数 + 除法性质 + 子乘性条件)\(\to\) 例子 \(\mathbb{Z}\)、\(F[x]\)、\(\mathbb{Z}[i]\) \(\to\) 证明「欧氏整环 ⇒ 主理想整环」\(\to\) 由已知「PID ⇒ UFD」得「欧氏整环 ⇒ UFD」。

2欧氏整环的定义 ⏱ 00:51

欧氏整环是一个推广的概念:它把「整数相除有商有 remainder(余数)」这件事推广到一般的整环 ⏱ 00:58。

定义 · 欧氏整环(Euclidean domain) ⏱ 01:10 设 \(R\) 是整环。若存在一个函数(欧氏范数)
\[ N:R\setminus\{0\}\longrightarrow \mathbb{N}_0 \]
满足以下两个条件,则称 \(R\) 为欧氏整环:
  • 条件 1 · 带余除法(除法性质):对任意 \(a,b\in R\)(\(b\neq 0\)),存在 \(q,r\in R\),使得
    \[ a = bq + r, \qquad \text{其中 } r=0 \ \text{或}\ N(r) < N(b). \]
    这里把 \(q\) 称为商,把 \(r\) 称为余数 ⏱ 02:44。
  • 条件 2 · 子乘性(次模性):对任意非零 \(a,b\in R\),
    \[ N(a) \le N(ab). \]
    这个条件主要用于保证欧氏算法(求最大公因式)的有效性,防止欧氏范数「不合理地增长」;不同课本对此条件的处理略有差异(有的把它写进定义,有的不作为独立条件) ⏱ 03:12。
关键性质(用于例子的验证) ⏱ 04:30 若欧氏范数取为「模的平方」这类形式,它往往保持乘法:
\[ N(a)\,N(b) = N(ab). \]
有了这个性质,子乘性条件 \(N(a)\le N(ab)\) 就自动成立(因为 \(b\neq0\) 时 \(N(b)\ge 1\))。
动机 欧氏算法:在高等代数里,我们用过它求两个多项式的最大公因式;更早也用以求两个整数的最大公因式。欧氏整环的定义,正是想把这种「带余相除 + 辗转相除」的算法推广到一般整环 ⏱ 03:48。

3经典例子(一):\(\mathbb{Z}\) 与 \(F[x]\) ⏱ 04:29

3.1 \(\mathbb{Z}\):范数取绝对值 ⏱ 04:35

例 1 · 整数环 \(\mathbb{Z}\) 是欧氏整环 取欧氏范数为绝对值:\(N(a)=|a|\)(对 \(a\in\mathbb{Z}\setminus\{0\}\))。
  • 条件 1(带余除法):整数除法本来就成立——对 \(a,b\in\mathbb{Z}\)(\(b\neq0\)),可写 \(a=bq+r\),且余数满足 \(|r|\le |b|\)(本取法下可取到 \(|r|<|b|\)),即 \(N(r)\le N(b)\) ⏱ 05:28。
  • 条件 2(子乘性):对整数有 \(|a|\le |a\,b|\)(因为 \(b\neq0\),\(b^2\ge1\),故 \(|ab|\ge|a|\)),显然成立 ⏱ 06:05。
两条件都满足,故 \(\mathbb{Z}\) 是欧氏整环。这也是最简单的例子 ⏱ 06:27。

