離散數學——第四章 代數結構


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×AA\times AAA上的映射爲A上的二元運算。一般地,AnA^n到A的映射爲AA上的n元運算。
    記運算結果爲f(<x1,x2xn>)f(<x_1,x_2……x_n>),或簡記爲f(x1,x2xn)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 AA ,一個從 AnA^nBB 的映射,稱爲集合 AA 上的 一個 nn運算。如果 BAB\subseteq A ,則稱該 nn 元運算是封閉的
    也就是說,x1,x2,xnS\forall x_1,x_2,……x_n \in S,恆有f(x1,x2,,xn)Sf(x_1,x_2,……,x_n)\in S,則稱集合SS對運算ff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
      * 是定義在集合 AA 上的二元運算,如果對於任意的 x,yAx,y\in A ,都有 xy=yxx*y=y*x ,則稱二元運算 *AA 上是可交換的

    • 結合律
      * 是定義在集合 AA 上的二元運算,如果對於任意的 x,y,zAx,y,z\in A ,都有 (xy)z=x(yz)(x*y)*z=x*(y*z) ,則稱二元運算 *AA 上是可結合的

    • 分配律
      ,*,\triangle 是定義在集合 AA 上的二元運算,如果對於任意的 x,y,zAx,y,z\in A ,都有
      x(yz)=(xy)(xz)1(yz)x=(yx)(zx)2 x*(y\triangle z)=(x*y)\triangle(x*z)(1)\\(y\triangle z)*x=(y* x)\triangle(z*x)(2)
      則稱運算 * 對於運算 \triangle可分配的
      若僅有(1)稱運算 * 對於運算 \triangle左可分配
      若僅有(2)稱運算 * 對於運算 \triangle右可分配

    • 消去律
      * 是定義在集合 AA 上的二元運算,如果對於任意的 x,y,zAx,y,z\in A ,都有
      if xy=xz,then y=zif yx=zx,then y=zif \,\ x*y=x*z,then \,\ y=z \\ if \,\ y*x = z*x,then \,\ y=z
      則稱*滿足消去律。
      類似的有左消去律右消去律

    • 吸收律
      ,*,\triangle 是定義在集合 AA 上的兩個可交換的二元運算,如果對於任意的 x,yAx,y\in A ,都有
      x(xy)=xx(xy)=x x*(x\triangle y)=x\\x\triangle (x*y)=x
      則稱運算 * 和運算 \triangle 滿足吸收律

    • 運算表
      A={a1,a2,an}A=\{a_1,a_2,……a_n \}, *AA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 AA 連同若干個定義在該集合上的運算 f1,f2,,fkf_1,f_2,\cdots,f_k 所組成的系統就稱爲一個代數系統,記作 A,f1,f2,,fk\langle A,f_1,f_2,\cdots,f_k\rangle
    一般要求運算的封閉性。

  • 子代數
    <A,><A,*>是一個代數系統,SAS \subseteq A,如果SS*封閉,則稱,<S,><S,*><A,><A,*>的子代數。

  • 單位元

    • 定義:
      * 是定義在集合 AA 上的一個二元運算,如果有一個元素 elAe_l\in A ,對於任意的元素 xAx\in A 都有 elx=xe_l*x=x ,則稱 ele_lAA 中關於運算 *左單位元;如果有一個元素 erAe_r\in A ,對於任意的元素 xAx\in A 都有 xer=xx*e_r=x ,則稱 ere_rAA 中關於運算 *右單位元;如果 AA 中的一個元素 ee ,它既是左單位元又是右單位元,則稱 eeAA 中關於運算 *單位元

    • 定理1
      * 是定義在集合 AA 上的一個二元運算,且在 AA 中有關於運算 * 的左單位元 ele_l 和右單位元 ere_r ,則 el=er=ee_l=e_r=e

