這是大一下離散數學筆記的最後一章。圖論等知識在大二上教授。
第四章 代數結構
4.1.前言
4.1.1.本章概述
4.2.代數系統
4.2.1.運算
運算的定義
設A是一個集合,A × A A\times A A × A 到A A A 上的映射爲A上的二元運算。一般地,A n A^n A n 到A的映射爲A A A 上的n元運算。
記運算結果爲f ( < x 1 , x 2 … … x n > ) f(<x_1,x_2……x_n>) f ( < x 1 , x 2 … … x n > ) ,或簡記爲f ( x 1 , x 2 … … x n ) f(x_1,x_2……x_n) f ( x 1 , x 2 … … x n ) 。
在之後的討論中,默認運算都是二元運算。
運算的封閉性
對於集合 A A A ,一個從 A n A^n A n 到 B B B 的映射,稱爲集合 A A A 上的 一個 n n n 元運算 。如果 B ⊆ A B\subseteq A B ⊆ A ,則稱該 n n n 元運算是封閉的 。
也就是說,∀ x 1 , x 2 , … … x n ∈ S \forall x_1,x_2,……x_n \in S ∀ x 1 , x 2 , … … x n ∈ S ,恆有f ( x 1 , x 2 , … … , x n ) ∈ S f(x_1,x_2,……,x_n)\in S f ( x 1 , x 2 , … … , x n ) ∈ S ,則稱集合S S S 對運算f f f 封閉。
比如,自然數集對實數集上的減法不封閉。
運算律
交換律
設 ∗ * ∗ 是定義在集合 A A A 上的二元運算,如果對於任意的 x , y ∈ A x,y\in A x , y ∈ A ,都有 x ∗ y = y ∗ x x*y=y*x x ∗ y = y ∗ x ,則稱二元運算 ∗ * ∗ 在 A A A 上是可交換的 。
結合律
設 ∗ * ∗ 是定義在集合 A A A 上的二元運算,如果對於任意的 x , y , z ∈ A x,y,z\in A x , y , z ∈ A ,都有 ( x ∗ y ) ∗ z = x ∗ ( y ∗ z ) (x*y)*z=x*(y*z) ( x ∗ y ) ∗ z = x ∗ ( y ∗ z ) ,則稱二元運算 ∗ * ∗ 在 A A A 上是可結合的 。
分配律
設 ∗ , △ *,\triangle ∗ , △ 是定義在集合 A A A 上的二元運算,如果對於任意的 x , y , z ∈ A x,y,z\in A x , y , z ∈ A ,都有
x ∗ ( y △ z ) = ( x ∗ y ) △ ( x ∗ z ) ( 1 ) ( y △ z ) ∗ x = ( y ∗ x ) △ ( z ∗ x ) ( 2 ) x*(y\triangle z)=(x*y)\triangle(x*z)(1)\\(y\triangle z)*x=(y* x)\triangle(z*x)(2) x ∗ ( y △ z ) = ( x ∗ y ) △ ( x ∗ z ) ( 1 ) ( y △ z ) ∗ x = ( y ∗ x ) △ ( z ∗ x ) ( 2 )
則稱運算 ∗ * ∗ 對於運算 △ \triangle △ 是可分配的 。
若僅有(1)稱運算 ∗ * ∗ 對於運算 △ \triangle △ 是左可分配 。
若僅有(2)稱運算 ∗ * ∗ 對於運算 △ \triangle △ 是右可分配 。
消去律
設 ∗ * ∗ 是定義在集合 A A A 上的二元運算,如果對於任意的 x , y , z ∈ A x,y,z\in A x , y , z ∈ A ,都有
i f x ∗ y = x ∗ z , t h e n y = z i f y ∗ x = z ∗ x , t h e n y = z if \,\ x*y=x*z,then \,\ y=z \\ if \,\ y*x = z*x,then \,\ y=z i f x ∗ y = x ∗ z , t h e n y = z i f y ∗ x = z ∗ x , t h e n y = z
則稱∗ * ∗ 滿足消去律。
類似的有左消去律 ,右消去律 。
吸收律
設 ∗ , △ *,\triangle ∗ , △ 是定義在集合 A A A 上的兩個可交換的二元運算,如果對於任意的 x , y ∈ A x,y\in A x , y ∈ A ,都有
x ∗ ( x △ y ) = x x △ ( x ∗ y ) = x
x*(x\triangle y)=x\\x\triangle (x*y)=x
x ∗ ( x △ y ) = x x △ ( x ∗ y ) = x
則稱運算 ∗ * ∗ 和運算 △ \triangle △ 滿足吸收律 。
運算表
設A = { a 1 , a 2 , … … a n } A=\{a_1,a_2,……a_n \} A = { a 1 , a 2 , … … a n } , ∗ * ∗ 爲A A A 上的運算,
則下表爲∗ * ∗ 上的運算表。
4.2.2.代數系統
定義
一個非空集合 A A A 連同若干個定義在該集合上的運算 f 1 , f 2 , ⋯ , f k f_1,f_2,\cdots,f_k f 1 , f 2 , ⋯ , f k 所組成的系統就稱爲一個代數系統 ,記作 ⟨ A , f 1 , f 2 , ⋯ , f k ⟩ \langle A,f_1,f_2,\cdots,f_k\rangle ⟨ A , f 1 , f 2 , ⋯ , f k ⟩ 。
