本文所有內容來自上海科學技術文獻出版社《離散數學》第三篇。
第三篇 代數結構
第五章 代數系統
5-1 代數系統的引入
定義 5 - 1.1
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 。
定義 5 - 1.2
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 ⟩ 。
5-2 運算及其性質
定義 5 - 2.1
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 ∈ A x*y\in A x ∗ y ∈ A ,則稱二元運算 ∗ * ∗ 在 A A A 上是封閉的 。
定義 5 - 2.2
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 。
定義 5 - 2.3
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 。
定義 5 - 2.4
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 ) ( y △ z ) ∗ x = ( y ∗ x ) △ ( z ∗ x ) x*(y\triangle z)=(x*y)\triangle(x*z)\\(y\triangle z)*x=(y* x)\triangle(z*x) x ∗ ( y △ z ) = ( x ∗ y ) △ ( x ∗ z ) ( y △ z ) ∗ x = ( y ∗ x ) △ ( z ∗ x ) 則稱運算 ∗ * ∗ 對於運算 △ \triangle △ 是可分配的 。
定義 5 - 2.5
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 。
定義 5 - 2.6
設 ∗ * ∗ 是定義在集合 A A A 上的一個二元運算,如果對於任意的 x ∈ A x\in A x ∈ A ,都有 x ∗ x = x x*x=x x ∗ x = x ,則稱運算 ∗ * ∗ 是等冪的 。
定義 5 - 2.7
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 ∗ * ∗ 的左幺元 ;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 ∗ * ∗ 的右幺元 ;如果 A A A 中的一個元素 e e e ,它既是左幺元又是右幺元,則稱 e e e 爲 A A A 中關於運算 ∗ * ∗ 的幺元 。
定理 5 - 2.1
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 ∗ * ∗ 的左幺元 e l e_l e l 和右幺元 e r e_r e r ,則 e l = e r = e e_l=e_r=e e l = e r = e ,且 A A A 中的幺元是唯一的。
定義 5 - 2.8
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 θ l ∈ A \theta_l\in A θ l ∈ A ,對於任意的元素 x ∈ A x\in A x ∈ A 都有 θ l ∗ x = θ l \theta_l*x=\theta_l θ l ∗ x = θ l ,則稱 θ l \theta_l θ l 爲 A A A 中關於運算 ∗ * ∗ 的左零元 ;如果有一個元素 θ r ∈ A \theta_r\in A θ r ∈ A ,對於任意的元素 x ∈ A x\in A x ∈ A 都有 x ∗ θ r = θ r x*\theta_r=\theta_r x ∗ θ r = θ r ,則稱 θ r \theta_r θ r 爲 A A A 中關於運算 ∗ * ∗ 的右零元 ;如果 A A A 中的一個元素 θ \theta θ ,它既是左零元又是右零元,則稱 θ \theta θ 爲 A A A 中關於運算 ∗ * ∗ 的零元 。
定理 5 - 2.2
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 ∗ * ∗ 的左零元 θ l \theta_l θ l 和右零元 θ r \theta_r θ r ,則 θ l = θ r = θ \theta_l=\theta_r=\theta θ l = θ r = θ ,且 A A A 中的零元是唯一的。
定理 5 - 2.3
設 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,* \rangle ⟨ A , ∗ ⟩ 是一個代數系統,且集合 A A A 中元素的個數大於 1 1 1 。如果該代數系統中存在幺元 e e e 和零元 θ \theta θ ,則 θ ≠ e \theta \ne e θ ̸ = e 。
證明:
反證法。設 θ = e \theta=e θ = e ,那麼對於任意的 x ∈ A x\in A x ∈ A ,必有 x = e ∗ x = θ ∗ x = θ = e x=e*x=\theta*x=\theta=e x = e ∗ x = θ ∗ x = θ = e ,則 A A A 中所有元素都相同,矛盾!
