Bizonyítás

Előszöris megjegyezzük, hogy a 18.24. Következmény alapján \ker f ideál R-ben, így a bizonyítandó állításban szereplő gyűrűizomorfizmus baloldala a 18.23. Tétel szerint valóban egy gyűrű, nevezetesen az R/\ker f faktorgyűrű. Igaz továbbá, hogy a 18.16. Tétel alapján \text{im} f részgyűrű abban a gyűrűben, ahová f mutat, így a jobboldal is egy gyűrű. Az

R/\ker f \simeq \text{im} f

kifejezés tehát értelmes, mert tényleg egy gyűrűizomorfizmust jelöl. Most megmutatjuk, hogy ez a gyűrűizomorfizmus valóban fennáll a két gyűrű között.

Az átláthatóság érdekében vezessük be az I=\ker f jelölést. Az R/I faktorgyűrű elemei tehát az I – mint ideál – szerinti maradékosztályok. Ezek a 18.12. Definíció utáni megjegyzés alapján pontosan ugyanazok a maradékosztályok lesznek, mint a 18.9. Definíció által definiált f gyűrűhomomorfizmus szerinti maradékosztályok. Most megadunk egy

g:R/I\to \text{im} f

leképezést e faktorgyűrű és az f gyűrűhomomorfizmus képe – azaz \text{im} f – között.

Ennek a leképezésnek az alábbi képletét az R gyűrű elemeinek és az f gyűrűhomomorfizmusnak a segítségével konstruáljuk meg. A képlet azt fejezi ki, hogy minden r elem esetén a g leképezés az r-et tartalmazó maradékosztályhoz épp azt az elemet rendeli hozzá a célgyűrűből – azaz \text{im} f-ből –, amelyet az f gyűrűhomomorfizmus is hozzárendel magához az r elemhez:

g(r+I)=f(r)

A 18.12. ábra mutatja a g leképezés iménti konstrukcióját.

A faktorgyűrű elemeinek leképezése
18.12. ábra: A faktorgyűrű elemeinek leképezése

Ez egy értelmes leképezés, ha ugyanis valamely r_1 és r_2 elemek ugyanabban az I szerinti maradékosztályban vannak, akkor a 18.20. Definíció szerint az ő különbségük benne van az I ideálban. Ez viszont ugye f magja, tehát a 18.12. Definíció utáni megjegyzés alapján ez épp azt jelenti, hogy az f szerinti képük megegyezik. Vagyis a g leképezés eredménye nem függ attól, hogy a bemeneti maradékosztály mely reprezentánselemének segítségével számítottuk azt ki a fenti képlettel.

Azt kell még igazolni, hogy a g leképezés bijektív, ami a 18.6. Definíció alapján azt jelenti, hogy egyszerre injektív és szürjektív. Az injektivitáshoz azt kell megmutatnunk, hogy egymástól különböző maradékosztályok g szerinti képe is különbözik. Tegyük fel ezért indirekt, hogy az R gyűrű r és s elemei két egymástól különböző maradékosztályt reprezentálnak, ám e két maradékosztálynak ennek ellenére ugyanaz a g szerinti képe, azaz:

g(r+I)=g(s+I)

Ez a g leképezés definíciója alapján azt jelentené, hogy:

f(r)=f(s)

De ez ellentmondás, hiszen ez azt jelentené, hogy r és s mégis ugyanabban a maradékosztályban vannak. Tehát g valóban injektív.

Most igazoljuk a szürjektivitást. Ez a 18.6. Definíció alapján azt jelenti, hogy célgyűrűben nincs olyan elem, amely ne lenne képe valamely maradékosztálynak a g leképezés szerint. Ez viszont természetesen teljesül, hiszen a célgyűrű nem más, mint \text{im} f, azaz az f gyűrűhomomorfizmus képe. Következésképp minden itt lévő s elemhez létezik olyan x elem az R gyűrűben, amelyre

f(x)=s

teljesül. Ez épp azt jelenti, hogy az x elem benne van az x+I maradékosztályban, amelyhez viszont a g leképezés rendeli hozzá az s elemet a célgyűrűben. A g függvény tehát valóban szürjektív.

Végül g művelettartási tulajdonságai az őt definiáló képletből már könnyen adódnak. Az alábbi levezetésben az eredeti R gyűrű műveleteit a szokásos + és \cdot, az R/I faktorgyűrű műveleteit a \oplus és \odot, végül az \text{im} f célgyűrű műveleteit a \boxplus és \boxdot szimbólumokkal jelöltük:

\begin{aligned} g((r+I)\oplus (s+I))&=g((r+s)+I)= \\ &=f(r+s)= \\ &=f(r)\boxplus f(s)= \\ &=g(r+I)\boxplus g(s+I) \\ g((r+I)\odot (s+I))&=g((r\cdot s)+I)= \\ &=f(r\cdot s)= \\ &=f(r)\boxdot f(s)= \\ &=g(r+I)\boxdot g(s+I) \end{aligned}

∎