63

Кольца и алгебры

[31/71%]
Показать
LaTeX
Задача 63.1

Какие из следующих числовых множеств образуют кольцо относительно обычных операций сложения и умножения:

?
(а)

множество Z\mathbb {Z};

(б)

множество nZ(n>1)n \mathbb {Z}(n>1);

(в)

множество неотрицательных целых чисел;

(г)

множество Q\mathbb {Q};

(д)

множество рациональных чисел, в несократимой записи которых знаменатели делят фиксированное число n∈Nn \in \mathbb {N};

(е)

множество рациональных чисел, в несократимой записи которых знаменатели не делятся на фиксированное простое число pp;

(ж)

множество рациональных чисел, в несократимой записи которых знаменатели являются степенями фиксированного простого числа pp;

(з)

множество вещественных чисел вида x+y2x+y \sqrt{2}, где x,y∈Qx, y \in \mathbb {Q};

(и)

множество вещественных чисел вида x+y23x+y \sqrt[3]{2}, где x,y∈Qx, y \in \mathbb {Q};

(к)

множество вещественных чисел вида x+y23+z43x+y \sqrt[3]{2}+z \sqrt[3]{4}, где x,yx, y, z∈Qz \in \mathbb {Q};

(л)

множество комплексных чисел вида x+yix+y i, где x,y∈Zx, y \in \mathbb {Z};

(м)

множество комплексных чисел вида x+yix+y i, где x,y∈Qx, y \in \mathbb {Q};

(н)

множество всевозможных сумм вида a1z1+a2z2+…+anzna_{1} z_{1}+a_{2} z_{2}+\ldots +a_{n} z_{n}, где a1,a2,…,ana_{1}, a_{2}, \ldots , a_{n} — рациональные числа, z1,z2,…,znz_{1}, z_{2}, \ldots , z_{n} — комплексные корни степени nn из 1 ;

(о)

множество комплексных чисел вида x+yD2\frac{x+y \sqrt{D}}{2}, где DD — фиксированное целое число, свободное от квадратов (не делящееся на квадрат простого числа), x,yx, y — целые числа одинаковой чётности?

Задача 63.2

Какие из указанных множеств матриц образуют кольцо относительно матричного сложения и умножения:

?
(а)

множество вещественных симметрических матриц порядка nn;

(б)

множество вещественных ортогональных матриц порядка nn;

(в)

множество верхних треугольных матриц порядка n⩾2n \geqslant 2;

(г)

множество матриц порядка n⩾2n \geqslant 2, у которых две последние строки нулевые;

(д)

множество матриц вида (xyDyx)\left(\begin{array}{cc}x & y \\ D y & x\end{array}\right), где DD — фиксированное целое число, x,y∈Zx, y \in \mathbb {Z};

(е)

множество матриц вида (xyDyx)\left(\begin{array}{cc}x & y \\ D y & x\end{array}\right), где DD — фиксированный элемент некоторого кольца K,x,y∈KK, x, y \in K;

(ж)

множество матриц вида 12(xyDyx)\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cc}x & y \\ D y & x\end{array}\right), где DD — фиксированное целое число, свободное от квадратов, xx и yy — целые числа одинаковой чётности;

(з)

множество комплексных матриц вида (zw−wˉzˉ)\left(\begin{array}{cc}z & w \\ -\bar{w} & \bar{z}\end{array}\right);

(и)

множество вещественных матриц вида

[x−y−z−tyx−tzztx−yt−zyx]? \left[\begin{smallmatrix} x & -y & -z & -t \\ y & x & -t & z \\ z & t & x & -y \\ t & -z & y & x \end{smallmatrix}\right]?
Задача 63.3

Какие из следующих множеств функций образуют кольцо относительно обычных операций сложения и умножения функций:

?
(а)

множество функций вещественного переменного, непрерывных на отрезке [a,b][a, b];

(б)

множество функций, имеющих вторую производную на интервале (a,b)(a, b);

(в)

множество целых рациональных функций вещественного переменного;

(г)

