域 (Field)
域 (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 或有理数集合 Q 高度一致:可以进行加减乘除(除以零除外)。
形式化定义
一个域是一个非空集合 F,在其上定义了两种二元运算:加法(+)和乘法(⋅),并满足以下公理:
- 加法下的交换群:(F,+) 构成一个交换群。即: \begin{itemize}
- 封闭性:对任意 a,b∈F,有 a+b∈F。
- 结合律:(a+b)+c=a+(b+c)。
- 交换律:a+b=b+a。
- 零元(加法单位元):存在 0∈F,使得对任意 a∈F,有 a+0=a。
- 加法逆元:对任意 a∈F,存在 −a∈F,使得 a+(−a)=0。 \end{itemize}
- 乘法下的交换群(除零外):(F∗,⋅) 构成一个交换群,其中 F∗=F∖{0}。即: \begin{itemize}
- 封闭性:对任意 a,b∈F∗,有 a⋅b∈F∗。
- 结合律:(a⋅b)⋅c=a⋅(b⋅c)。
- 交换律:a⋅b=b⋅a。
- 单位元:存在 1∈F∗(且 1=0),使得对任意 a∈F∗,有 a⋅1=a。
- 乘法逆元:对任意 a∈F∗,存在 a−1∈F∗,使得 a⋅a−1=1。 \end{itemize}
- 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
- 有理数域 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)。
- 实数域 R:实数的集合,是微积分和数学分析的基础。实数域是完备的。
- 复数域 C:形如 a+bi 的数构成的域,其中 i2=−1。复数域是代数封闭的(每个非常数多项式都有根)。
- 有限域 Fp:对素数 p,整数模 p 的剩余类构成一个含 p 个元素的域,记为 Fp 或 Z/pZ。
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。在计量经济学和最优化理论中,我们通常默认以实数域 R 为标量域,此时向量空间即为 Rn。线性回归模型的最小二乘法估计本质上是在 Rn 上进行的正交投影,这依赖于实数域的性质。
重要性质
- 特征 (Characteristic):域的特征是最小的正整数 n 使得 n⋅1=0;若这样的 n 不存在,则特征为 0。Q,R,C 的特征均为 0。
- 无零因子:若 a⋅b=0,则 a=0 或 b=0。这是域与一般环的关键区别。
- 子域与扩域:若 K⊆F 且两者在相同运算下都是域,则称 K 是 F 的子域。例如 Q⊂R⊂C。