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矩陣環與單環

矩陣環的雙側理想、為什麼 M_n(D) 是單環,以及對偶環出人意料的對稱性。構件開始清晰起來。

矩陣環的理想

設 D 是 除環,R = M_n(D) 是 D 上的 n×n 矩陣環。重點是:R 是 單環——它僅有的 雙側理想 就是 0 和 R 自身。這與 交換商環 形成強烈反差,那裡理想遍地都是。矩陣環幾乎沒有理想,而這種稀缺正是關鍵所在。

證明很具體。設 E_ij 是在位置 (i,j) 處為 1 的矩陣單位。若雙側理想 I 含某個非零矩陣 A,則它含某個元素 a = A_kl ≠ 0。於是 E_ik A E_lj 屬於 I 且等於 a·E_ij,又因 a 在 D 中可逆,乘上去即整理成 E_ij。一旦某個矩陣單位在 I 中,所有矩陣單位都在 I 中,它們之和為單位矩陣——故 I = R。

Work in M_3(D).  Suppose A in I with A_21 = a != 0.

  E_12 * A * E_13  picks out entry A_21 = a and reseats it:
      = a * E_13   in I.

  Left-multiply by (a^-1) * E_11  (allowed, scalar a^-1 in D):
      (a^-1) E_11 * (a E_13) = E_13   in I.

  Conjugating E_13 by permutation matrix units gives E_11, E_22, E_33;
  their sum is the identity matrix  =>  1 in I  =>  I = M_3(D).

Moral: one nonzero element of an ideal already forces the whole ring.
把單個非零元一路抬升到單位元:為什麼 M_n(D) 沒有真雙側理想。

左理想不是雙側理想

這些列模彼此同構,而 M_n(D) 上任意 單模 都同構於這唯一的列模 D^n。所以矩陣環在同構意義下恰有一個單模。這個事實是接下來整套分類的種子。

對偶環

當順序重要時,左與右是真正不同的,而切換兩側的記帳工具就是 對偶環 R^op:底集與加法不變,但新乘法定義為 a ∗ b := ba。一個 R-模與一個 R^op-模是同一份資料。轉置給出一個漂亮的事實:M_n(D)^op ≅ M_n(D^op),因為 (AB)^T = B^T A^T 替你翻轉了順序。