<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">ojapps</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Open Journal of Applied Sciences</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2165-3925</issn>
      <issn pub-type="ppub">2165-3917</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/ojapps.2026.169185</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">ojapps-153934</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Biomedical</subject>
          <subject>Life Sciences</subject>
          <subject>Chemistry</subject>
          <subject>Materials Science</subject>
          <subject>Computer Science</subject>
          <subject>Communications</subject>
          <subject>Engineering</subject>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>A Class of Semimodules with a Free Basis of Cardinality 2</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes">
          <contrib-id contrib-id-type="orcid">0009-0001-3801-9212</contrib-id>
          <name name-style="western">
            <surname>Li</surname>
            <given-names>Jun</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Zhang</surname>
            <given-names>Xingjun</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> School of Mathematics, Sichuan University of Arts and Science, Dazhou, China </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The authors declare no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>07</day>
        <month>09</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>09</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>16</volume>
      <issue>09</issue>
      <fpage>3363</fpage>
      <lpage>3373</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>18</day>
          <month>08</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>15</day>
          <month>09</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>18</day>
          <month>09</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/ojapps.2026.169185">https://doi.org/10.4236/ojapps.2026.169185</self-uri>
      <abstract>
        <p>A class of semimodules with a free basis of cardinality 2 is investigated. We present the semiring form for the existence of a basis of cardinality 1 in such semimodules, and construct semirings satisfying the condition by means of congruences. In addition, we discuss the freeness of bases of cardinality 1, and prove that <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>{</p>
        <p>(</p>
        <p>c,d</p>
        <p>)</p>
        <p>T</p>
        <p>}</p>
        <p>forms a free basis of <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>V</p>
        <p>2</p>
        <p>(</p>
        <p>S</p>
        <p>)</p>
        <p>if and only if <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>ca+db=1</p>
        <p>.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Semiring</kwd>
        <kwd>Quotient Semirings</kwd>
        <kwd>Free Semimodules</kwd>
        <kwd>Free Basis</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>As a natural generalization of modules over rings, the semimodules over semirings have been extensively investigated in the literature. The study of their structures has fundamental significance for understanding linear systems over semirings, matrix theory, and the design of corresponding algorithms (see, e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]-[<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]). In semimodule theory, the study of bases has always been a core problem. A semimodule is said to be free if every element of the semimodule can be uniquely linearly represented by a generating set, which is called a free basis. In 2014, Shu [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], Tan [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] proved that for free semimodules over a commutative semiring <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , all free bases share the same cardinality, which equals the minimum cardinality of any generating set; moreover, every basis with the minimum cardinality is a free basis. In 2016, Tan [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] showed that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cannot be generated by fewer than <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> elements. However, this conclusion does not necessarily hold for noncommutative semirings. In 2025, Shu [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>] discussed the cardinality of free semimodules over noncommutative semirings. In the same year, Shu [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] also explored the properties of semirings with invariant basis number (IBN). So interesting problems appear: over what class of semirings do there exist free semimodules admitting free bases of varying cardinalities? And is a basis of minimum cardinality necessarily not a free basis?</p>
      <p>This paper focuses on semimodules with a free basis of cardinality 2. The main problem addressed is: over which semirings can such semimodules have a basis of cardinality 1? To answer this question, we characterize the conditions that a semiring must satisfy when a semimodule with a free basis of cardinality 2 admits a basis of cardinality 1. Furthermore, we construct explicit examples of such semirings via congruences, which confirms that such semirings are structurally existent rather than purely vacuous abstract assumptions. In addition, we examine the freeness of bases of cardinality 1 in this class of semimodules. We prove that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a free basis of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if and only if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This result provides an algebraic criterion for the transition from free bases of cardinality 2 to those of cardinality 1, and reveals the intrinsic connection between the corresponding combinatorial invertibility conditions in semirings and the properties of free bases.</p>
      <p>The paper is organized as follows. Section 2 presents some basic concepts and preliminaries used throughout the paper. Section 3 investigates the form of semirings in which a semimodule with a free basis of cardinality 2 admits a basis of cardinality 1, provides the corresponding congruence construction, and further discusses the freeness of the basis of cardinality 1.</p>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. Definition</title>
      <p>We present some necessary definitions definitions in this section. For more details, we refer the reader to Refs. [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] and references therein. For notational convenience, we denote by <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> the set of all positive integers, and by <inline-formula><mml:math><mml:munder accentunder="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> _ </mml:mo></mml:munder></mml:math></inline-formula> the set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><bold>Definition 2.1</bold>[<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]<italic>A semiring is a nonempty set</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>on which equipped with two binary operations of addition and multiplication, satisfying the following axioms:</italic></p>
      <p>1) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a commutative</italic><italic>monoid;</italic></p>
      <p>2) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a</italic><italic>monoid;</italic></p>
      <p>3) <italic>The equalities</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>hold for all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>;</italic></p>
      <p>4) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>holds for all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>;</italic></p>
      <p>5) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p>A semiring S is called commutative if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><bold>Example 2.2</bold>[<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]<italic>Consider the set of all binary relations on a fixed set</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>,</italic></p>