3.2 \(F[x]\):范数取多项式次数 ⏱ 06:40

回顾 · 多项式次数 设 \(F\) 是域,\(F[x]\) 是 \(F\) 上的多项式环。多项式 \(f(x)=a_0+a_1x+\cdots+a_n x^n\)(\(a_i\in F\))的次数通常定义为:
  • 常数多项式(非常零):次数 \(=0\);
  • 零多项式:次数规定为 \(-\infty\);
  • 若 \(a_n\neq0\):\(\deg f = n\) ⏱ 07:38。
性质:\(\deg(fg)=\deg f+\deg g\)(多项式次数可加) ⏱ 08:48。\(F[x]\) 是带单位元的交换整环 ⏱ 09:01。
例 2 · \(F[x]\) 是欧氏整环 ⏱ 09:17 取欧氏范数为多项式的次数:\(N(f)=\deg f\)(对非常零多项式)。
  • 条件 1:由高等代数的带余除法,对 \(f,g\in F[x]\)(\(g\neq0\)),存在 \(q,r\in F[x]\) 使 \(f=gq+r\),且 \(r=0\) 或 \(\deg r < \deg g\),即 \(N(r)⏱ 09:40。
  • 条件 2:由次数可加性,\(\deg f \le \deg(fg)=\deg f+\deg g\)(因为 \(\deg g\ge0\)),显然成立 ⏱ 10:00。
两条件都满足,故 \(F[x]\) 是欧氏整环。后面会有专门的一节再研究 \(F[x]\) ⏱ 11:12。
整环欧氏范数 \(N\)带余除法依据子乘性是否欧氏整环
\(\mathbb{Z}\)\(|a|\)整数除法\(|a|\le|ab|\)是
\(F[x]\)\(\deg f\)多项式带余除法\(\deg f\le\deg(fg)\)是
\(\mathbb{Z}[i]\)\(a^2+b^2\)(模的平方)商的四舍五入(见下节)\(N(a)N(b)=N(ab)\)是

4经典例子(二):高斯整环 \(\mathbb{Z}[i]\) ⏱ 11:42

相比 \(\mathbb{Z}\) 和 \(F[x]\) 这两个「平凡」的例子,高斯整环是比较有意思的一个新例子。前面(作业里)已证过 \(\mathbb{Z}[i]\) 是整环,现在要证明它其实是欧氏整环 ⏱ 11:53。

定义 · 高斯整环 \(\mathbb{Z}[i]\) ⏱ 12:20 高斯整环记作 \(\mathbb{Z}[i]\)(课本也写作 \(i\mathbb{C}\) 一类形式),它是复平面上形如
\[ \mathbb{Z}[i] = \{\, a+bi \mid a,b\in\mathbb{Z}\,\} \]
的所有元素构成的环,其中 \(a,b\) 都是整数。

取欧氏范数为模的平方:对 \(a=a_1+a_2 i\in\mathbb{Z}[i]\setminus\{0\}\),

\[ N(a) = a\,\bar{a} = (a_1+a_2 i)(a_1-a_2 i) = a_1^2 + a_2^2. \]
⏱ 14:36 即范数 = 该高斯整数到原点的距离的平方。由复数性质可验证它保持乘法:\(N(a)N(b)=N(ab)\),因此子乘性条件自动成立(\(b\neq0\) 时 \(N(b)\ge1\)) ⏱ 15:27。

待证目标 ⏱ 17:16 对任意 \(a,b\in\mathbb{Z}[i]\)(\(b\neq0\)),要找出 \(q,r\in\mathbb{Z}[i]\) 使
\[ a = bq + r, \qquad r=0 \ \text{或}\ N(r) < N(b). \]
即验证带余除法(欧氏范数取模平方时,关键就是条件 1)。
Z[i] 是欧氏整环的带余除法(点击展开)

设 \(a=a_1+a_2 i\),\(b=b_1+b_2 i\)(\(a_1,a_2,b_1,b_2\in\mathbb{Z}\),\(b\neq0\),故 \(b_1,b_2\) 不全为 0,\(b_1^2+b_2^2\neq0\)) ⏱ 18:11。

第一步:算出商 \(g=\dfrac{a}{b}\)(在 \(\mathbb{Q}(i)\) 中)。 对分母有理化(乘以共轭 \(b_1-b_2 i\)) ⏱ 19:18:

\[ g = \frac{a}{b} = \frac{(a_1+a_2 i)(b_1-b_2 i)}{b_1^2+b_2^2} = \frac{(a_1 b_1 + a_2 b_2) + (a_2 b_1 - a_1 b_2)\,i}{b_1^2+b_2^2} =: x + y i, \]
其中
\[ x = \frac{a_1 b_1 + a_2 b_2}{b_1^2+b_2^2}, \qquad y = \frac{a_2 b_1 - a_1 b_2}{b_1^2+b_2^2} \in \mathbb{Q}. \]
于是 \(a = b\,g = b(x+yi)\) ⏱ 21:42。