定義 5 - 2.9
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 ∗ * ∗ 的幺元。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 。
定理 5 - 2.4
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 中存在幺元 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。
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。
5-3 半羣
定義 5 - 3.1
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 ∗ * ∗ 是封閉的,則稱代數系統 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 爲廣羣 。
定義 5 - 3.2
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:
(1)運算 ∗ * ∗ 是封閉的。
(2)運算 ∗ * ∗ 是可結合的。
則稱代數系統 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 爲半羣 。
定理 5 - 3.1
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 。
定理 5 - 3.2
設 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 是一個半羣,如果 S S S 是一個有限集,則必有 a ∈ S a\in S a ∈ S ,使得 a ∗ a = a a*a=a a ∗ a = a 。
證明:
對於有限集 S S S 中的任意元素 b b b ,必存在 j > i j>i j > i ,使得 b i = b j b^i=b^j b i = b j 。
令 p = j − i p=j-i p = j − i ,則 b i = b p ∗ b i b^i=b^p*b^i b i = b p ∗ b i ,則有 b q = b p ∗ b q , q ⩾ i b^q=b^p*b^q,q\geqslant i b q = b p ∗ b q , q ⩾ i 。
因爲 p ⩾ 1 p\geqslant1 p ⩾ 1 ,所以總能找到 k ⩾ 1 k\geqslant1 k ⩾ 1 ,使得 k p ⩾ i kp\geqslant i k p ⩾ i 。
則 b k p = b p ∗ b k p = b p ∗ ( b p ∗ b k p ) = ⋯ = b k p ∗ b k p b^{kp}=b^p*b^{kp}=b^p*(b^p*b^{kp})=\cdots=b^{kp}*b^{kp} b k p = b p ∗ b k p = b p ∗ ( b p ∗ b k p ) = ⋯ = b k p ∗ b k p 。證畢。
定義 5 - 3.3
含有幺元的半羣稱爲獨異點 。
定理 5 - 3.3
設 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 是一個獨異點,則在關於運算 ∗ \ast ∗ 的運算表中任何兩行或兩列都是不相同的。
證明: 含幺元 e e e 的一行上各列各不相同。
定理 5 - 3.4
設 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 是獨異點,對於任意 a , b ∈ S a,b\in S a , b ∈ S ,且 a , b a,b a , b 均有逆元,則
(a)( a − 1 ) − 1 = a (a^{-1})^{-1}=a ( a − 1 ) − 1 = a 。
(b)a ∗ b a*b a ∗ b 有逆元,且 ( a ∗ b ) − 1 = b − 1 ∗ a − 1 (a*b)^{-1}=b^{-1}*a^{-1} ( a ∗ b ) − 1 = b − 1 ∗ a − 1 。
5-4 羣與子羣
定義 5 - 4.1
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 ∗ * ∗ 是封閉的。
(2)運算 ∗ * ∗ 是可結合的。
(3)存在幺元 e e e 。
(4)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 。
定義 5 - 4.2
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 。
定理 5 - 4.1
羣中不可能有零元。
證明: 零元 θ \theta θ 不存在逆元。
定理 5 - 4.2
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個羣,對於 a , b ∈ G a,b\in G a , b ∈ G ,必存在唯一的 x ∈ G x\in G x ∈ G ,使得 a ∗ x = b a*x=b a ∗ x = b 。
定理 5 - 4.3
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 )。
定義 5 - 4.3
設 S S S 是一個非空集合,從集合 S S S 到 S S S 的一個雙射稱爲 S S S 的一個置換 。
定理 5 - 4.4
羣 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 的運算表中的每一行或每一列都是 G G G 的元素的一個置換。