      <disp-formula id="FD1">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>Rel</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>X</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>R</mml:mi>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>R</mml:mi>
                <mml:mo>⊆</mml:mo>
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:mi>X</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>on which two operations have been defined. The addition is given by the union of relations:</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. The multiplication is given by the composition of relations:</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mtext> and </mml:mtext><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic><italic>Define the special</italic><italic>elements: Additive identity</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>which is the empty relation; Multiplicative identity</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>which is the identity relation on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>It is easy to verify that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Rel </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∪ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mi> X </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>satisfies the definition of a semiring. This semiring is called the relation semiring, which is also referred to as the semiring of relation algebras. Taking</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, we obtain the infinite</italic><italic>‑</italic><italic>element relation semiring</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Rel </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><bold>Definition 2.3</bold>[<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]<italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be semirings. A map</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is called a semiring homomorphism if and only if for all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, the following hold</italic>: </p>
      <disp-formula id="FD2">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mi>b</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>;</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mi>b</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>;</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>;</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>The kernel of a semiring homomorphism</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> φ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is defined as</italic></p>
      <disp-formula id="FD3">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>ker</mml:mi>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><bold>Definition 2.4</bold>[<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]<italic>A commutative monoid</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>together with a scalar multiplication</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ↦ </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>from</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> × </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is a left semimodule over a semiring</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>(a left</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-</italic><italic>semimodule</italic><italic>) if and only if the following identities hold for all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> μ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> :</p>
      <p>1) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mi> μ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; </p>
      <p>2) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:msup><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; </p>
      <p>3) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> μ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; </p>
      <p>4) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; </p>
      <p>5) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>Similarly, we have the definition of a right <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> -semimodule. Semimodules are also called semilinear spaces in some literatures, see, e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>].</p>
      <p>In what follows, unless otherwise stated, <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> -semimodules always mean left semimodules.</p>
      <p><bold>Definition 2.5</bold>[<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]<italic>Let</italic><italic>A</italic><italic>be a nonempty subset of an</italic><italic>S</italic><italic>-semimodule</italic><italic>M</italic><italic>. If every element of</italic><italic>M</italic><italic>can be expressed as a linear combination of elements from</italic><italic>A</italic><italic>, then</italic><italic>A</italic><italic>is called a generating set of</italic><italic>M</italic><italic>. If for each</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>cannot be expressed as a linear combination of the remaining elements of</italic><italic>A</italic><italic>, then</italic><italic>A</italic><italic>is called a basis of</italic><italic>M</italic><italic>. If every element of</italic><italic>M</italic><italic>has a unique representation as a linear combination of elements of</italic><italic>A</italic><italic>, then</italic><italic>A</italic><italic>is called a free basis of</italic><italic>M</italic><italic>. A generating set consisting of a single element is still called a basis of</italic><italic>M</italic><italic>.</italic></p>
      <p><bold>Example 2.6</bold>[<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]<italic>Let</italic><italic>S</italic><italic>be a semiring. For each</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, let</italic></p>
      <disp-formula id="FD4">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>V</mml:mi>
              <mml:mi>n</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mo>⋯</mml:mo>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>T</mml:mtext>
                </mml:msup>
                <mml:mo>:</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:munder accentunder="true">
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>_</mml:mo>
                </mml:munder>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>where</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>denotes the transpose of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Define</italic></p>
      <disp-formula id="FD5">
        <mml:math>
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mo>⋯</mml:mo>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>T</mml:mtext>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>∗</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mo>⋯</mml:mo>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>T</mml:mtext>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>for all</italic><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> y </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> V </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is an</italic><italic>S</italic><italic>-</italic><italic>semimodule</italic><italic>, where the zero element</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> × </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>When</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:munder accentunder="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> _ </mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is an</italic><italic>S</italic><italic>-</italic><italic>semimodule</italic><italic>, and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> e </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> e </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a free basis of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Main Results</title>
      <p>In what follows, we discuss whether there exists a semiring <italic>S</italic> such that the <italic>S</italic>-semimodule <italic>M</italic> has a free basis of cardinality 2 and also admits a basis of cardinality 1.</p>