一般要求運算的封閉性。
子代數
設< A , ∗ > <A,*> < A , ∗ > 是一個代數系統,S ⊆ A S \subseteq A S ⊆ A ,如果S S S 對∗ * ∗ 封閉,則稱,< S , ∗ > <S,*> < S , ∗ > 爲< A , ∗ > <A,*> < A , ∗ > 的子代數。
單位元
定義:
設 ∗ * ∗ 是定義在集合 A A A 上的一個二元運算,如果有一個元素 e l ∈ A e_l\in A e l ∈ A ,對於任意的元素 x ∈ A x\in A x ∈ A 都有 e l ∗ x = x e_l*x=x e l ∗ x = x ,則稱 e l e_l e l 爲 A A A 中關於運算 ∗ * ∗ 的左單位元 ;如果有一個元素 e r ∈ A e_r\in A e r ∈ A ,對於任意的元素 x ∈ A x\in A x ∈ A 都有 x ∗ e r = x x*e_r=x x ∗ e r = x ,則稱 e r e_r e r 爲 A A A 中關於運算 ∗ * ∗ 的右單位元 ;如果 A A A 中的一個元素 e e e ,它既是左單位元又是右單位元,則稱 e e e 爲 A A A 中關於運算 ∗ * ∗ 的單位元 。
定理1
設 ∗ * ∗ 是定義在集合 A A A 上的一個二元運算,且在 A A A 中有關於運算 ∗ * ∗ 的左單位元 e l e_l e l 和右單位元 e r e_r e r ,則 e l = e r = e e_l=e_r=e e l = e r = e 。
定理2
A A A 中的單位元若存在,必唯一。
逆元
定義:
設代數系統 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,* \rangle ⟨ A , ∗ ⟩ ,這裏 ∗ * ∗ 是定義在 A A A 上的一個二元運算,且 e e e 是 A A A 中關於運算 ∗ * ∗ 的單位元。如果對於 A A A 中的一個元素 a a a 存在着 A A A 中的某個元素 b b b ,使得 b ∗ a = e b*a=e b ∗ a = e ,那麼稱 b b b 爲 a a a 的左逆元 ;如果 a ∗ b = e a*b=e a ∗ b = e 成立,那麼稱 b b b 爲 a a a 的右逆元 ;如果一個元素 b b b ,它既是 a a a 的左逆元又是 a a a 的右逆元,那麼就稱 b b b 是 a a a 的逆元 。記一個元素 x x x 的逆元爲 x − 1 x^{-1} x − 1 。
由定義發現,逆元的定義依賴於單位元。
定理1:
單位元必可逆。
定理2:
設代數系統 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,* \rangle ⟨ A , ∗ ⟩ ,這裏 ∗ * ∗ 是定義在 A A A 上的一個二元運算, A A A 中存在單位元 e e e ,且每一個元素都有左逆元。如果 ∗ * ∗ 是可結合的運算 ,那麼,這個代數系統中任何一個元素的左逆元必定也是該元素的右逆元,且每個元素的逆元是唯一的。
之所以強調∗ * ∗ 滿足結合律,請看證明:
證明:
設 a , b , c ∈ A a,b,c\in A a , b , c ∈ A ,且 b b b 是 a a a 的左逆元, c c c 是 b b b 的左逆元,則 e = c ∗ b = c ∗ ( ( b ∗ a ) ∗ b ) = ( ( c ∗ b ) ∗ a ) ∗ b = a ∗ b e=c*b=c*((b*a)*b)=((c*b)*a)*b=a*b e = c ∗ b = c ∗ ( ( b ∗ a ) ∗ b ) = ( ( c ∗ b ) ∗ a ) ∗ b = a ∗ b ,因此 b b b 也是 a a a 的右逆元。
設元素 a a a 有兩個逆元 b , c b,c b , c ,那麼 b = b ∗ e = b ∗ ( a ∗ c ) = ( b ∗ a ) ∗ c = c b=b*e=b*(a*c)=(b*a)*c=c b = b ∗ e = b ∗ ( a ∗ c ) = ( b ∗ a ) ∗ c = c ,因此, a a a 的逆元是唯一的。
冪等元
設代數系統 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,* \rangle ⟨ A , ∗ ⟩ ,如果a ∈ A a\in A a ∈ A ,滿足a ∗ a = a a*a=a a ∗ a = a ,稱a a a 爲A A A 的冪等元。
4.2.3.同態與同構
同態的定義