множество рациональных функций вещественного переменного;

(д)

множество функций вещественного переменного, обращающихся в 0 на некотором подмножестве D⊆RD \subseteq \mathbb {R};

(е)

множество тригонометрических многочленов

a0+∑k=1n(akcos⁡kx+bksin⁡kx) a_{0}+\sum _{k=1}^{n}\left(a_{k} \cos k x+b_{k} \sin k x\right)

с вещественными коэффициентами, где nn — произвольное натуральное число;

(ж)

множество тригонометрических многочленов вида

a0+∑k=1ncos⁡kx a_{0}+\sum _{k=1}^{n} \cos k x

с вещественными коэффициентами, где nn — произвольное натуральное число;

(з)

множество тригонометрических многочленов вида

a0+∑k=1naksin⁡kx a_{0}+\sum _{k=1}^{n} a_{k} \sin k x

с вещественными коэффициентами, где nn — произвольное натуральное число;

(и)

множество функций, определённых на некотором множестве DD и принимающих значение в некотором кольце RR;

(к)

все степенные ряды от одной или нескольких переменных;

(л)

все лорановские степенные ряды от одной переменной?

Задача 63.4

Во множестве многочленов от переменного tt с обычным сложением рассматривается операция умножения, заданная правилом

(f∘g)(t)=f(g(t)) (f \circ g)(t)=f(g(t))

Является ли это множество кольцом относительно заданного умножения и обычного сложения?

?
Задача 63.5

Образует ли кольцо множество всех подмножеств некоторого множества относительно симметрической разности и пересечения, рассматриваемых как сложение и умножение соответственно?

?
Задача 63.6

Доказать изоморфизм колец из задач:

?
(а)

63.1, о) и 63.2, ж);

(б)

63.2, з) и 63.2, и).

Задача 63.7

Какие из колец, указанных в задачах 63.1-63.5, содержат делители нуля?

?
Задача 63.8

Найти обратимые элементы в кольцах с единицей из задач 63.1-63.5.

?
Задача 63.9

Доказать, что одно из колец задач 63.3, д) и 63.3, е) изоморфно, а другое не изоморфно кольцу многочленов Rx\mathbb {R}^{x}.

?
Задача 63.10

Доказать, что все обратимые элементы кольца с единицей образуют группу относительно умножения.

?
Задача 63.11

Найти все обратимые элементы, все делители нуля и все нильпотентные элементы в кольцах:

?
(а)

Zn\mathbf{Z}_{n};

(б)

Zpn\mathbf{Z}_{p^{n}}, где pp — простое число;

(в)

K[x]/(fK[x])K[x] /(f K[x]), где KK — поле;

(г)

верхних треугольных матриц над полем;

(д)

M2(R)\mathbf{M}_{2}(\mathbb {R});

(е)

всех функций, определённых на некотором множестве SS и принимающих значения в поле KK;

(ж)

всех степенных рядов от одной переменной;

(з)

Z\mathbb {Z};

(и)

Zi\mathbb {Z}^{i}.

Задача 63.12

Доказать, что группа обратимых элементов \mathbb {Z}^{\sqrt{3}}^{*} бесконечна.

?
Задача 63.13

Пусть RR — конечное кольцо. Доказать, что:

?
(а)

если RR не содержит делителей нуля, то оно имеет единицу и все его ненулевые элементы обратимы;

(б)

если RR имеет единицу, то каждый его элемент, имеющий односторонний обратный, обратим;

(в)

если RR имеет единицу, то всякий левый делитель нуля является правым делителем нуля.

Задача 63.14

Доказать, что в кольце с единицей и без делителей нуля каждый элемент, имеющий односторонний обратный, является обратимым.

?
Задача 63.15

Пусть RR — кольцо с единицей, x,y∈Rx, y \in R. Доказать, что:

?
(а)

если произведения xyx y и yxy x обратимы, то элементы xx и yy также обратимы;

(б)

если RR без делителей нуля и произведение xyx y обратимо, то xx и yy обратимы;

(в)

без дополнительных предположений о кольце RR из обратимости произведения xyx y не следует обратимость элементов xx и yy;

(г)

если обратим элемент 1+ab1+a b, то обратим и элемент 1+ba1+b a.