    • 定理2
      AA 中的單位元若存在,必唯一。

  • 逆元

    • 定義:
      設代數系統 A,\langle A,* \rangle ,這裏 * 是定義在 AA 上的一個二元運算,且 eeAA 中關於運算 * 的單位元。如果對於 AA 中的一個元素 aa 存在着 AA 中的某個元素 bb ,使得 ba=eb*a=e ,那麼稱 bbaa左逆元;如果 ab=ea*b=e 成立,那麼稱 bbaa右逆元;如果一個元素 bb ,它既是 aa 的左逆元又是 aa 的右逆元,那麼就稱 bbaa逆元。記一個元素 xx 的逆元爲 x1x^{-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 ,這裏 * 是定義在 AA 上的一個二元運算, AA 中存在單位元 ee ,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:
      a,b,cAa,b,c\in A ,且 bbaa 的左逆元, ccbb 的左逆元,則 e=cb=c((ba)b)=((cb)a)b=abe=c*b=c*((b*a)*b)=((c*b)*a)*b=a*b ,因此 bb 也是 aa 的右逆元。
      設元素 aa 有兩個逆元 b,cb,c ,那麼 b=be=b(ac)=(ba)c=cb=b*e=b*(a*c)=(b*a)*c=c ,因此, aa 的逆元是唯一的。
  • 冪等元
    設代數系統 A,\langle A,* \rangle ,如果aAa\in A,滿足aa=aa*a=a,稱aaAA的冪等元。

4.2.3.同態與同構

  • 同態的定義
    A,\langle A,\bigstar\rangleB,\langle B,*\rangle 是兩個代數系統, \bigstar* 分別是 AABB 上的二( nn )元運算,設 ff 是從 AABB 的一個映射,使得對任意的 a1,a2Aa_1,a_2\in A ,有 f(a1a2)=f(a1)f(a2)f(a_1\bigstar a_2)=f(a_1)*f(a_2) ,則稱 ff 爲由 A,\langle A,\bigstar\rangleB,\langle B,*\rangle 的一個同態映射(也稱ff保持運算),稱 A,\langle A,\bigstar\rangle 同態於 B,\langle B,*\rangle。把 f(A),\langle f(A),*\rangle 稱爲 A,\langle A,\bigstar\rangle 的一個同態象。其中 f(A)={xx=f(a),aA}Bf(A)=\{x\vert x=f(a),a\in A\}\subseteq B

    同態實質上是一個映射或函數ff

  • 滿同態
    ff 是由 A,\langle A,\bigstar\rangleB,\langle B,*\rangle 的一個同態,如果 ff 是從 AABB 的一個滿射,則 ff 稱爲滿同態,記爲:記作 ABA\sim B

  • 單同態
    如果 ff 是從 AABB 的一個入射,則 ff 稱爲單同態

  • 同構映射
    如果 ff 是從 AABB 的一個雙射,則 ff 稱爲同構映射,並稱 A,\langle A,\bigstar\rangleB,\langle B,*\rangle同構的,記作 ABA\cong B

  • 自同態
    A,\langle A,*\rangle 是一個代數系統,如果 ff 是由 A,\langle A,*\rangleA\langle A,*\rangle 的同態,則稱 ff自同態。如果 gg 是由 A,\langle A,*\rangleA,\langle A,*\rangle 的同構,則稱 ff自同構

  • 一些定理

    • fgf、g是兩個同態,當fgf、g都爲單同態、滿同態、同構時,gfg\circ 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 >,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 >
    其中A×BA\times B即爲ABA、B的笛卡爾積,\triangle定義如下:
    <x,y>,<u,v>A×B<x,y><u,v>=<xu,yv>\forall <x,y>,<u,v> \in A\times B,<x,y>\triangle<u,v> =<x*u,y\circ 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 ,其中 SS 是非空集合, *SS 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半羣

  • 子半羣
    S,\langle S,* \rangle 是一個半羣, BSB\subseteq S*BB 上是封閉的,那麼 B,\langle B,* \rangle 也是一個半羣。通常稱 B,\langle B,* \rangle 是半羣 S,\langle S,* \rangle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
    SS幺半羣,若TT是S的子半羣,且SS的單位元eTe\in T(單位元用一個),則稱TTSS子幺半羣

4.3.2.羣的概念以及基本性質

  • 羣的定義
    G,\langle G,* \rangle 是一個代數系統,其中 GG 是非空集合, *GG 上的二元運算,如果
    (1)運算 *可結合的。
    (2)存在單位元 ee
    (3)對於每一個元素 xGx\in G ,存在着它的逆元 x1x^{-1}
    則稱 G,\langle G,* \rangle 是一個

