Rengas (matematiikka)

Rengas on keskeinen algebrassa käytetty matemaattinen käsite. Se on käsitteen kunta yleistys. Rengas sisältää kaksi laskutoimitusta: yhteen- ja kertolaskun. Yhteenlaskun suhteen se on Abelin ryhmä. Kertolaskun suhteen ryhmällä on olemassa neutraalialkio "1" ja voimassa assosiatiivi- ja distributiivilait (vrt. monoidi).^[1]

Pseudorengas määritellään kuten rengas mutta vaatimatta neutraalialkion olemassaoloa.^[2] Jotkin harvat teokset määrittelevät renkaiksi myös pseudorenkaat, tämä artikkeli ei.

Kuntia ovat ne renkaat, joissa kertolaskukin on kommutatiivinen (vaihdannainen, ${\displaystyle a\cdot b=b\cdot a}$), joka alkiolla ${\displaystyle a\neq 0}$ on käänteisalkio ${\displaystyle b}$ (jolla ${\displaystyle a\cdot b=1}$) ja ${\displaystyle 0\neq 1}$ (eli nollarengasta ${\displaystyle \{0\}}$ ei määritellä kunnaksi, vaikka sekin on nuo muut ehdot täyttävä rengas).

Alla esitetyssä inkluusioketjussa kukin algebrallinen käsite tarkoittaa sen käsitteen ilmenemien joukkoa (esimerkiksi "Pseudorengas" tarkoittaa kaikkien pseudorenkaiden joukkoa):

Rngas eli pseudorengas ⊃ rengas ⊃ kommutatiivinen rengas ⊃ kokonaisalue ⊃ faktoriaalinen kokonaisalue ⊃ pääideaalialue ⊃ euklidinen alue ⊃ kunta ⊃ Algebrallisesti suljettu kunta

Kunnat, kuten rationaaliluvut ℚ, reaaliluvut ℝ ja kompleksiluvut ℂ, ovat kommutatiivisia renkaita. Seuraavassa on esimerkkejä renkaista, jotka eivät ole kuntia.

Kokonaislukujen joukko ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ on kommutatiivinen rengas (muttei kunta, koska vain ykkösellä on käänteisalkio joukossa ${\displaystyle \mathbb {Z} }$).

Neliömatriisien joukko (matriisitulolla) on rengas muttei kommutatiivinen, jos matriisissa on enemmän kuin yksi rivi. Tämä on totta silloinkin, jos ei puhuta reaalilukujen matriiseista vaan jonkin muun renkaan ${\displaystyle R}$ alkioiden muodostamista matriiseista (paitsi jos renkaassa ${\displaystyle R}$ on pelkkä nolla-alkio, jolloin neliömatriisien joukko ${\displaystyle R^{n\times n}}$ on kommutatiivinen).

Jos ${\displaystyle R}$ on kommutatiivinen rengas (esimerkiksi reaalilukujen joukko ${\displaystyle \mathbb {R} }$), niin kaikkien ${\displaystyle R}$-kertoimisten yhden muuttujan polynomien joukko

${\displaystyle R=\left\{a_{n}x^{n}+a_{n-1}x^{n-1}+\dots +a_{1}x+a_{0}\mid n\geq 0,a_{j}\in R\right\}}$

on kommutatiivinen rengas, samoin jopa ${\displaystyle m}$ eri muuttujan polynomien joukko. Vain vakioilla on käänteisalkio renkaassa ${\displaystyle R}$, koska polynomin ${\displaystyle pq}$ asteluku on vähintään polynomin ${\displaystyle q}$ asteluku, kun ${\displaystyle p,q\in R}$, eli se ei voi olla neutraalialkion ${\displaystyle 1}$ asteluku 0, jos ${\displaystyle q}$:n asteluku on positiviinen.

