הוכח כי לכל איבר בשדה יש נגדי יחיד.
הוכחה:
נסמן F שדה.
נקח a∈F ונסמן x,y כנגדי של a.
נדרוש כי: a+x=0,a+y=0.
a=−x
a=−y
משמע:
−x=−y
ולכן:
x=y
ולכן הם אותו האיבר.
לכן, יש רק נגדי אחד לכל איבר בשדה.
∎
הוכח רק בעזרת האקסיומות של שדה כי לכל b,a ששייכים לשדה נתון מתקיים:
−(ab)=(−a)b=a(−b)
הוכחה:
נגיד כי: a+(−a)=0 וכי: b+(−b)=0.
נגדיר כי −ab+ab=0.
נקח: (−a)b ונחבר אותו ל-ab כך:
ab+(−a)b
באמצעות הפילוג:
=b(a−a)
אנו יודעים כי a−a=0 ולכן:
=b(a−a)=0
ולכן, לאור מה שהוכחנו בסעיף 1, מכיוון שיש רק נגדי אחד, נגיד כי:
−ab=(−a)b
באותה הדרך נסתכל על a(−b):
ab+a(−b)=a(b−b)=0
ולכן:
−ab=a(−b)
ולכן:
−ab=(−a)b=a(−b)
∎
נגדיר את הקבוצה: F={(a,b)∣a,b∈Q} ולה נגדיר את פעולות הכפל והחיבור הבאות:
(a,b)+(c,d)=(a+c,b+d)
(a,b)(c,d)=(ac+2bd,ad+bc)
הוכח כי עם הפעולות הנ"ל F שדה.
הוכחה:
נוכיח את כל התנאים:
יהי (a,b),(c,d)∈F
- סגירות:
(a,b)+(c,d)=(a+c,b+d)
נסתכל על האיברים של החיבור:
a+c,b+d∈Q
מכיוון שחיבור היא פעולה סגורה על Q.
כעת נסתכל על האיברים של כפל:
(a,b)(c,d)=(ac+2bd,ad+bc)
ac+2bd,ad+bc∈Q
מכיוון שפעולות החיבור והכפל הינם סגורות מעל Q.
לכן מתקיימת סגירות.
2. קומוטטיביות:
תחילה נסתכל על חיבור:
(a,b)+(c,d)=(a+c,b+d)
על פי הקומוטטיביות ב-Q:
(a+c,b+d)=(c+a,d+b)
ולכן, על פי הגדרה:
(c+a,d+b)=(c,d)+(a,b)
ולכן פעולת החיבור הינה קומוטטיבית ב-F.
כעת, נסתכל על פעולת הכפל:
(a,b)(c,d)=(ac+2bd,ad+bc)
על פי הקומוטטיביות ב-Q:
(ac+2bd,ad+bc)=(ca+2db,da+cb)
ולכן, על פי הגדרת הכפל:
(ca+2db,da+cb)=(c,d)(a,b)
ולכן פעולת החיבור הינה קומוטטיבית ב-F.
3. אסוציאטיביות:
נגדיר (e,f)∈F.
תחילה נסתכל על האסוציאטיביות בחיבור:
((a,b)+(c,d))+(e,f)=(a+c,b+d)+(e,f)=(a+c+e,b+d+f)
ולכן, על פי הקומוטטיביות ב-Q:
(a+c+e,b+d+f)=(e+a+c,f+d+b)
על פי הגדרה:
(e+a+c,f+d+b)=((e+a,f+b)+(c,d)=((e,f)+(a,b))+(c,d)
ולכן, האסוציאטיביות מתקיימת לחיבור ב-F.
כעת, נעבור לכפל:
((a,b)(c,d))(e,f)=(pac+2bd,qad+bc)(e,f)=(pe+2qf,pf+qe)
=(ace+2bde+2adf+2bcf,acf+2bdf+ade+bce)
=[a(ce+2df)+2b(de+cf),a(cf+de)+b(2df+ce)]
=(a,b)(ce+2df,de+ce)=(a,b)((c,d)(e,f))
ולכן:
((a,b)(c,d))(e,f)=(a,b)((c,d)(e,f))
ולכן, פעולת הכפל הינה קומוטטיבית ב-F.
