Gerätering

In der Mathematik ist ein einheitlicher Ring , manchmal ein einzelner Ring , aber oft einfach ein Ring (siehe Ring (Mathematik) ), eine der grundlegenden algebraischen Strukturen der allgemeinen Algebra . Es ist eine Menge, bei der zwei Operationen einige der Eigenschaften der Addition und Multiplikation von relativen ganzen Zahlen erfüllen .

Historischer Aspekt

Die Studie von Ringen entsteht in der deutschen Schule der XIX - ten  Jahrhundert. Es wird von den Mathematikern Dedekind , Hilbert , Fraenkel und Noether entwickelt . Es entsteht aus dem Studium algebraischer Gleichungen , der algebraischen Zahlen und der Suche nach einer Demonstration des letzten Satzes von Fermat . Sie wird zu einer wichtigen Entwicklung der allgemeinen Algebra und der algebraischen Geometrie führen .

In der X - ten Nachtrag zweite Ausgabe von Vorlesungen über Zahlentheorie von Dirichlet 1871 Dedekind betrachtet, neben dem Begriff der Körper ( Körper ), der Ring der ganzen Zahlen einer algebraischen Zahl; ein wenig später wird er andere Ringe einführen , die er nennt Aufträge ( Ordnung ). Aber es war David Hilbert, der den Begriff Ring (verwendet Ring ) zu definieren , was immer an der Zeit ist ein kommutativer Ring mit Einheit, in seinem Bericht über Zahlen ( Zahlbericht ) 1897 für die Deutsche Mathematiker-Vereinigung .

Definition

Ein unitärer Ring ist eine Menge A, die mit zwei Operationen versehen ist ( Addition und Multiplikation genannt ), die sich wie die von ganzen Zahlen verhalten, bezogen auf die folgende genaue Bedeutung: A mit der Addition versehen ist eine abelsche Gruppe , die Multiplikation ist assoziativ , distributiv bezüglich der Addition , und es hat ein neutrales Element .

Genauer gesagt ist ein Ring eine Menge A, in der zwei Gesetze der inneren Zusammensetzung gegeben sind , die mit + und ∙ bezeichnet werden und die folgenden Eigenschaften verifizieren:

Ein kommutativer Ring ist ein Ring, dessen Multiplikation ebenfalls kommutativ ist . Wie oben erklärt, ist es ein Ring, in dem die folgende Identität unabhängig von den Elementen a und b der Menge A verifiziert wird  :

Terminologischer Hinweis: „Ringe“ ohne Multiplikativ-Neutral

Eine Minderheit von Autoren definiert einen Ring, ohne die Existenz eines neutralen Elements für die Multiplikation zu erfordern. Der Leser, der Informationen zu dieser Struktur sucht, die nicht Gegenstand dieses Artikels ist, wird auf den Pseudo-Ring- Artikel verweisen . Aufgrund dieser unterschiedlichen Definitionen kann es, wenn man Verwirrung befürchtet, vernünftig sein, einen einheitlichen (oder einheitlichen ) Ring zu spezifizieren, wenn man sich auf einen Ring im Sinne dieses Artikels bezieht, einen Ring mit einem multiplikativen Neutralen.

Beispiele

Beispiele für kommutative Ringe

Beispiele für nichtkommutative Ringe

Gegenbeispiele

Und noch andere Beispiele

Wir fanden mehr Beispiele, die entsprechenden Abschnitten von Artikeln zu bestimmten Klassen von Ringen gewährt wurden, und insbesondere Artikeln kommutativer Ring , Integralbereich und assoziative Algebra über einem Körper .

Der Abschnitt „Ringkonstruktion“ unten bietet auch eine vollständigere und systematisierte Liste von Beispielen.

Grundlegendes Konzept

Morphismen

Ein Ringmorphismus ist eine Abbildung f zwischen zwei Ringen A und B, die mit ihrer Struktur kompatibel ist, im genauen Sinne:

Für alle a , b in A  :

f ( a + b ) = f ( a ) + f ( b ) f ( a ∙ b ) = f ( a ) ∙ f ( b )

Insbesondere wenn A und B unitär sind, heißt dieser Morphismus unitär, wenn

f ( 1A ) = 1B .

Die folgenden Anwendungen sind Beispiele für Ringmorphismen:

Ringmorphismen setzen sich aus einander zusammen, was die Ringklasse zu einer Kategorie macht .