設 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 和 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,*\rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 是兩個代數系統, ★ \bigstar ★ 和 ∗ * ∗ 分別是 A A A 和 B B B 上的二( n n n )元運算,設 f f f 是從 A A A 到 B B B 的一個映射,使得對任意的 a 1 , a 2 ∈ A a_1,a_2\in A a 1 , a 2 ∈ A ,有 f ( a 1 ★ a 2 ) = f ( a 1 ) ∗ f ( a 2 ) f(a_1\bigstar a_2)=f(a_1)*f(a_2) f ( a 1 ★ a 2 ) = f ( a 1 ) ∗ f ( a 2 ) ,則稱 f f f 爲由 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 到 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,*\rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 的一個同態映射 (也稱f f f 保持運算 ),稱 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 同態於 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,*\rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 。把 ⟨ f ( A ) , ∗ ⟩ \langle f(A),*\rangle ⟨ f ( A ) , ∗ ⟩ 稱爲 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 的一個同態象 。其中 f ( A ) = { x ∣ x = f ( a ) , a ∈ A } ⊆ B f(A)=\{x\vert x=f(a),a\in A\}\subseteq B f ( A ) = { x ∣ x = f ( a ) , a ∈ A } ⊆ B 。
同態 實質上是一個映射或函數f f f 。
滿同態
設 f f f 是由 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 到 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,*\rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 的一個同態,如果 f f f 是從 A A A 到 B B B 的一個滿射,則 f f f 稱爲滿同態 ,記爲:記作 A ∼ B A\sim B A ∼ B ;
單同態
如果 f f f 是從 A A A 到 B B B 的一個入射,則 f f f 稱爲單同態 ;
同構映射
如果 f f f 是從 A A A 到 B B B 的一個雙射,則 f f f 稱爲同構映射 ,並稱 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 和 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,*\rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 是同構 的,記作 A ≅ B A\cong B A ≅ B 。
自同態
設 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,*\rangle ⟨ A , ∗ ⟩ 是一個代數系統,如果 f f f 是由 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,*\rangle ⟨ A , ∗ ⟩ 到 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,*\rangle ⟨ A , ∗ ⟩ 的同態,則稱 f f f 爲自同態 。如果 g g g 是由 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,*\rangle ⟨ A , ∗ ⟩ 到 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,*\rangle ⟨ A , ∗ ⟩ 的同構,則稱 f f f 爲自同構 。
一些定理
設f 、 g f、g f 、 g 是兩個同態,當f 、 g f、g f 、 g 都爲單同態、滿同態、同構時,g ∘ f g\circ f g ∘ f 也分別是單同態、滿同態、同構。
同構映射的逆映射仍是保持運算的雙射。
滿同態保持結合律。
滿同態保持交換律。
滿同態保持單位元。
滿同態保持逆元。
同態保持冪等元。
4.2.4.直積
代數系統的直積
設代數系統< A , ∗ > , < B , ∘ > <A,*>,<B,\circ > < A , ∗ > , < B , ∘ > ,這兩個代數系統的直積定義爲爲一個新的代數系統< A × B , △ > <A\times B,\triangle > < A × B , △ > ,
其中A × B A\times B A × B 即爲A 、 B A、B A 、 B 的笛卡爾積,△ \triangle △ 定義如下:
∀ < x , y > , < u , v > ∈ A × B , < x , y > △ < u , v > = < x ∗ u , y ∘ v > \forall <x,y>,<u,v> \in A\times B,<x,y>\triangle<u,v> =<x*u,y\circ v> ∀ < x , y > , < u , v > ∈ A × B , < x , y > △ < u , v > = < x ∗ u , y ∘ v >
一個重要的定理
……
4.3.羣
4.3.1.半羣
半羣
一個代數系統 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ ,其中 S S S 是非空集合, ∗ * ∗ 是S S S 上的二元運算,如果運算:
運算 ∗ * ∗ 滿足結合律。 則稱代數系統 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 爲半羣 。
子半羣
設 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 是一個半羣, B ⊆ S B\subseteq S B ⊆ S 且 ∗ * ∗ 在 B B B 上是封閉的,那麼 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,* \rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 也是一個半羣。通常稱 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,* \rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 是半羣 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 的子半羣 。
幺半羣
若一個半羣裏有單位元,則此半羣稱爲幺半羣、1半羣、獨異點
子幺半羣
設S S S 是幺半羣 ,若T T T 是S的子半羣 ,且S S S 的單位元e ∈ T e\in T e ∈ T (單位元用一個 ),則稱T T T 是S S S 的子幺半羣 。
4.3.2.羣的概念以及基本性質
羣的定義
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個代數系統,其中 G G G 是非空集合, ∗ * ∗ 是 G G G 上的二元運算,如果
(1)運算 ∗ * ∗ 是可結合 的。
(2)存在單位元 e e e 。
(3)對於每一個元素 x ∈ G x\in G x ∈ G ,存在着它的逆元 x − 1 x^{-1} x − 1 。
則稱 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個羣 。
換言之:
幺半羣+元素逆元 == 羣
羣的階數
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是羣。如果 G G G 是有限集,那麼稱 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 爲有限羣 , G G G 中元素的個數通常稱爲該有限集的階數 ,記爲 ∣ G ∣ \vert G \vert ∣ G ∣ ;如果 G G G 是無限集,則稱 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 爲無限羣 。
注意:與集合的元素的個數爲基數 的區別。
Abel羣
如果羣 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 中的運算 ∗ * ∗ 是可交換的,則稱該羣爲阿貝爾羣 ,或稱交換羣 。
要小心:
對於Abel羣 ,纔有( a b ) n = a n b n (ab)^n=a^nb^n ( a b ) n = a n b n ;
對於一般的羣,運算的交換律不一定成立。
羣中必滿足消去律
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個羣,對於任意的 a , b , c ∈ G a,b,c\in G a , b , c ∈ G ,如果有 a ∗ b = a ∗ c a*b=a*c a ∗ b = a ∗ c 或者 b ∗ a = c ∗ a b*a=c*a b ∗ a = c ∗ a ,則必有 b = c b=c b = c (消去律 )。
冪等元唯一存在
單位元e e e 是G中唯一冪等元。
設< G , ∗ > . < H , ∘ > <G,*>.<H,\circ> < G , ∗ > . < H , ∘ > 是羣,f f f 是G G G 到H H H 的同態,若e e e 是G G G 中的單位元,那麼f ( e ) f(e) f ( e ) 是H H H 的單位元,且∀ a ∈ G \forall a\in G ∀ a ∈ G ,有f ( a ) − 1 = f ( a − 1 ) f(a)^{-1}=f(a^{-1}) f ( a ) − 1 = f ( a − 1 ) 。
簡證:
f ( e ) = f ( e ∗ e ) = f ( e ) ∘ f ( e ) f(e)=f(e*e)=f(e)\circ f(e) f ( e ) = f ( e ∗ e ) = f ( e ) ∘ f ( e ) ,所以f ( e ) f(e) f ( e ) 是冪等元,又由冪等元的唯一性知,f ( e ) f(e) f ( e ) 是單位元。
注意:逆元的證明需要證明左逆元、右逆元。
f ( e ) = f ( a ∗ a − 1 ) = f ( a ) ∘ f ( a − 1 ) f(e)=f(a*a^{-1})=f(a)\circ f(a^{-1}) f ( e ) = f ( a ∗ a − 1 ) = f ( a ) ∘ f ( a − 1 )
f ( e ) = f ( a − 1 ∗ a ) = f ( a − 1 ) ∘ f ( a ) f(e)=f(a^{-1}*a)=f(a^{-1})\circ f(a) f ( e ) = f ( a − 1 ∗ a ) = f ( a − 1 ) ∘ f ( a )
羣的判定定理
設< G , ∗ > 是 羣 , < H , ∘ > <G,*>是羣,<H,\circ> < G , ∗ > 是 羣 , < H , ∘ > 是任意代數系統,若存在G到H的滿同態 ,則< H , ∘ > <H,\circ> < H , ∘ > 必爲羣。
注意:
滿同態保持結合律,單位元,逆元。
自然G是羣,H也是羣。
半羣到羣的判定定理(i)
設< G , ∗ > <G,*> < G , ∗ > 是一個半羣,且
(i) G中有一左單位元e ,使得∀ a ∈ G , e a = a \forall a\in G,ea=a ∀ a ∈ G , e a = a ;
(ii) G中有一”左逆元“,a − 1 , s . t . a − 1 a = e a^{-1},s.t.\,\ a^{-1}a=e a − 1 , s . t . a − 1 a = e 。
證明思路:
(i) “左逆元"也是"右逆元”。
(ii) 左單位元也是右單位元。
半羣到羣的判定定理(ii)
設< G , ∗ > <G,*> < G , ∗ > 是半羣,如果∀ a , b ∈ G \forall a,b\in G ∀ a , b ∈ G ,方程在G G G 中總有解,a x = b , y a = b ax =b, ya=b a x = b , y a = b 則G是羣。
半羣到羣的判定定理(iii)
有限半羣 ,如果消去律 成立,則必爲羣。
4.3.3.子羣
子羣的定義
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個羣, S S S 是 G G G 的非空子集,如果 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 也構成羣 ,則稱 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 是 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 的一個子羣 。
定理1
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個羣, ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 是 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 的一個子羣,
那麼 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 中單位元 e e e 必定也是 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 中的單位元。
對於a ∈ H , a a\in H ,a a ∈ H , a 在H中的逆元a ′ a^{'} a ′ 就是在a在G中的逆元a − 1 a^{-1} a − 1
子集的判定定理與性質定理
設H H H 是羣< G , ∗ > <G,*> < G , ∗ > 的非空子集,則H H H 是G G G 的子羣,當且僅當 :
(i)∀ a , b ∈ H , a ∗ b ∈ H \forall a,b \in H ,a*b\in H ∀ a , b ∈ H , a ∗ b ∈ H (運算的封閉性)
(ii)∀ a ∈ H , a \forall a \in H,a ∀ a ∈ H , a 在G G G 中的逆元a − 1 ∈ H a^{-1}\in H a − 1 ∈ H (逆元是同一個)
推論
設< G , ∗ > <G,*> < G , ∗ > 爲羣,S S S 是G G G 的非空子集,則
S 是 G 的 子 羣 ≡ ∀ a , b ∈ S , a ∗ b − 1 ∈ S S是G的子羣\equiv \forall a,b\in S,a*b^{-1}\in S S 是 G 的 子 羣 ≡ ∀ a , b ∈ S , a ∗ b − 1 ∈ S
羣中的指數律
a m ∗ a n = a m + n a^m*a^n=a^{m+n} a m ∗ a n = a m + n