      <p><bold>Lemma 3.1</bold>[<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]<italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be two free</italic><italic>S</italic><italic>-semimodules. Then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>if and only if there exist free bases with the same cardinality in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, separately.</italic></p>
      <p>By Lemma 3.1, we know that for an <italic>S</italic>-semimodule <italic>M</italic>, if <italic>M</italic> has a free basis of cardinality <italic>n</italic>, then <italic>M</italic> is isomorphic to the semimodule <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore, the semimodule <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> considered below is of general significance. </p>
      <p><bold>Theorem 3.2</bold><italic>In the</italic><italic>S</italic><italic>-</italic><italic>semimodule</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, the singleton</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a basis of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>if</italic><italic>and only if there exist</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>satisfying</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>Proof.</italic> In the semimodule <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , there exist <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if and only if </p>
      <disp-formula id="FD6">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>T</mml:mtext>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>T</mml:mtext>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>T</mml:mtext>
            </mml:msup>
            <mml:mo>;</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD7">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>T</mml:mtext>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>T</mml:mtext>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>T</mml:mtext>
            </mml:msup>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>This holds if and only if the vectors <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed as linear combinations of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which is equivalent to that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a basis of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><bold>Theorem 3.3</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be a finite set equipped with binary operations of addition and multiplication, where</italic>0<italic>is the additive zero element and</italic>1<italic>is the multiplicative identity element. If exist</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>satisfy</italic></p>
      <disp-formula id="FD8">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mi>c</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mi>c</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>then <italic>S</italic> cannot form a semiring. </p>
      <p><italic>Proof.</italic> Define a set theoretic map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . For any <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have </p>
      <disp-formula id="FD9">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>s</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>s</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>s</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>c</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>c</mml:mi>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is surjective. Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a finite set, every surjective map is injective.</p>
      <p>Direct computation gives </p>
      <disp-formula id="FD10">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mi>a</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0.</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>By the injectivity of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we obtain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Combining with the condition <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we deduce that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Substituting into <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we get </p>
      <disp-formula id="FD11">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>which contradicts <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>In what follows, we first construct an infinite semiring by means of the universal property, and then impose a congruence relation on the quotient set satisfies the equalities <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this way we obtain the desired quotient semiring.</p>
      <p>Start with the set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Define the multiplication for the generated semiring by concatenation of strings over this set, and adjoin the empty string 1 representing the multiplicative identity. For example, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this manner, the set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> generates a multiplicative monoid <italic>G</italic>.</p>
      <p>Take all finite formal sums of elements in the monoid <italic>G</italic>, and denote the enlarged set by <inline-formula><mml:math><mml:mi> E </mml:mi></mml:math></inline-formula> . That is, every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be written as </p>
      <disp-formula id="FD12">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:munder>
              <mml:mstyle mathsize="140%" displaystyle="true">
                <mml:mo>∑</mml:mo>
              </mml:mstyle>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:munder>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mi>G</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The addition and multiplication on <inline-formula><mml:math><mml:mi> E </mml:mi></mml:math></inline-formula> are defined as follows: </p>
      <p><bold>Addition</bold>: Formal addition, which is commutative and associative. The additive zero element 0 is the empty sum. <bold>Multiplication</bold>: Expand by the distributive law, and perform string concatenation from the monoid for each term: </p>
      <disp-formula id="FD13">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The set <italic>E</italic> equipped with such addition and multiplication is exactly the semiring generated by the generating set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Remark 3.4</bold><italic>In the semiring</italic><italic>E</italic><italic>, only equalities derivable from the definition of a semiring hold. Two formal sums whose equality cannot be derived from the definition are regarded as distinct elements in</italic><italic>E</italic><italic>. For example, we do not have</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, and so on. Therefore, if</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, we have</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. In the semiring</italic><italic>E</italic><italic>at this stage,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is merely a monomial obtained by concatenation and is not equal to</italic>1<italic>; similarly,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is not equal to</italic>0<italic>.</italic></p>
      <p>To satisfy the requirements of Proposition 3.2, we now introduce a semiring congruence relation to enforce the desired equalities, and construct the quotient semiring via this congruence relation.</p>
      <p>Within <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> × </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we first set </p>
      <disp-formula id="FD14">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>R</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>We construct the set <italic>R</italic> as follows. First, we require <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Next, <italic>R</italic> is closed under addition and multiplication: for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Finally, for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we add <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <italic>R</italic>; for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we add <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <italic>R</italic>; and for any <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we add <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <italic>R</italic>. </p>
