Un grupo nos daba una operación. Un anillo combina dos: sumar y multiplicar. Queremos agrupar elementos que se diferencian en una parte permitida y que ambas operaciones sigan funcionando con los grupos resultantes. Los ideales proporcionan esa compatibilidad. Empezaremos con múltiplos de enteros y construiremos el cociente antes de preguntar si es dominio o cuerpo.
Si necesitas repasar:
1. Dos operaciones con reglas distintas: suma y producto
En un anillo R, la suma forma un grupo abeliano: cero, opuestos, asociatividad y conmutatividad. El producto es asociativo y se distribuye sobre sumas por ambos lados. Aquí trabajamos con unidad multiplicativa uno. No exigimos producto conmutativo salvo cuando lo indiquemos.
No todo elemento no nulo tiene inverso multiplicativo. Un cuerpo exige esos inversos y producto conmutativo, además de 1≠0. Un dominio conmutativo exige 1≠0 y que un producto cero tenga algún factor cero. El anillo cero, donde 1=0, se trata aparte y no es cuerpo ni dominio bajo estas convenciones.
Enteros: opuestos para sumar, pero no todos los recíprocos
R=ℤ con suma y producto usuales.
Suma
El opuesto de tres es −3 y ambos están en ℤ.
Producto
La unidad es uno; solo uno y menos uno tienen inverso multiplicativo entero.
Clasificar
No hay divisores de cero, pero dos no tiene inverso en ℤ.
ℤ es dominio y no cuerpo.
El inverso aditivo existe para todos y el multiplicativo no; son exigencias diferentes.
Un anillo cuyo producto no conmuta
R=M₂(ℝ).
Notación
Eᵢⱼ es la matriz con uno en la posición i,j y ceros fuera.
Productos
E₁₂E₂₁=E₁₁, mientras E₂₁E₁₂=E₂₂.Comparar
Los dos resultados son matrices diferentes.
Las matrices forman un anillo con unidad y no conmutativo.
Su suma sí es conmutativa; no confundimos la regla de una operación con la de la otra.
2. Un ideal absorbe multiplicaciones de todo el anillo
I es ideal bilateral si es subgrupo aditivo y ri,ir∈I para todos i∈I y r∈R. En un anillo conmutativo los dos lados coinciden. El factor r puede venir de cualquier parte de R, no solo del propio I.
Un ideal no necesita contener uno; si lo contiene, contiene cada r=r·1 y es todo R. Por tanto un ideal propio no contiene la unidad. Ser subanillo no basta para ser ideal: falta esa absorción frente a factores exteriores.
Los múltiplos del dibujo
I=4ℤ dentro de ℤ.
Suma y opuesto
4a+4b=4(a+b) y −4a=4(−a), con cero incluido.Absorber
Para cualquier entero r, r·4a=4(ra).Propio
Uno no es múltiplo de cuatro.
4ℤ es un ideal propio de ℤ.
Las letras a,b,r recorren todos los enteros; el dibujo solo muestra una parte de esa familia infinita.
Un subanillo que no absorbe
ℤ dentro de ℚ.
Subanillo
Suma y producto de enteros siguen siendo enteros y comparten la unidad uno.
Factor exterior
Uno pertenece a ℤ, pero (1/2)·1=1/2 no.Conclusión
La absorción respecto de todo ℚ falla.
ℤ no es ideal de ℚ.
El fallo no contradice cierre interno: el factor 1/2 está en el anillo grande, no en el subanillo.
3. Generar un ideal reúne todos los múltiplos y sus sumas
Con varios generadores, (a₁,…,aₖ) reúne las sumas r₁a₁+…+rₖaₖ. Es un ideal que contiene los generadores, y cualquier ideal que los contenga tiene que incluir todas esas combinaciones.
Si no es cero, contiene positivos y elegimos el menor n. Dividir cualquier a del ideal por n deja un resto también en el ideal; si fuera positivo menor que n, contradicción. Así todos los elementos son múltiplos de n.
Dos generadores pueden reducirse a uno
Calcula (6,10) en ℤ.
Primera inclusión
Toda combinación 6r+10s es par, así que el ideal está dentro de 2ℤ.
Obtener dos
2=2·6−10 pertenece al ideal.Otra inclusión
Al absorber todos los múltiplos de dos, el ideal contiene 2ℤ.
(6,10)=2ℤ.
Las dos inclusiones prueban igualdad; hallar solo una combinación útil no habría descrito todo el ideal.
Un ideal de polinomios
En K[x], describe (x).
Múltiplos
Son los polinomios xq(x), incluido cero.
Coeficiente constante
Todos tienen término independiente cero; recíprocamente, cualquier polinomio sin constante permite sacar factor x.
Propio
El polinomio constante uno no está dentro.
(x) son exactamente los polinomios que valen cero en x=0.
K es un cuerpo; los elementos del anillo ahora son polinomios, no valores particulares de la variable.
4. Las clases identifican diferencias que pertenecen al ideal
Es equivalencia por las reglas aditivas del ideal.