( a m ) n = a m n (a^m)^n=a^{mn} ( a m ) n = a m n
循環子羣
設G是子羣,a ∈ G a\in G a ∈ G ,令( a ) = { a i ∣ i ∈ Z } (a)=\{a^i|i\in Z\} ( a ) = { a i ∣ i ∈ Z } ,
則( a ) (a) ( a ) 是G的子羣,稱爲由a a a 生成的循環子羣。
a稱爲生成元。
證明:
(i)首先( a ) (a) ( a ) 非空
(ii)其次( a ) (a) ( a ) 運算封閉(∀ a i , a j ∈ ( a ) , a i a j = a i + j ∈ ( a ) \forall a^i,a^j \in (a),a^ia^j=a^{i+j}\in (a) ∀ a i , a j ∈ ( a ) , a i a j = a i + j ∈ ( a ) )
(iii)其次
羣的週期
設G G G 是羣,a ∈ G a\in G a ∈ G ,若存在正整數n n n ,使a n = e a^n=e a n = e ,則將滿足該條件的最小正整數n 稱爲a的週期(階);
若這樣的n n n 不存在,則稱a a a 的週期爲∞ ∞ ∞ ,
∣ a ∣ = ∣ ( a ) ∣ |a|=|(a)| ∣ a ∣ = ∣ ( a ) ∣
即a a a 的週期等於a生成的循環子羣的基數 (集合元素的個數);
若a a a 的週期爲n < ∞ n<∞ n < ∞ ,則
a m = e ≡ n ∣ m a^{m}=e\equiv n|m a m = e ≡ n ∣ m
推論
設G G G 爲羣,a ∈ G a\in G a ∈ G ,若a a a 週期爲n n n (或等價地說(a)的階爲),則
$$( a ) = { a 0 , a 1 , … … . a n − 1 } (a)=\{a^0,a^1,…….a^{n-1}\} ( a ) = { a 0 , a 1 , … … . a n − 1 }
4.3.4.循環羣
是G G G 是一個羣,如果∃ a ∈ G \exists a\in G ∃ a ∈ G ,使得G = ( a ) = { a i ∣ i ∈ Z } G=(a)= \{ a^i | i\in Z \} G = ( a ) = { a i ∣ i ∈ Z } ,稱G G G 是由a生成的循環羣,a稱爲其生成元。
G 是 由 a 生 成 的 循 環 羣 ≡ ∀ x ∈ G , ∃ i ∈ Z , 使 x = a i G是由a生成的循環羣\equiv \forall x \in G,\exists i\in Z,使x=a^i G 是 由 a 生 成 的 循 環 羣 ≡ ∀ x ∈ G , ∃ i ∈ Z , 使 x = a i
定理 1
設< G , ∗ > <G,*> < G , ∗ > 是一個循環羣,
若G G G 是無限羣,則< G , ∗ > ≅ < Z , + > <G,*>\cong <Z,+> < G , ∗ > ≅ < Z , + > ;
若G G G 是n n n 階羣,則< G , ∗ > ≅ < Z n , + n > <G,*>\cong <Z_n,+_n> < G , ∗ > ≅ < Z n , + n > ;
證明:
(1)設G G G 是一個無限循環羣,不妨設a a a 爲其生成元,
令f : Z — — > G f:Z ——> G f : Z — — > G ,定義爲f ( i ) = a i , ∀ i ∈ Z 。 f(i) = a^i,\forall i \in Z。 f ( i ) = a i , ∀ i ∈ Z 。
則顯然f f f 爲滿射。
下證f f f 爲單射,∀ i , j ∈ G 若 f ( i ) = f ( j ) , \forall i,j \in G 若f(i)=f(j), ∀ i , j ∈ G 若 f ( i ) = f ( j ) , 即a i = a j , a^i=a^j, a i = a j , 假設i > j i>j i > j ,
有a i − j = e a^{i-j}=e a i − j = e ,這與G G G 是無限羣矛盾,所以f f f 爲雙射。
下證,f f f 保持運算,
∀ i , j ∈ Z , f ( i + j ) = a i + j = a i ∗ a j = f ( i ) ∗ f ( j ) \forall i,j \in Z,f(i+j)=a^{i+j}=a^i*a^j=f(i)*f(j) ∀ i , j ∈ Z , f ( i + j ) = a i + j = a i ∗ a j = f ( i ) ∗ f ( j )
。從而 < G , ∗ > ≅ < Z , + > <G,*>\cong <Z,+> < G , ∗ > ≅ < Z , + > ;
(2)設G G G 爲n n n 階循環羣,a a a 爲其生成元,a a a 的週期爲n,且
G = a 0 , a 1 … … a n − 1 G={a^0,a^1……a^{n-1}} G = a 0 , a 1 … … a n − 1
其中,a 0 , a 1 … … a n − 1 a^0,a^1……a^{n-1} a 0 , a 1 … … a n − 1 各不相同。