      <p><bold>Proposition 3.5</bold><italic>The relation</italic><italic>R</italic><italic>constructed by the above procedure is the smallest semiring congruence containing</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>Proof.</italic> First, the construction of <italic>R</italic> guarantees that <italic>R</italic> is an equivalence relation. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and </p>
      <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By transitivity, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Similarly, we obtain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence <italic>R</italic> satisfies the conditions for a semiring congruence: it is an equivalence relation compatible with addition and multiplication. Therefore, <italic>R</italic> is a semiring congruence on <italic>E</italic>.</p>
      <p>Let </p>
      <disp-formula id="FD15">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mo>⊆</mml:mo>
                <mml:mi>E</mml:mi>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:mi>E</mml:mi>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>is</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>a</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>semiring</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>congruence</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>on</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mi>E</mml:mi>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>and</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>R</mml:mi>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:mo>⊆</mml:mo>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Take arbitrary <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi mathvariant="script"> C </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>i.e.</italic>, <inline-formula><mml:math><mml:mi> ρ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a semiring congruence on <inline-formula><mml:math><mml:mi> E </mml:mi></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> ρ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Clearly, for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have </p>
      <disp-formula id="FD16">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mi>v</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mi>ρ</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>This shows that every semiring congruence containing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must contain <italic>R</italic>. Consequently, <italic>R</italic> is the smallest semiring congruence containing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>Denote the equivalence classes by </p>
      <disp-formula id="FD17">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the multiplicative identity and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the additive zero element of the quotient semiring.</p>
      <p>Verify the conditions under the operations on the quotient semiring: </p>
      <disp-formula id="FD18">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD19">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD20">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD21">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>S</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Since the semiring <italic>E</italic> is generated by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the quotient semiring <italic>S</italic> is naturally generated by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus the quotient semiring <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a semiring satisfying all the required conditions.</p>
      <p>Now arises a critical question: whether the quotient semiring forces the equality <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ? To answer this question, we have the following proposition.</p>
      <p><bold>Theorem 3.6</bold><italic>Let</italic><italic>E</italic><italic>be the semiring generated by the elements</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>as described above. Denote the natural projection by</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> π </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. For any semiring</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> F </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>, if</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a semiring homomorphism satisfying</italic></p>
      <disp-formula id="FD22">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>then there exists a unique semiring homomorphism</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>such that the diagram commutes:</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref>).</p>
      <fig id="fig1">
        <label>Figure 1</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/2313968-rId374.jpeg?20260918102528" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 1.</bold> Commutative diagram.</p>
      <p><italic>Proof.</italic> By the definition of the natural projection, for each <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , there exists some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Define the map </p>
      <disp-formula id="FD23">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>For the homomorphism <inline-formula><mml:math><mml:mi> φ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , we have the base relation pairs: </p>
      <disp-formula id="FD24">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>R</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>;</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>R</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>;</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD25">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>R</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>;</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>R</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Clearly, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ker </mml:mi><mml:mi> φ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <italic>R</italic> is the smallest semiring congruence containing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ker </mml:mi><mml:mi> φ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a semiring congruence containing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we obtain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> ker </mml:mi><mml:mi> φ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Consequently, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore, for any <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfy <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which yields <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This shows that there exists a unique element <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so the map <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is well-defined.</p>
      <p>We now verify that <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is a semiring homomorphism and that the diagram commutes.</p>
      <p>Take arbitrary <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then </p>
      <disp-formula id="FD26">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mi>π</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>π</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . There exist <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> π </mml:mi></mml:math></inline-formula> preserves addition and <inline-formula><mml:math><mml:mi> φ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a semiring homomorphism, </p>
      <disp-formula id="FD27">
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>π</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>π</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>π</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD28">
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>π</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mo>⋅</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>π</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>π</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Moreover, </p>