Задача 63.16

Пусть RR — прямая сумма колец R1,…,RkR_{1}, \ldots , R_{k}.

?
(а)

При каких условиях RR коммутативно; имеет единицу; не имеет делителей нуля?

(б)

Найти в RR все обратимые элементы; все делители нуля; все нильпотентные элементы.

Задача 63.17

Доказать, что:

?
(а)

если числа kk и ll взаимно просты, то Zkl=Zk⊕Zl\mathbf{Z}_{k l}=\mathbf{Z}_{k} \oplus \mathbf{Z}_{l};

(б)

если n=p1k1…psksn=p_{1}^{k_{1}} \ldots p_{s}^{k_{s}}, где p1,…,psp_{1}, \ldots , p_{s} — различные простые числа, то

Zn=Zp1k1⊕…⊕Zpsks \mathbf{Z}_{n}=\mathbf{Z}_{p_{1}^{k_{1}}} \oplus \ldots \oplus \mathbf{Z}_{p_{s}^{k_{s}}}
(в)

если числа kk и ll взаимно просты, то φ(kl)=φ(k)φ(l)\varphi (k l)=\varphi (k) \varphi (l), где φ\varphi функция Эйлера.

Задача 63.18

Найти все делители нуля в C⊕C\mathbb {C} \oplus \mathbb {C}.

?
Задача 63.19

Доказать, что:

?
(а)

делитель нуля в произвольной (ассоциативной) алгебре не является обратимым;

(б)

в конечномерной алгебре с единицей всякий элемент, не являющийся делителем нуля, обратим;

(в)

конечномерная алгебра без делителей нуля является телом (алгеброй с делением).

Задача 63.20

Доказать, что:

?
(а)

конечномерная алгебра с единицей и без делителей нуля над полем C\mathbb {C} изоморфна C\mathbb {C};

(б)

над полем C\mathbb {C} не существует конечномерных алгебр с делением, отличных от C\mathbb {C}.

Задача 63.21

Перечислить с точностью до изоморфизма все коммутативные двумерные алгебры над C\mathbb {C} :

?
(а)

с единицей;

(б)

не обязательно с единицей.

Задача 63.22

Перечислить с точностью до изоморфизма все коммутативные двумерные алгебры над R\mathbb {R} :

?
(а)

с единицей;

(б)

не обязательно с единицей.

Задача 63.23

Пусть \quaternions\quaternions — тело кватернионов.

?
(а)

Является ли \quaternions\quaternions алгеброй над полем C\mathbb {C}, если умножение на скаляр α∈C\alpha \in \mathbb {C} понимать как левое умножение на α∈\quaternions\alpha \in \quaternions?

(б)

Доказать, что отображения

1↦[1001],i↦[i00−i],j↦[01−10],k↦[0ii0] 1 \mapsto \left[\begin{smallmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{smallmatrix}\right], \quad i \mapsto \left[\begin{smallmatrix} i & 0 \\ 0 & -i \end{smallmatrix}\right], \quad j \mapsto \left[\begin{smallmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{smallmatrix}\right], \quad k \mapsto \left[\begin{smallmatrix} 0 & i \\ i & 0 \end{smallmatrix}\right]

являются изоморфизмами \quaternions\quaternions как алгебры над полем R\mathbb {R} на некоторую подалгебру в алгебре матриц M2(C)\mathbf{M}_{2}(\mathbb {C}) над R\mathbb {R}.

(в)

Доказать, что отображение z↦(z00zˉ)z \mapsto \left(\begin{array}{cc}z & 0 \\ 0 & \bar{z}\end{array}\right) является изоморфным вложением поля C\mathbb {C} в алгебру \quaternions\quaternions, реализованную в виде подалгебры алгебры M2(C)\mathrm{M}_{2}(\mathbb {C}) над R(\mathbb {R}( см. б)).