換言之:
幺半羣+元素逆元 == 羣

  • 羣的階數
    G,\langle G,* \rangle 是羣。如果 GG 是有限集,那麼稱 G,\langle G,* \rangle有限羣GG 中元素的個數通常稱爲該有限集的階數,記爲 G\vert G \vert ;如果 GG 是無限集,則稱 G,\langle G,* \rangle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 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(ab)n=anbn(ab)^n=a^nb^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
    G,\langle G,* \rangle 是一個羣,對於任意的 a,b,cGa,b,c\in G ,如果有 ab=aca*b=a*c 或者 ba=cab*a=c*a ,則必有 b=cb=c消去律)。

  • 冪等元唯一存在
    單位元ee是G中唯一冪等元。

  • <G>.<H,><G,*>.<H,\circ>是羣,ffGGHH的同態,若eeGG中的單位元,那麼f(e)f(e)HH 的單位元,且aG\forall a\in G,有f(a)1=f(a1)f(a)^{-1}=f(a^{-1})

簡證:
f(e)=f(ee)=f(e)f(e)f(e)=f(e*e)=f(e)\circ f(e),所以f(e)f(e)是冪等元,又由冪等元的唯一性知,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(aa1)=f(a)f(a1)f(e)=f(a*a^{-1})=f(a)\circ f(a^{-1})
f(e)=f(a1a)=f(a1)f(a)f(e)=f(a^{-1}*a)=f(a^{-1})\circ f(a)

  • 羣的判定定理
    <G,><H,><G,*>是羣,<H,\circ>是任意代數系統,若存在G到H的滿同態,則<H><H,\circ>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)
    <G,><G,*>是一個半羣,且
    (i) G中有一左單位元e,使得aG,ea=a\forall a\in G,ea=a;
    (ii) G中有一”左逆元“,a1,s.t. a1a=ea^{-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)
    <G,><G,*>是半羣,如果a,bG\forall a,b\in G,方程在GG中總有解,ax=b,ya=bax =b, ya=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
    G,\langle G,* \rangle 是一個羣, SSGG 的非空子集,如果 S,\langle S,* \rangle 也構成羣,則稱 S,\langle S,* \rangleG,\langle G,* \rangle 的一個子羣

  • 定理1
    G,\langle G,* \rangle 是一個羣, S,\langle S,* \rangleG,\langle G,* \rangle 的一個子羣,
    那麼 G,\langle G,* \rangle 中單位元 ee 必定也是 S,\langle S,* \rangle 中的單位元。
    對於aH,aa\in H ,a在H中的逆元aa^{'}就是在a在G中的逆元a1a^{-1}

  • 子集的判定定理與性質定理
    HH是羣<G,><G,*>的非空子集,則HHGG的子羣,當且僅當
    (i)a,bH,abH\forall a,b \in H ,a*b\in H(運算的封閉性)
    (ii)aH,a\forall a \in H,aGG中的逆元a1Ha^{-1}\in H (逆元是同一個)

  • 推論
    <G,><G,*>爲羣,SSGG的非空子集,則
    SGa,bSab1SS是G的子羣\equiv \forall a,b\in S,a*b^{-1}\in S

  • 羣中的指數律
    aman=am+na^m*a^n=a^{m+n}
    (am)n=amn(a^m)^n=a^{mn}

  • 循環子羣
    設G是子羣,aGa\in G,令(a)={aiiZ}(a)=\{a^i|i\in Z\},
    (a)(a)是G的子羣,稱爲由aa生成的循環子羣。
    a稱爲生成元。

證明:
(i)首先(a)(a)非空
(ii)其次(a)(a)運算封閉(ai,aj(a),aiaj=ai+j(a)\forall a^i,a^j \in (a),a^ia^j=a^{i+j}\in (a))
(iii)其次

  • 羣的週期
    GG是羣,aGa\in G,若存在正整數nn,使an=ea^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nn不存在,則稱aa的週期爲

    • a=(a)|a|=|(a)|
      aa的週期等於a生成的循環子羣的基數(集合元素的個數);
    • aa的週期爲n<n<∞,則
      am=enma^{m}=e\equiv n|m
  • 推論
    GG爲羣,aGa\in G,若aa週期爲nn(或等價地說(a)的階爲),則
    $$(a)={a0,a1,.an1}(a)=\{a^0,a^1,…….a^{n-1}\}

    4.3.4.循環羣

    GG是一個羣,如果aG\exists a\in G,使得G=(a)={aiiZ}G=(a)= \{ a^i | i\in Z \},稱GG是由a生成的循環羣,a稱爲其生成元。