      <disp-formula id="FD29">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>π</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mi>E</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mi>E</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>π</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mi>E</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mi>E</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a semiring homomorphism that makes the diagram commute.</p>
      <p>Now suppose there is another semiring homomorphism <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfying <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . For any <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , there exists <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then </p>
      <disp-formula id="FD30">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>π</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>φ</mml:mi>
                    <mml:mo>¯</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mi>π</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mo>¯</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:mi>π</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>π</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Since <italic>s</italic> is arbitrary, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . That is, the homomorphism <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> making the diagram commute is unique.</p>
      <p>Thus the universal property holds. </p>
      <p>By Proposition 3.6, suppose that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> π </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds in the semiring <italic>S</italic>. Then </p>
      <disp-formula id="FD31">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>π</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>π</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>This contradicts the fact that <italic>F</italic> is a semiring. Therefore, as long as we can find a semiring <italic>F</italic> satisfying the given equalities, we must have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Example 3.7</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> Rel </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be the semiring of binary relations on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>. Clearly,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Take the following elements in</italic><italic>F</italic><italic>:</italic></p>
      <disp-formula id="FD32">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr columnalign="left">
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>F</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>{</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>∈</mml:mo>
                        <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>}</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mi>F</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>{</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>∈</mml:mo>
                        <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>}</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr columnalign="left">
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mi>F</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>{</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>∈</mml:mo>
                        <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>}</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mi>F</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>{</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>∈</mml:mo>
                        <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>}</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>.</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Recall that the relational multiplication is defined as</italic></p>
      <disp-formula id="FD33">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>j</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mo>∃</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                <mml:mo>:</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>and</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>j</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>For every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, set</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><italic>Similarly,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. When computing</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>(or</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>), for any</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>there exists no</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>such that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>(or</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>). Consequently,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>Define the homomorphism</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>by</italic></p>
      <disp-formula id="FD34">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>F</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>We obtain</italic></p>
      <disp-formula id="FD35">
        <mml:math>
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mi>φ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>∘</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Thus</italic><italic>F</italic><italic>satisfies the required conditions. From the commutative</italic><italic>-</italic><italic>diagram argument, we conclude that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>holds in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>In fact, every binary relation is isomorphic to a Boolean matrix. Consider the set</italic><italic>U</italic><italic>of infinite</italic><italic>-</italic><italic>dimensional Boolean matrices whose entries are either</italic><italic>0</italic><italic>or</italic><italic>1</italic><italic>, with at most finitely many ones in each row and each column. Matrix addition on</italic><italic>U</italic><italic>is given by</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> Y </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∨ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, and matrix multiplication</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Z </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> z </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mi> Y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is defined by</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> z </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mtext> V </mml:mtext><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∧ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. That is, addition corresponds to logical OR and multiplication corresponds to logical AND. The zero element is the zero matrix</italic><italic>O</italic><italic>, and the multiplicative identity is the identit</italic><italic>y matrix</italic><italic>I</italic><italic>, where</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and all other entries are</italic><italic>0</italic><italic>. One can verify that</italic><italic>U</italic><italic>is a semiring, called the infinite</italic><italic>-</italic><italic>dimensional Boolean matrix semiring.</italic></p>
      <p><italic>Take four matrices in</italic><italic>U</italic><italic>:</italic></p>
      <disp-formula id="FD36">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>j</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>where</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>and all other entries are</mml:mtext>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mo>;</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>B</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>j</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>where</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>and all other entries are</mml:mtext>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mo>;</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>C</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>j</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>where</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>and all other entries are</mml:mtext>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mo>;</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mi>j</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>where</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>and all other entries are</mml:mtext>