Antes de usar estas operaciones debemos comprobar que no dependen del representante. La suma se controla por cierre aditivo; el producto necesita absorción. La clase cero es I y la clase unidad es 1+I; si I es propio, son distintas.
Dos operaciones con los mismos restos
En ℤ/8ℤ usa [3] y [7].
Suma
[3]+[7]=[10]=[2].Producto
[3][7]=[21]=[5].Clase
[3] contiene todos los enteros 3+8k, no solo el representante tres.
Sumar y multiplicar clases usan operaciones diferentes.
El cociente es el conjunto de clases; elegir restos de cero a siete solo facilita escribirlas.
Un resto polinómico puede contener una parte que se anula al cuadrar
R=ℝ[x] e I=(x²).
Relación
[x]²=[x²]=[0].No es cero
x no es múltiplo de x², así que [x]≠[0].Producto
[1+x]²=[1+2x+x²]=[1+2x].
La clase de x es no nula y su cuadrado es cero.
No se sustituye x por el número cero: estamos identificando múltiplos de x², que es otra regla.
5. La absorción elimina la dependencia del producto respecto de los representantes
El primer término pertenece a I por absorción a la derecha y el segundo por absorción a la izquierda. La suma permanece en I y los dos productos representan la misma clase.
La prueba funciona también sin conmutatividad porque respeta el orden de factores. Asociatividad, distributividad y, cuando existe, conmutatividad se heredan al pasar a clases. Si solo tenemos un subgrupo aditivo sin absorción, el producto puede fallar.
Cambiar ambos representantes en un producto modular
En ℤ/8ℤ, cambia 3 por 11 y 7 por −1.
Mismas clases
11−3=8 y −1−7=−8 son múltiplos de ocho.Productos
El original es veintiuno y el nuevo menos once.
Diferencia
−11−21=−32 es múltiplo de ocho; ambos productos tienen clase cinco.
El resultado no depende de esas elecciones.
La comprobación concreta refleja la identidad general de diferencias de productos.
Sin ideal, el producto de clases puede cambiar
En el grupo aditivo ℚ/ℤ intenta heredar el producto de racionales.
Misma primera clase
Cero y uno difieren en un entero, así que representan la misma clase aditiva.
Multiplicar
Por la clase de 1/2, usar cero produce la clase cero y usar uno produce la clase de 1/2.
Diferentes
1/2 no es entero, así que esas clases no coinciden.
No hay producto heredado de anillo bien definido en este cociente aditivo.
ℤ era subgrupo aditivo de ℚ, pero no ideal; el ejemplo localiza exactamente el fallo de absorción.
6. Los núcleos de homomorfismos de anillos son ideales
Un homomorfismo de anillos respeta suma y producto; con nuestra convención también envía uno a uno. El núcleo reúne los elementos enviados a cero y es subgrupo aditivo.
El primer isomorfismo de anillos define [a]↦φ(a) y da R/kerφ≅imφ. Además del argumento de grupos aditivos, se comprueba que esta aplicación conserva el producto y la unidad.
Evaluar polinomios conserva ambas operaciones
φ:ℝ[x]→ℝ, φ(f)=f(2).
Operaciones
(f+g)(2)=f(2)+g(2), (fg)(2)=f(2)g(2), y la constante uno conserva su valor.Núcleo
f(2)=0 equivale a que x−2 divida f: kerφ=(x−2).Imagen
Cada real se alcanza con su polinomio constante, así que ℝ[x]/(x−2)≅ℝ.
El conjunto de polinomios que se anulan en dos es un ideal.
La equivalencia con el factor lineal se demuestra mediante división y resto en la lección de polinomios.
Respetar solo productos no basta
Intenta usar det:M₂(ℝ)→ℝ como homomorfismo de anillos.
Producto
El determinante sí cumple det(AB)=det(A)det(B).Suma concreta
det(I₂+I₂)=det(2I₂)=4.Otro lado
det(I₂)+det(I₂)=2; no son iguales.
El determinante no es homomorfismo de anillos entre estos anillos.
Era un homomorfismo de grupos multiplicativos en GL₂; añadir una segunda operación exige comprobarla también.
7. Primo significa que el cociente no permite dos factores no nulos con producto cero
Ahora R es conmutativo con unidad.
Por tanto I primo equivale a R/I dominio. La palabra propio asegura que 1 e 0 no se identifiquen. No se sustituye esta definición por la idea de número primo sin comprobar qué son los elementos y productos del anillo.
Un primo que no viene de un número primo positivo
I=(0) en ℤ.
Producto
ab∈(0) significa ab=0.Enteros
Eso exige a=0 o b=0.Cociente
ℤ/(0) es isomorfo a ℤ, un dominio.
El ideal cero es primo en ℤ.
La definición permite el ideal cero; primo aquí es una propiedad del ideal, no un entero que debamos exigir mayor que uno.
Un ideal propio que falla la condición
I=8ℤ en ℤ.
Producto dentro
2·4=8 pertenece al ideal.Factores fuera
Ni dos ni cuatro son múltiplos de ocho.
Cociente
[2] y [4] son no nulos, pero su producto es cero.
8ℤ no es primo y ℤ/8ℤ no es dominio.
