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Divisor

在 integral domain 裡元素的分解大家應該都了解最基本的元素就是 irreducible elements 和 prime elements. 我們將有系統的探討它們的基本性質.

首先我們還是對一個元素的因數給一個正式的定義.

Definition 8.1.1   令 R 是一個 integral domain 且 a, d $ \in$ R 是 R 中兩個不為 0 的元素. 如果存在 r $ \in$ R 滿足 a = d . r, 則稱 d 為 a 在 R 中的一個 divisor 且記為 d | a.

回顧一下若 R 是 integral domain 且 d $ \in$ R, 則 $ \bigl($d$ \bigr)$ = {d . r | r $ \in$ R} 所以由上一個定義我們很容易知 d | a 若且唯若 a $ \in$ $ \bigl($d$ \bigr)$. 然而若 a $ \in$ $ \bigl($d$ \bigr)$, 由 $ \bigl($d$ \bigr)$ 是一個 ideal 知對任意的 r $ \in$ R 皆有 a . r $ \in$ $ \bigl($d$ \bigr)$. 故得 $ \bigl($a$ \bigr)$ $ \subseteq$ $ \bigl($d$ \bigr)$. 反之若 $ \bigl($a$ \bigr)$ $ \subseteq$ $ \bigl($d$ \bigr)$, 由 a $ \in$ $ \bigl($a$ \bigr)$ 得知 a $ \in$ $ \bigl($d$ \bigr)$. 換句話說 a $ \in$ $ \bigl($d$ \bigr)$ 若且唯若 $ \bigl($a$ \bigr)$ $ \subseteq$ $ \bigl($d$ \bigr)$, 因此我們有以下的結論:

Lemma 8.1.2   令 R 是一個 integral domain 且 a, d $ \in$ R $ \setminus$ {0} . 則 d | a 若且唯若 $ \bigl($a$ \bigr)$ $ \subseteq$ $ \bigl($d$ \bigr)$.

Lemma 8.1.2 雖然簡單但相當實用, 它告訴我們元素間的整除關係可以轉換成 ideal 間的包含關係. 以後我們要談論兩元素間的整除關係時我們有時不用 divisor 的定義處理, 我們會用這種 ideal 的關係來探討, 大家會發眾o個方法是簡潔又方便的.

若 a $ \in$ R 且 a$ \ne$ 0, 我們很快的就知道任意 R 中的一個 unit 都會是 a 的一個 divisor. 這是由於若 u 是 R 中的 unit, 則 $ \bigl($u$ \bigr)$ = R (Lemma 6.2.4). 故由 $ \bigl($a$ \bigr)$ $ \subseteq$ R = $ \bigl($u$ \bigr)$ 知 u | a. 另一方面當 u 是 unit 時, a . u 也是 a 的 divisor. 這也可由 $ \bigl($a . u$ \bigr)$ = $ \bigl($a$ \bigr)$ (Lemma 6.5.4) 及 Lemma 8.1.2 馬上得到. u 和 a . u 這種 a 的 divisor 對 a 的分解沒有甚麼幫助, 我們稱之為 a 的 trivial divisor. 以下 Lemma 是探討 a . u 這個 a 的 trivial divisor 和 a 的簡單關係.

Lemma 8.1.3   令 R 是一個 integral domain 且 a 和 b 是 R 中兩個不為 0 的元素. 下列三項 a 和 b 的關係是等價的.
  1. 存在 u $ \in$ R 是 R 的一個 unit 滿足 a = b . u.
  2. $ \bigl($a$ \bigr)$ = $ \bigl($b$ \bigr)$.
  3. a | b 且 b | a.

証 明. (1) $ \Rightarrow$ (2): 可由 Lemma 6.5.4 知 $ \bigl($a$ \bigr)$ = $ \bigl($b$ \bigr)$.

(2) $ \Rightarrow$ (3): 可由 Lemma 8.1.2 直接推得.

(3) $ \Rightarrow$ (1): 由 a | b 知存在 r $ \in$ R 使得 b = a . r, 再由 b | a 知存在 r' $ \in$ R 使得 a = b . r'. 故知

a = b . r' = (a . r) . r' = a . (r . r').

也就是說

a . (1 - r . r') = a - a . (r . r') = 0.

利用 a$ \ne$ 0 且 R 是一個 integral domain, 得 r . r' = 1. 換句話說 r' 是 R 的一個 unit. $ \qedsymbol$

為了方便起見, 我們給有 Lemma 8.1.3 中的關係一個特殊的名稱.

Definition 8.1.4   若 a, b $ \in$ R $ \setminus$ {0} 且存在 u $ \in$ R 是 R 中的一個 unit 滿足 a = b . u, 則稱 a 和 b 是 associates. 記為 a $ \sim$ b.