令f ( [ i ] ) = a i , ∀ [ i ] ∈ Z n f([i])=a^i,\forall [i]\in Z_n f ( [ i ] ) = a i , ∀ [ i ] ∈ Z n
定理2
循環羣的子羣 必爲循環羣。(不僅僅要求是子集)
證明:
設G G G 是由a a a 生成的循環羣,H是其子羣。
若H = a = e H ={a} = {e} H = a = e ,則H H H 是由e e e 生成的循環羣;
若
定理3 //很重要
設< G , ∗ > <G,*> < G , ∗ > 是n n n 階循環羣,m m m 是正整數,且m ∣ n m|n m ∣ n ,則G G G 中存在唯一一個m m m 階子羣。
4.4環與域
定義及基本性質
定義1
設< R , + , ∗ > <R,+,*> < R , + , ∗ > 是一個代數系統,其中,+ , ∗ +,* + , ∗ 均爲二元運算,如果
(I)< R , + > <R,+> < R , + > 是一個Abel羣
(2)< R , ∗ > <R,*> < R , ∗ > 是一個半羣 。
(3)∗ * ∗ 對+ + + 滿足分配律,即
a ∗ ( b + c ) = ( a ∗ b ) + a ∗ c ( b + c ) ∗ a = b ∗ a + c ∗ a a*(b+c) = (a*b)+a*c \\(b+c)*a=b*a+c*a a ∗ ( b + c ) = ( a ∗ b ) + a ∗ c ( b + c ) ∗ a = b ∗ a + c ∗ a
環的一些初步性質
設R R R 是一個環,在Abel羣< R , + > <R,+> < R , + > 中,單位元用0 0 0 表示,稱爲零元 ,a∈ R \in R ∈ R 在< R , + > <R,+> < R , + > 中的逆元用− a -a − a ,稱爲a a a 的負元 ,
並記m a = a + a + … … + a ma = a+a+……+a m a = a + a + … … + a 。
0 a = a 0 = 0 , ∀ a ∈ R 0a=a0=0,\forall a\in R 0 a = a 0 = 0 , ∀ a ∈ R
此處的0就是Abel羣中的零元。
a ( − b ) = ( − a ) b = − ( a b ) a(-b)=(-a)b=-(ab) a ( − b ) = ( − a ) b = − ( a b )
( − a ) ∗ ( − b ) = a b , ∀ a , b ∈ R (-a)*(-b)=ab,\forall a,b\in R ( − a ) ∗ ( − b ) = a b , ∀ a , b ∈ R
在環R中,a + ( − b ) a+(-b) a + ( − b ) 可以簡記爲a − b a-b a − b ,並把符號− - − 稱作做減法。
a ( b − c ) = a b − a c a(b-c)=ab-ac a ( b − c ) = a b − a c
在環< R , + , ∗ > <R,+,*> < R , + , ∗ > 中,若<R,*>爲幺半羣 ,則稱< R , ∗ > <R,*> < R , ∗ > 的單位元爲環R的單位元,通常用1 1 1 表示,這時稱R爲有單位元的環、有1的環 。
環的乘法羣 R *
將有1的環R中所有的可逆元 在乘法運算下構成一個羣,該羣記爲R ∗ R* R ∗ ,並稱爲環R的乘法羣。
整環 、除環、域
定義1
設< R , + , ∗ > <R,+,*> < R , + , ∗ > 爲一個環,a ∈ R a\in R a ∈ R ,且a a a 不爲0,若R中存在非零 元素b b b ,
使得a b = 0 ( b a = 0 ) ab=0(ba=0) a b = 0 ( b a = 0 ) ,則稱a爲R的左(右)零因子。R的左右零因子統稱爲零因子。零因子總是成對出現。
例1
對於模n剩餘環< Z n , + n , × n > <Z_n,+_n,\times_n> < Z n , + n , × n > ,若n不爲素數,則Z n Z_n Z n 中必存在零因子。
定理1
若環R無零因子,則乘法消去律成立,
即a b = a c ≡ b = c ab=ac \equiv b=c a b = a c ≡ b = c ,且b a = c a ≡ b = c ba=ca \equiv b=c b a = c a ≡ b = c
也就是說
無 零 因 子 ≡ 消 去 律 成 立 無零因子\equiv 消去律成立 無 零 因 子 ≡ 消 去 律 成 立 ,反之亦然 。
整環的定義
有單位元 、無零因子 的交換環 稱爲整環。
除環、域
設R R R 是一個有幺的環,R ∧ = R − { 0 } R^{\wedge}=R-\{0\} R ∧ = R − { 0 } ,如果< R ∧ , ∗ > <R^{\wedge},*> < R ∧ , ∗ > 是一個羣,則稱R R R 爲除環 ,可交換的除環 稱爲域 。
(1)有單位元的環R是除環≡ \equiv ≡ R中非零元均可逆≡ \equiv ≡ R的乘法羣R ∗ = R − 0 R^{*}=R-{0} R ∗ = R − 0
(2)有單位元的環是域≡ \equiv ≡ R是交換環 且 R中非零元素均可逆。
由於Z p Z_p Z p 是一個有限整環,由上可知Z p Z_p Z p 爲域(這個域稱爲素域)。