Nebenringe

Ein Teil B eines Rings A wird als Teilring von A bezeichnet, wenn:

Hier einige Beispiele für Unterringe:

Ein injektiver Ringmorphismus zwischen zwei Ringen induziert eine Identifizierung zwischen seinem Startring und einem Unterring seines Ankunftsrings.

Ideale und Quotientenringe

In doppelter Weise, wenn auch etwas technischer, ermöglicht der Begriff des Quotientenrings , den Ankunftsring eines surjektiven Morphismus als Quotient des Startrings zu beschreiben . Seine Definition basiert auf dem Konzept der zweiseitigen Ideale , die die Objekte sind, durch die man quotienting (sie sind ähnlich wie die in Sinn Untergruppen der Theorie der Gruppen ).

Ein zweiseitiges Ideal I eines Rings A (oder einfach „  Ideal  “, wenn keine Verwechslung zu befürchten ist, insbesondere im kommutativen Fall) ist eine additive Untergruppe von A, die beweist:

für alle x in I und alles hat zu A , ax ∈ I und x ∈ I .

Wir definieren einen ideal auf der linken Seite (resp. Auf der rechten Seite ) als Zusatzuntergruppe , für die wir nur die Bedingung erfordern ax ∈ I (resp. Xa ∈ I ). Obwohl sie die Konstruktion von Quotientenringen nicht erlauben, sind sie wichtige Konzepte in der Theorie nichtkommutativer Ringe.

Hier einige Beispiele für Ideale:

Ein bilaterales Ideal I ermöglicht die Konstruktion eines Quotientenrings  : Die kommutative Quotientengruppe A / I kann mit einer Multiplikation versehen werden, die sie zu einem Ring macht, wobei die kanonische Projektion von A auf A / I dann ein surjektiver Morphismus ist. Wie in der Einleitung zum Unterabschnitt angekündigt, ist das Bild jedes surjektiven Ringmorphismus isomorph zu einem Quotienten seines Ausgangsrings (dem Quotienten durch den Kern des Morphismus).

Berechnung im Ring

Ausgestattet mit seiner einzigen Multiplikation ist ein Ring ein bestimmtes Monoid . Die Definitionen, die in diesem breiteren Rahmen (oder sogar in einem noch allgemeineren Rahmen) sinnvoll sind, können daher verwendet werden, um Eigenschaften von Elementen des Rings zu benennen. In der Ringtheorie sind unter anderem folgende Konzepte relevant, die alle den zweiten Hauptsatz (Multiplikation) betreffen:

In jedem Ring:

In einem Ring ist es im Allgemeinen unmöglich, in einer Multiplikation ohne Vorkehrungen zu vereinfachen. Wir wissen zum Beispiel, dass wenn die quadratischen Matrizen A , B und C die Identität AB = AC verifizieren , wir daraus nicht B = C ableiten können und dies auch dann, wenn A nicht die Nullmatrix ist . Die beiden folgenden Konzepte ermöglichen es, diese Vereinfachungsmängel zu analysieren:

Beispiele: 2 ist nilpotent in allen Ringen ℤ / 2 n ℤ mit n ≥ 2.

Die Formel des Binomialsatzes ist auf jedes Paar austauschbarer Elemente anwendbar. Für alle permutierbaren x , y und jede positive oder Null ganze Zahl n :

Es verallgemeinert auf jede endliche Familie von Elementen, die paarweise permutierbar sind: es ist die Formel des Multinoms .

Feature

Die Charakteristik eines Rings ist, falls vorhanden, die kleinste streng positive ganze Zahl n, so dass:

Existiert eine solche ganze Zahl nicht (mit anderen Worten, wenn 1 von unendlicher additiver Ordnung ist ), sagen wir, dass die Charakteristik Null ist.

Module

Der Formalismus der Vektorräume , wo Skalare , Elemente eines Körpers , Vektoren multiplizieren , kann auf Skalare Elemente eines Rings erweitert werden. Die so definierten Strukturen werden Module genannt .

Das Studium der Module ist Selbstzweck und hat viele Konsequenzen, die nicht Gegenstand dieses Artikels sind. Eine davon hat jedoch hier ihren Platz: Ein Ring kann als Modul für sich betrachtet werden, was die Reinvestition der Ringe in die Theorie der modulspezifischen Techniken ermöglicht.