                <mml:mn>0.</mml:mn>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>We have</italic></p>
      <disp-formula id="FD37">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mi>C</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>I</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>B</mml:mi>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>I</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>O</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>B</mml:mi>
            <mml:mi>C</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>O</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>This shows that the infinite</italic><italic>-</italic><italic>dimensional Boolean matrix semiring</italic><italic>U</italic><italic>is also a semiring satisfying the conditions.</italic></p>
      <p>The quotient semiring we constructed is an abstract construction based on the existence provided by the universal property. It is an infinite semiring, so we cannot write down an exhaustive list of its elements. In contrast to finite semirings, for the infinite quotient semiring <italic>S</italic>, the map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ↦ </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is surjective but not injective. There may exist two distinct elements <italic>d</italic> and <italic>bc</italic> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This does not force <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>By Proposition 3.2, the vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a basis of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . But is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> a free basis of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ?</p>
      <p><bold>Theorem 3.8</bold><italic>Let</italic><italic>S</italic><italic>be a semiring, and suppose that there exist elements</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>in</italic><italic>S</italic><italic>such that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. In the</italic><italic>semimodule</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, if</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>such that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, then</italic><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a free basis of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>Proof.</italic> Suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfy <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>i.e.</italic></p>
      <disp-formula id="FD38">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr columnalign="left">
                    <mml:mtd columnalign="left">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mi>c</mml:mi>
                        <mml:mo>=</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mi>c</mml:mi>
                        <mml:mo>
                        </mml:mo>
                        <mml:mo>
                        </mml:mo>
                        <mml:mo>
                        </mml:mo>
                        <mml:mo>
                        </mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd columnalign="left">
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr columnalign="left">
                    <mml:mtd columnalign="left">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                        <mml:mo>=</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                        <mml:mo>
                        </mml:mo>
                        <mml:mo>
                        </mml:mo>
                        <mml:mo>
                        </mml:mo>
                        <mml:mo>
                        </mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd columnalign="left">
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Multiply both sides of (1) on the right by <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> to obtain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Multiply both sides of (2) on the right by <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> to obtain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Add the two equalities and then multiply both sides on the right by <inline-formula><mml:math><mml:mi> w </mml:mi></mml:math></inline-formula> : </p>
      <disp-formula id="FD39">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>c</mml:mi>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mi>v</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>c</mml:mi>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mi>v</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>w</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> s </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a free basis. </p>
      <p><bold>Theo</bold><bold>rem 3.9</bold><italic>Let</italic><italic>S</italic><italic>be a semiring, and suppose that there exist elements</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>in</italic><italic>S</italic><italic>such that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. In the</italic><italic>semimodule</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>,</italic><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a free basis of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>if</italic><italic>and only if</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>Proof.</italic> Consider <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We compute: </p>
      <disp-formula id="FD40">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>T</mml:mtext>
                </mml:msup>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>c</mml:mi>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>T</mml:mtext>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>c</mml:mi>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mi>b</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>c</mml:mi>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mi>b</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>T</mml:mtext>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mi>c</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>b</mml:mi>
                          <mml:mi>c</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>b</mml:mi>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>T</mml:mtext>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>T</mml:mtext>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>T</mml:mtext>
                </mml:msup>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the condition of Proposition 3.8 is satisfied, so <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a free basis of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , there exist distinct elements <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and 1 such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . That is, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> admits at least two distinct representations. Therefore <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not a free basis of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>It should be noted that if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then there do not exist <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfying <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; otherwise we would get a contradiction to the fact that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not a free basis.</p>
      <p>In our constructed quotient semiring <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , one cannot deduce <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the given hypotheses. Thus in general <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a non-free basis of cardinality one. Nevertheless, the following example shows that semirings with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> also exist.</p>
      <p><bold>Example 3.10</bold><italic>In the relation semiring</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> Rel </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>from Example</italic>3.7<italic>, we have</italic></p>
