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域 (数学)

域 (Field)

(Field) 是抽象代数 (Abstract Algebra) 中最基本的代数结构之一,也是现代数学的基石。直观上,域是一个装备了加法和乘法两种运算的集合,在这两种运算下,该集合的行为方式与我们所熟悉的实数集合 R\mathbb{R} 或有理数集合 Q\mathbb{Q} 高度一致:可以进行加减乘除(除以零除外)。

形式化定义

一个是一个非空集合 F\mathbb{F},在其上定义了两种二元运算:加法(++)和乘法(\cdot),并满足以下公理:

  1. 加法下的交换群(F,+)(\mathbb{F}, +) 构成一个交换群。即: \begin{itemize}
  2. 封闭性:对任意 a,bFa, b \in \mathbb{F},有 a+bFa + b \in \mathbb{F}
  3. 结合律:(a+b)+c=a+(b+c)(a + b) + c = a + (b + c)
  4. 交换律:a+b=b+aa + b = b + a
  5. 零元(加法单位元):存在 0F0 \in \mathbb{F},使得对任意 aFa \in \mathbb{F},有 a+0=aa + 0 = a
  6. 加法逆元:对任意 aFa \in \mathbb{F},存在 aF-a \in \mathbb{F},使得 a+(a)=0a + (-a) = 0。 \end{itemize}
  7. 乘法下的交换群(除零外)(F,)(\mathbb{F}^*, \cdot) 构成一个交换群,其中 F=F{0}\mathbb{F}^* = \mathbb{F} \setminus \{0\}。即: \begin{itemize}
  8. 封闭性:对任意 a,bFa, b \in \mathbb{F}^*,有 abFa \cdot b \in \mathbb{F}^*
  9. 结合律:(ab)c=a(bc)(a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)
  10. 交换律:ab=baa \cdot b = b \cdot a
  11. 单位元:存在 1F1 \in \mathbb{F}^*(且 101 \neq 0),使得对任意 aFa \in \mathbb{F}^*,有 a1=aa \cdot 1 = a
  12. 乘法逆元:对任意 aFa \in \mathbb{F}^*,存在 a1Fa^{-1} \in \mathbb{F}^*,使得 aa1=1a \cdot a^{-1} = 1。 \end{itemize}
  13. 分配律:乘法对加法满足分配律: \[ a \cdot (b + c) = a \cdot b + a \cdot c, \quad (a + b) \cdot c = a \cdot c + b \cdot c \]

简而言之,一个域是一个装备了两种运算的集合,其中全体元素在加法下构成交换群,非零元素在乘法下构成交换群,且分配律成立。

经典例子

  1. 有理数域 Q\mathbb{Q}:最小的特征为 0 的域。所有有理数在加减乘除下仍是实数(除以 0 除外)。
  2. 实数域 R\mathbb{R}实数的集合,是微积分数学分析的基础。实数域是完备的。
  3. 复数域 C\mathbb{C}:形如 a+bia + bi 的数构成的域,其中 i2=1i^2 = -1。复数域是代数封闭的(每个非常数多项式都有根)。
  4. 有限域 Fp\mathbb{F}_p:对素数 pp,整数模 pp 的剩余类构成一个含 pp 个元素的域,记为 Fp\mathbb{F}_pZ/pZ\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}

域与向量空间

域是定义向量空间 (Vector Space) 的前提条件。向量空间的标量必须来自某个域。在计量经济学最优化理论中,我们通常默认以实数域 R\mathbb{R} 为标量域,此时向量空间即为 Rn\mathbb{R}^n。线性回归模型的最小二乘法估计本质上是在 Rn\mathbb{R}^n 上进行的正交投影,这依赖于实数域的性质。

重要性质

  1. 特征 (Characteristic):域的特征是最小的正整数 nn 使得 n1=0n \cdot 1 = 0;若这样的 nn 不存在,则特征为 0。Q,R,C\mathbb{Q}, \mathbb{R}, \mathbb{C} 的特征均为 0。
  2. 无零因子:若 ab=0a \cdot b = 0,则 a=0a = 0b=0b = 0。这是域与一般环的关键区别。
  3. 子域与扩域:若 KF\mathbb{K} \subseteq \mathbb{F} 且两者在相同运算下都是域,则称 K\mathbb{K}F\mathbb{F} 的子域。例如 QRC\mathbb{Q} \subset \mathbb{R} \subset \mathbb{C}

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