Квант

2

С понятем колыца стalkиваются еще в средней школе: впервые — овладевая действием сложения и умножения чисел, затем — обучаясь действием с многочленами (полномами). И в том и в другом случае общими оказываются определенные правила (аксиомы), которые подчиняются эти операции. Ради изучения именно этих общих свойства операций сложения и умножения (чисел, полиномов или, как мы увидим далее, объектов иной природу) как таковых, в их внутренней связи между собой, безно尬ительной к природу элементов, над которым они производятся, и было введено в алгебре понятие колыца.

Что же такое колыцо? Точно определяние этого объекта связано с понятием операции. С него мы и научем.

Рассмотрим произвольное множество MM. Будем говорить, что на нем определяена операция, если установлен правило, по которой любым двум элементам aa и bb из MM ставится в соответствии третий элемент cc того же множество. Так, например, если MM — множество всех целых чисел (для него принято стандартное обозначение ZZ), то сложение c=a+bc = a + b и умножение c=abc = ab является двумя различными операциями на этом множество. Если, скажем, MM — это множество из двух различных элементов aa и bb (общеринарное обозначение M2={a,b}M_2 = \{a, b\}), то все возможные операции на нем можно полностью описать. Для этого сначала нужно перечислить всевозможные пары элементов из M2M_2. Вот они: (a,a)(a, a), (a,b)(a, b), (b,a)(b, a), (b,b)∗(b, b)^*; затем следует решить, какой элемент из M2M_2 относится той или иной паре.

Удобнее всего конкретную операцию на множество, состоящем из

*) Таким образом, мы различаем пары (a,b)(a, b) и (b,a)(b, a), то есть рассматрием так называемые «упорядоченные пары».

Конечного числа элементов, описывайте таблицей (такой способ предложил английский математик А. Кэл и (1821—1895), по имени которого также таблицы теперь и называются таблицами Кэл).

В левом столбце и в верхней строке записываются элементы множества MM так, как это указано в таблице 1; на пересечении строки, которая начинается с элемента aa, и столбца, который начинается с элемента bb, указывается тот элемент, который сопоставляется рассматриваемой операцией паре (a,b)(a, b). Например, если паре (a,b)(a, b) сопоставляется элемент aa, то это обстоятельство записывается так, как в таблице 1’. Далее, если паре (b,a)(b, a) ставится в соответствии элемент bb, то получается таблица 1’'.

Табл. 1
Табл. 1'

3

Заполенная таблица полностью определяет операцию. В таблицах 2—5 приведены примеры различных операций на множестве из двух элементов. Читатель будет полезно описать таблицами все остальные операции на этом множестве (всего их 16; советуем их найти).

В таблице 6 приведен пример операции на множестве M3={a,b,c}M_3 = \{a, b, c\} из трех элементов. Подсчитайте, сколько операций существует на M3M_3.

В известных нам из аргументки случайных операции присвоены называния: скажем, сложение, вычитание, умножение. В обшем случае, о котором только что шла речь, операции специальных называний не имеют. Лишь для удобства ту или иную операцию иногда называют умножением, еще реже — сложением, хотя

Table 1
Table 2
Table 3
Table 4
Table 5
Table 6

Если при данной операции парамет (a,b)(a, b) и (b,a)(b, a) сопоставляется один и тот же элемент, то есть a∗b=b∗aa * b = b * a, то говорят, что элементы aa и bb коммутируют, а относительно операции, описанной в таблице 3, эти же элементы не коммутируют. Если операция также, что относительно нее коммутируют все пары, то говорят, что она коммутативна. Конечно, сложение и умножение целых чисел — коммутативные операции, таблицы 2 и 6 тоже задают коммутативные операции.

Докажите, что таблица Кэли коммутативной операции симметрина относительно главной диагонали (так называют линюю, индушую из левого верхнего угла таблицы в правый нижний угол).

Сформируем теперь в общем виде еще одно свойство, который может обладать (или не обладать) операция. Пусть a,ba, b и cc — три (не обязательно

4

различных) элемента множества MM. Если a∗(b∗c)=(a∗b)∗ca * (b * c) = (a * b) * c для этих элементов, то их называют ассоцирующими.

Подчерком, что в обеих частях последнего равенства элементы a,b,ca, b, c, независимо от расстановки скобок, выписываются в одном и том же порядке. В этом смысле тройка элементов a,b,ca, b, c являются упорядоченными.