      <disp-formula id="FD41">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>c</mml:mi>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>;</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Here</italic><italic>ca</italic><italic>is the identity relation on even numbers and</italic><italic>db</italic><italic>is the identity relation on odd numbers. Hence</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, so</italic><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a free basis of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>Now within</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> Rel </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, set</italic></p>
      <disp-formula id="FD42">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr columnalign="left">
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>{</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mn>3</mml:mn>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>∈</mml:mo>
                        <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>}</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>{</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mn>3</mml:mn>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>∈</mml:mo>
                        <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>}</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr columnalign="left">
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>{</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>3</mml:mn>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>∈</mml:mo>
                        <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>}</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
                <mml:mtd columnalign="left">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>{</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>3</mml:mn>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>∈</mml:mo>
                        <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>}</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>.</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>One can easily verify that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Consequently, for every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>, we have</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Moreover,</italic></p>
      <disp-formula id="FD43">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:msup>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>;</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msup>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:msup>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Thus</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> F </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>(since</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is not contained in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>). Therefore</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is not a free basis of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>.</italic></p>
      <p><italic>This illustrates that the</italic><italic>semimodule</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>over the relation semiring</italic><italic>F</italic><italic>possesses both free bases of cardinality one and non</italic><italic>-</italic><italic>free bases of cardinality one.</italic></p>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. Conclusions</title>
      <p>This paper investigates when the semimodule <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> admits a singleton basis. We characterize necessary-and-sufficient conditions on <italic>S</italic> and prove that such semirings must be infinite. Constructing a congruence over the free semiring generated by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields an infinite quotient semiring, whose non-triviality is confirmed via the relation semiring <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Rel </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We also obtain the criterion that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a free basis of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if and only if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Our examples show that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over a fixed semiring may possess both free and non-free singleton bases.</p>
      <p>For commutative semirings, free semimodules have free bases of fixed cardinality, and every minimal generating set is a free basis. These properties fail in the non-commutative setting: one semimodule can simultaneously carry a cardinality-2 free basis and a cardinality-1 basis, so ordinary singleton bases must be distinguished from free ones. This reveals essential distinctions among ring-module theory, commutative-semiring semimodule theory and non-commutative-semiring semimodule theory, and our results enrich the basis theory for non-commutative semimodules. Future work may consider free semimodules whose free basis has cardinality <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and explore conditions for the existence of bases with different cardinalities in higher-dimensional cases.</p>
    </sec>
    <sec id="sec5">
      <title>Acknowledgements</title>
      <p>Sincere thanks to the members of JAMP for their professional performance, and special thanks to managing editor Emily Lee for a rare attitude of high quality. </p>
    </sec>
    <sec id="sec6">
      <title>Author Contributions</title>
      <p>Conceptualization, Li J. and Zhang X.J.; methodology, Li J.; validation, Li J. and Zhang X.J.; formal analysis, Li J.; investigation, Li J.; writing—original draft preparation, Li J.; writing—review and editing, Li J. and Zhang X.J.; visualization, Li J.; supervision, Li J.; project administration, Li J. and Zhang X.J. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript. </p>
    </sec>
    <sec id="sec7">
      <title>Funding</title>
      <p>Sponsored by the Mathematics and Finance Research Center, Key Research Base of the Social Science Federation of Dazhou City (Grant Nos. SCMF202308, SCMF202310).</p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Vandiver, H.S. (1934) Note on a Simple Type of Algebra in Which the Cancellation Law of Addition Does Not Hold. <italic>Bulletin</italic><italic>of</italic><italic>the</italic><italic>American</italic><italic>Mathematical</italic><italic>Society</italic>, 40, 914-920. https://doi.org/10.1090/s0002-9904-1934-06003-8 <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/s0002-9904-1934-06003-8</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1090/s0002-9904-1934-06003-8">https://doi.org/10.1090/s0002-9904-1934-06003-8</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Vandiver, H.S.</string-name>
            </person-group>
            <year>1934</year>
            <article-title>Note on a Simple Type of Algebra in Which the Cancellation Law of Addition Does Not Hold</article-title>
            <source>Bulletin of the American Mathematical Society</source>
            <volume>40</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/s0002-9904-1934-06003-8</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Butkovič, P. (2003) Max-Algebra: The Linear Algebra of Combinatorics? <italic>Linear</italic><italic>Algebra</italic><italic>and</italic><italic>Its</italic><italic>Applications</italic>, 367, 313-335. https://doi.org/10.1016/s0024-3795(02)00655-9 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0024-3795(02)00655-9</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/s0024-3795(02)00655-9">https://doi.org/10.1016/s0024-3795(02)00655-9</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <year>2003</year>
            <article-title>Max-Algebra: The Linear Algebra of Combinatorics? Linear Algebra and Its Applications, 367, 313-335</article-title>
            <volume>3795</volume>
            <issue>02</issue>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0024-3795(02)00655-9</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Cuninghame-Green R.A. (1976) Minimax Algebra. Springer, 166 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-48708-8 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-642-48708-8</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-3-642-48708-8">https://doi.org/10.1007/978-3-642-48708-8</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <year>1976</year>