(г)

Решить в \quaternions\quaternions уравнение x2=−1x^{2}=-1.

Задача 63.24

Тензорной алаеброй T(V)\mathbb {T}(V) векторного пространства VV над полем KK называется (бесконечномерное) векторное пространство

T(V)=⨁k=0∞Tk(V) \mathbb {T}(V)=\bigoplus _{k=0}^{\infty } \mathbb {T}_{k}(V)

где T0(V)=K,Tk(V)=V⊗…⊗V⏟k раз \mathbb {T}_{0}(V)=K, \mathbb {T}_{k}(V)=\underbrace{V \otimes \ldots \otimes V}_{k \text{ раз }} при k>0k>0, с умножением

f⋅g=f⊗g, где f∈Tk(V),g∈Tm(V). f \cdot g=f \otimes g, \quad \text{ где } \quad f \in T_{k}(V), \quad g \in T_{m}(V).

Доказать, что:

?
(а)

T(V)\mathbb {T}(V) — ассоциативная алгебра с единицей над полем KK;

(б)

в T(V)\mathbb {T}(V) нет делителей нуля.

Задача 63.25

Алаеброй Грассмана Λ(V)\Lambda (V) векторного пространства VV над полем KK называется векторное пространство

Λ(V)=⨁k=0∞Λk(V) \Lambda (V)=\bigoplus _{k=0}^{\infty } \Lambda ^{k}(V)

где Λ0(V)=K\Lambda^{0}(V)=K, с умножением

f⋅g=f∧g, где f∈Λk(V),g∈Λm(V) f \cdot g=f \wedge g, \quad \text{ где } \quad f \in \Lambda ^{k}(V), \quad g \in \Lambda ^{m}(V)

для любых k,m>0k, m>0. Доказать, что:

?
(а)

Λ(V)\Lambda (V) является ассоциативной алгеброй с единицей над полем KK;

(б)

каждый элемент из I=⨁k⩾1Λk(V)I=\bigoplus_{k \geqslant 1} \Lambda^{k}(V) является нильпотентным;

(в)

каждый элемент из Λ(V)\Lambda (V), не лежащий в II, обратим.

Задача 63.26

Симметрической алгеброй S(V)S(V) векторного пространства VV над полем KK называется векторное пространство

S(V)=⨁k=0∞Sk(V) S(V)=\bigoplus _{k=0}^{\infty } S^{k}(V)

где S0(V)=kS^{0}(V)=k, с умножением

f⋅g=Sym⁡(f⊗g), где f∈Sk(V),g∈Sm(V) f \cdot g=\operatorname {Sym}(f \otimes g), \quad \text{ где } \quad f \in S^{k}(V), \quad g \in S^{m}(V)

для любых k,m>0k, m>0. Доказать, что:

?
(а)

S(V)S(V) является ассоциативной, коммутативной алгеброй над KK;

(б)

если x1,…,xnx_{1}, \ldots , x_{n} — базис пространства VV, то S(V)S(V) изоморфно алгебре многочленов от x1,…,xnx_{1}, \ldots , x_{n}.

Задача 63.27

Пусть AA и BB — алгебры над полем KK. Тензорное произведение алгебр C=A⊗KBC=A \otimes_{K} B определяется как тензорное произведение векторных пространств AA и BB над KK с умножением

(a′⊗b′)⋅(a′′⊗b′′)=a′a′′⊗b′b′′ \left(a^{\prime } \otimes b^{\prime }\right) \cdot \left(a^{\prime \prime } \otimes b^{\prime \prime }\right)=a^{\prime } a^{\prime \prime } \otimes b^{\prime } b^{\prime \prime }

Доказать изоморфизм алгебр над полем KK :

?
(а)

C⊗KC≃C⊕C(K=R)\mathbb {C} \otimes_{K} \mathbb {C} \simeq \mathbb {C} \oplus \mathbb {C} \quad (K=\mathbb {R});

(б)

Mn(K)⊗KMm(K)≃Mmn(K)\mathbf{M}_{n}(K) \otimes_{K} \mathbf{M}_{m}(K) \simeq \mathbf{M}_{m n}(K);

