markdown
イデアルと商環md 95b9c9c
lecture/math/abstract-algebra/ideals-and-quotient-rings.lecture.n.md
Download PDF

イデアルと商環しょうかんquotient ring

date2026-06-06document_iddoc_41e9aea9fc92bdb7c8cb11ee60ed4e94descriptionイデアルを、商環を作るために必要な部分集合として説明し、整数の nZ と Z/nZ の関係を中心に扱う。prerequisites環の基[本/ほん] / [[同/どう]値[関係/かんけい]/どうちかんけい]と[[剰余/じょうよ][類/るい]/じょうよるい]の基[本/ほん]type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/ring-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/equivalence-relations-and-cosets.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/normal-subgroups-and-quotient-groups.lecture.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/rings-ideals-and-quotient-rings.exercise.n.md
mathabstract-algebraring-theorylecture

ぐん商群しょうぐんつくるには正規部分群せいきぶぶんぐん必要ひつようだった。かん商環しょうかんつくるには、正規部分群せいきぶぶんぐん対応たいおうする役割やくわり部分集合ぶぶんしゅうごう必要ひつようである。それがイデアルidealである。

idealsイデアル and quotient rings商環しょうかん

To construct a quotient group商群しょうぐん from a group, a normal subgroup正規部分群せいきぶぶんぐん was needed. To construct a quotient ring商環しょうかん from a ringかん, we need a subset that plays the corresponding role. That subset is an idealイデアル.

1イデアルの定義ていぎ

かん R部分集合ぶぶんしゅうごう I がイデアルであるとは、0I であり、さらにつぎたすことである。

a,bIa-bI
rR,aIraIandarI

0I により Iからではない。第一だいいち条件じょうけんは、I加法かほうについて部分群ぶぶんぐんであることをあらわす。第二だいに条件じょうけんは、かん任意にんいげんけても Iなかのこることをあらわす。

可換環かかんかんでは raarおなじなので、片側かたがわだけ確認かくにんすればよい。

1Definition of an idealイデアル

A subset I of a ring R is an idealイデアル if 0I and it satisfies the following conditions.

a,bIa-bI
rR,aIraIandarI

The condition 0I makes I nonempty. The first condition says that I is a subgroup部分群ぶぶんぐん with respect to addition. The second says that multiplying by any element of the ring still leaves the result inside I.

In a commutative ring, ra and ar are the same, so it is enough to check one side.

2何故なぜイデアルが必要ひつよう

商環しょうかんでは、Iげんを 0 とみなす。つまり、abIぞくするとき、おなげんとしてあつかう。

aba-bI

I加法部分群かほうぶぶんぐんなので、これは同値関係どうちかんけいである。反射性はんしゃせいa-a=0I からしたがう。a-bI なら b-a=-(a-b)I なので対称性たいしょうせいたす。また、a-bIb-cI なら

a-c=(a-b)+(b-c)I

なので推移性すいいせいたす。

この同値関係どうちかんけいつくった同値類どうちるい使つかい、

[a]+[b]=[a+b]
[a][b]=[ab]

定義ていぎしたい。I加法部分群かほうぶぶんぐんであるもとで、この乗法じょうほう代表元だいひょうげんによらずさだまるためには、さらに左右さゆう吸収性きゅうしゅうせい、すなわちイデアル条件じょうけん必要ひつようである。

ここでの同値類どうちるいa+I={a+iiI}ける。商環しょうかんでは、これらのるい全体ぜんたいげんとしてあつかう。

2Why idealsイデアル are necessary

In a quotient ring商環しょうかん, elements of I are treated as 0. In other words, a and b are treated as the same element when their difference belongs to I.

aba-bI

Because I is an additive subgroup, this is an equivalence relation. Reflexivity follows from a-a=0I. If a-bI, then b-a=-(a-b)I, which gives symmetry. If a-bI and b-cI, then

a-c=(a-b)+(b-c)I,

which gives transitivity.

Using the equivalence classes built from this equivalence relation同値関係どうちかんけい, we want to define

[a]+[b]=[a+b]
[a][b]=[ab]

Assuming that I is an additive subgroup, absorption from both sides—the remaining ideal condition—is necessary for this multiplication to be independent of representatives.