            <article-title>Minimax Algebra</article-title>
            <source>Springer</source>
            <volume>166</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-642-48708-8</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Di Nola, A., Lettieri, A., Perfilieva, I. and Novák, V. (2007) Algebraic Analysis of Fuzzy Systems. <italic>Fuzzy</italic><italic>Sets</italic><italic>and</italic><italic>Systems</italic>, 158, 1-22. https://doi.org/10.1016/j.fss.2006.09.003 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.fss.2006.09.003</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.fss.2006.09.003">https://doi.org/10.1016/j.fss.2006.09.003</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Nola, A.</string-name>
              <string-name>Lettieri, A.</string-name>
              <string-name>Perfilieva, I.</string-name>
            </person-group>
            <year>2007</year>
            <article-title>Algebraic Analysis of Fuzzy Systems</article-title>
            <source>Fuzzy Sets and Systems</source>
            <volume>158</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.fss.2006.09.003</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Wang, X.P. and Shu, Q.Y. (2014) The Bideterminants of Matrices over Semirings. <italic>Soft</italic><italic>Computing</italic>, 18, 729-742. https://doi.org/10.1007/s00500-013-1163-y <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00500-013-1163-y</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00500-013-1163-y">https://doi.org/10.1007/s00500-013-1163-y</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Wang, X.P.</string-name>
              <string-name>Shu, Q.Y.</string-name>
            </person-group>
            <year>2014</year>
            <article-title>The Bideterminants of Matrices over Semirings</article-title>
            <source>Soft Computing</source>
            <volume>18</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00500-013-1163-y</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Shu, Q.Y. and Wang, X.P. (2014) The Cardinality of Bases in Semilinear Spaces over Commutative Semirings. <italic>Linear</italic><italic>Algebra</italic><italic>and</italic><italic>Its</italic><italic>Applications</italic>, 459, 83-100. https://doi.org/10.1016/j.laa.2014.06.049 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.laa.2014.06.049</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.laa.2014.06.049">https://doi.org/10.1016/j.laa.2014.06.049</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Shu, Q.Y.</string-name>
              <string-name>Wang, X.P.</string-name>
            </person-group>
            <year>2014</year>
            <article-title>The Cardinality of Bases in Semilinear Spaces over Commutative Semirings</article-title>
            <source>Linear Algebra and Its Applications</source>
            <volume>459</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.laa.2014.06.049</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Tan, Y.J. (2014) Bases in Semimodules over Commutative Semirings. <italic>Linear</italic><italic>Algebra</italic><italic>and</italic><italic>Its</italic><italic>Applications</italic>, 443, 139-152. https://doi.org/10.1016/j.laa.2013.11.024 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.laa.2013.11.024</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.laa.2013.11.024">https://doi.org/10.1016/j.laa.2013.11.024</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Tan, Y.J.</string-name>
            </person-group>
            <year>2014</year>
            <article-title>Bases in Semimodules over Commutative Semirings</article-title>
            <source>Linear Algebra and Its Applications</source>
            <volume>443</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.laa.2013.11.024</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Tan, Y.J. (2016) Free Sets and Free Subsemimodules in a Semimodule. <italic>Linear</italic><italic>Algebra</italic><italic>and</italic><italic>Its</italic><italic>Applications</italic>, 496, 527-548. https://doi.org/10.1016/j.laa.2016.02.006 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.laa.2016.02.006</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.laa.2016.02.006">https://doi.org/10.1016/j.laa.2016.02.006</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Tan, Y.J.</string-name>
            </person-group>
            <year>2016</year>
            <article-title>Free Sets and Free Subsemimodules in a Semimodule</article-title>
            <source>Linear Algebra and Its Applications</source>
            <volume>496</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.laa.2016.02.006</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Shu, Q.Y. (2025) The Semimodule Type and Least Cardinality of a Free Semimodule over Semiring. <italic>Algebra</italic><italic>Colloquium</italic>, 32, 399-410. https://doi.org/10.1142/s100538672500029x <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s100538672500029x</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1142/s100538672500029x">https://doi.org/10.1142/s100538672500029x</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Shu, Q.Y.</string-name>
            </person-group>
            <year>2025</year>
            <article-title>The Semimodule Type and Least Cardinality of a Free Semimodule over Semiring</article-title>
            <source>Algebra Colloquium</source>
            <volume>32</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s100538672500029x</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Shu, Q.Y. and Wang, X.P. (2025) The Semirings with Invariant Basis Numbers. <italic>Acta</italic><italic>Mathematica</italic><italic>Sinica</italic>, <italic>English</italic><italic>Series</italic>, 41, 1565-1579. https://doi.org/10.1007/s10114-025-3155-0 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10114-025-3155-0</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10114-025-3155-0">https://doi.org/10.1007/s10114-025-3155-0</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Shu, Q.Y.</string-name>
              <string-name>Wang, X.P.</string-name>
              <string-name>Sinica, E</string-name>
            </person-group>
            <year>2025</year>
            <article-title>The Semirings with Invariant Basis Numbers</article-title>
            <source>Acta Mathematica Sinica</source>
            <volume>41</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10114-025-3155-0</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Golan J.S. (1999) Semirings and Their Applications. Kluwer Academic Publishers. https://doi.org/10.1007/978-94-015-9333-5 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-94-015-9333-5</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-94-015-9333-5">https://doi.org/10.1007/978-94-015-9333-5</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <year>1999</year>
            <article-title>Semirings and Their Applications</article-title>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-94-015-9333-5</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B12">
        <label>12.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Shu, Q.Y. and Wang, X.P. (2011) Bases in Semilinear Spaces over Zerosumfree Semirings. <italic>Linear</italic><italic>Algebra</italic><italic>and</italic><italic>Its</italic><italic>Applications</italic>, 435, 2681-2692. https://doi.org/10.1016/j.laa.2011.04.024 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.laa.2011.04.024</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.laa.2011.04.024">https://doi.org/10.1016/j.laa.2011.04.024</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Shu, Q.Y.</string-name>
              <string-name>Wang, X.P.</string-name>
            </person-group>
            <year>2011</year>
            <article-title>Bases in Semilinear Spaces over Zerosumfree Semirings</article-title>
            <source>Linear Algebra and Its Applications</source>
            <volume>435</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.laa.2011.04.024</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>