證明:
先用反證法證明運算表中任一行或任一列所含 G G G 中的一個元素不可能多於一次。
其次,證明 G G G 中的每一個元素都在運算表的每一行和每一列中出現。
最後利用定理 5 - 3.3 即證。
定義 5 - 4.4
代數系統 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 中,如果存在 a ∈ G a\in G a ∈ G ,有 a ∗ a = a a*a=a a ∗ a = a ,則稱 a a a 爲等冪元 。
定理 5 - 4.5
在羣 ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,* \rangle ⟨ A , ∗ ⟩ 中,除幺元 e e e 外,不可能有任何別的等冪元。
證明: e ≠ a = e ∗ a = ( a − 1 ∗ a ) ∗ a = a − 1 ∗ ( a ∗ a ) = a − 1 ∗ a = e e\ne a=e*a=(a^{-1}*a)*a=a^{-1}*(a*a)=a^{-1}*a=e e ̸ = a = e ∗ a = ( a − 1 ∗ a ) ∗ a = a − 1 ∗ ( a ∗ a ) = a − 1 ∗ a = e ,矛盾。
定義 5 - 4.5
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 5 - 4.6
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 , ∗ ⟩ 中的幺元 e e e 必定也是 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 中的幺元。
證明: e G ∗ x = x = e S ∗ x ⇔ e G = e S e_G*x=x=e_S*x\Leftrightarrow e_G=e_S e G ∗ x = x = e S ∗ x ⇔ e G = e S 。
定義 5 - 4.6
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個羣, ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 是 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 的子羣,如果 S = { e } S=\{e\} S = { e } 或者 S = G S=G S = G ,則稱 ⟨ S , ∗ ⟩ \langle S,* \rangle ⟨ S , ∗ ⟩ 爲 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 的平凡子羣 。
定理 5 - 4.7
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個羣, B B B 是 G G G 的非空子集,如果 B B B 是一個有限集,那麼,只要運算 ∗ * ∗ 在 B B B 上封閉, ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,* \rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 必定是 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 的子羣。
證明:
b ∈ B , b i = b j , i < j b\in B,b^i=b^j,i<j b ∈ B , b i = b j , i < j ,則 b i = b j − i ∗ b i b^i=b^{j-i}*b^i b i = b j − i ∗ b i ,則 b j − i b^{j-i} b j − i 是幺元。
如果 j − i > 1 j-i>1 j − i > 1 ,則由 b j − i = b ∗ b j − i − 1 b^{j-i}=b*b^{j-i-1} b j − i = b ∗ b j − i − 1 可知 b j − i − 1 b^{j-i-1} b j − i − 1 是 b b b 的逆元;
如果 j − i = 1 j-i=1 j − i = 1 ,則由 b i = b ∗ b i b^i=b*b^i b i = b ∗ b i 可知 b b b 是幺元,逆元是它本身。
定理 5 - 4.8
設 ⟨ G , △ ⟩ \langle G,\triangle \rangle ⟨ G , △ ⟩ 是羣, S S S 是 G G G 的非空子集,如果對於 S S S 中的任意元素 a a a 和 b b b 有 a △ b − 1 ∈ S a\triangle b^{-1}\in S a △ b − 1 ∈ S ,則 ⟨ S , △ ⟩ \langle S,\triangle \rangle ⟨ S , △ ⟩ 是 ⟨ G , △ ⟩ \langle G,\triangle \rangle ⟨ G , △ ⟩ 的子羣。
證明:
首先證明, G G G 中的幺元也是 S S S 中的幺元( a △ a − 1 = e ∈ S a\triangle a^{-1}=e\in S a △ a − 1 = e ∈ S )。
其次證明, S S S 中的每一元素都有逆元( a − 1 = e △ a − 1 ∈ S a^{-1}=e\triangle a^{-1}\in S a − 1 = e △ a − 1 ∈ S )。