Так, например, элементы b,a,bb, a, b из M2M_2 относительно операции, описанной в таблице 3, — ассоцирующие, а относительно операции из таблицы 5 не являются ассоцирующими (проверьте это!). Операция, относительно которого все тройки элементов множества MM являются ассоцирующими, называется ассоциативной. Сложение и умножение целых чисел — операции не только коммутативные, но и ассоциативные. Читателью будет полезно придуть пример такой операции, которая была бы коммутативной, но не ассоциативной.

Теперь мы готовы дать определение колца. Колчо — это множество MM с двумя специфическими операциями. Оdnу из них принято назвать сложением и обозначать элемент, сопоставляемый его пар (a,b)(a, b), через a+ba + b, а другую принято назвать умножением и обозначать элемент, сопоставляемый пар (a,b)(a, b), через abab. Специфика этих операций заключаена в следующих пятей требований, которые к ним предъявляются:

сложение должно быть коммутативным и ассоциативным, то есть для всех пар (a,b)(a, b) и для всех простых (a,b,c)(a, b, c) элементов из MM должны место равенства:

  1. a+b=b+aa + b = b + a;
  2. (a+b)+c=a+(b+c)(a + b) + c = a + (b + c);
  3. в множество MM должны существовать максимальный элемент 0, что a+0=aa + 0 = a при всех aa из MM; этом элемент 0 при этом называется нулем;
  4. для каждого aa из MM должны существовать максимальный элемент cc из MM, что a+c=0a + c = 0; элемент cc называет сначала нулем и умножения. Если внимательно присмотрется, то становится следующее обстоятельство:

промышленным элементу aa и часто обозначатом через — aa (так что в данном случае c=−ac = -a);

  1. от умножения пребуется лишь одно: оно должно быть диспribутивно связано со сложением, то есть для любых a,b,ca, b, c из MM должны иметь место равенства

a(b+c)=ab+ac;a (b + c) = ab + ac;
b+c)a=ba+cab + c) a = ba + ca

(различать эти два равенства надо потому, что умножение не предполагается коммутативным). Часто указанное свойство называют «распределительное умножение относительно сложения».

Вот что такое колцо. Очень важно иметь в виду, что из требований 1) — 4) следует «единистенность» нуля и «единистенность противоположного элемента». Означает это следующее: а) если 010_1 и 020_2 — два элемента колца MM, удовлетворяющие требованиям 3), то 01=020_1 = 0_2; 6) если a+c1=a+c2=0a + c_1 = a + c_2 = 0, то c1=c2c_1 = c_2. Иными словами: в колце только один нуль, и каждый элемент колца имеет лишь один противоположный элемент. В самом деле, ведь в силу 1) и 3):

01=01+02=02+01=02.0_1 = 0_1 + 0_2 = 0_2 + 0_1 = 0_2.

Этим доказано a). Далее, если к обеим частям равенства

a+c1=a+c2a + c_1 = a + c_2

прибавить, скажем, c1c_1, то получится

c1+(a+c1)=c1+(a+c2),c_1 + (a + c_1) = c_1 + (a + c_2),

или, в силу 2),

(c1+a)+c1=(c1+a)+c2,(c_1 + a) + c_1 = (c_1 + a) + c_2,

или, ввиду того что a+c1=c1+a=0a + c_1 = c_1 + a = 0, получаем

0+c1=0+c2,0 + c_1 = 0 + c_2,

или c1=c2c_1 = c_2, чем и доказывается 6).

Примерами колцом могут служить известные нам уже множество всех целых чисел, множество всех разнональных чисел, множество всех полиномов с вещественными коэффициентами относительно общих операций сложения и умножения. Если внимательно присмотрся, то становится следующее обстоятельство:

6

ны, a2+b2=n(q2′+q2′)+r′+r′′a_2 + b_2 = n(q'_2 + q'_2) + r' + r'', и снова
a2+b2‾=r′+r′′.\overline{a_2 + b_2} = r' + r''.
Следовательно, a1+b1‾=a2+b2‾\overline{a_1 + b_1} = \overline{a_2 + b_2}, что и требовалось доказать.

Итак, одна операция на ZnZ_n определяна. Она называется сложением, а результат ее применения к двум остаткам из ZnZ_n, как уже говорилось, называется суммой.

Предложение 1. Сложение на ZnZ_n удовлетворяет требованиям 1) — 4), перечисленных в определении колба.

