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環の基本md 0ffa9c2
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かんring基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_b5d7f2cff0a5b08888fa59db9166010edescription環を、加法の可換群構造と乗法のモノイド構造を分配法則で結んだものとして定義し、基本恒等式と整数・多項式・行列・剰余類の例を説明する。prerequisites群の基[本/ほん] / [半群/はんぐん]・モノイド・[群/ぐん]への[入口/いりぐち] / [合[同/どう][式/しき]/ごうどうしき]とmod[演算/えんざん]の基[本/ほん]type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/group-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/semigroups-monoids-and-groups.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/congruences-and-modular-arithmetic.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/ideals-and-quotient-rings.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/integral-domains-zero-divisors-and-polynomial-rings.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/matrix-operations.lecture.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/rings-ideals-and-quotient-rings.exercise.n.md
mathabstract-algebraring-theorylecture

ぐんgroupひとつの演算えんざんoperation構造こうぞうstructureだった。かんringは、加法かほうaddition乗法じょうほうmultiplicationというふたつの演算えんざんoperation同時どうじ構造こうぞうstructureである。

かんringまな目的もくてきは、整数せいすうinteger多項式たこうしきpolynomial行列ぎょうれつmatrix剰余類じょうよるいresidue classおな言葉ことばあつかうことである。これらはちがうが、加法かほうaddition乗法じょうほうmultiplication分配法則ぶんぱいほうそくdistributive lawむすびついている。

Basics of ringsかん

A groupぐん was a structure with one operation演算えんざん. A ringかん is a structure構造こうぞう with two operations at the same time: addition加法かほう and multiplication乗法じょうほう.

The reason to study rings is to handle integers整数せいすう, polynomials多項式たこうしき, matrices行列ぎょうれつ, and residue classes剰余類じょうよるい in the same language. They look different, but their addition and multiplication are connected by distributive laws分配法則ぶんぱいほうそく.

1かん定義ていぎ

集合しゅうごうset Rふたつの演算えんざんoperation +·くみ (R,+,·)かんringであるとは、つぎたすことである。

まず、(R,+)可換群かかんぐんabelian groupである。つまり、加法かほうaddition結合法則けつごうほうそく交換法則こうかんほうそくたし、加法単位元かほうたんいげん 0 があり、かくげんelement a加法逆元かほうぎゃくげんadditive inverse -a がある。

つぎに、(R,·) はモノイドである。つまり、乗法じょうほうmultiplication結合法則けつごうほうそくassociative lawたし、乗法単位元じょうほうたんいげんmultiplicative identity 1 をもつ。

(ab)c=a(bc)
1a=a1=a

さらに、加法かほうaddition乗法じょうほうmultiplication分配法則ぶんぱいほうそくdistributive lawむすばれる。

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

ここで公理こうりa,b,cR任意にんいえらかたについて成立せいりつするものとする。1要求ようきゅうしない流儀りゅうぎもあるが、この教材きょうざいでは、とくことわらないかぎり、かんring1つものとしてあつかう。また、この定義ていぎでは 0=1 である零環れいかんかんふくめる。たい整域せいいきのように零環れいかんのぞ構造こうぞうでは、01定義ていぎ明示めいじする。

1Definition of a ring

A triple (R,+,·) consisting of a set集合しゅうごう R and two operations演算えんざん + and · is a ringかん if it satisfies the following conditions.

First, (R,+) is an abelian group可換群かかんぐん. Thus addition is associative and commutative, has an additive identity 0, and each elementげん a has an additive inverse加法逆元かほうぎゃくげん -a.

Next, (R,·) is a monoid. Thus multiplication satisfies the associative law結合法則けつごうほうそく and has a multiplicative identity乗法単位元じょうほうたんいげん 1.

(ab)c=a(bc)
1a=a1=a

Furthermore, addition and multiplication are connected by the distributive laws分配法則ぶんぱいほうそく.

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

These axioms hold for every choice of a,b,cR. Some conventions do not require 1; in this material, unless stated otherwise, rings have a multiplicative identity. This definition includes the zero ring, in which 0=1. Structures that exclude the zero ring, such as fields and integral domains, explicitly require 01 in their definitions.

