近世代数理论基础22:中国剩余定理

中国剩余定理

设R是一个环,I是R的理想,对于x,y\in R,若x-y\in I,则称x与y模I同余,记作x\equiv y(mod\; I)

IJ都是环R的理想时,它们的乘积IJ也是R的理想,且IJ\subseteq I\cap J

推广到有限多个理想:设I_1,I_2,\cdots,I_n是环R的理想,定义集合\prod\limits_{j=1}^n I_j=I_1I_2\cdots I_n为所有的有限和

a_1b_1\cdots c_1+a_2b_2\cdots c_2+\cdots+a_kb_k\cdots c_k

其中a_1,a_2,\cdots,a_k\in I_1,b_1,b_2,\cdots,b_k\in I_2,\cdots,c_1,c_2,\cdots,c_k\in I_n

易证\prod\limits_{j=1}^nI_j是环R的理想,且\prod\limits_{j=1}^nI_j\subseteq I_1\cap I_2\cap \cdots\cap I_n​

理想互素

R是含幺交换环,I,J为环R的理想,若I+J=R,则称IJ互素

由定义,若IJ互素,则\exists a\in I,b\in J,使得a+b=1

引理:设R为含幺交换环,IJ是环R的理想,且IJ互素,则\forall r_1,r_2\in R,\exists r\in R,使r\equiv r_1(mod\; I),r\equiv r_2(mod\; J)同时成立

证明:

由理想互素的定义

\exists a\in I,b\in J,使a+b=1

令r=r_2a+r_1b

由r-r_1=r_2a+r_1(b-1)=(r_2-r_1)a\in I

r-r_2=r_2(a-1)+r_1b=(r_1-r_2)b\in J

r即为所求\qquad\mathcal{Q.E.D}

例:设m,n\in Z,且mn互素,则理想I=(m)=mZJ=(n)=nZ互素

由扩展欧几里得算法,\exists x,y\in Z,使mx+ny=1,取a=mx,b=ny,则a\in I,b\in J,且a+b=1

\forall r_1,r_2\in Z,r=nyr_2+mxr_1为方程组\begin{cases}r\equiv r_1(mod\;m)\\r\equiv r_2(mod\; n)\end{cases}的解

定理:设R是含幺交换环,I_1,I_2,\cdots,I_n是环R的理想,且两两互素,则\forall r_1,r_2,\cdots,r_n\in R,\exists x\in R,使得x\equiv r_j(mod\; I_j),1\le j\le n,若y也满足这个性质,即\forall 1\le j\le n,有y\equiv r_j(mod\; I_j),则x\equiv y(mod\; I_1\cap I_2\cap \cdots\cap I_n)

证明:

先证I_1与\prod\limits_{j=2}^nI_j互素

由题设

\forall 2\le j\le n,理想I_1与I_j互素

\therefore \exists a_2,a_3,\cdots,a_n\in I_1,b_2\in I_2,b_3\in I_3,\cdots,b_n\in I_n

使a_2+b_2=1,a_3+b_3=1,\cdots,a_n+b_n=1

\therefore 1=(a_2+b_2)(a_3+b_3)\cdots(a_n+b_n)

=a_2a_3\cdots a_n+\cdots \in I_1+\prod\limits_{j=2}^nI_j

\therefore I_1+\prod_{j=2}^nI_j=R

即I_1与\prod\limits_{j=2}^nI_j互素

对元1和0,\exists s_1\in R,使得

s_1\equiv 1(mod\; I_1),s_1\equiv 0(mod\; \prod\limits_{j=2}^n I_j)

\forall 2\le k\le n,由\prod\limits_{j=2}^nI_j\subseteq I_k

s_1\equiv 0(mod\; I_k)

同理,\forall 2\le j\le n,\exists s_j\in R,使得

s_j\equiv 1(mod\ I_j)

且k\neq j时s_j\equiv 0(mod\; I_k)

令x=\sum\limits_{k=1}^nr_ks_k

则\forall 1\le j\le n,有

x-r_j=(\sum\limits_{k\neq j}r_ks_k)+r_j(s_j-1)\equiv 0(mod\; I_j)

即x\equiv r_j(mod\; I_j)

若\exists y\in R满足y\equiv r_j(mod\; r_j),1\le j\le n

则\forall 1\le j\le n,有x\equiv y(mod\; I_j)

\therefore x\equiv y(mod\; I_1\cap I_2\cap \cdots\cap I_n)

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