第二步:把有理数 \(x,y\) 四舍五入成最接近的整数 \(s,t\)。 取 \(s,t\in\mathbb{Z}\) 为最接近 \(x,y\) 的整数,则

\[ |x-s|\le \tfrac12, \qquad |y-t|\le \tfrac12. \]
记 \(\varepsilon = x-s\),\(\alpha = y-t\)(\(|\varepsilon|,|\alpha|\le\tfrac12\)),于是 \(x=\varepsilon+s\),\(y=\alpha+t\) ⏱ 22:05。

第三步:拆出商与余数。 令

\[ q = s + t i \ \in \mathbb{Z}[i], \qquad r = b(\varepsilon + \alpha i). \]
则 \(a = b(x+yi) = b\big((s+\varepsilon)+(t+\alpha)i\big) = b\big((s+ti)+(\varepsilon+\alpha i)\big) = b\,q + b\,\varepsilon i\)(此处 \(\varepsilon i\) 按实虚部分开即为 \(\varepsilon+\alpha i\)),故 \(a = bq + r\)。
  • \(q=s+ti\in\mathbb{Z}[i]\)(\(s,t\) 为整数);
  • \(r = a-bq\):因为 \(a\in\mathbb{Z}[i]\)、\(b\in\mathbb{Z}[i]\)、\(q\in\mathbb{Z}[i]\),所以 \(r=a-bq\in\mathbb{Z}[i]\)(\(\mathbb{Z}[i]\) 对减法封闭)。⏱ 25:55
至此 \(q,r\in\mathbb{Z}[i]\) 已找到,且 \(a=bq+r\)。

第四步:估计余数的范数。

\[ r = a-bq = b\,g - b\,q = b\,(g-q) = b\,(\varepsilon+\alpha i), \]
由范数保持乘法(模的平方):
\[ N(r) = N(b)\,N(\varepsilon+\alpha i) = N(b)\big(\varepsilon^2+\alpha^2\big) = N(b)\Big(\big(x-s\big)^2+\big(y-t\big)^2\Big) < N(b)\Big(\tfrac14+\tfrac14\Big) = \tfrac12\,N(b) < N(b). \]
即 \(N(r)⏱ 30:00。

条件 1、2 都满足,所以 \(\mathbb{Z}[i]\) 是欧氏整环 ⏱ 32:06。

5定理:欧氏整环 ⇒ 主理想整环 ⏱ 33:00

本讲的核心定理:每一个欧氏整环都是主理想整环(PID,principal ideal domain) ⏱ 33:13。

定义 · 主理想整环(PID) ⏱ 33:25 整环 \(R\) 称为主理想整环,若它的每一个理想都由单个元素生成(即每个理想都是主理想)。要证明 \(R\) 是 PID,只需证:对 \(R\) 的任意理想 \(I\),存在 \(b\in R\) 使 \(I=(b)\)。
定理 ⏱ 33:35 若 \(R\) 是欧氏整环,则 \(R\) 是主理想整环。
欧氏整环 ⇒ PID 的证明(点击展开)

设 \(R\) 为欧氏整环,\(I\) 为 \(R\) 的一个非零理想(\(I\neq(0)\)) ⏱ 34:08。

① 取「范数最小」的元素。 \(I\subseteq R\),故 \(I\) 中每个非零元素都有欧氏范数 \(N(\cdot)\in\mathbb{N}_0\)。由自然数良序性,在集合 \(\{N(x): x\in I,\ x\neq0\}\) 中取最小值,对应存在一个非零元素 \(b\in I\),使得 \(N(b)\) 是 \(I\) 中非零元的最小欧氏范数 ⏱ 34:57。