Pääartikkeli: Modulaarinen aritmetiikka

Joukko ${\displaystyle \mathbb {Z} /4\mathbb {Z} =\left\{{\overline {0}},{\overline {1}},{\overline {2}},{\overline {3}}\right\}}$ (sitä voi ajatella joukkona ${\displaystyle \{0,1,2,3\}}$ siten, että laskujen tuloksista otetaan jakojäännös ${\displaystyle 4}$:llä) varustettuna alla mainituilla operaatioilla on kommuntatiivinen rengas:

• Summa ${\displaystyle {\overline {x}}+{\overline {y}}}$ on jakojäännös, kun luku ${\displaystyle x+y}$ jaetaan luvulla ${\displaystyle 4}$. Esimerkiksi ${\displaystyle {\overline {2}}+{\overline {3}}={\overline {1}}}$ ja ${\displaystyle {\overline {3}}+{\overline {3}}={\overline {2}}.}$
• Tulo ${\displaystyle {\overline {x}}\cdot {\overline {y}}}$ on jakojäännös, kun luku ${\displaystyle xy}$ jaetaan luvulla ${\displaystyle 4}$. Esimerkiksi ${\displaystyle {\overline {2}}\cdot {\overline {3}}={\overline {2}}}$ ja ${\displaystyle {\overline {3}}\cdot {\overline {3}}={\overline {1}}.}$

Luku ${\displaystyle {\overline {1}}}$ on kertolaskun neutraalialkio (koska ${\displaystyle {\overline {1}}\cdot {\overline {x}}={\overline {x}}}$ kaikilla ${\displaystyle {\overline {x}}}$) ja luvun ${\displaystyle {\overline {3}}}$ käänteisalkio ${\displaystyle {\overline {3}}^{-1}}$ on ${\displaystyle {\overline {3}}}$ (koska ${\displaystyle {\overline {3}}\cdot {\overline {3}}={\overline {1}}}$), mutta luvulla ${\displaystyle {\overline {2}}}$ ei ole käänteisalkiota, koska kerrottaessa sitä jollain luvulla tuloksena on aina ${\displaystyle {\overline {2}}}$ tai ${\displaystyle {\overline {0}}}$, ei ${\displaystyle {\overline {1}}}$. Tämä rengas ei siis ole kunta.

Ryhmä ${\displaystyle R}$ on rengas binääristen operaatioiden ${\displaystyle +}$ ja ${\displaystyle \cdot }$ suhteen (merkitään ${\displaystyle (R,+,\cdot )}$) kun se toteuttaa seuraavat ehdot:

1. ${\displaystyle \forall a,b\in R:a+b\in R}$,
2. ${\displaystyle \forall a,b\in R:a\cdot b\in R}$,
3. ${\displaystyle \forall a,b,c\in R:(a+b)+c=a+(b+c)}$,
4. ${\displaystyle \forall a,b,c\in R:(a\cdot b)\cdot c=a\cdot (b\cdot c)}$,
5. ${\displaystyle \exists 0\in R:\forall a\in R:a+0=a=0+a}$,
6. ${\displaystyle \exists 1\in R:\forall a\in R:1\cdot a=a=a\cdot 1}$,
7. ${\displaystyle \forall a\in R:\exists (-a)\in R:a+(-a)=0=(-a)+a}$,
8. ${\displaystyle \forall a,b\in R:a+b=b+a}$,
9. ${\displaystyle \forall a,b,c\in R:a\cdot (b+c)=(a\cdot b)+(a\cdot c)}$.
10. ${\displaystyle \forall a,b,c\in R:(b+c)\cdot a=(b\cdot a)+(c\cdot a)}$.

Toisin sanoen

1. ${\displaystyle R}$ on Abelin ryhmä operaation ${\displaystyle +}$ suhteen (1, 3, 5, 7, 8).
2. ${\displaystyle R}$ on monoidi operaation ${\displaystyle \cdot }$ suhteen (2, 4, 6).
3. operaatio ${\displaystyle \cdot }$ on distributiivinen (9, 10).

Jos ${\displaystyle \cdot }$ on kommutatiivinen, ${\displaystyle R}$ on kommutatiivinen rengas.

Rengas on siis monoidia ja ryhmää monimutkaisempi rakenne jo siinä mielessä, että se yhdistää kaksi operaatiota. Näin rengas eroaa olennaisesti suorasta tulosta.

Kannattaa huomata, etteivät edellä merkityt ${\displaystyle +}$, ${\displaystyle \cdot }$, ${\displaystyle 1}$ ja ${\displaystyle 0}$ eivät tarkoita lukujen yhteen- tai kertolaskua, tai lukuja 1 tai 0, vaan joukossa käytettäviä operaattoreita ja joukon alkioita. Tosin lukurenkaista puhuttaessa nämä ovat usein yhteneviä.

