趙旭東, 王 姍, 魏俊潮
(1.運城師范高等??茖W校 數計系, 山西 運城 044000; 2.揚州大學 數學科學學院, 江蘇 揚州 225002)
2019年第十屆全國大學生數學競賽決賽(數學類, 三、 四年級)第五大題:
設R為結合環,a,b∈R, 若a+b=ab, 且關于x的方程
(1)
在R中有解, 則ab=ba.
證明由于該方程組等價于方程組
再注意到a+b=ab等價于(1-a)(1-b)=1, 故
(1-a)x=(1-a)x[(1-a)x2(1-a)]
=[(1-a)x(1-a)]x2(1-a)
=(1-a)x2(1-a)=1,
x(1-a)=[(1-a)x2(1-a)]x(1-a)
=(1-a)x2[(1-a)x(1-a)]
=(1-a)x2(1-a)=1,
因此 1-a可逆且(1-a)-1=x, 而且
x=x(1-a)(1-b)
=(1-a)-1(1-a)(1-b)=1-b.
從而 (1-b)(1-a)=x(1-a)
=1=(1-a)(1-b), 于是ab=ba.
受此題啟發, 下面給出直接有限環的幾個刻畫.有關直接有限環的研究可參見文獻[6-9]. 本文中R均指有單位元的結合環.
定理1R為直接有限環當且僅當對任意的a,b∈R滿足ab=a+b時, 有ab=ba.
證明先證必要性.假設a,b∈R, 滿足
ab=a+b, 則(a-1)(b-1)=1, 由于R為直接有限環, 故(b-1)(a-1)=1, 從而a+b=ba, 所以ab=ba.
再證充分性.任取x,y∈R, 滿足xy=1.記
a=x+1,b=y+1, 則(a-1)(b-1)=xy=1,
所以ab=a+b.由題設知ab=ba, 故有
(x-1)(y-1)=(y-1)(x-1),
計算得yx=xy=1, 因此R為直接有限環.
定理2R為直接有限環當且僅當對任意的a,b∈R滿足ab=a+b時關于x的方程組(1)有解.
證明先證必要性.假設R為直接有限環且對任意的a,b∈R滿足ab=a+b, 則 (a-1)(b-1)=1, 故 (b-1)(a-1)=1, 從而a-1為可逆元, 故x=(a-1)-1=b-1為方程組(1)的解.
再證充分性.設u,v∈R, 滿足uv=1.記
a=u+1,b=v+1, 則ab=a+b.由題設知方程組(1)有解, 設解為x=d.從而有
于是1-a可逆且(1-a)d=1=d(1-a).由于(1-a)(1-b)=1-a-b+ab=1, 所以
d=d[(1-a)(1-b)]=[d(1-a)](1-b)=1-b
所以 (1-b)(1-a)=1, 即vu=1, 所以R為直接有限環.
定理3R為直接有限環當且僅當對任意的a∈R, 方程ax=a+x有解時, 解與a可交換.
證明必要性是定理1的直接推論, 下面證充分性.
設a,b∈R, 滿足ab=a+b, 則ax=a+x有解x=b. 由題設知ab=ba, 故由定理1知R為直接有限環.
引理1設a,b∈R, 方程ax=a+x有解當且僅當1-a右可逆.
證明先證必要性.若ax=a+x有解, 設x=b為一個解, 則ab=a+b.
所以(1-a)(1-b)=1-a-b-ab=1, 所以1-a右可逆.
再證充分性. 若1-a右可逆, 則有c∈R, 使得(1-a)c=1, 記b=1-c, 則c=1-b.
所以(1-a)(1-b)=1, 有ab=a+b, 所以x=b為ax=a+x的解.
定理4R為直接有限環當且僅當對任意的a∈R, 1-a左可逆時,ax=a+x有解.
證明先證必要性.因為1-a左可逆, 則有c∈R, 使得c(1-a)=1.
由于R為直接有限環, 所以(1-a)c=1, 由引理1知ax=a+x有解.
