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代数究竟是什么?

一旦你把群、环、格都看成带有固定元数运算的集合,它们就不再像彼此独立的世界。来认识签名、项与恒等式——你学过的每一种结构的语法。

一个定义统揽一切

在第一卷里,你一次研究一种结构,证明关于的定理。泛代数注意到这些证明常常共享一副骨架,而这副骨架本身可以直接研究。一个代数是一个非空集合 A 连同一族运算,每个运算有固定的元数 n(一个函数 A^n → A)。零元运算(元数为 0)不过是选定的一个常元。运算符号连同其元数的列表称为签名(或类型)。

用这种语言来说,群是签名为 (·, ⁻¹, e)、元数为 (2, 1, 0) 的代数:一个二元乘法、一个一元求逆、一个零元单位。的签名是 (∨, ∧),两者皆为二元。的签名是 (+, ·, −, 0),元数为 (2, 2, 1, 0)。重点不在于新奇——而在于一旦你固定了签名,子结构、同态与商的概念就被强制确定下来,对于该类型的每一种结构都完全相同。

项与恒等式

给定一个签名与一组变量 X,是任何由变量与运算符号按元数规则构造出的合式表达式。项是语法;它们组成我们将称为项代数的自由对象。恒等式是两个项之间的形式等式 s ≈ t,而一个代数满足它,是指对变量的每一种取值该等式都成立。结合律 x·(y·z) ≈ (x·y)·z 是一条恒等式;格的吸收律 x ∨ (x ∧ y) ≈ x 也是。

为什么坚持公理必须是恒等式,而不是任意的一阶语句?因为恒等式被我们关心的所有构造保持——子代数、积、同态像。构成的类*不是*等式类(x ≠ 0 → x·x⁻¹ = 1 用到了蕴含与不等式),这恰恰说明了为何域的子环未必是域,以及为何域的积不是域。由等式公理化的类性质要好得多,刻画它们正是伯克霍夫定理(第 4 篇)。

Signature of a group: F = { · (arity 2), inv (arity 1), e (arity 0) }

Three terms in variables x, y, z:
  t1 = ·(x, ·(y, z))          -- usually written x(yz)
  t2 = ·(·(x, y), z)          -- usually written (xy)z
  t3 = ·(x, inv(x))           -- usually written x x^{-1}

Group axioms as identities (s approx t):
  associativity:  ·(x, ·(y,z))  approx  ·(·(x,y), z)
  right identity: ·(x, e)        approx  x
  right inverse:  ·(x, inv(x))   approx  e

Check in A = Z/6Z under addition (so '·' is +, 'inv' is negation, e = 0):
  assign x = 5. Then ·(x, inv(x)) = 5 + (-5) = 5 + 1 = 6 = 0 = e.   OK
  The identity x x^{-1} approx e holds for ALL x in Z/6Z, hence Z/6Z
  satisfies it. A single failing assignment would refute the identity.
项是纯语法;恒等式只有在每一种取值下都成立时才被满足。

从第一卷延续下来的内容

  1. 子代数是对所有运算(含常元,故永不为空)封闭的子集。对群而言这还原为子群;对环而言,当 1 是零元运算时,即为含 1 的子环。
  2. 同态 f: A → B 是保持每个运算的映射:对每个运算符号 ω 有 f(ω(a₁,…,aₙ)) = ω(f(a₁),…,f(aₙ))。这一行就涵盖了群、环、格的同态
  3. 同态的像是 B 的子代数,同态的复合仍是同态——这两点抽象地证明一次,永不重证。