La existencia de una sola pareja así refuta la condición universal de primalidad.
8. Maximal significa que el cociente tiene inversos para todas las clases no nulas
I propio es maximal si no hay un ideal entre I y R estrictamente mayor que I y menor que R.
Así R/I es cuerpo.
Recíprocamente, si R/I es cuerpo y J contiene I junto con a∉I, un inverso de [a] produce ra−1∈I⊆J, de modo que 1∈J y J=R. Por tanto I es maximal. Todo maximal es primo porque un cuerpo es dominio; la implicación inversa puede fallar.
Un cociente polinómico que produce números complejos
I=(x²+1) en ℝ[x].
Representantes
Por división, cada clase se escribe de modo único [a+bx], con a,b reales; en ella [x]²=[−1].
Inverso
Si (a,b)≠(0,0), [a+bx]·[a−bx]=[a²+b²], y ese real es positivo.Cuerpo
El inverso es [(a−bx)/(a²+b²)]; corresponde a a+bi en ℂ.
ℝ[x]/(x²+1) es cuerpo, así que I es maximal.
La elección de coeficientes reales es esencial para afirmar a²+b²>0 cuando la pareja no es cero.
Primo sin ser maximal
Vuelve a I=(0) en ℤ.
Primo
Ya comprobamos que el cociente ℤ no tiene divisores de cero.
Intermedio
(0) está contenido estrictamente en 2ℤ, y 2ℤ está contenido estrictamente en ℤ.
Cuerpo
El cociente ℤ no es cuerpo porque dos no tiene inverso entero.
El ideal cero de ℤ no es maximal.
Este ejemplo distingue condición de dominio y condición de cuerpo.
9. En ℤ/nℤ, Bézout decide exactamente qué clases tienen inverso
Si existe inverso, ab−1 es múltiplo de n y cualquier divisor común de a,n divide uno: tiene que ser uno.
Si n es primo, todas las clases no nulas son unidades y el cociente es cuerpo. Si n es compuesto, escribir n=uv con 1<u,v<n produce clases no nulas de producto cero. El caso n=1 es el anillo cero y queda fuera de cuerpo y dominio bajo nuestra convención.
Un anillo compuesto tiene algunas unidades, pero no todas
ℤ/10ℤ.
Coprimos
Son unidades las clases 1,3,7,9.
Ejemplo
[3][7]=[21]=[1]; el inverso de tres es siete.Divisores de cero
[2][5]=[0] con factores no nulos, así que no es dominio ni cuerpo.
Tener algunas unidades no convierte un anillo en cuerpo.
En un cuerpo se exige inverso a toda clase no nula, no solo a una parte de ellas.
Un primo hace invertibles todos los no nulos
ℤ/11ℤ.
Primo
Cada entero de uno a diez es coprimo con once.
Bézout
Cada clase no nula tiene inverso, luego el cociente es cuerpo.
Comprobar uno
[7][8]=[56]=[1].
Es un cuerpo de once elementos.
La clase cero no necesita inverso; la exigencia es para las diez clases no nulas.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Un cociente conocido
Estudia Z/7Z.
Clases
ℤ/7ℤ tiene representantes cero a seis, con suma y producto módulo siete.
Primalidad
Siete primo implica que, si divide un producto entero, divide al menos un factor.
Sin divisores de cero
Dos clases no nulas no pueden tener producto cero.
Inversos
Para 1≤a≤6, mcd(a,7)=1 y Bézout da ra+7s=1.Pasar a clases
[r][a]=[1].Clasificar
Es un cuerpo de siete elementos.
Como ejemplo, [3]⁻¹=[5] porque 15≡1 módulo siete.
Es un cuerpo de siete elementos.
Para [3], el inverso es [5] porque 3·5=15=2·7+1. La clase cero no necesita inverso.
EJEMPLO RESUELTO 2
Un divisor de cero
En Z/6Z, calcula [2][3].
Factores
[2] y [3] son no nulos en ℤ/6ℤ.
Operación
[2][3]=[2·3].Multiplicar
2·3=6.Clase cero
[6]=[0].Interpretar
Hay divisores de cero, así que no es dominio.
Ideal
También refuta que 6ℤ sea primo: el producto está en el ideal y ninguno de los dos factores por separado.
[0]; el cociente no es dominio.
La identidad no depende de representantes: añadir múltiplos de seis a los factores solo altera el producto en otro múltiplo de seis.
Los símbolos que hemos usado
- R
- Anillo abstracto, no necesariamente el conjunto de reales.
- 0,1
- Neutros aditivo y multiplicativo.
- I◁R
- Ideal bilateral: subgrupo aditivo absorbente por multiplicación a ambos lados.
- [a]=a+I
- Clase de a en el cociente, formada por los elementos que difieren de a en I.
- Unidad
- Elemento con inverso multiplicativo en el anillo.
- Divisor de cero
- Elemento no nulo que multiplicado por otro no nulo puede dar cero.
- Dominio/cuerpo
- Anillo conmutativo no nulo sin divisores de cero / donde todo elemento no nulo es unidad.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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