再證充分性.設a,b∈R滿足ba=1, 故b(1-(1-a))=1, 所以1-(1-a)左可逆, 由題設知(1-a)x=1-a+x有解, 設為x=c, 則
(1-a)c=1-a+c,
所以
(1-a)(1-c)=-c=1-c-1
[1-(1-a)](1-c)=1, 即a(1-c)=1.
所以1-c=(ba)(1-c)=b(a(1-c))=b,
所以ab=1,R為直接有限環.
定理5設a∈R, 則方程ax=a+x有冪零解當且僅當a為冪零元.
證明先證必要性.設x=b為冪零解, 即存在n≥1, 使得bn=0且有
ab=a+b
ab2=ab+b2
? ?
abn-1=abn-2+bn-1
abn=abn-1+bn
將上面n個等式兩邊同時相加, 得
abn=a+b+b2+…+bn-1+bn.
注意到bn=0, 所以有
a=(-1-b-b2-…-bn-2),b=f(b)b,
f(x)=-1-x-…-xn-2.
因為f(b)b=bf(b), 所以an=[f(b)]nbn=0, 所以a為冪零元.
再證充分性.因為a是冪零元, 即存在n≥1, 使得an=0, 易知1-a為右可逆元.由引理1知
ax=a+x有解, 設x=b為解, 即有
ab=a+b
a2b=a2+ab
a3b=a3+a2b
? ?
an-1b=an-1+an-2b
anb=an+an-1b
將上面n個等式兩邊同時相加, 得
anb=a+a2+…+an-1+an+b
所以b=(-1-a-a2-…-an-2)a=f(a)a
所以bn=[f(a)]nan=0, 即b為冪零元, 因此ax=a+x有冪零解x=b.
定理6R為直接有限環當且僅當對任意的a∈R, 1-a右可逆時, 方程ax=a+x有唯一解.
證明先證必要性.由于1-a右可逆, 所以1-a可逆, 由引理1ax=a+x有解.設b,c都為解, 則ab=a+b,ac=a+c, 所以由
(1-a)(1-b)=1; (1-a)(1-c)=1.
得 1-b=(1-a)-1=1-c, 所以b=c, 從而可知解唯一.
再證充分性.設ab=1, 則1-(1-a)=a右可逆.記
1-a=c, 1-b=d,
則cd=c+d, 所以1-c右可逆且d為方程cx=c+x的解.由題設cx=c+x有唯一解.
c(dc-cd+d)=cdc-c2d+cd
=(c+d)c-c(c+d)+cd=dc
c+(dc-cd+d)=c+dc-(c+d)+d=dc
所以dc-cd+d也為cx=c+x的解, 所以
d=dc-cd+d,
所以dc=cd.
所以
(1-b)(1-a)=dc=cd=(1-a)(1-b).
所以ba=ab=1,R為直接有限環.
定理7R為直接有限環當且僅當對任意的a∈R, 方程ax=a+x有解時, 方程
x2-(ax2+x2a)+ax2a=1有解.
證明先證必要性.假設R為直接有限環且
ax=a+x有解, 由定理2得證.
再證充分性.設u,v∈R, 滿足uv=1, 記
a=1-u,b=1-v, 則(1-a)(1-b)=1, 所以
ab=a+b, 所以ax=a+x有解x=b.由題設知方程x2-(ax2+x2a)+ax2a=1有解,
即(1-a)x2(1-a)=1有解x=c,
所以(1-a)c2(1-a)=1,
所以(1-a)c2=(1-a)c2(1-a)(1-b)=1-b, 所以(1-b)(1-a)=(1-a)c2(1-a)=1,
即vu=1, 因此R為直接有限環.
下面的推論1簡化了2019年第十屆全國大學生數學競賽決賽(數學類, 三、 四年級)第五大題的題設.
推論1設a,b∈R滿足ab=a+b, 若x2-(ax2+x2a)+ax2a=1有解, 則ab=ba.
證明設x=c為x2-(ax2+x2a)+ax2a=1的解, 則(1-a)c2(1-a)=1.
因為ab=a+b, 則(1-a)(1-b)=1,
所以(1-a)c2(1-a)(1-b)=1-b, 即
(1-a)c2=1-b,
所以(1-b)(1-a)=(1-a)c2(1-a)=1,
所以ba=b+a=a+b=ab.