體(Field)

Basis
最後更新: 標籤: 抽象代數, 體論

先備知識

環讓你可以自由地加、減和乘,但不總能除。**體(field)**是彌補這一缺口的環:每個非零元素都可以被反轉,所以除法永遠可行。有理數 Q\mathbb{Q}、實數 R\mathbb{R} 和複數 C\mathbb{C} 是你最熟悉的體,但它們遠不是唯一的。

額外的成分:乘法反元素

回想在環 (R,+,⋅)(R, +, \cdot) 中,乘法運算只構成么半群——反元素不是必需的。在整數 Z\mathbb{Z} 中,元素 22 沒有乘法反元素:不存在整數 xx 使得 2x=12x = 1。

體只是要求每個非零元素有這樣的反元素。零元素被排除,因為對任何 xx 都有 0⋅x=00 \cdot x = 0(如對環所示),所以沒有 xx 能滿足 0⋅x=10 \cdot x = 1。

定義

定義。 體是一個交換環 (F,+,⋅)(F, +, \cdot),使得 (F∖{0}, ⋅, 1)(F \setminus \{0\},\, \cdot,\, 1) 是一個群。換言之,每個非零元素 a∈Fa \in F 都有乘法反元素 a−1∈Fa^{-1} \in F 滿足 a⋅a−1=1a \cdot a^{-1} = 1。

列出所有公理,體滿足:

運算所需結構
(F,+,0)(F, +, 0)阿貝爾群
(F∖{0},⋅,1)(F \setminus \{0\}, \cdot, 1)阿貝爾群
++ 和 ⋅\cdot兩個分配律均成立

乘法的交換性內建於定義中:體永遠是交換環。

例子

有理數 Q\mathbb{Q}。 對任意 pq≠0\frac{p}{q} \neq 0,其反元素為 qp\frac{q}{p}。分數的加法和乘法都是交換的。(Q,+,⋅)(\mathbb{Q}, +, \cdot) 是一個體。

實數 R\mathbb{R}。 每個非零實數 aa 都有反元素 1a\frac{1}{a}。(R,+,⋅)(\mathbb{R}, +, \cdot) 是一個體。

複數 C\mathbb{C}。 對 a+bi≠0a + bi \neq 0,其反元素為 a−bia2+b2\frac{a - bi}{a^2 + b^2}。(C,+,⋅)(\mathbb{C}, +, \cdot) 是一個體。

整數模質數 Z/pZ\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}。 固定一個質數 pp。集合 {0,1,…,p−1}\{0, 1, \ldots, p-1\} 配備模 pp 的加法和乘法構成一個體。例如,在 Z/5Z\mathbb{Z}/5\mathbb{Z} 中,22 的反元素是 33,因為 2⋅3=6≡1(mod5)2 \cdot 3 = 6 \equiv 1 \pmod{5}。這是一個有限體(finite field),也記作 Fp\mathbb{F}_p。

反例——整數 Z\mathbb{Z}。 Z\mathbb{Z} 是環但不是體:22 沒有整數反元素。

反例——多項式 R[x]\mathbb{R}[x]。 多項式 xx 沒有多項式反元素:不存在多項式 ff 使得 x⋅f(x)=1x \cdot f(x) = 1。

特徵數

每個體都有一個稱為其**特徵數(characteristic)**的性質,它捕捉了將單位元 11 與自身相加多少次才能達到 00。

正式地,FF 的特徵數是最小的正整數 nn 使得

1+1+⋯+1⏟n=0(1)\underbrace{1 + 1 + \cdots + 1}_{n} = 0 \tag{1}

如果不存在這樣的 nn,則特徵數定義為 00。

體的特徵數永遠是 00 或某個質數。這不是巧合:若 n=abn = ab,1≤a,b<n1 \leq a, b < n 兩者都滿足 (1),則 (a⋅1)(b⋅1)=0(a \cdot 1)(b \cdot 1) = 0,這意味著兩個非零元素的乘積等於零——在體中這是不可能的,因為非零元素有反元素,永遠不能乘積為零。

體特徵數
Q\mathbb{Q}00
R\mathbb{R}00
C\mathbb{C}00
Fp=Z/pZ\mathbb{F}_p = \mathbb{Z}/p\mathbb{Z}pp

特徵數為 00 的體包含 Q\mathbb{Q} 的一個副本;特徵數為 pp 的體包含 Fp\mathbb{F}_p 的一個副本。

除法作為運算

在體中,你可以對任何非零分母定義除法:

ab≔a⋅b−1(b≠0)(2)\frac{a}{b} \coloneqq a \cdot b^{-1} \qquad (b \neq 0) \tag{2}

這使體成為求解線性方程的自然場景:方程 ax=bax = b(a≠0a \neq 0)有唯一解 x=a−1⋅bx = a^{-1} \cdot b。解的存在性和唯一性都依賴於乘法反元素。

這就是為什麼線性代數通常建立在體之上:除法能力使高斯消去法、行列式以及秩-零化度定理得以順暢運作。

摘要

  • 體是一個每個非零元素都有乘法反元素的交換環,使得除法永遠可行(除零以外)。
  • 體的公理要求兩個阿貝爾群——(F,+,0)(F, +, 0) 和 (F∖{0},⋅,1)(F \setminus \{0\}, \cdot, 1)——由分配律相連。
  • 無限體的關鍵例子:Q\mathbb{Q}、R\mathbb{R}、C\mathbb{C}。
  • 有限體的關鍵例子:對任意質數 pp,Fp=Z/pZ\mathbb{F}_p = \mathbb{Z}/p\mathbb{Z}。
  • 體的特徵數是最小的 nn 使得 1+⋯+1⏟n=0\underbrace{1 + \cdots + 1}_{n} = 0;它永遠是 00 或質數。
  • 體是線性代數的正確場景:除法使線性方程在係數非零時永遠有唯一解。