Доказательство. Благодаря равенству (3), которое подробно обсуждалось, выше, коммутитивность и ассоциативность введенного сложения непосредственного следуют из коммутитивности и ассоциативности сложения целых чисел. Аксимма 3) о существовании нуля выполняется благодаря существования остатка 0‾\overline{0} (его дают числа, кратные nn): a‾+0‾=a‾+0=a‾\overline{a} + \overline{0} = \overline{a} + 0 = \overline{a}. Наконец, противоположим остатку a‾\overline{a} служит, оченьindo, остаток −a‾-\overline{a}, так что −a‾=−a‾-\overline{a} = -\overline{a}, и аксиома 4) также выполняется.

Вот несколько таблиц сложения в ZnZ_n (см. табл. 7—8).

Введем теперь в ZnZ_n умножение. Положим для a‾,b‾\overline{a}, \overline{b} из ZnZ_n
ab‾=ab‾\overline{ab} = \overline{ab} (4)
и называем ab‾\overline{ab} произведением a‾\overline{a} и b‾\overline{b}, а само действие — умножением. Конечно, и в этом случае нужно доказать, что определение корректно, то есть нужно убедиться в следующем:

щем:
если a‾1=a‾2\overline{a}_1 = \overline{a}_2 и b‾1=b‾2\overline{b}_1 = \overline{b}_2, то a1b1‾=a2b2‾\overline{a_1b_1} = \overline{a_2b_2}.

Пусть, в самом деле, ai=qi′n+r′a_i = q'_i n + r', i=1,2i = 1, 2, и bj=qj′n+r′b_j = q'_j n + r', j=1,2j = 1, 2. Тогда
a1b1‾=(q1′n+r′)(q1′n+r′′)‾=n(nq1′q1′+r′q1′+r′′q1′)+r′r′′‾=r′r′′‾\overline{a_1b_1} = \overline{(q'_1 n + r')(q'_1 n + r'')} = \overline{n (nq'_1 q'_1 + r'q'_1 + r''q'_1) + r'r''} = \overline{r'r''}
a2b2‾=n(nq2′q2′+r′q2′+r′′q2′)+r′r′′‾=r′r′′‾\overline{a_2b_2} = \overline{n (nq'_2 q'_2 + r'q'_2 + r''q'_2) + r'r''} = \overline{r'r''}.

Предложение 2. Умножение на ZnZ_n удовлетворяет аксиммом 5) — 8), перечисленных в определении колба.

Доказательство. Дистрибутная связь со сложением, а также коммутитивность и ассоциативность умножения следуют, благодаря (4), из аналогичных свойства умножения целых чисел. Роль единцы для умножения играет остаток 1‾\overline{1}.

Итак, ZnZ_n — количество коммутитивное, ассоциативное и обладающее единцией.

Умножение в каком бы то ни было колба RR существенно характеризуется тем, в каких случаях оказывается выполненным равенство
ab=0.ab = 0. (5)
Так, например, в колба ZZ целых

7

чисел равенство (5) выполняется лишь тогда, когда либо a=0a = 0, либо b=0b = 0. Аналогично утверждение справедливо и для Z3Z_3 (см. табл. 9). Но в колъце Z6Z_6, например, равенство (5) справедливо при a=2‾a = \overline{2} и b=3‾b = \overline{3}, то есть произведение ненулевых сомножителей оказывается здесь равным нулю. Прияго говорить, что элемент aa колъца RR является делителем нуля, если a≠0a \neq 0 и если существует такой элемент b≠0b \neq 0 в RR, что ab=0ab = 0. Таким образом, остаток 2‾\overline{2} в Z6Z_6 является делителем нуля; с другой стороны, в расстоянии выше колъца ZZ и Z3Z_3 делителей нуля нет совсем.

Наряду с равенством (5) умножение в колъце характеризуется и тем,

| | 0ˉ\bar{0} | 1ˉ\bar{1} | 2ˉ\bar{2} | 3ˉ\bar{3} | 4ˉ\bar{4} | 5ˉ\bar{5} |
| :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— |
| 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} |
| 1ˉ\bar{1} | 0ˉ\bar{0} | 1ˉ\bar{1} | 2ˉ\bar{2} | 3ˉ\bar{3} | 4ˉ\bar{4} | 5ˉ\bar{5} |
| 2ˉ\bar{2} | 0ˉ\bar{0} | 2ˉ\bar{2} | 4ˉ\bar{4} | 0ˉ\bar{0} | 2ˉ\bar{2} | 4ˉ\bar{4} |
| 3ˉ\bar{3} | 0ˉ\bar{0} | 3ˉ\bar{3} | 0ˉ\bar{0} | 3ˉ\bar{3} | 0ˉ\bar{0} | 3ˉ\bar{3} |
| 4ˉ\bar{4} | 0ˉ\bar{0} | 4ˉ\bar{4} | 2ˉ\bar{2} | 0ˉ\bar{0} | 4ˉ\bar{4} | 2ˉ\bar{2} |
| 5ˉ\bar{5} | 0ˉ\bar{0} | 5ˉ\bar{5} | 4ˉ\bar{4} | 3ˉ\bar{3} | 2ˉ\bar{2} | 1ˉ\bar{1} |