Genauer gesagt, für einen gegebenen Ring A, dessen Multiplikation wir mit x bezeichnen, behalten wir sein additives Gruppengesetz bei und statten ihn mit einem externen Gesetz aus , das wir mit ∙ bezeichnen, indem wir für α einen Skalar in A und einen Vektor in A setzen  :

α ∙ a = α x a .

Die Addition und mit diesem externen Gesetz versehen dann A einen Strukturbaustein links auf A . Auf die gleiche Weise würde das externe Gesetz, definiert durch: a ∙ α = a x α , ihm eine rechte Modulstruktur verleihen.

Diese Struktur liefert neue Erkenntnisse A . Wir sehen zum Beispiel, dass die Ideale links (bzw. rechts) genau die Untermodule für die Modulstruktur links (bzw. rechts) sind und im kommutativen Fall die Ideale genau die Untermodule sind.

Unitäre assoziative Algebren

Wir nennen unitäre assoziative Algebra auf einem kommutativen Ring R einen Ring A, der auch mit einem externen Modulgesetz mit R für Ring von Skalaren versehen ist, kompatibel mit dem internen Multiplikationsgesetz im folgenden Sinne: für jeden Skalar α in R und alle Elemente a , b von A  :

α ( ab ) = ( αa ) b = a ( αb ).

Daher bilden unitäre assoziative Algebren eine riesige Klasse von Ringen und liefern sehr unterschiedliche Sammlungen wichtiger Beispiele. Darüber hinaus kann jeder Ring als Algebra auf ℤ betrachtet werden, genauso wie jede abelsche Gruppe als ℤ-Modul und jeder kommutative Ring als Algebra auf sich selbst (Kommutativität ist hier wesentlich) . Damit stehen die für die Theorie der assoziativen Algebren spezifischen Werkzeuge zur Verfügung, um Ringe zu konstruieren und zu studieren.

Kommutative Ringe

Die sehr reiche Theorie spezifisch für kommutative Ringe wird kommutative Algebra genannt . Es wird auf den ausführlichen Artikel kommutativer Ring , erweitert um den Artikel integraler Bereich , verwiesen , um einen Überblick über Konzepte zu erhalten, die für diese Klasse von Ringen einzigartig sind: Ringe Schlüssel , Ringe Fakultät , ganzes Element usw.

Ringkonstruktion

Zwei der grundlegendsten Konzepte zur Herstellung von Beispielringen wurden oben bereits diskutiert:

Diese beiden Verfahren erfordern die vorherige Verfügbarkeit eines Rings. Um Konstrukte zu initialisieren, sind die folgenden Techniken besonders wichtig:

Ein weiteres grundlegendes Werkzeug aus bereits bekannten Ringen ist das Direktprodukt:

Einige Techniken sind im Bereich der kommutativen Algebra  :

Der Standpunkt der unitären assoziativen Algebren bietet ein letztes Werkzeug:

Literaturverzeichnis

Für eine Einführung in die Ringtheorie

Der allgemeine Algebra-Unterricht enthält unweigerlich ein oder mehrere Kapitel, die den Ringen gewidmet sind. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit zitieren wir:

