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矩阵环与单环

矩阵环的双侧理想、为什么 M_n(D) 是单环,以及对偶环出人意料的对称性。构件开始清晰起来。

矩阵环的理想

设 D 是 除环,R = M_n(D) 是 D 上的 n×n 矩阵环。重点是:R 是 单环——它仅有的 双侧理想 就是 0 和 R 自身。这与 交换商环 形成强烈反差,那里理想遍地都是。矩阵环几乎没有理想,而这种稀缺正是关键所在。

证明很具体。设 E_ij 是在位置 (i,j) 处为 1 的矩阵单位。若双侧理想 I 含某个非零矩阵 A,则它含某个元素 a = A_kl ≠ 0。于是 E_ik A E_lj 属于 I 且等于 a·E_ij,又因 a 在 D 中可逆,乘上去即整理成 E_ij。一旦某个矩阵单位在 I 中,所有矩阵单位都在 I 中,它们之和为单位矩阵——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.
把单个非零元一路抬升到单位元:为什么 M_n(D) 没有真双侧理想。

左理想不是双侧理想

这些列模彼此同构,而 M_n(D) 上任意 单模 都同构于这唯一的列模 D^n。所以矩阵环在同构意义下恰有一个单模。这个事实是接下来整套分类的种子。

对偶环

当顺序重要时,左与右是真正不同的,而切换两侧的记账工具就是 对偶环 R^op:底集与加法不变,但新乘法定义为 a ∗ b := ba。一个 R-模与一个 R^op-模是同一份数据。转置给出一个漂亮的事实:M_n(D)^op ≅ M_n(D^op),因为 (AB)^T = B^T A^T 替你翻转了顺序。