最後證明, △ \triangle △ 在 S S S 上是封閉的( a △ b = a △ ( b − 1 ) − 1 ∈ S a\triangle b=a\triangle(b^{-1})^{-1}\in S a △ b = a △ ( b − 1 ) − 1 ∈ S )。
5-5 阿貝爾羣和循環羣
定義 5 - 5.1
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 。
定理 5 - 5.1
羣 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,*\rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是阿貝爾羣的充要條件是對任意的 a , b ∈ G a,b\in G a , b ∈ G ,有 ( a ∗ b ) ∗ ( a ∗ b ) = ( a ∗ a ) ∗ ( b ∗ b ) (a*b)*(a*b)=(a*a)*(b*b) ( a ∗ b ) ∗ ( a ∗ b ) = ( a ∗ a ) ∗ ( b ∗ b ) 。
證明:
(1)充分性
a ∗ ( a ∗ b ) ∗ b = ( a ∗ a ) ∗ ( b ∗ b ) = ( a ∗ b ) ∗ ( a ∗ b ) = a ∗ ( b ∗ a ) ∗ b \begin{aligned}a*(a*b)*b&=(a*a)*(b*b)\\&=(a*b)*(a*b)\\&=a*(b*a)*b\end{aligned} a ∗ ( a ∗ b ) ∗ b = ( a ∗ a ) ∗ ( b ∗ b ) = ( a ∗ b ) ∗ ( a ∗ b ) = a ∗ ( b ∗ a ) ∗ b 兩邊同乘逆元,則有 a ∗ b = b ∗ a a*b=b*a a ∗ b = b ∗ a 。
(2)必要性
( a ∗ a ) ∗ ( b ∗ b ) = a ∗ ( a ∗ b ) ∗ b = a ∗ ( b ∗ a ) ∗ b = ( a ∗ b ) ∗ ( a ∗ b ) \begin{aligned}(a*a)*(b*b)&=a*(a*b)*b\\&=a*(b*a)*b\\&=(a*b)*(a*b)\end{aligned} ( a ∗ a ) ∗ ( b ∗ b ) = a ∗ ( a ∗ b ) ∗ b = a ∗ ( b ∗ a ) ∗ b = ( a ∗ b ) ∗ ( a ∗ b )
定義 5 - 5.2
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,* \rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 爲羣,若在 G G G 中存在一個元素 a a a ,使得 G G G 中的任意元素都由 a a a 的冪組成,則稱該羣爲循環羣 ,元素 a a a 稱爲循環羣 G G G 的生成元 。
定理 5 - 5.2
任何一個循環羣必定是阿貝爾羣。
證明:
設 x = a r , y = a s x=a^r,y=a^s x = a r , y = a s ,則 x ∗ y = a r ∗ a s = a r + s = a s + r = a s ∗ a r = y ∗ x x*y=a^r*a^s=a^{r+s}=a^{s+r}=a^s*a^r=y*x x ∗ y = a r ∗ a s = a r + s = a s + r = a s ∗ a r = y ∗ x 。
定理 5 - 5.3
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,*\rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個由元素 a ∈ G a\in G a ∈ G 生成的有限循環羣。如果 G G G 的階數是 n n n ,即 ∣ G ∣ = n \vert G\vert=n ∣ G ∣ = n ,則 a n = e a^n=e a n = e ,且 G = { a , a 2 , a 3 , ⋯  , a n − 1 , a n = e } G=\{a,a^2,a^3,\cdots,a^{n-1},a^n=e\} G = { a , a 2 , a 3 , ⋯ , a n − 1 , a n = e } 其中, e e e 是 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,*\rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 中的幺元, n n n 是使 a n = e a^n=e a n = e 的最小正整數(稱 n n n 爲元素 a a a 的階)。
證明:
假設存在 m < n m<n m < n 滿足 a m = e a^m=e a m = e 。
那麼,由於 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,*\rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個循環羣,所以 G G G 中的任何元素都能表示成 a k a^k a k ,其中 k = m q + r , q ∈ I , 0 ⩽ r < m k=mq+r,q\in I,0\leqslant r<m k = m q + r , q ∈ I , 0 ⩽ r < m 。
因此, G G G 中所有元素都能表示成 a r a^r a r ,則 G G G 中最多隻有 m m m 個不同的元素,與 ∣ G ∣ = n \vert G\vert=n ∣ G ∣ = n 矛盾!