利用 Lemma 8.1.3 中的 (2) 我們知 a $ \sim$ b 若且唯若 $ \bigl($a$ \bigr)$ = $ \bigl($b$ \bigr)$, 所以馬上得知 $ \sim$ 是一個 equivalence relation.

回顧一下在 $ \mathbb {Z}$ 中我們定 a, b 的 greatest common divisor 是 a, b 的 common divisor 中最大的, 而在 F[x] 中我們定 f (x), g(x) 的 greatest common divisor 是 f (x), g(x) 的 common divisor 中 degree 最大的. 在一般的 integral domain 是無法定大小或 degree 的. 不過前兩種情況的 greatest common divisor 都有一個共同的性質 (參見 Corollary 7.1.5 (2) 以及 Corollary 7.2.9 (2)), 我們就用這個性質來定 integral domain 中的 greatest common divisor.

Definition 8.1.5   若 R 是一個 integral domain, a1,..., an 是 R 中的非 0 元素.
  1. 若 c $ \in$ R 滿足 c | ai,  $ \forall$ i $ \in$ {1,..., n} 則稱 c 是 a1,..., an 的一個 common divisor.
  2. 若 d $ \in$ R 是 a1,..., an 的一個 common divisor 且滿足對任意 a1,..., an 的 common divisor c 皆滿足 c | d, 則稱 d 是 a1,..., an 的一個 greatest common divisor.

若 u 是 R 中的 unit, 則由於 $ \bigl($u$ \bigr)$ = R (Lemma 6.2.4) 可知對任意 a1,..., an 皆有 $ \bigl($ai$ \bigr)$ $ \subseteq$ $ \bigl($u$ \bigr)$, $ \forall$ i $ \in$ {1,..., n}. 也就是說 u | ai, $ \forall$ i $ \in$ {1,..., n}. 故知 R 中的 unit 都是 a1,..., an 的 common divisor. 不過對一般的 integral domain, 對任意的 a1,..., an 其 greatest common divisor 未必存在. 即使存在其 greatest common divisor 也不一定唯一 (在 F[x] 的情況就是一例). 另� 要注意的是在此定義之下 $ \mathbb {Z}$ 中的 greatest common divisor 和 Section 7.1 中 Definition 7.1.3 的 greatest common divisor 相差了一個正負號. 接著我們列出 greatest common divisor 的基本性質.

Lemma 8.1.6   設 R 是一個 integral domain.
  1. 假設 d 和 d' 皆為 a1,..., an 的 greatest common divisor, 則 d 和 d' associates.
  2. 假設 R 中任兩個非 0 元素的 greatest common divisor 存在, 則 R 中任意 n 個非 0 元素的 greatest common divisor 也存在.

証 明. (1) 若 d 和 d' 皆是 a1,..., an 的 greatest common divisor, 則由定義知 d 是 a1,..., an 的 common divisor. 再利用 d' 是 a1,..., an 的 greatest common divisor 得證 d | d'. 同理得 d' | d. 故利用 Lemma 8.1.3 知 d $ \sim$ d'.

(2) 假設 R 中任兩個非 0 元素的 greatest common divisor 存在, 我們利用數學歸納法證明任意 n 個非 0 元素 a1,..., an 的 greatest common divisor 也存在. 假設任意 n - 1 個非 0 元素 a1,..., an - 1 的 greatest common divisor 存在且為 d0. 因 d0 和 an 皆是 R 中的非 0 元素, 由假設知其 greatest common divisor 存在. 令 d 為 d0 和 an 的 greatest common divisor, 我們要證明 d 為 a1,..., an 的 greatest common divisor.

首先由 d | d0 且 d0 是 a1,..., an1 的 common divisor 知 d | d0 | ai, $ \forall$ i $ \in$ {1,..., n - 1}. 再由 d | an 知 d 是 a1,..., an 的一個 common divisor.

接著若 c 是 a1,..., an 的一個 common divisor, 則 c 當然是 a1,..., an - 1 的一個 common divisor. 故由 d0 是 a1,..., an - 1 的 greatest common divisor 知 c | d0. 換言之 c 是 d0 和 an 的一個 common divisor. 故由 d 是 d0 和 an 的 greatest common divisor 知 c | d. 因此由定義知 d 是 a1,..., an 的 greatest common divisor. $ \qedsymbol$

最後我們要定義 irreducible element 和 prime element. Irreducible 是不可分解的意思, 換言之就是除了 trivial divisor � 沒有其他的 divisor.