② 证明 \(I\subseteq(b)\)。 对任意 \(a\in I\),因 \(R\) 是欧氏整环,由带余除法(除数是 \(b\)):存在 \(q,r\in R\) 使

\[ a = b\,q + r, \qquad r=0 \ \text{或}\ N(r) < N(b). \]
由于 \(a\in I\)、\(b\in I\),而 \(I\) 是理想,故 \(b\,q\in I\),从而
\[ r = a - b\,q \in I \quad (\text{理想对减法封闭}). \]
⏱ 35:32 若 \(r\neq0\),则 \(r\in I\) 且 \(N(r)最小的非零元矛盾。故必有 \(r=0\),从而 \(a = b\,q\in(b)\)。

③ 反向包含显然。 \(b\in I\),故 \((b)\subseteq I\)。

结论:\(I=(b)\)。任意非零理想都是主理想(零理想 \((0)\) 也显然为主理想),故 \(R\) 是主理想整环 ⏱ 38:49。

推论 · 欧氏整环 ⇒ 唯一分解整环 ⏱ 39:00 由上一讲已证「主理想整环一定是唯一分解整环(UFD)」,结合本讲定理得:
\[ \text{欧氏整环} \ \Longrightarrow\ \text{主理想整环 (PID)} \ \Longrightarrow\ \text{唯一分解整环 (UFD)}. \]
即欧氏整环必然是 UFD ⏱ 39:24。
小结 本讲证明了「欧氏整环 ⇒ 主理想整环」,再配合上一讲的「PID ⇒ UFD」,便完成了本讲开头提到的整环包含关系链条:\(\mathbb{Z}\)、\(F[x]\)、\(\mathbb{Z}[i]\) 既是欧氏整环,也都是 PID 与 UFD ⏱ 39:30。

6不可约元、素元与 UFD ⏱ 39:40

为了理解「PID ⇒ UFD」这条链条中各概念的含义,回顾整环中几个基本概念及其关系(上一讲已证 PID⇒UFD,本讲补充定义与关系,供自测与回顾)。

定义 · 不可约元与素元 设 \(R\) 为整环,\(a\in R\) 是非零、非单位的元素:
  • 不可约元(irreducible):若 \(a=bc\),则 \(b\) 或 \(c\) 中必有一个是单位;
  • 素元(prime):若 \(a\mid bc\),则 \(a\mid b\) 或 \(a\mid c\)。
关系 · 在 PID 中「不可约 ⟺ 素」 素元总是不可约元(一般整环中恒成立)。反过来,在主理想整环中不可约元也是素元。因此在 PID 中,「不可约元」与「素元」是同一个概念。这由「不可约元生成的理想是极大理想,而 PID 中极大理想都是素理想」推出。
定义 · 唯一分解整环(UFD) ⏱ 40:02 整环 \(R\) 称为 UFD,若每个非零非单位元都能写成不可约元(即素元)的有限乘积,且分解在单位元与顺序意义下唯一。包含关系:
\[ \text{欧氏整环} \ \subseteq\ \text{PID} \ \subseteq\ \text{UFD}. \]
注意反向不成立:存在是 UFD 但不是 PID 的整环(例如 \(\mathbb{Z}[x]\))。