*5-6 置換羣與伯恩賽德定理
定義 5 - 6.1
設 π 1 , π 2 ∈ S n \pi_1,\pi_2\in S_n π 1 , π 2 ∈ S n , S n S_n S n 上的二元運算 ∘ \circ ∘ 和 ⋄ \diamond ⋄ ,使得 π 1 ∘ π 2 \pi_1\circ\pi_2 π 1 ∘ π 2 和 π 2 ⋄ π 1 \pi_2\diamond\pi_1 π 2 ⋄ π 1 都表示對 S S S 的元素先應用置換 π 2 \pi_2 π 2 ,接着再應用置換 π 1 \pi_1 π 1 所得到的置換。二元運算 ∘ \circ ∘ 和 ⋄ \diamond ⋄ 分別稱爲左複合 和右複合 。
定理 5 - 6.1
⟨ S n , ∘ ⟩ \langle S_n,\circ\rangle ⟨ S n , ∘ ⟩ 是一個羣,其中 ∘ \circ ∘ 是置換的左複合運算。
證明:
(1)首先證明 ∘ \circ ∘ 在 S n S_n S n 上的封閉性。
設 π 2 ( a ) = c , π 2 ( b ) = d , a ≠ b \pi_2(a)=c,\pi_2(b)=d,a\ne b π 2 ( a ) = c , π 2 ( b ) = d , a ̸ = b ,則顯然 c ≠ d c\ne d c ̸ = d 。
同理,若 π 1 ( c ) = e , π 1 ( d ) = f \pi_1(c)=e,\pi_1(d)=f π 1 ( c ) = e , π 1 ( d ) = f ,則 e ≠ f e\ne f e ̸ = f ,因此 π 1 ∘ π 2 ∈ S n \pi_1\circ\pi_2\in S_n π 1 ∘ π 2 ∈ S n 。
(2)其次證明 ∘ \circ ∘ 在 S n S_n S n 上是可結合的。
設 π 3 ( x ) = y , π 2 ( y ) = z , π 1 ( z ) = w \pi_3(x)=y,\pi_2(y)=z,\pi_1(z)=w π 3 ( x ) = y , π 2 ( y ) = z , π 1 ( z ) = w ,則 ( π 1 ∘ π 2 ) ∘ π 3 ( x ) = ( π 1 ∘ π 2 ) y = π 1 ( z ) = w (\pi_1\circ\pi_2)\circ\pi_3(x)=(\pi_1\circ\pi_2)y=\pi_1(z)=w ( π 1 ∘ π 2 ) ∘ π 3 ( x ) = ( π 1 ∘ π 2 ) y = π 1 ( z ) = w π 1 ∘ ( π 2 ∘ π 3 ( x ) ) = π 1 ∘ ( π 2 ( y ) ) = π 1 ( z ) = w \pi_1\circ(\pi_2\circ\pi_3(x))=\pi_1\circ(\pi_2(y))=\pi_1(z)=w
π 1 ∘ ( π 2 ∘ π 3 ( x ) ) = π 1 ∘ ( π 2 ( y ) ) = π 1 ( z ) = w (3)接着證明 S n S_n S n 中存在幺元 π e \pi_e π e 。
顯然,滿足 ∀ π x ∈ S n , π e ∘ π x = π x \forall \pi_x\in S_n,\pi_e\circ\pi_x=\pi_x ∀ π x ∈ S n , π e ∘ π x = π x 的 π e \pi_e π e 即爲幺元。
(4)最後,證明 S n S_n S n 中所有元素存在逆元。
∀ π ∈ S , ∃ π − 1 ∈ S n \forall\pi\in S,\exist\pi^{-1}\in S_n ∀ π ∈ S , ∃ π − 1 ∈ S n ,使得 π ( x ) = y → π − 1 ( y ) = x \pi(x)=y\rightarrow\pi^{-1}(y)=x π ( x ) = y → π − 1 ( y ) = x 。
定義 5 - 6.2
⟨ S n , ∗ ⟩ \langle S_n,*\rangle ⟨ S n , ∗ ⟩ 的任何一個子羣,稱爲集合 S S S 上的一個置換羣 。特別地,置換羣 ⟨ S n , ∘ ⟩ \langle S_n,\circ\rangle ⟨ S n , ∘ ⟩ 稱爲集合 S S S 的對稱羣 。
定義 5 - 6.3