Here the equivalence class of a can be written as a+I={a+iiI}. In a quotient ring, these classes are treated as the elements.

3整数せいすうれい

nZ={nkkZ}Z のイデアルである。

商環しょうかん

Z/nZ

は、整数せいすうn倍数ばいすう無視むししてまとめたものである。これは合同式ごうどうしき世界せかいそのものである。

data/lecture/math/abstract-algebra/congruences-and-modular-arithmetic.lecture.n.md

3Example from the integers

nZ={nkkZ} is an idealイデアル of Z.

The quotient ring商環しょうかん

Z/nZ

groups integers while ignoring differences that are multiples of n. This is exactly the world of congruences合同式ごうどうしき.

data/lecture/math/abstract-algebra/congruences-and-modular-arithmetic.lecture.n.md

4商群しょうぐんとの対応たいおう

群論ぐんろん環論かんろん
正規部分群せいきぶぶんぐんイデアル
商群しょうぐん商環しょうかん
群準同型ぐんじゅんどうけいかく環準同型かんじゅんどうけいかく
第一同型定理だいいちどうけいていり第一同型定理だいいちどうけいていり

どちらも、かくとしてつぶれる部分ぶぶん構造こうぞう単位元たんいげん同一視どういつししてしょうつくるというてんおなじである。ぐんでは乗法記法じょうほうきほう単位元たんいげん eかんでは加法単位元かほうたんいげん 0 につぶす。

環準同型かんじゅんどうけい第一同型定理だいいちどうけいていりあとあつかう。このひょうは、イデアルがあとかくとしてあらわれるという見通みとおしをしめすためのものである。

4Correspondence with quotient groups商群しょうぐん

Group theoryRing theory
normal subgroup正規部分群せいきぶぶんぐんidealイデアル
quotient group商群しょうぐんquotient ring商環しょうかん
Kernel of a group homomorphism群準同型ぐんじゅんどうけいKernel of a ring homomorphism環準同型かんじゅんどうけい
First isomorphism同型どうけい theoremFirst isomorphism同型どうけい theorem

In both settings, the part collapsed as a kernelかく is identified with the relevant identity element to form a quotient. In multiplicative notation, a group kernel collapses to the group identity e, whereas a ring kernel collapses to the additive identity 0.

Ring homomorphisms and the first isomorphism theorem are treated later. This table is a roadmap showing that ideals will later appear as kernels.

5なにえてなに保存ほぞんするか

商環しょうかんでは、イデアルのなかちがいを 0 としてつぶす。わるのはげん粒度りゅうどである。一方いっぽうで、加法かほう乗法じょうほう分配法則ぶんぱいほうそくしょううえでも well-definedwell-defined保存ほぞんされる。

5What changes and what is preserved

In a quotient ring商環しょうかん, differences inside the idealイデアル are collapsed to 0. What changes is the granularity of elements. On the other hand, addition, multiplication, and distributive laws are preserved on the quotient in a well-defined way.

6証明しょうめい補足ほそく商環しょうかん演算えんざん代表元だいひょうげんによらない理由りゆう

Iかん Rイデアルideal とする。剰余類じょうよるいせき

(a+I)+(b+I)=(a+b)+I,(a+I)(b+I)=ab+I

定義ていぎする。この定義ていぎ代表元だいひょうげん依存いぞんしないことを証明しょうめいする。

a+I=a+Ib+I=b+I とする。これは a-aIb-bI という意味いみである。については

(a+b)-(a+b)=(a-a)+(b-b)I

なので (a+b)+I=(a+b)+I である。

せきについては

ab-ab=ab-ab+ab-ab=a(b-b)+(a-a)b

である。b-bI であり、Iかん要素ようそけても Iなかのこるので a(b-b)I である。おなじく (a-a)bI である。したがって ab-abI であり、ab+I=ab+I である。

この証明しょうめいから、イデアルの条件じょうけんは「あまりのるいどうしをけてもこわれない」ための条件じょうけんだとかる。

ぎゃくに、I加法かほうについて部分群ぶぶんぐんであり、(a+I)(b+I)=ab+I代表元だいひょうげんによらずさだまると仮定かていする。iI なら i+I=0+I なので、任意にんいrR について

