关于利用自由群证明从ℤ到任意环存在唯一环同态的方法问询
先说明下我的前提设定:
我这里默认所有环都是含幺环,因此对应的环同态定义也要求:若$\phi:S \rightarrow R$是环同态,则必须满足$\phi(1_S) = 1_R$。
问题
证明:对任意环$R$,存在唯一的环同态$\varphi:\mathbb{Z} \rightarrow R$。
我知道这是个标准结论,也能找到相关解答,但我想确认自己用自由群切入的思路是否合理,以下是我的尝试:
我的证明思路
首先回忆:$\mathbb{Z} \cong F_1$,其中$F_1$是由单个元素生成的自由群。
对于任意$r \in R$,考虑集合$S = {1}$,定义集合映射$f:S \rightarrow R$为$1 \mapsto r$。根据自由群的泛性质,这个集合映射$f$可以唯一延拓为群同态$\varphi:F(S) \rightarrow R$,满足$\varphi(s) = f(s)$对所有$s \in S$成立。
特别地,当我取$f$为$1 \mapsto 1_R$时,就得到了一个唯一的群同态$\varphi$,满足$\varphi(1) = 1_R$。而环同态必然是加法群之间的群同态,再结合环同态必须满足$\phi(1_\mathbb{Z}) = 1_R$的要求,从这个群同态的唯一性,我觉得可以推出环同态的唯一性。
我的疑问
现在我卡在了最后一步:如何证明这个群同态$\varphi$确实保持乘法结构?
我已经知道作为加法群同态,$\varphi$满足:
$$
\varphi(n) = \varphi(\underbrace{1+\dots+1}{n \text{ 次}}) = \sum{k=1}^n \varphi(1)
$$
同时也能推出$\varphi(-n) = -\varphi(n)$。那是不是只需要说明$\varphi(ab) = ab \cdot \varphi(1)$,然后把它拆成$a$个$\varphi(1)$相加与$b$个$\varphi(1)$相加的乘积?还是说必须根据$a,b \in \mathbb{Z}$的正负性分情况讨论?
另外也请帮我检查下自由群相关的推导有没有错误——我写得可能有点啰嗦,因为对这块内容还不太熟悉,提前感谢大家的帮助和建议!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Irving Rabin