Kuten muillekin algebrallisille struktuureille, renkaiden välille voidaan määritellä rakenteen säilyttävä kuvaus eli homomorfismi.

Esimerkkejä:

1. Kokonaislukujen joukko muodostaa kommutatiivisen renkaan yhteen- ja kertolaskun suhteen. Kannattaa huomata, että vaikka luvuilla onkin yhteenlaskun suhteen käänteisalkio, kertolaskun suhteen sitä ei ole.
2. Kompleksilukujen joukko muodostaa kommutatiivisen renkaan yhteen- ja kertolaskun suhteen.
3. Imaginaarilukujen joukko ei yksinään voi muodostaa rengasta, jossa on kertolasku, sillä kertolaskun yksikköalkio on luku 1, eikä se kuulu imaginaarilukujen joukkoon. Lisäksi imaginaarilukujen joukko ei ole kertolaskun suhteen suljettu.

Renkaan ${\displaystyle R}$ alkio ${\displaystyle u}$ on kääntyvä eli säännöllinen, jos on olemassa sellainen ryhmän ${\displaystyle (R,+,\cdot )}$:n alkio ${\displaystyle u^{-1}}$, että ${\displaystyle uu^{-1}=u^{-1}u=1}$; silloin tätä alkiota u kutsutaan yleisesti yksiköksi. ${\displaystyle R}$:n kääntyvien alkioiden joukosta, eli yksikköryhmästä, käytetään merkintää ${\displaystyle R^{*}}$. ${\displaystyle (R^{*},\cdot )}$ on ryhmä, mikä todistetaan seuraavasti:

1. Koska ${\displaystyle 1\cdot 1=1}$, kääntyvien alkioiden joukko ei ole tyhjä.
2. ${\displaystyle R^{*}}$:n ykkösalkio on ${\displaystyle 1}$.
3. Oletetaan, että ${\displaystyle a,b\in R^{*}}$. Tällöin ${\displaystyle (ab)(b^{-1}a^{-1})=a(bb^{-1})a^{-1}=a\cdot 1\cdot a^{-1}=1}$, joten kääntyvien alkioiden joukko on suljettu kertolaskun suhteen.
4. ${\displaystyle R^{*}}$ on assosiatiivinen, koska ${\displaystyle R}$ on assosiatiivinen ${\displaystyle \cdot }$:n suhteen.

Nollasta poikkeavaa alkiota ${\displaystyle a\in R}$ sanotaan nollanjakajaksi, jos on nollasta poikkeava ${\displaystyle b\in R}$, jolle ${\displaystyle ab=0}$. Tällöin tietysti myös ${\displaystyle b}$ on nollanjakaja. Kommutatiivista rengasta, jossa ei ole nollanjakajia, sanotaan kokonaisalueeksi.

Renkaan alkioista kääntyvät alkiot käyttäytyvät yleensä kaikkein säännöllisimmin, kun taas nollanjakajat vaikeuttavat tarkastelua. Erityisesti supistamissääntö ${\displaystyle ab=ac\Rightarrow b=c}$ on voimassa vain, jos ${\displaystyle a}$ ei ole nollanjakaja. Tästä seuraa muun muassa se, että astetta n olevalla polynomilla, jonka kertoimet ovat ${\displaystyle R}$:n alkioita, voi olla enemmän kuin n juurta, jos ryhmässä ${\displaystyle R}$ on nollanjakajia.

Voidaan todistaa, että jos ${\displaystyle 1=0}$, niin ${\displaystyle R=\{0\}}$ eli renkaassa ei ole muita alkioita kuin ${\displaystyle 0}$.^[3] Yleensä^[3][4][5] (ei aina) kunnat määritellään niin, että tämä "nollarengas" ei ole kunta.

• Thompson, Jan & Martinsson, Thomas: Matematiikan käsikirja. Helsinki: Tammi, 1994. ISBN 951-31-0471-0
• Häsä, Jokke; Rämö, Johanna: Johdatus abstraktiin algebraan. Helsinki: Gaudeamus, 2015. ISBN 978-952-495-361-0