2何故なぜ乗法逆元じょうほうぎゃくげん要求ようきゅうしないか

整数せいすうかん Z では、2 の乗法逆元じょうほうぎゃくげん整数せいすうなか存在そんざいしない。もしかん定義ていぎで 0 以外いがいすべてに乗法逆元じょうほうぎゃくげん要求ようきゅうすると、整数せいすうかんとしてあつかえなくなる。

かんは、ざんまでは要求ようきゅうしない。そのわり、ざんざん一緒いっしょうご構造こうぞうたもつ。

01 であり、0 以外いがいすべてに乗法逆元じょうほうぎゃくげん要求ようきゅうした可換環かかんかんたいである。

data/lecture/math/abstract-algebra/field-basics.lecture.n.md

2Why multiplicative inverses are not required

In the integer ring Z, the multiplicative inverse of 2 does not exist among the integers. If the definition定義ていぎ of a ring required every nonzero element to have a multiplicative inverse, the integers could not be treated as a ring.

A ring does not require division. Instead, it preserves the structure in which addition and multiplication work together.

A commutative ring with 01 in which every nonzero element has a multiplicative inverse is a fieldたい.

data/lecture/math/abstract-algebra/field-basics.lecture.n.md

3基本きほんれい

かん加法かほう乗法じょうほう特徴とくちょう
Z整数せいすう加法かほう整数せいすう乗法じょうほうざん一般いっぱんじない
Z/nZ剰余類じょうよるい加法かほう剰余類じょうよるい乗法じょうほう合成数ごうせいすうほうでは 0 でないるいどうしのせきが 0 になることがある
Z[x]多項式たこうしき加法かほう多項式たこうしき乗法じょうほう整数係数せいすうけいすう多項式環たこうしきかん
Mn(Z)行列ぎょうれつ加法かほう行列積ぎょうれつせきn[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2 では非可換ひかかん

行列積ぎょうれつせき非可換ひかかんであるため、かんでは乗法じょうほう可換性かかんせいかならずしも要求ようきゅうしない。

data/lecture/math/linear-algebra/meaning-of-matrix-multiplication.lecture.n.md

Mn(Z)n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2 のときの非可換ひかかんかん代表例だいひょうれいとしてげている。行列ぎょうれつくわしい理論りろんは、このしょうかん定義ていぎには必要ひつようない。

3Basic examples

ringかんAdditionMultiplicationFeature
ZAddition of integersMultiplication of integersDivision is generally not closed
Z/nZAddition of residue classesMultiplication of residue classesFor composite moduli, two nonzero classes can have product zero
Z[x]Addition of polynomialsMultiplication of polynomialsPolynomial ring with integer coefficients
Mn(Z)Addition of matricesMatrix multiplicationNoncommutative when n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2

Because matrix multiplication is noncommutative, commutativity of multiplication is not always required in rings.

data/lecture/math/linear-algebra/meaning-of-matrix-multiplication.lecture.n.md

The example Mn(Z) for n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2 is included as a standard noncommutative ring. The detailed theory of matrices is not needed for the definition of rings in this chapter.

4なに保存ほぞんされるか

かんでは、加法かほう可換群かかんぐん構造こうぞう乗法じょうほうのモノイド構造こうぞう分配法則ぶんぱいほうそく同時どうじ成立せいりつする。ざんだけをると可換群かかんぐんであり、ざんだけをるとモノイドである。分配法則ぶんぱいほうそくがこのふたつをむすぶため、展開てんかい因数分解いんすうぶんかいのような計算けいさんができる。

4What is preserved

In a ringかん, an additive abelian-group structure, a multiplicative monoid structure, and the distributive laws hold simultaneously. Looking only at addition gives an abelian group; looking only at multiplication gives a monoid. The distributive laws connect the two, making calculations such as expansion and factorization possible.

