Trường (đại số)

Định nghĩa khác

Trường cũng có thể được định nghĩa theo những cách khác tương đương. Ta có thể định nghĩa trường bằng bốn phép toán hai ngôi (cộng, trừ, nhân, chia) và những tính chất của chúng. Chia cho không, theo định nghĩa, không được tính. Để tránh việc sử dụng lượng tử tồn tại, trường có thể được định nghĩa với hai phép toán hai ngôi (cộng và nhân), hai phép toán một ngôi (cho ra nghịch đảo phép cộng và phép nhân), và hai phép toán rỗng (các hằng số 0 và 1). Những phép toán này cần phải thỏa mãn những điều kiện trên. Tránh lượng tử tồn tại là một điều kiện quan trọng mang tính xây dựng và trong điện toán. Một cách tương đương, ta có thể định nghĩa một trường bằng hai phép toán hai ngôi cộng và nhân, một phép toán một ngôi (nghịch đảo phép nhân) và hai hằng số 1 và -1, vì 0 = 1 + (−1) và −a = (−1) a.

Khái niệm cơ bản

Trong phần này, F ký hiệu một trường tùy ý và a, b là những phần tử bất kỳ của F.

Hệ quả từ định nghĩa

Ta có a · 0 = 0 và −a = (−1) · a. Cụ thể, ta có thể suy ra nghịch đảo phép cộng của mọi phần tử ngay khi biết –1.
Nếu ab = 0 thì a hoặc b phải bằng 0. Thực vậy, nếu a ≠ 0, thì 
0 = a–1⋅0 = a–1(ab) = (a–1a)b = b. Điều này nghĩa là mọi trường là một miền nguyên.

Nhóm cộng và nhóm nhân của một trường

Các tiên đề của một trường F chỉ rằng nó là một nhóm giao hoán dưới phép cộng. Nhóm này được gọi là nhóm cộng của trường, và đôi khi được kí hiệu là (F, +).
Tương tự, các phần tử khác 0 của F tạo thành một nhóm giao hoán dưới phép nhân, gọi là nhóm nhân, và thường ký hiệu là (F \ {0}, ·) hoặc F \ {0} hay F*.
Từ đó, một trường có thể được định nghĩa là một tập F với hai phép toán cộng và nhân sao cho F là nhóm giao hoán dưới phép cộng, F \ {0} là nhóm giao hoán dưới phép nhân (với 0 là đơn vị cộng), và phép nhân có tính phân phối đối với phép cộng. Một số tính chất cơ bản của trường có thể được suy ra bằng những tính chất của nhóm. Ví dụ, nghịch đảo phép cộng và phép nhân −a và a⁻¹ được xác định duy nhất bởi a.
Từ đó ta suy ra 1 ≠ 0, vì 1 là đơn vị của nhóm không chứa 0. Do đó, vành không, chỉ chứa một phần tử, không phải là một trường.
Tất cả nhóm con hữu hản của nhóm nhân của một trường đều là cyclic (xem Nghiệm đơn vị § Nhóm cyclic).

Xây dựng trường từ vành

Một vành giao hoán là một tập hợp, cùng với phép toán cộng và nhân, thỏa mãn tất cả tiên đề của trường, ngoại trừ việc tồn tại nghịch đảo phép nhân a⁻¹. Ví dụ, tập số nguyên Z tạo thành một vành giao hoán, nhưng không phải một trường: nghịch đảo của một số nguyên n không phải là một số nguyên, trừ khi n = ±1.
Trong hệ thống cấp bậc các cấu trúc đại số, trường có thể được coi là vành giao hoán R mà trong đó bất kỳ phần tử khác 0 nào đều là một đơn vị (nghĩa là chúng khả nghịch). Tương tự, trường là vành giao hoán với đúng hai ideal (ideal), (0) và R. Trường cũng là vành giao hoán mà trong đó (0) là ideal nguyên tố duy nhất.
Với một vành giao hoán R, có hai cách để xây dựng một trường liên quan đến R, hay hai cách để thay đổi R sao cho mọi phần tử khác 0 đều khả nghịch: xây dựng trường các thương và xây dựng trường thặng dư. Trường các thương của Z là các số hữu tỉ Q, còn trường thặng dư của Z là các trường hữu hạn Fₚ.

