定義
設N是環R的一個理想,且,如果除R和N外,R中沒有包含N的其他理想,則稱N為環R的一個 極大理想。
例1 在模8剩餘類環中,理想不是的素理想(因為,但是),也不是的極大理想(因為)。但是,易知理想既是的素理想也是的極大理想。
應該注意的是,素理想是在交換環內定義的,但極大理想並無這種限制。
定理
定理1
設N是整數環Z的一個理想,則
是極大理想由素數生成.
證明 設是素數,又K是Z的一個理想,且
令,則,只有或p,即只有
或
從而是Z的極大理想。
反之,設N是Z的極大理想,由於Z的理想都是主理想,故可設,且不妨設n是正整數,如果n是合數,令
則Z的理想,但卻有
這與N是Z的極大理想矛盾.故n必為素數。(證畢)。
根據這個定理,並由例1可知,除平凡理想外,整數環的素理想和極大理想是一致的,但是,對有些環來說並不是這樣。
定理2
設N是環R的一個理想,則
是極大理想今是單環.
證明 用表示R到R=R/N的自然同態。
設N是R的一個極大理想,而為的任一非零理想,則由相應定理知,在之下的逆像K是R的一個理想。由於,而的逆像為N,故,又因,故,即,但N是R的極大理想,故
即只有平凡理想,R/N是單環。
反之,設是單環,K是R的一個理想,且
則.但由於,故,又因是單環,故。
任取,則,從而有使
於是因此,即N是R的極大理想。(證畢)。
我們知道,域是單環,以下將指出,在一定條件下其逆也成立。
定理3
設環R是一個單環,則當R有單位元且可換時,R是一個域。
證明 在R中任取,則.但R是單環,只有平凡理想,故
於是單位元,但對有單位元的交換環來說,中元素都可表為
於是,其中,即R中每個非零元都有逆元,從而R是一個域。(證畢)。
由以上兩個定理立即可得下面推論。
推論1
設R是一個有單位元的交換環,,則
是極大理想是域.
證明 設R/N是域,而域是單環,於是由定理2知,N是R的一個極大理想。
反之,設N是R的一個極大理想,由定理2,R/N是單環,又因環R有單位元且可換,從而R/N也有單位元且可換,故由定理3,R/N是一個域。(證畢)。
根據這個推論,再結合定理1又可得下面推論。
推論2
有單位元的交換環的極大理想必為素理想。
這樣,在有單位元的交換環中,只要給出一個極大理想,便可立即得到一個與這個環有密切聯繫的域,於是,可以通過所得到的域進一步研究所給的環。
例2 由素數p生成的理想是整數環Z的極大理想,而Z有單位元且可換,故由推論1知,即是一個域。
這樣,我們從極大理想出發,又一次證明了是一個域。