GaxG,iZ,使x=aiG是由a生成的循環羣\equiv \forall x \in G,\exists i\in Z,使x=a^i

  • 定理 1
    <G,><G,*>是一個循環羣,
    GG是無限羣,則<G,><Z,+><G,*>\cong <Z,+>;
    GGnn階羣,則<G,><Zn,+n><G,*>\cong <Z_n,+_n>;

證明:
(1)設GG是一個無限循環羣,不妨設aa爲其生成元,
f:Z>Gf:Z ——> G,定義爲f(i)=ai,iZf(i) = a^i,\forall i \in Z。
則顯然ff爲滿射。
下證ff爲單射,i,jGf(i)=f(j),\forall i,j \in G 若f(i)=f(j),ai=aj,a^i=a^j,假設i>ji>j,
aij=ea^{i-j}=e,這與GG是無限羣矛盾,所以ff爲雙射。
下證,ff保持運算,
i,jZ,f(i+j)=ai+j=aiaj=f(i)f(j)\forall i,j \in Z,f(i+j)=a^{i+j}=a^i*a^j=f(i)*f(j)
。從而 <G,><Z,+><G,*>\cong <Z,+>;

(2)設GGnn階循環羣,aa爲其生成元,aa的週期爲n,且
G=a0,a1an1G={a^0,a^1……a^{n-1}}
其中,a0,a1an1a^0,a^1……a^{n-1}各不相同。
f([i])=ai,[i]Znf([i])=a^i,\forall [i]\in 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:
    GG是由aa生成的循環羣,H是其子羣。
    H=a=eH ={a} = {e},則HH是由ee生成的循環羣;

  • 定理3 //很重要
    <G,><G,*>nn階循環羣,mm是正整數,且mnm|n,則GG中存在唯一一個mm階子羣。

4.4環與域

定義及基本性質

  • 定義1
    <R,+,><R,+,*>是一個代數系統,其中,+,+,*均爲二元運算,如果
    (I)<R,+><R,+>是一個Abel羣
    (2)<R,><R,*>是一個半羣
    (3)*++滿足分配律,即
    a(b+c)=(ab)+ac(b+c)a=ba+caa*(b+c) = (a*b)+a*c \\(b+c)*a=b*a+c*a

環的一些初步性質

RR是一個環,在Abel羣<R,+><R,+>中,單位元用00表示,稱爲零元,aR\in R<R,+><R,+>中的逆元用a-a,稱爲aa負元
並記ma=a+a++ama = a+a+……+a

  • 0a=a0=0,aR0a=a0=0,\forall a\in R
    此處的0就是Abel羣中的零元。
  • a(b)=(a)b=(ab)a(-b)=(-a)b=-(ab)
  • (a)(b)=ab,a,bR(-a)*(-b)=ab,\forall a,b\in R

在環R中,a+(b)a+(-b)可以簡記爲aba-b,並把符號-稱作做減法。

  • a(bc)=abaca(b-c)=ab-ac

在環<R,+,><R,+,*>中,若<R,*>爲幺半羣,則稱<R,><R,*>的單位元爲環R的單位元,通常用11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RR*,並稱爲環R的乘法羣。

整環 、除環、域

  • 定義1
    <R,+,><R,+,*>爲一個環,aRa\in R,且aa不爲0,若R中存在非零元素bb
    使得ab=0(ba=0)ab=0(ba=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<Zn,+n,×n><Z_n,+_n,\times_n>,若n不爲素數,則ZnZ_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,
    ab=acb=cab=ac \equiv b=c,且ba=cab=cba=ca \equiv b=c
    也就是說
    無零因子\equiv 消去律成立反之亦然

  • 整環的定義
    單位元無零因子交換環稱爲整環。

  • 除環、域
    RR是一個有幺的環,R=R{0}R^{\wedge}=R-\{0\} ,如果<R,><R^{\wedge},*>是一個羣,則稱RR除環可交換的除環稱爲

(1)有單位元的環R是除環\equivR中非零元均可逆\equivR的乘法羣R=R0R^{*}=R-{0}
(2)有單位元的環是域\equivR是交換環 且 R中非零元素均可逆。

  • RR是一個無零因子的有限環,且R2|R|≥2,則R必爲除環。

  • 有限整環必爲域。

由於ZpZ_p是一個有限整環,由上可知ZpZ_p爲域(這個域稱爲素域)。

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