★重点回顾

1
欧氏整环定义:存在欧氏范数 \(N:R\setminus\{0\}\to\mathbb{N}_0\),满足 (i) 带余除法 \(a=bq+r\)(\(r=0\) 或 \(N(r)
2
\(\mathbb{Z}\) 是欧氏整环:取 \(N(a)=|a|\);整数带余除法 + \(|a|\le|ab|\)。
3
\(F[x]\) 是欧氏整环:取 \(N(f)=\deg f\);多项式带余除法 + 次数可加 \(\deg(fg)=\deg f+\deg g\)。零多项式次数规定为 \(-\infty\)。
4
\(\mathbb{Z}[i]\) 是欧氏整环:取 \(N(a+bi)=a^2+b^2\)(模平方,保持乘法)。带余除法的关键:\(g=a/b=x+yi\),把有理数 \(x,y\) 四舍五入为最近整数 \(s,t\),令 \(q=s+ti\),\(r=b(\varepsilon+\alpha i)\),则 \(N(r)=N(b)(\varepsilon^2+\alpha^2)<\tfrac12 N(b)
5
定理:欧氏整环 ⇒ 主理想整环(PID):取非零理想 \(I\) 中范数最小的非零元 \(b\);对任意 \(a\in I\) 用带余除法 \(a=bq+r\),余数 \(r=a-bq\in I\);若 \(r\neq0\) 则 \(N(r)
6
链条:欧氏整环 \(\Rightarrow\) PID \(\Rightarrow\) UFD。PID 中「不可约 ⟺ 素」;UFD 中每个非零非单位元可唯一分解为素元(不可约元)的乘积。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆「带余除法的除数」:定义中对任意 \(a,b\)(\(b\neq0\))存在 \(q,r\) 使 \(a=bq+r\)——被除数是 \(a\)、除数是 \(b\),范数比较是 \(N(r)
  2. 子乘性条件的取法:\(\mathbb{Z}\) 与 \(\mathbb{Z}[i]\) 中范数取「绝对值 / 模平方」时满足 \(N(a)N(b)=N(ab)\)(乘法保持),此时条件 \(N(a)\le N(ab)\) 自动成立;不要把它当成独立的额外验证。
  3. 高斯整环带余除法的「四舍五入」:商 \(g=a/b=x+yi\) 的 \(x,y\) 是有理数,必须取最接近的整数 \(s,t\) 才能得到 \(q\in\mathbb{Z}[i]\);直接取 \(q\) 的实、虚部为 \(x,y\) 是不行的(\(x,y\notin\mathbb{Z}\) 一般)。四舍五入后才有 \(|x-s|\le\frac12,|y-t|\le\frac12\),于是 \(N(r)\le\tfrac12 N(b)\)。
  4. 范数最小元的选取:证明 PID 时取的是理想 \(I\) 中「非零元」范数最小者;零理想 \((0)\) 单独处理(它当然是主理想)。用自然数良序性保证「范数最小」存在。
  5. 余数落在理想里:关键一步是 \(r=a-bq\in I\),依赖「\(I\) 是理想,对减法封闭」;若忘记说明 \(r\in I\),就无法用 \(b\) 的最小性推出 \(r=0\)。
  6. 「不可约 ⟺ 素」不是对所有整环成立:只在 PID(及更一般的 UFD)中成立;在一般整环中「素 ⇒ 不可约」恒成立,反向不一定。
  7. 方向别搞反:欧氏整环是 PID,PID 是 UFD;但 UFD 不一定是 PID(如 \(\mathbb{Z}[x]\)),PID 也不一定是欧氏整环(如某些二次整环)。

✎自测与作业

  1. 验证 \(\mathbb{Z}\) 在范数 \(N(a)=|a|\) 下满足欧氏整环的两个条件(带余除法 + 子乘性),并写出 \(a,b\) 的商与余数(整数除法)。
  2. 设 \(F\) 为域,验证 \(F[x]\) 在范数 \(N(f)=\deg f\) 下是欧氏整环:写出带余除法结论,并说明零多项式次数 \(-\infty\) 为何不影响定义。
  3. (核心)完整写出「\(\mathbb{Z}[i]\) 是欧氏整环」的证明:范数取模平方,对 \(a,b\in\mathbb{Z}[i]\)(\(b\neq0\))取 \(g=a/b\),四舍五入实虚部得 \(q\),构造 \(r=b(g-q)\),并估计 \(N(r)
  4. 证明定理「欧氏整环 ⇒ 主理想整环」:对任意非零理想 \(I\),取范数最小的非零元 \(b\),用带余除法说明 \(I=(b)\)。
  5. 说明为何在 PID 中「不可约元 ⟺ 素元」;并举一个是 UFD 但不是 PID 的整环(提示:\(\mathbb{Z}[x]\))。
  6. (思考)欧氏算法在 \(\mathbb{Z}[i]\) 中如何求两个高斯整数的「最大公因式」?(结合子乘性条件 \(N(a)\le N(ab)\) 与辗转相除说明收敛性。)
下一讲预告 第 33 讲将继续整环与理想理论,结合本讲「欧氏整环 ⇒ PID ⇒ UFD」的链条,进一步研究主理想整环中不可约元与素元的对应以及唯一分解。