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整域・零因子・多項式環md 64fe092
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整域せいいきintegral domain零因子れいいんしzero divisor多項式環たこうしきかんpolynomial ring

date2026-07-14document_iddoc_b9bed9919d5431782d941a44399fe707description零因子と整域を掛け算で情報が潰れるかという観点から定義し、消去法則と整域上の多項式環を証明する。prerequisites環の基[本/ほん]type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/ring-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/field-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/polynomials.lecture.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/integral-domains-fields-and-finite-fields.exercise.n.md
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かんでは、0 でないふたつのげんけた結果けっかが 0 になることがある。この現象げんしょうは、ざんによって情報じょうほうつぶれることを意味いみする。その原因げんいんになるげん零因子れいいんしという。

integral domains整域せいいき, zero divisors零因子れいいんし, and polynomial rings多項式環たこうしきかん

In a ringかん, the product of two nonzero elements may become 0. This phenomenon means that information is lost through multiplication. An element that causes this phenomenon is called a zero divisor零因子れいいんし.

1零因子れいいんし

かん R の 0 でないげん a零因子れいいんしであるとは、0 でないげん b存在そんざいして

ab=0

または

ba=0

となることである。

たとえば Z/6Z では、

[2][3]=[6]=[0]

である。[2][3] も 0 ではないので、零因子れいいんしである。

1Zero divisors

A nonzero element a of a ring R is a zero divisor零因子れいいんし if there exists a nonzero element b such that

ab=0

or

ba=0

For example, in Z/6Z,

[2][3]=[6]=[0]

Both [2] and [3] are nonzero, so they are zero divisors零因子れいいんし.

2整域せいいき

整域せいいきintegral domainとは、01 であり、0 でないげんどうしのせきが 0 にならない可換環かかんかんである。つまり、任意にんいa,bR について

ab=0a=0orb=0

成立せいりつする。

整数せいすうかん Z整域せいいきである。実数じっすうたい R整域せいいきである。一方いっぽうZ/6Z整域せいいきではない。

2Integral domains

An integral domain整域せいいき is a commutative ring with 01 in which the product of nonzero elements is never 0. Equivalently, for all a,bR,

ab=0a=0orb=0

holds.

The integer ring Z is an integral domain整域せいいき. The real fieldたい R is also an integral domain整域せいいき. On the other hand, Z/6Z is not an integral domain整域せいいき.

3定理ていり整域せいいき消去法則しょうきょほうそく

整域せいいき R では、a,b,cR かつ a0 のとき、

ab=acb=c

成立せいりつする。証明しょうめいする。ab=ac なら、分配法則ぶんぱいほうそくより

a(b-c)=0

である。a0 であり、整域せいいきには零因子れいいんしがないので b-c=0、したがって b=c である。

ここではざん使つかっていない。0 でないげんったのではなく、零因子れいいんしがないことを使つかって消去しょうきょしている。

3Theorem: cancellation in an integral domain整域せいいき

In an integral domain整域せいいき R, if a,b,cR and a0, then

ab=acb=c

Proof. If ab=ac, distributivity gives

a(b-c)=0

Since a0 and an integral domain has no zero divisors, b-c=0, hence b=c.

No division is used here. We are not dividing by a nonzero element; we are using the absence of zero divisors零因子れいいんし to cancel.

4多項式環たこうしきかん

可換環かかんかん R じょう多項式たこうしきpolynomialとは、

f(x)=a0+a1x++amxm(aiR)

かたち形式的けいしきてき有限和ゆうげんわである。ここで「形式的けいしきてき」とは、xあたい代入だいにゅうしてできる関数かんすうではなく、有限個ゆうげんこのぞいて 0 になる係数列けいすうれつ (a0,a1,) としてあつかうという意味いみである。多項式たこうしき全体ぜんたい

R[x]

く。係数けいすうごとの加法かほうと、分配法則ぶんぱいほうそくによる乗法じょうほう

(iaixi)+(ibixi)=i(ai+bi)xi,
(iaixi)(jbjxj)=k(i+j=kaibj)xk

さだめると、R[x]かんになる。加法単位元かほうたんいげんは 0 多項式たこうしき乗法単位元じょうほうたんいげん定数多項式ていすうたこうしき 1 である。たとえば Z[x]整数係数せいすうけいすう多項式たこうしきかんである。

この主張しゅちょう係数けいすうたしかめる。有限個ゆうげんこ非零係数ひれいけいすうしかないふたつのれつについて、うえせき非零係数ひれいけいすう有限個ゆうげんこしかたないので、ふたつの演算えんざんR[x] じょうじている。加法かほう結合法則けつごうほうそく交換法則こうかんほうそく係数けいすうごとに R からしたがい、iaixi加法逆元かほうぎゃくげんi(-ai)xi である。

また、f=iaixig=jbjxjh=cx とすると、((fg)h)f(gh)xn係数けいすうはどちらも

i+j+=naibjc

なので、乗法じょうほう結合法則けつごうほうそくたす。定数多項式ていすうたこうしき 1 は乗法単位元じょうほうたんいげんである。分配法則ぶんぱいほうそくは、たとえば f(g+h)xn係数けいすう

i+j=nai(bj+cj)=i+j=naibj+i+j=naicj

となることからしたがい、もう一方いっぽう同様どうようである。さらに R可換かかんなので乗法じょうほう可換かかんである。したがって R[x]実際じっさい可換環かかんかんになる。

0 でない多項式たこうしき f(x)=a0++amxmam0 のとき、mf次数じすうdegree [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]fam最高次係数さいこうじけいすうleading coefficientという。0 多項式たこうしき次数じすうは、ここでは定義ていぎしない。

data/lecture/math/algebra/polynomials.lecture.n.md

4Polynomial rings

Let R be a commutative ring. A polynomial多項式たこうしき over R is a formal finite sum of the form

f(x)=a0+a1x++amxm(aiR).