Um noch ein bisschen weiter zu gehen

Hinweise und Referenzen

  1. Siehe zum Beispiel: Bourbaki 1970 , S.  I-12, I.92 und I.93 definieren eindeutig den Qualifier "Unifier", aber für Magmen . Seine Definition von Ring setzt ein neutrales Element für die Multiplikation voraus. Fehlt diese einzige Eigenschaft, spricht man von einem „Pseudo-Ring“.
  2. Jean Dieudonné (dir.), Abrégé d'histoire des mathematiques 1700-1900 [ Detail der Ausgaben ], Flug. 1, s. 111-112, 201-203, und (de) D. Hilbert, „Die Theorie der algebraischen Zahlkörper“, Jahresbericht der DMV , vol. 4, 1897, p. 175-546, § 31.
  3. MacLane und Birkhoff 1967 , p.  135; Bourbaki 1970 , S.  I-92; Lang 2004 , S.  90-91.
  4. Der Zustand der commutativity der Zugabe wird traditionell in der Definition eines Ringes erforderlich, aber es ergibt sich aus der Verbindung der anderen und ist daher überflüssig: in der Tat, wenn wir entwickeln auf zwei verschiedene Arten (1 + 1) ∙ ( a + b ) = 1 ∙ ( a + b ) + 1 ∙ ( a + b ) = a + b + a + b aber auch (1 + 1) ∙ ( a + b ) = (1 + 1) ∙ a + (1 + 1) ∙ b = a + a + b + b dann vereinfachen wir links und rechts, die Kommutativität der Addition erscheint, vgl. Grill 2007 , S.  107.
  5. Die Mehrheit der Quellen formalisiert diesen Punkt nicht übermäßig. Das im Artikel verwendete "in dem angegeben wird" ist ein Zitat von AG Kurosh (  übers . J.-P. Peaudecerf), General Algebra , Dunod,1967, s.  24 ; andere Autoren schreiben „vorgesehen mit“ ( Bourbaki 1970 , S.  I-92) oder einfach „mit“ ( Cohn 1974 , S.  136). Eine Minderheit von Quellen formalisiert mehr auf unterschiedliche Weise. Nach der konsultierten Arbeit kann ein Ring als Triplett ( A , +, ∙) definiert werden, so Godement 1966 , S.  137 oder Grillet 2007 , p.  105, oder ein Quadrupel ( A , +, ∙, 1), vgl. MacLane 1967 , p.  135, oder sogar ein Quintuplet ( A , +, ∙, 0, 1), also in (en) Nathan Jacobson, Basic Algebra I , WH Freeman and Company,1989( ISBN  978-0-7167-0453-9 ) , p.  84und sogar ein Sextuplet ( A , +, -, -, 0, 1) in (en) Stanley Burris und HP Sankappanavar, A Course in Universal Algebra , New York, Springer,1981, 276  S. ( ISBN  978-0-387-90578-5 , Hinweis BnF n o  FRBNF37371612 ) , p.  24.
  6. Maurice Glaymann, „L'algèbre“ , in Mathematik , Retz , Coll.  "Enzyklopädien des modernen Wissens",1975( ISBN  978-2-72566025-7 , online lesen ) , p.  47.
  7. So (in) Neal McCoy, The Theory of Rings , The MacMillan Company,1964( ISBN  978-1-124-04555-9 ), ( Burton 1970 , S.  ?) Und Joseph Gallian, Contemporary Abstract Algebra , Houghton Mifflin,2004( ISBN  978-0-618-51471-7 )oder auf Französisch Jacqueline Lelong-Ferrand und Jean-Marie Arnaudiès , Mathematikkurs - Tome 1, Algebra , Dunod,1978, s.  79.
  8. MacLane und Birkhoff 1967 , p.  135 unter dem Namen "trivialer Ring"; Bourbaki 1970 , S.  I-96 unter dem Namen "null ring".
  9. MacLane und Birkhoff 1967 , p.  135.
  10. MacLane und Birkhoff 1967 , p.  152-153.
  11. MacLane und Birkhoff 1967 , p.  162.
  12. MacLane und Birkhoff 1967 , p.  226 (wo die Aussage für Module gegeben ist , gilt also insbesondere für abelsche Gruppen ).
  13. MacLane und Birkhoff 1967 , p.  294-296.
  14. Bourbaki 1970 , p.  I-98.
  15. Raymond Raffin, Rings non-asociatifs , Vortrag beim Dubreil-Seminar (1950-1951) , online verfügbar .
  16. Bourbaki 1970 , p.  I.97.
  17. Godement 1966 , p.  155.
  18. Cohn 1974 , p.  137-138.
  19. Diese Analogie wird beispielsweise in (in) László Rédei  (in) , Algebra , Bd.  1, Pergamonpresse,1967, s.  129.
  20. Bourbaki 1970 , p.  I.99.
  21. Bourbaki 1970 , p.  I.100 - I.101.
  22. Wir können feststellen, dass wir uns durch das Setzen dieser Bedingung insbesondere dazu entschließen, die nicht unbedingt natürliche Konvention festzulegen, nach der 0 0 = 1 ist. Die Bemerkung erscheint in Rédei 1967 , p.  47.
  23. Bourbaki 1970 , p.  I.93.
  24. Lang 2004 , p.  99.
  25. Godement 1966 , p.  144-146.
  26. Lang 2004 , p.  97.
  27. Lang 2004 , p.  127.
  28. Bourbaki 1970 , p.  III-2.
  29. Godement 1966 , p.  139-140, Beispiel 4.
  30. Godement 1966 , p.  628, Übung 41.

Siehe auch

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