Definition 8.1.7   設 R 是一個 integral domain.
  1. 若 a 是 R 中的非 0 元素且滿足 a 的 divisor 都是 trivial divisor (也就是說, 若 d | a 則 d 是一個 unit 或 d $ \sim$ a), 則稱 a 是 R 的一個 irreducible element.
  2. 若 p 是 R 中的非 0 元素且對任意滿足 p | c . d 的 c, d $ \in$ R 皆有 p | c 或 p | d, 則稱 p 是 R 的一個 prime element.

我們提過 irreducible element 和 prime element 的定義基本上是不同的, 所以它們原則上是兩種不同的特性. 不過以下的結果告訴我們在 integral domain 之下 prime element 一定是 irreducible element.

Lemma 8.1.8   假設 R 是 integral domain. 若 a $ \in$ R 是一個 prime element, 則 a 也是一個 irreducible element.

証 明. 任取 d | a, 要說 a 是 irreducible 就是要證明 d 是一個 unit 或 d $ \sim$ a. 由於 d | a, 故存在 r $ \in$ R 滿足 a = d . r. 所以我們有 a | d . r. 利用 a 是 prime 的性質知 a | d 或 a | r. 如果 a | d, 由 d | a 的假設以及 Lemma 8.1.3 知 d $ \sim$ a. 如果 a | r, 同樣的由 Lemma 8.1.3 知 a $ \sim$ r. 換句話說, 存在一個 unit u 使得 a = u . r. 由 a = d . r = u . r 以及 R 是一個 integral domain 知 d = u 是一個 unit. $ \qedsymbol$

前面曾經提過我們喜歡用 ideal 的關係來描繪元素間的整除關係. 下面的 Lemma 就是告訴我們 irreducible element 和 prime element 所產生的 principle ideal 所對應的性質.

Lemma 8.1.9   假設 R 是一個 integral domain, a $ \in$ R 且 a$ \ne$ 0.
  1. a 是一個 irreducible element 若且唯若沒有 nontrivial principle ideal 包含 $ \bigl($a$ \bigr)$.
  2. a 是一個 prime element 若且唯若 $ \bigl($a$ \bigr)$ 是一個 prime ideal.

証 明. (1) $ \Rightarrow$: 假設 a 是一個 irreducible element, 如果存在 b $ \in$ R 滿足 $ \bigl($a$ \bigr)$ $ \subseteq$ $ \bigl($b$ \bigr)$, 由 Lemma 8.1.2 知 b | a. 故由 a 是 irreducible 得 b 是一個 unit 或是 b $ \sim$ a. 換言之 $ \bigl($b$ \bigr)$ = R (Lemma 6.2.4) 或 $ \bigl($b$ \bigr)$ = $ \bigl($a$ \bigr)$ (Lemma 6.5.4). 所以找不到 nontrivial principle ideal 包含 $ \bigl($a$ \bigr)$.

$ \Leftarrow$: 反之若 d | a, 則知 $ \bigl($a$ \bigr)$ $ \subseteq$ $ \bigl($d$ \bigr)$. 由假設沒有 nontrivial principle ideal 包含 $ \bigl($a$ \bigr)$, 得 $ \bigl($d$ \bigr)$ 是一個 trivial principle ideal 包含 $ \bigl($a$ \bigr)$. 換言之 $ \bigl($d$ \bigr)$ = R 或 $ \bigl($d$ \bigr)$ = $ \bigl($a$ \bigr)$. 若 $ \bigl($d$ \bigr)$ = R 表示 $ \bigl($d$ \bigr)$ = $ \bigl($1$ \bigr)$ 故由 Lemma 8.1.3 知 d $ \sim$ 1, 也就是說 d 是一個 unit. 若 $ \bigl($d$ \bigr)$ = $ \bigl($a$ \bigr)$ 同樣由 Lemma 8.1.3 知 d $ \sim$ a. 故得 a 是一個 irreducible element.

(2) $ \Rightarrow$: 假設 a 是一個 prime element. 如果 c . d $ \in$ $ \bigl($a$ \bigr)$, 知 a | c . d. 故由 a 是 prime 的假設知 a | c 或 a | d. 這告訴我們 c $ \in$ $ \bigl($a$ \bigr)$ 或 d $ \in$ $ \bigl($a$ \bigr)$, 故得證 $ \bigl($a$ \bigr)$ 是一個 prime ideal.

$ \Leftarrow$: 假設 $ \bigl($a$ \bigr)$ 是一個 prime ideal. 任取 c, d $ \in$ R 滿足 a | c . d, 知 c . d $ \in$ $ \bigl($a$ \bigr)$. 故由 $ \bigl($a$ \bigr)$ 是一個 prime ideal 的假設得 c $ \in$ $ \bigl($a$ \bigr)$ 或 d $ \in$ $ \bigl($a$ \bigr)$. 換言之 a | c 或 a | d, 故得證 a 是一個 prime element. $ \qedsymbol$


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Administrator 2005-06-18