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,*\rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是 S S S 的一個置換羣,稱 R = { ⟨ a , b ⟩ ∣ π ( a ) = b , π ∈ G } R=\{\langle a,b\rangle\vert\pi(a)=b,\pi\in G\} R = { ⟨ a , b ⟩ ∣ π ( a ) = b , π ∈ G } 爲由 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,*\rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 所誘導的 S S S 上的二元關係 。
定理 5 - 6.2
由置換羣 ⟨ G , ∘ ⟩ \langle G,\circ\rangle ⟨ G , ∘ ⟩ 所誘導的 S S S 上的二元關係是一個等價關係。
定義 5 - 6.4
如果一個置換將一個元素映照到它自身,那麼,這個元素就稱爲在這個置換下的不變元 。
定理 5 - 6.3 (伯恩賽德定理)
由 S S S 的置換羣 ⟨ G , ∘ ⟩ \langle G,\circ\rangle ⟨ G , ∘ ⟩ 誘導等價關係將 S S S 劃分所得的等價類數目等於 1 ∣ G ∣ ∑ π ∈ G ψ ( π ) \frac{1}{\vert G\vert}\sum_{\pi\in G}\psi(\pi) ∣ G ∣ 1 π ∈ G ∑ ψ ( π ) 其中 ψ ( π ) \psi(\pi) ψ ( π ) 表示在置換 π \pi π 作用下的不變元的個數。
5-7 陪集與拉格朗日定理
定義 5 - 7.1
設 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,*\rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 是一個羣, A , B ∈ P ( G ) A,B\in\mathscr{P}(G) A , B ∈ P ( G ) 且 A , B ≠ ∅ A,B\ne\varnothing A , B ̸ = ∅ ,記 A B = { a ∗ b ∣ a ∈ A , b ∈ B } AB=\{a*b\vert a\in A,b\in B\} A B = { a ∗ b ∣ a ∈ A , b ∈ B } 和 A − 1 = { a − 1 ∣ a ∈ A } A^{-1}=\{a^{-1}\vert a\in A\} A − 1 = { a − 1 ∣ a ∈ A } 分別稱爲 A , B A,B A , B 的積 和 A A A 的逆 。
定義 5 - 7.2
設 ⟨ H , ∗ ⟩ \langle H,*\rangle ⟨ H , ∗ ⟩ 是羣 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,*\rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 的一個子羣, a ∈ G a\in G a ∈ G ,則集合 { a } H \{a\}H { a } H ( H { a } H\{a\} H { a } )稱爲由 a a a 所確定的 H H H 在 G G G 中的左(右)陪集 ,簡稱爲 H H H 關於 a a a 的左(右)陪集,記爲 a H aH a H ( H a Ha H a )。元素 a a a 稱爲陪集 a H aH a H ( H a Ha H a )的代表元素 。
定理 5 - 7.1 (拉格朗日定理)
設 ⟨ H , ∗ ⟩ \langle H,*\rangle ⟨ H , ∗ ⟩ 是羣 ⟨ G , ∗ ⟩ \langle G,*\rangle ⟨ G , ∗ ⟩ 的一個子羣,那麼
(a) R = { ⟨ a , b ⟩ ∣ a ∈ G , b ∈ G , a − 1 ∗ b ∈ H } R=\{\langle a,b\rangle\vert a\in G,b\in G,a^{-1}*b\in H\} R = { ⟨ a , b ⟩ ∣ a ∈ G , b ∈ G , a − 1 ∗ b ∈ H } 是 G G G 中的一個等價關係。對於 a ∈ G a\in G a ∈ G ,若記 [ a ] R = { x ∣ x ∈ G , ⟨ a , x ⟩ ∈ R } [a]_R=\{x\vert x\in G,\langle a,x\rangle\in R\} [ a ] R = { x ∣ x ∈ G , ⟨ a , x ⟩ ∈ R } ,則 [ a ] R = a H [a]_R=aH [ a ] R = a H 。