(r+I)(i+I)=(r+I)(0+I),(i+I)(r+I)=(0+I)(r+I)

である。したがって ri+I=0+Iir+I=0+I、すなわち ri,irI である。よってせきの well-definedness は左右さゆう吸収性きゅうしゅうせい強制きょうせいする。加法部分群かほうぶぶんぐんという条件じょうけんわせると、イデアル条件じょうけん十分じゅうぶんであるだけでなく必要ひつようでもある。

演算えんざんが well-defined だとかったので、かん公理こうり確認かくにんできる。加法単位元かほうたんいげん0+Ia+I加法逆元かほうぎゃくげん(-a)+I乗法単位元じょうほうたんいげん1+I である。たとえば分配法則ぶんぱいほうそく

(a+I)((b+I)+(c+I))=a(b+c)+I=(ab+ac)+I=(a+I)(b+I)+(a+I)(c+I)

となる。加法かほう結合けつごう交換法則こうかんほうそく乗法じょうほう結合法則けつごうほうそく、もう一方いっぽう分配法則ぶんぱいほうそくも、R対応たいおうする公理こうり代表元だいひょうげん適用てきようすればしたがう。したがって、これらの演算えんざんをもつ剰余類じょうよるい全体ぜんたい R/Iかんである。I=R のときは 0+I=1+I となり、この教材きょうざいかんふくめている零環れいかんる。

6Proof supplement: why quotient-ring operations do not depend on representatives

Let I be an idealイデアル of a ring R. Define the sum and product of residue classes by

(a+I)+(b+I)=(a+b)+I,(a+I)(b+I)=ab+I

We prove that this definition定義ていぎ does not depend on representatives.

Suppose a+I=a+I and b+I=b+I. This means a-aI and b-bI. For addition,

(a+b)-(a+b)=(a-a)+(b-b)I

so (a+b)+I=(a+b)+I.

For multiplication,

ab-ab=ab-ab+ab-ab=a(b-b)+(a-a)b

Since b-bI and I remains inside itself when multiplied by elements of the ring, a(b-b)I. Similarly, (a-a)bI. Therefore ab-abI, so ab+I=ab+I.

This proof証明しょうめい shows that the idealイデアル condition is exactly the condition needed so that multiplying classes of remainders does not break the quotient.

Conversely, suppose that I is an additive subgroup and that (a+I)(b+I)=ab+I is independent of representatives. If iI, then i+I=0+I. Hence, for every rR,

(r+I)(i+I)=(r+I)(0+I),(i+I)(r+I)=(0+I)(r+I).

Thus ri+I=0+I and ir+I=0+I, so ri,irI. Therefore well-definedness of multiplication forces absorption from both sides. Together with the additive-subgroup condition, the ideal condition is not only sufficient but also necessary.

Now that the operations are well-defined, the ring axioms can also be checked. The additive identity is 0+I, the additive inverse of a+I is (-a)+I, and the multiplicative identity is 1+I. For example, distributivity follows from

(a+I)((b+I)+(c+I))=a(b+c)+I=(ab+ac)+I=(a+I)(b+I)+(a+I)(c+I).

Associativity and commutativity of addition, associativity of multiplication, and the other distributive law follow by applying the corresponding axiom in R to representatives. Therefore the set of residue classes R/I with these operations is a ring. When I=R, we have 0+I=1+I and obtain the zero ring, which this material includes among rings.

8まとめ

イデアルは、商環しょうかんつくるための部分集合ぶぶんしゅうごうである。商環しょうかんでは、イデアルのげんを 0 とみなし、のこった剰余類じょうよるい加法かほう乗法じょうほうれる。整数せいすうZ/nZもっと基本きほんてき商環しょうかんである。

8Summary

An idealイデアル is the kind of subset needed to construct a quotient ring商環しょうかん. In a quotient ring商環しょうかん, elements of the idealイデアル are treated as 0, and addition and multiplication are placed on the remaining residue classes. The ring Z/nZ is the most basic example of a quotient ring商環しょうかん.

raw .n.md をコピー
loc をコピー (filepath:line ~ line)
copy share link
copy encoded share link
path をコピー
copy share link
copy encoded share link
copy share link
copy encoded share link
タブを全て閉じる