[현대대수학-환, 체론] 8. 환 준동형사상과 잉여환
R과 R′을 환이라 하자. 사상 ϕ:R→R′가 임의의 a,b∈R에 대하여ϕ(a+b)=ϕ(a)+ϕ(b)ϕ(ab)=ϕ(a)ϕ(b)
R1,R2,⋯,Rn을 환이라 하자. 임의의 (r1,r2,⋯,rn)∈R1×R2×⋯×Rn에 대하여 πi((r1,r2,⋯,rn))=ri로 정의되는 사상 πi:R1×R2×⋯×Rn→Ri는 준동형사상이다.
ϕ:R→R′를 환 준동형사상이라고 하자.
(1) ϕ(0)=0′ (0은 R에서의 덧셈항등원, 0′은 R′에서의 덧셈항등원)
(2) 임의의 a∈R에 대하여 ϕ(−a)=−ϕ(a)
(3) S가 R의 부분환이면, ϕ[S]는 R′의 부분환이다.
(4) S′이 R′의 부분환이면, ϕ−1[S′]는 R의 부분환이다.
(5) R이 단위원(곱셈항등원) 1을 가지면, ϕ(1)은 ϕ[R]의 단위원이다.
(1)과 (2)는 분명하니 증명할 필요가 없다.
(3): ϕ[S]가 R′의 덧셈에 대한 아벨군의 부분군이므로 ϕ[S]가 곱셈에 대해 닫혀있음을 보이면 된다.
ϕ(s1),ϕ(s2)∈ϕ[S]라 하면 ϕ(s1)ϕ(s2)=ϕ(s1s2)∈ϕ[S]이므로 ϕ[S]는 R′의 부분군이다.
(4): ϕ−1[S′]는 R의 덧셈에 대한 아벨군의 부분군이므로 ϕ−1[S′]가 곱셈에 대해 닫혀있음을 보이면 된다.
a,b∈ϕ−1[S′]라 하자. 그러면 ϕ(a),ϕ(b)∈S′이고 ϕ(ab)=ϕ(a)ϕ(b)∈S′이기 때문에 ab∈ϕ−1[S′]이고 ϕ−1[S′]은 곱셈에 대해 닫혀있다. 따라서 ϕ−1[S′]은 R의 부분환이다.
(5): 1을 R의 단위원이라고 하면, 임의의 r∈R에 대하여 ϕ(1)ϕ(r)=ϕ(1r)=ϕ(r)=ϕ(r1)=ϕ(r)ϕ(1)이므로 ϕ(1)은 ϕ[R]의 단위원이다.(QED)
ϕ(1)은 ϕ[R]의 단위원이지만 R′의 단위원이 되지는 않는다. ϕ(n)=(n,0)(n∈Z)으로 정의되는 사상을 ϕ:Z→Z×Z라 하자. 1은 Z의 단위원이고 (1,1)은 Z×Z의 단위원이다. 그러나 ϕ(1)=(1,0)≠(1,1)이다.
ϕ:R→R′를 환 준동형사상이라 하자. ϕ−1[{0′}]={r∈R|ϕ(r)=0′}을 ϕ의 핵(Kernel)이라 하고 Ker(ϕ)로 나타낸다.
다음은 잉여군인 경우와 유사한 정리들이고 이 정리들에 대한 증명은 하지 않겠다.
ϕ:R→R′을 환 준동형사상, H=Ker(ϕ)이라 하자.
(1) a∈R에 대하여 ϕ−1[{ϕ(a)}]=a+H=H+a이고 여기서 a+H=H+a는 a를 포함하는 ⟨H,+⟩의 잉여류이다.
(2) ϕ가 일대일일 필요충분조건은 Ker(ϕ)={0}이다.
(3) H의 덧셈에 대한 잉여류들의 집합 R/H의 덧셈과 곱셈을(a+H)+(b+H)=(a+b)+H(a+H)(b+H)=ab+H
H를 R의 부분환, R/H={a+H|a∈R}를 덧셈에 대한 아벨군이라 하자. 임의의 a+H,b+H∈R/H에 대하여(a+H)(b+H)=ab+H
(⇐): 임의의 a,b∈R, h∈H에 대하여 ah∈H, bh∈H라 하고 a+h1∈a+H, b+h2∈b+H라 하자. 그러면(a+h1)(b+h2)=ab+ah2+h1b+h1h2
(⇒): H의 잉여류의 곱셈 (a+H)(b+H)=ab+H가 잘 정의된다고 하자. a∈R, h∈H라고 하면(a+H)H=(a+H)(0+H)=a0+H=H
(QED)
R을 환, N을 R의 덧셈에 대한 부분군이라 하자. 임의의 a,b∈R에 대하여 aN⊂N, Nb⊂N이면, N을 R의 아이디얼(ideal)이라고 한다.
nZ는 Z의 아이디얼이다.
F를 실수에서 실수로 대응하는 함수 전체의 집합, C를 실수에서 상수로 대응하는 상수함수들의 집합이라고 하자. C는 F의 아이디얼이 아니다. 왜냐하면 sinx∈F, 2∈C에 대하여 2sinx∉C이기 때문이다. N={f∈F|f(2)=0}이라 하면, N은 F의 아이디얼이다.
N을 환 R의 아이디얼이라 하고 R/N={a+N|a∈R}이라 하자. 임의의 a+N,b+N∈R/N에 대하여(a+N)+(b+N)=(a+b)+N(a+N)(b+N)=ab+N
환 R의 아이디얼을 N이라 하자. 임의의 x∈R에 대하여 γ(x)=x+N으로 정의되는 사상 γ:R→R/N는 핵이 N인 준동형사상이다.
덧셈에 대해서는 군론에서 증명했기 때문에 곱셈에 대해서만 보이면 된다.γ(xy)=xy+N=(x+N)(y+N)=γ(x)γ(y)
(준동형사상의 기본정리)R, R′을 환, N을 R의 아이디얼, ϕ:R→R′을 환 준동형사상이라 하자. ϕ[R]은 환이고 μ(x+N)=ϕ(x)로 정의되는 사상 μ:R/N→ϕ[R]은 동형사상이다. γ:R→R/N가 임의의 x∈R에 대하여 γ(x)=x+N으로 정의되는 사상이면, ϕ(x)=μ(γ(x))가 성립한다.
이 정리는 군에서 환으로 바뀌었다는 점을 제외하면 군론과 유사하다.
참고자료:
A First Course in Abstract Algebra 7th edition, Fraleigh, Addison Wesley
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