(в)

Mn(K)⊗KA≃Mn(A)\mathbf{M}_{n}(K) \otimes_{K} A \simeq \mathbf{M}_{n}(A), где AA — произвольная ассоциативная алгебра над KK;

(г)

K[X1,…,Xn]⊗KK[Y1,…,Ym]≃K[X1,…,Xn,Y1,…,Ym];K\left[X_{1}, \ldots , X_{n}\right] \otimes_{K} K\left[Y_{1}, \ldots , Y_{m}\right] \simeq K\left[X_{1}, \ldots , X_{n}, Y_{1}, \ldots , Y_{m}\right] ;

(д)

\quaternions⊗RC≃M2(C)\quaternions \otimes_{\mathbb {R}} \mathbb {C} \simeq \mathbf{M}_{2}(\mathbb {C});

(е)

S(V)⊗KΛ(V)≃T(V)\mathbf{S}(V) \otimes_{K} \Lambda (V) \simeq \mathbb {T}(V) при dim⁡V=2\operatorname {dim} V=2;

(ж)

Q(p)⊗Q(q)≃Q(p+q)\mathbb {Q}(\sqrt{p}) \otimes \mathbb {Q}(\sqrt{q}) \simeq \mathbb {Q}(\sqrt{p}+\sqrt{q}), где pp и qq — различные простые числа.

Задача 63.28

Пусть KK — поле характеристики нуль, R=K[x1,…,xn]R=K\left[x_{1}, \ldots , x_{n}\right] кольцо многочленов и pi,qip_{i}, q_{i} — линейные операторы на RR как векторном пространстве над KK, причём для f∈Rf \in R

pi(f)=xif,qi(f)=∂∂xif p_{i}(f)=x_{i} f, \quad q_{i}(f)=\frac{\partial }{\partial x_{i}} f

Обозначим через An(K)A_{n}(K) подалгебру в алгебре линейных операторов в RR, порождённую p1,…,pn,q1,…,qnp_{1}, \ldots , p_{n}, q_{1}, \ldots , q_{n}. Она называется алаеброй Вейля или алгеброй дифференциальных операторов.

Доказать, что:

?
(а)

qjpi−piqj=δij,pipj=pjpi,qiqj=qjqiq_{j} p_{i}-p_{i} q_{j}=\delta_{i j}, \quad p_{i} p_{j}=p_{j} p_{i}, \quad q_{i} q_{j}=q_{j} q_{i};

(б)

базис An(K)A_{n}(K) как векторного пространства образуют одночлены

p1l1…pnlnq1t1…qntn,li,tj⩾0 p_{1}^{l_{1}} \ldots p_{n}^{l_{n}} q_{1}^{t_{1}} \ldots q_{n}^{t_{n}}, \quad l_{i}, t_{j} \geqslant 0
Задача 63.29

Пусть f=f(p1,…,pn,q1,…,qn)f=f\left(p_{1}, \ldots , p_{n}, q_{1}, \ldots , q_{n}\right) — элемент алгебры Вейля An(K)A_{n}(K) (см. задачу 63.28.) Доказать, что

pif=fpi+∂f∂qi,qif=fqi−∂f∂pi p_{i} f=f p_{i}+\frac{\partial f}{\partial q_{i}}, \quad q_{i} f=f q_{i}-\frac{\partial f}{\partial p_{i}}
?
Задача 63.30

Доказать, что алгебра верхних нильтреугольных матриц порядка nn является нильпотентной алгеброй индекса nn.

?
Задача 63.31

Доказать, что:

?
(а)

в кольце всех функций на отрезке [0,1][0,1] делителями нуля являются функции, принимающие нулевое значение, и только они;

(б)

в кольце непрерывных функций на отрезке [0,1][0,1] делителями нуля являются ненулевые функции, принимающие нулевое значение на некотором отрезке [a,b][a, b], где 0⩽a<b⩽10 \leqslant a<b \leqslant 1.