4. קיום אדיש לחיבור:
נגדיר (x,y)∈F כך ש: 0=(x,y) כלומר, עבור כל (a,b)∈F מתקיים:
(a,b)+(x,y)=(a,b)
על פי הגדרה:
(a,b)+(x,y)=(a+x,b+y)=(a,b)
על פי הגדרת השוויון:
{a+x=ab+y=y⟹{x=0y=0
ולכן, האדיש לחיבור הינו:
0=(0,0)
- קיום איבר נגדי:
נגדיר (x,y)∈F כאיבר הנגדי של (a,b)∈F כלומר:
(a,b)+(x,y)=0
על פי הגדרת החיבור:
(a,b)+(x,y)=(a+x,b+y)=0
ולכן, על פי הגדרת השוויון:
{a+x=0b+y=0⟹{x=−ay=−b
ולכן, הנגדי של (a,b) הינו:
−(a,b)=(−a,−b)
- קיום אדיש לכפל:
נגדיר (x,y)∈F כך ש: 1=(x,y) ולכן, לכל איבר (a,b)∈F:
(a,b)(x,y)=(a,b)
על פי הגדרת הכפל:
(a,b)(x,y)=(ax+2by,ay+bx)=(a,b)
נגיד כי בשביל ש:
ax+2by=a
נצטרך ש:
{x=1y=0
ובשביל ש
ay+bx=b
נצטרך ש:
{y=0x=1
ולכן, האדיש לכפל הינו:
1=(1,0)
- קיום איבר הופכי:
נגדיר את (x,y)∈F כך של-(a,b)∈F מתקיים
(a,b)(x,y)=(1,0)
על פי הגדרת הכפל:
(a,b)(x,y)=(ax+2by,ay+bx)=(1,0)
ולכן, על פי הגדרת השוויון
{ax+2by=1ay+bx=0⟹{2by=1−axay=−bx⟹{y=2b1−axy=−abx⟹2b1−ax=−abx⟹a−a2x=2b2x
⟹x(2b2+a2)=a⟹x=2b2+a2a⟹y=−ab⋅2b2+a2a=−a(2b2+a2)ab=−2b2+a2b
נבדוק ונוודא כי זה באמת נכון:
(a,b)(2b2+a2a,−2b2+a2b)=(2b2+a2a2−2b2+a22b2,−2b2+a2ab+2b2+a2ba)
=(2b2+a2a2−2b2,0)
יש לנו בעיה, שכן האיבר הראשון בתוצאה שלנו אינו יוצא 1. לכן, נצטרך לשנות איפשהו את התרגיל. לכן, ניתן לשנות את המכנה ל-a2−2b2 ואז נקבל כי:
(a,b)−1=(a2−2b2a,−a2−2b2b)
- קיום חוק הפילוג:
נבדוק האם פילוג מתקיים:
(e,f)((a,b)+(c,d))=(e,f)(a+c,b+d)=(ea+ec+2fb+2fd,eb+ed+fa+fc)
(ea+ec+2fb+2fd,eb+ed+fa+fc)=(ea+2fb+ec+2fd,eb+fa+ed+fc)
=(ea+2fb,eb+fa)+(ec+2fd,ed+fc)=(e,f)(a,b)+(e,f)(c,d)
ולכן:
(e,f)((a,b)+(c,d))=(e,f)(a,b)+(e,f)(c,d)
ולכן חוק הפילוג מתקיים.
מסקנה: מכיוון שכל האקסיומות מקיימות, אזי F הינו שדה.
∎
תהי F={0,1,x,y} קבוצה של 4 איברים.
השלימו את טבלאות החיבור והכפל כל שהתוצאה תהייה שדה:
טבלת החיבור:
| + | 0 | 1 | x | y |
|---|
| 0 | 0 | 1 | x | y |
| 1 | 1 | 0 | y | x |
| x | x | y | 1 | 0 |
| y | y | x | 0 | 1 |
טבלת הכפל:
| ⋅ | 0 | 1 | x | y |
|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | x | y |
| x | 0 | x | y | 1 |
| y | 0 | y | 1 | x |