5公理こうりからしたが基本恒等式きほんこうとうしき

かんでは、a,bRたいして

a0=0a=0,(-a)b=-(ab),a(-b)=-(ab)

成立せいりつする。これらは追加ついか公理こうりではなく、分配法則ぶんぱいほうそく加法逆元かほうぎゃくげんからみちびかれる。

たとえば

a0=a(0+0)=a0+a0

である。加法かほうについて両辺りょうへん-(a0)くわえると 0=a0る。また、

(-a)b+ab=(-a+a)b=0b=0

なので、(-a)bab加法逆元かほうぎゃくげんであり、(-a)b=-(ab) である。a(-b)=-(ab)同様どうようしめせる。したがって

(-a)(-b)=ab

したがう。実際じっさい(-a)(-b)=-((-a)b)=-(-(ab))=ab である。

5Basic identities derived from the axioms

For every a,bR in a ring,

a0=0a=0,(-a)b=-(ab),a(-b)=-(ab)

hold. These are not additional axioms; they follow from the distributive laws and additive inverses.

For example,

a0=a(0+0)=a0+a0.

Adding -(a0) to both sides in the additive group gives 0=a0. Moreover,

(-a)b+ab=(-a+a)b=0b=0,

so (-a)b is the additive inverse of ab and hence (-a)b=-(ab). The proof of a(-b)=-(ab) is analogous. Consequently,

(-a)(-b)=ab

also follows, since (-a)(-b)=-((-a)b)=-(-(ab))=ab.

7補足ほそく単元たんげんたいちが

かん Rげん u単元たんげんunitであるとは、ある vR存在そんざいして

uv=vu=1

となることである。たいでは 0 以外いがいすべてのげん単元たんげんである。しかし一般いっぱんかんでは、単元たんげん一部いちぶげんだけである。

たとえば Z単元たんげん1-1 だけである。2 は Zげんだが、2v=1 となる整数せいすう v存在そんざいしない。したがって、かんでは「けられる」ことと「れる」ことを区別くべつする必要ひつようがある。

7Supplement: units and the difference from fieldsたい

An element u of a ringかん R is a unit単元たんげん if there exists vR such that

uv=vu=1

In a fieldたい, every nonzero element is a unit. In a general ring, however, only some elements are units.

For example, the only units in Z are 1 and -1. The element 2 is an element of Z, but there is no integer v such that 2v=1. Thus in rings, being able to multiply and being able to divide must be distinguished.

8注意ちゅうい可換かかんでないかん

行列ぎょうれつかん Mn(Z) は、n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2 のとき可換かかんではない。つまり、ABBA となる行列ぎょうれつ A,B存在そんざいする。このため、かん計算けいさんでは乗法じょうほう順序じゅんじょ勝手かってえてはいけない。可換環かかんかんであることを使つか議論ぎろんでは、その仮定かてい明示めいじすることが重要じゅうようである。

8Warning: noncommutative rings

The matrix ring Mn(Z) is not commutative when n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2: there exist matrices A,B for which ABBA. Therefore, in ring calculations, the order順序じゅんじょ of multiplication cannot be changed freely. When an argument uses commutativity, the assumption that the ring is commutative must be stated explicitly.

9まとめ

かんringは、加法かほう可換群かかんぐん乗法じょうほうのモノイドを分配法則ぶんぱいほうそくdistributive lawむすんだ代数的構造だいすうてきこうぞうalgebraic structureである。整数せいすうinteger多項式たこうしきpolynomial剰余類じょうよるいresidue class行列ぎょうれつmatrixおな言葉ことばあつかえる。乗法逆元じょうほうぎゃくげんすべてのげん要求ようきゅうせず、逆元ぎゃくげんをもつげんだけを単元たんげんとよぶ。つぎは、商環しょうかんつくるためのイデアルをまなぶ。

9Summary

A ringかん is an algebraic structure代数的構造だいすうてきこうぞう that connects an additive abelian group and a multiplicative monoid by distributive laws. It allows integers, polynomials, residue classes, and matrices to be treated in a common language. Multiplicative inverses are not required for every element; the elements that do have inverses are called units. Next, we study ideals, the subsets used to construct quotient rings.

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