Here “formal” means that the polynomial is the coefficient sequence (a0,a1,) with all but finitely many coefficients equal to 0, rather than the function obtained by substituting values for x. The set of all such polynomials is denoted by

R[x]

Define addition coefficientwise and multiplication by distributivity:

(iaixi)+(ibixi)=i(ai+bi)xi,
(iaixi)(jbjxj)=k(i+j=kaibj)xk.

With these operations, R[x] is a ring. Its additive identity is the zero polynomial, and its multiplicative identity is the constant polynomial 1. For example, Z[x] is the ring of polynomials with integer coefficients.

We verify this claim through coefficients. If two coefficient sequences have finite support, then their sum and the product defined above also have finite support, so both operations are closed on R[x]. Associativity and commutativity of addition follow coefficientwise from R, and the additive inverse of iaixi is i(-ai)xi.

Now let f=iaixi, g=jbjxj, and h=cx. The coefficient of xn in both (fg)h and f(gh) is

i+j+=naibjc,

so multiplication is associative. The constant polynomial 1 is the multiplicative identity. For example, distributivity follows because the coefficient of xn in f(g+h) is

i+j=nai(bj+cj)=i+j=naibj+i+j=naicj.

The other distributive law is similar. Finally, multiplication is commutative because R is commutative. Thus R[x] is indeed a commutative ring.

For a nonzero polynomial f(x)=a0++amxm with am0, the integer m is the degree次数じすう [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]f, and am is the leading coefficient最高次係数さいこうじけいすう. We leave the degree of the zero polynomial undefined here.

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5定理ていり整域せいいきじょう多項式環たこうしきかん整域せいいき

R整域せいいきintegral domainなら、R[x]整域せいいきである。さらに、0 でない多項式たこうしき f,gR[x] について

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")](fg)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]f+[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]g

成立せいりつする。

証明しょうめいする。[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]f=m[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]g=n とし、f最高次係数さいこうじけいすうamg最高次係数さいこうじけいすうbn とする。f,g は 0 でないので am0bn0 である。R整域せいいきなので ambn0 である。

fgxm+n係数けいすうambn であり、これよりたか次数じすうこうはない。したがって fg0 かつ [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")](fg)=m+n である。よって 0 でない多項式たこうしきどうしのせきは 0 にならず、R[x]可換環かかんかん01 でもあるから整域せいいきである。

5Theorem: a polynomial ring over an integral domain is an integral domain

If R is an integral domain整域せいいき, then R[x] is also an integral domain. Moreover, for nonzero polynomials f,gR[x],

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")](fg)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]f+[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]g.

Proof. Let [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]f=m and [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]g=n, and let am and bn be the leading coefficients of f and g, respectively. Since f and g are nonzero, am0 and bn0. Because R is an integral domain, ambn0.

The coefficient of xm+n in fg is ambn, and no term of higher degree occurs. Thus fg0 and [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")](fg)=m+n. Therefore a product of nonzero polynomials is nonzero; since R[x] is commutative and has 01, it is an integral domain.

6たいとの関係かんけい

たい正式せいしき定義ていぎつぎ講義こうぎあつかう。このせつでは先取さきどりとして、たいを「01 であり、0 でないすべてのげん乗法逆元じょうほうぎゃくげん可換環かかんかん」として使つかう。

すべてのたい整域せいいきである。なぜなら、a0ab=0 なら、a-1けて

b=0

みちびかれるからである。この場面ばめんでは a-1使つかうため、a0確認かくにん必要ひつようである。

6Relation with fieldsたい

The formal definition of a fieldたい is given in the next lecture. In this section, as a preview, we use the following minimum meaning: a field is a commutative ring with 01 in which every nonzero element has a multiplicative inverse.

Every fieldたい is an integral domain整域せいいき. If a0 and ab=0, multiplying by a-1 gives

b=0

This step uses a-1, so it is necessary to check that a0.

7演習えんしゅうリンク

現時点げんじてんでは、つぎ演習えんしゅう問題もんだい1と問題もんだい4にめる。たいまなんだあと問題もんだい2・3と証明演習しょうめいえんしゅうへ、有限体ゆうげんたいまなんだあと問題もんだい5へすすむ。

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7Exercise link

At this point, Problems 1 and 4 in the following exercise are ready. After studying fields, continue with Problems 2 and 3 and the proof exercise; after studying finite fields, complete Problem 5.

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8まとめ

零因子れいいんしは、べつの 0 でないげんけると 0 になる、0 でないげんである。整域せいいきではそのようなつぶれがきないため、0 でないげん消去しょうきょできる。多項式たこうしき係数けいすうごとの加法かほう分配法則ぶんぱいほうそくによる乗法じょうほうR[x]かんにする。R整域せいいきなら、最高次係数さいこうじけいすう調しらべることで R[x]整域せいいきであり、せきでは次数じすうくわわるとかる。すべてのたい整域せいいきであり、つぎ講義こうぎたい正式せいしきまなぶ。

8Summary

A zero divisor零因子れいいんし is a nonzero element that annihilates another nonzero element. In an integral domain整域せいいき, such collapse does not occur, so nonzero factors can be cancelled. Polynomial addition and multiplication make R[x] a ring; when R is an integral domain, leading coefficients show that R[x] is also an integral domain and that degrees add under multiplication. Every field is an integral domain, and the next lecture develops fields formally.

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