Xây dựng trường từ một trường lớn hơn

Trường có thể được dựng trong một trường cho trước lớn hơn. Giả sử trường F chứa E là trường con. Với mọi phần tử x của F, tồn tại một trường con nhỏ nhất của F chứa E và x, gọi là trường con của F tạo bởi x và ký hiệu là E(x). Việc chuyển từ E sang E(x) được gọi là thêm một phần tử cho E. Tổng quát, với một tập con S ⊂ F, tồn tại một trường con nhỏ nhất của F chứa E và S, ký hiệu là E(S).
Compositum của hai trường con E và E'  của một trường F là trường con nhỏ nhất chứa cả E và E' . Compositum có thể dùng để dựng trường con lớn nhất của F thỏa mãn một số tính chất nào đó, ví dụ như trường con lớn nhất của F đại số trên E.

Cơ sở siêu việt

Trường phân thức E(X) nói trên không là mở rộng đại số của E do không tồn tại phương trình đa thức nào có hệ số thuộc E mà có nghiệm là X. Những phần tử không đại số, như X, được gọi là siêu việt. Nói đơn giản, ẩn X và lũy thừa của nó không tác động đến các phần tử của E. Ta có thể xây dựng tương tự với nhiều ẩn, không chỉ một.
Một lần nữa, mở rộng trường E(x) / E xét trên là một ví dụ chính: nếu x không đại số (tức x không là nghiệm của một đa thức có hệ số thuộc E), thì E(x) đẳng cấu với E(X). Đẳng cấu này được suy ra từ việc thay x vào X trong các phân thức.
Một tập con S của trường F là một cơ sở siêu việt nếu như nó độc lập đại số (không thỏa bất kỳ phương trình đa thức nào) trên E và F là mở rộng đại số của E(S). Bất kỳ mở rộng trường F / E nào cũng có một cơ sở siêu việt. Do đó, mở rộng trường có thể phân thành hai dạng: E(S) / E (mở rộng siêu việt) và mở rộng đại số.

Trường với tính chất khác

Do sự phổ biến trong toán học, vài điều chỉnh trong khái niệm trường được đưa ra để phù hợp với nhu cầu của những ngành khác nhau.

Trường vi phân

Trường vi phân là những trường mà trên đó có phép lấy đạo hàm những phần tử trong trường. Ví dụ, trường R(X), cùng với đạo hàm bình thường của đa thức tạo thành một trường vi phân. Những trường này là đối tượng chính của lý thuyết Galois vi phân, một nhánh của lý thuyết Galois nghiên cứu các phương trình vi phân tuyến tính.

Bất biến của trường

Những bất biến cơ bản của trường F bao gồm đặc số và bậc siêu việt (số phần tử tối đa của F độc lập đại số trên trường nguyên tố) của F trên trường nguyên tố. Hai trường đóng đại số E và F đẳng cấu khi và chỉ khi hai dữ kiện trên bằng nhau. Điều này nghĩa là hai trường đóng đại số không đếm được có cùng lực lượng và cùng đặc số thì đẳng cấu. Lấy ví dụ, Qₚ, Cₚ và C là đẳng cấu (nhưng không đẳng cấu như trường tôpô).

Khái niệm liên quan

Ngoài những cấu trúc phụ thêm vào trường, có một số khái niệm khác liên quan đến trường. Do trong một trường 0 ≠ 1, bất kỳ trường nào cũng có ít nhất hai phần tử. Tuy nhiên, có khái niệm trường có một phần tử, được đề nghị là giới hạn của những trường hữu hạn Fₚ, khi p tiến đến 1. Ngoài vành chia, còn một số cấu trúc đại số yếu hơn liên quan tới trường như tựa trường, gần-trường và nửa trường.

Vành chia

Bỏ một hoặc vài tiên đề trong định nghĩa của trường dẫn đến nhiều cấu trúc đại số khác. Như đã nói ở trên, vành giao hoán thỏa mãn tất cả tính chất của trường, ngoại trừ sự tồn tại của phần tử nghịch đảo phép nhân. Nếu ta bỏ điều kiện phép nhân có tính giao hoán thì dẫn đến khái niệm của một vành chia. Những vành chia duy nhất là R-không gian vectơ hữu hạn chiều là chính R, C (một trường), những số quaternion H (trong đó phép nhân không có tính giao hoán), và octonion O (trong đó phép nhân không giao hoán và không kết hợp). Điều này được chứng minh sử dụng các phương pháp của tôpô đại số năm 1958 bởi Michel Kervaire, Raoul Bott, và John Milnor. Sự không tồn tại của một đai số chia có số chiều lẻ đã được biết từ trước đó và có thể được suy ra từ định lý quả bóng lông.