encyklopedia.space

Ring (matematyka)

Ring (pol. pierścień) – podstawowa struktura algebraiczna w algebrze, będąca zbiorem wyposażonym w dwa wewnętrzne działania: dodawania i mnożenia, które spełniają określone aksjomaty. Pierścienie odgrywają kluczową rolę w teorii liczb, geometrii algebraicznej oraz w wielu gałęziach matematyki.

Definicja

Niech R będzie niepustym zbiorem. R jest pierścieniem, jeśli istnieją dwa działania binarne

  • dodawanie +: R × R → R,
  • mnożenie ·: R × R → R,

spełniające następujące warunki:

  1. Grupa abelowa względem dodawania – (R, +) jest grupą abelową. W szczególności istnieje element neutralny 0 (zero) oraz element przeciwny -a dla każdego a ∈ R.
  2. Monoid względem mnożenia – (R, ·) jest półgrupą (associatywna). Jeśli w pierścieniu istnieje element neutralny względem mnożenia, nazywany jest on jednostką i oznaczany 1, wtedy mówimy o pierścieniu jednostkowym.
  3. Rozdzielność – mnożenie rozdziela się względem dodawania:
    • a·(b + c) = a·b + a·c,
    • (a + b)·c = a·c + b·c dla wszystkich a, b, c ∈ R.

Jeśli dodatkowo mnożenie jest przemienne (a·b = b·a), mówimy o pierścieniu przemiennym. Przykładem pierścienia nieprzemiennego jest pierścień macierzy kwadratowych M_n(F) nad ciałem F.

Podstawowe przykłady

  • Liczby całkowite (ℤ) – najprostszy pierścień przemienny z jedynką.
  • Liczby wymierne (ℚ) oraz liczby rzeczywiste (ℝ) i liczby zespolone (ℂ) – wszystkie są pierścieniami przemiennymi, a jednocześnie ciałami.
  • Pierścień macierzy kwadratowych M_n(F) nad dowolnym ciałem F – przykład pierścienia nieprzemiennego (dla n ≥ 2).
  • Pierścień wielomianów F[x] nad ciałem F – ważny w algebrze abstrakcyjnej.
  • Pierścienie resztowe ℤ/nℤ (pierścienie modularne) – odgrywają istotną rolę w kryptografii i teorii liczb.

Podpierścienie i homomorfizmy

Podzbiór S ⊆ R jest podpierścieniem R, jeżeli S jest zamknięty względem obu działań i sam w sobie spełnia aksjomaty pierścienia (z elementem neutralnym 0 odziedziczonym od R). Przykładem jest podpierścień ℤ w ℚ.

Homomorfizm pierścieni to funkcja φ : R → S spełniająca

  • φ(a + b) = φ(a) + φ(b),
  • φ(a·b) = φ(a)·φ(b),
  • oraz φ(1_R) = 1_S (jeśli pierścienie mają jedynki).

Jądro homomorfizmu, czyli zbiór elementów mapowanych na 0_S, jest idealem w R, natomiast obraz homomorfizmu jest podpierścieniem w S.

Ideale i ilorazowe pierścienie

Ideał I w pierścieniu R to podzbiór, który jest podgrupą dodatnią względem + i spełnia

  • a·i ∈ I oraz i·a ∈ I dla wszystkich a ∈ R, i ∈ I.

Ideale umożliwiają konstrukcję ilorazowych pierścieni R/I, które dziedziczą strukturę pierścienia. W szczególności, ideały pierwsze dają pierścienie całkowite dziedziny całkowitości, a ideały maksymalne – ciała.

Klasyfikacja i ważne klasy pierścieni

  • Pierścienie przemienne z jedynką – najczęściej badane w algebrze abstrakcyjnej.
  • Pierścienie dziedzinowe całkowitości (ang. integral domains) – brak dzielników zero.
  • Pierścienie jednorodne (ang. principal ideal domains, PID) – każdy ideał jest generowany przez jeden element.
  • Pierścienie unikalnego rozkładu na czynniki pierwsze (UFD) – każdy element (poza jednostkami i zero) ma rozkład na czynniki pierwsze, jedyny z dokładnością do kolejności i jednostek.
  • Pierścienie Noethera – każdy rosnący ciąg ideałów stabilizuje się; równoważnie, każdy ideał jest skończenie generowany.

Zastosowania

Pierścienie znajdują zastosowanie w:

  • kryptografii – np. pierścienie modularne ℤ/nℤ w algorytmach RSA i eliptycznych krzywych.
  • algebrze liniowej – macierze tworzą pierścień, a pojęcie modulów nad pierścieniem jest uogólnieniem wektorowych przestrzeni.
  • topologii algebraicznej – koło (ang. cohomology ring) struktury współczynnikowych.
  • kombinatoryce – pierścienie formalne (np. pierścień funkcji generujących).
  • logiki matematycznej – algebry Boole'a jako szczególny przypadek pierścieni.

Powiązane pojęcia

Warto zapoznać się także z następującymi pojęciami:

  • ciało – pierścień, w którym każdy niezerowy element ma odwrotność względem mnożenia.
  • moduł – uogólnienie pojęcia przestrzeni wektorowej, w którym skalary pochodzą z pierścienia.
  • algebra – struktura łącząca pojęcia pierścienia i wektora.
  • ideał i iloraz – podstawowe konstrukcje w teorii pierścieni.

Historia

Pierścienie wyłoniły się w XIX wieku w pracach Richarda Dedekinda i Davida Hilberta, a ich formalna definicja została ugruntowana w latach 30. XX wieku przez Emmy Noether, której wkład w rozwój teorii pierścieni i modułów jest powszechnie uznawany.

Literatura

  • G. Dummit, R. Foote, Abstract Algebra, Wiley, 2004.
  • J. Rotman, Advanced Modern Algebra, Springer, 2002.
  • E. Noether, Ideal Theory, 1921.