Табл. 10. Умножение в Z4Z_4

чисел равенство (5) выполняется лишь тогда, когда либо a=0a = 0, либо b=0b = 0. Аналогично утверждение справедливо и для Z3Z_3 (см. табл. 9). Но в колъце Z6Z_6, например, равенство (5) справедливо при a=2‾a = \overline{2} и b=3‾b = \overline{3}, то есть произведение ненулевых сомножителей оказывается здесь равным нулю. Прияго говорить, что элемент aa колъца RR является делителем нуля, если a≠0a \neq 0 и если существует такой элемент b≠0b \neq 0 в RR, что ab=0ab = 0. Таким образом, остаток 2‾\overline{2} в Z6Z_6 является делителем нуля; с другой стороны, в расстоянии выше колъца ZZ и Z3Z_3 делителей нуля нет совсем.

Наряду с равенством (5) умножение в колъце характеризуется и тем,

| | 0ˉ\bar{0} | 1ˉ\bar{1} | 2ˉ\bar{2} | 3ˉ\bar{3} | 4ˉ\bar{4} | 5ˉ\bar{5} |
| :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— |
| 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} | 0ˉ\bar{0} |
| 1ˉ\bar{1} | 0ˉ\bar{0} | 1ˉ\bar{1} | 2ˉ\bar{2} | 3ˉ\bar{3} | 4ˉ\bar{4} | 5ˉ\bar{5} |
| 2ˉ\bar{2} | 0ˉ\bar{0} | 2ˉ\bar{2} | 4ˉ\bar{4} | 0ˉ\bar{0} | 2ˉ\bar{2} | 4ˉ\bar{4} |
| 3ˉ\bar{3} | 0ˉ\bar{0} | 3ˉ\bar{3} | 0ˉ\bar{0} | 3ˉ\bar{3} | 0ˉ\bar{0} | 3ˉ\bar{3} |
| 4ˉ\bar{4} | 0ˉ\bar{0} | 4ˉ\bar{4} | 2ˉ\bar{2} | 0ˉ\bar{0} | 4ˉ\bar{4} | 2ˉ\bar{2} |
| 5ˉ\bar{5} | 0ˉ\bar{0} | 5ˉ\bar{5} | 4ˉ\bar{4} | 3ˉ\bar{3} | 2ˉ\bar{2} | 1ˉ\bar{1} |

Табл. 11. Умножение в Z6Z_6

Такие элементы называют обратными. В колъце ZZ множество обратных элементов состоит всего лишь из 1 и —1; в колъце Z3Z_3 обратными все элементы, кроме 0, а в колъце Z6Z_6 обратными только остатки 1ˉ\bar{1} и 5ˉ\bar{5}, поэтому что 5ˉ⋅5ˉ=1ˉ\bar{5} \cdot \bar{5} = \bar{1}. (Советует читатель проверить, что в Z6Z_6 все остальные элементы xx не являются обратными.)

Мы познакомились, таким образом, с понятем колъца, рассмотрели простейшие примеры и первые структуры характеризки этого нового объекта: делители нуля и обратные элементы. Телер можно приступить к изучению таких важных вопросов, как, например, вопрос о простых элемтах колъца и разложении на простые множители. Этот целли мы сейчас перед собой не ставим: ей естественно посвятить отдельный разговор.

В заключение — несколько задач для самостоятельного решения.

  1. Докажите, что множество полиномов с действительными коэффициентами с общиммислом сложением и умножением является колъцем без делитель нуля. Каково множество обратных элементов этого колъца?

  2. Составьте таблицы сложения и умножения в Z5Z_5 и Z7Z_7 и докажите, что в этих колъциях не только нет делитель нуля, но и что каждый ненулевой элемент в них обратен.

  3. Докажите, что свойствами, о которых говорится в предыдущей задаче, обладает любое колъцо ZpZ_p при простом числе pp.

  4. Докажите, что в колъце ZnZ_n каждый ненулевой элемент либо обратен, либо не является делитель нуля.

  5. Докажите утверждение 4 для любого колъца, обладающего единней, составшего из конечного числа элементов и ассоциативного.