(b) 如果 G G G 是有限羣, ∣ G ∣ = n \vert G\vert=n ∣ G ∣ = n ,∣ H ∣ = m \vert H\vert=m ∣ H ∣ = m ,則 m ∣ n m\mid n m ∣ n 。
5-8 同態與同構
定義 5 - 8.1
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 ,稱 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 同態於 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,*\rangle ⟨ B , ∗ ⟩ ,記作 A ∼ B A\sim B A ∼ 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 。
定義 5 - 8.2
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 ;如果 f f f 是從 A A A 到 B B B 的一個入射,則 f f f 稱爲單一同態 ;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 。
定義 5 - 8.3
設 ⟨ A , ⋆ ⟩ \langle A,\star\rangle ⟨ A , ⋆ ⟩ 是一個代數系統,如果 f f f 是由 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 到 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 的同態,則稱 f f f 爲自同態 。如果 g g g 是由 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 到 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 的同構,則稱 f f f 爲自同構 。
定理 5 - 8.1
設 G G G 是代數系統的集合,則 G G G 中代數系統之間的同構關係是等價關係。
定理 5 - 8.2
設 f f f 是從代數系統 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 到代數系統 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,*\rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 的同態映射。如果 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar\rangle ⟨ A , ★ ⟩ 是半羣(獨異點)(羣),那麼在 f f f 作用下,同態象 ⟨ f ( A ) , ∗ ⟩ \langle f(A),* \rangle ⟨ f ( A ) , ∗ ⟩ 也是半羣(獨異點)(羣)。
定義 5 - 8.4
設 f f f 是由羣 ⟨ G , ★ ⟩ \langle G,\bigstar\rangle ⟨ G , ★ ⟩ 到羣 ⟨ G ′ , ∗ ⟩ \langle G^\prime,*\rangle ⟨ G ′ , ∗ ⟩ 的同態映射, e ′ e^\prime e ′ 是 G ′ G^\prime G ′ 中的幺元,記 Ker ( f ) = { x ∣ x ∈ G , f ( x ) = e ′ } \text{Ker}(f)=\{x\vert x\in G,f(x)=e^\prime\} Ker ( f ) = { x ∣ x ∈ G , f ( x ) = e ′ } ,稱 Ker ( f ) \text{Ker}(f) Ker ( f ) 爲同態映射 f f f 的核 ,簡稱 f f f 的同態核 。
定理 5 - 8.3
設 f f f 是由羣 ⟨ G , ★ ⟩ \langle G,\bigstar\rangle ⟨ G , ★ ⟩ 到羣 ⟨ G ′ , ∗ ⟩ \langle G^\prime,*\rangle ⟨ G ′ , ∗ ⟩ 的同態映射, 則 f f f 的同態核 K K K 是 G G G 的子羣。
證明:
設 k 1 , k 2 ∈ K k_1,k_2\in K k 1 , k 2 ∈ K ,則 f ( k 1 ★ k 2 ) = f ( k 1 ) ∗ f ( k 2 ) = e ′ ∗ e ′ = e ′ f(k_1\bigstar k _2)=f(k_1)*f(k_2)=e^\prime*e^\prime=e^\prime f ( k 1 ★ k 2 ) = f ( k 1 ) ∗ f ( k 2 ) = e ′ ∗ e ′ = e ′ ,故 k 1 ★ k 2 ∈ K k_1\bigstar k_2\in K k 1 ★ k 2 ∈ K 。又 f ( k − 1 ) = f ( k ) − 1 = e ′ − 1 = e ′ f(k^{-1})=f^{}(k)^{-1}=e^{\prime-1}=e^\prime f ( k − 1 ) = f ( k ) − 1 = e ′ − 1 = e ′ ,故 k − 1 ∈ K k^{-1}\in K k − 1 ∈ K 。因此, ⟨ K , ★ ⟩ \langle K,\bigstar \rangle ⟨ K , ★ ⟩ 是 ⟨ G , ★ ⟩ \langle G,\bigstar \rangle ⟨ G , ★ ⟩ 的子羣。
定義 5 - 8.5
設 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar \rangle ⟨ A , ★ ⟩ 是一個代數系統,並設 R R R 是 A A A 上的一個等價關係。如果當 ⟨ a 1 , a 2 ⟩ , ⟨ b 1 , b 2 ⟩ ∈ R \langle a_1,a_2 \rangle,\langle b_1,b_2\rangle\in R ⟨ a 1 , a 2 ⟩ , ⟨ b 1 , b 2 ⟩ ∈ R 時,蘊涵着 ⟨ a 1 ★ b 1 , a 2 ★ b 2 ⟩ ∈ R \langle a_1\bigstar b_1,a_2\bigstar b_2\rangle\in R ⟨ a 1 ★ b 1 , a 2 ★ b 2 ⟩ ∈ R ,則稱 R R R 爲 A A A 上關於 ★ \bigstar ★ 的同餘關係 。由這個同餘關係將 A A A 劃分成的等價類就稱爲同餘類 。
定理 5 - 8.4
設 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar \rangle ⟨ A , ★ ⟩ 是一個代數系統, R R R 是 A A A 上的一個同餘關係, B = { A 1 , A 2 , ⋯  , A r } B=\{A_1,A_2,\cdots,A_r\} B = { A 1 , A 2 , ⋯ , A r } 是由 R R R 誘導的 A A A 的一個劃分,那麼,必定存在新的代數系統 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,* \rangle ⟨ B , ∗ ⟩ ,它是 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar \rangle ⟨ A , ★ ⟩ 的同態象。
定理 5 - 8.5
設 f f f 是由 ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar \rangle ⟨ A , ★ ⟩ 到 ⟨ B , ∗ ⟩ \langle B,* \rangle ⟨ B , ∗ ⟩ 的一個同態映射,如果在 A A A 上定義二元關係 R R R 爲: ⟨ a , b ⟩ ∈ R \langle a,b \rangle \in R ⟨ a , b ⟩ ∈ R 當且僅當 f ( a ) = f ( b ) f(a)=f(b) f ( a ) = f ( b ) ,那麼, R R R 是 A A A 上的同餘類。
形象地說,一個代數系統的同態象可以看作是當抽去該系統中某些元素的次要特徵的情況下,對該系統的一種粗糙描述。如果我們把屬於同一個同餘類的元素看作是沒有區別的,那麼原系統的性態可以用同餘類之間的相互關係來描述。
5-9 環與域
定義 5 - 9.1
設 ⟨ A , ★ , ∗ ⟩ \langle A,\bigstar,*\rangle ⟨ A , ★ , ∗ ⟩ 是一個代數系統,如果滿足:
(1) ⟨ A , ★ ⟩ \langle A,\bigstar \rangle ⟨ A , ★ ⟩ 是阿貝爾羣。
(2) ⟨ A , ∗ ⟩ \langle A,* \rangle ⟨ A , ∗ ⟩ 是半羣。
(3)運算 ∗ * ∗ 對於運算 ★ \bigstar ★ 是可分配的。
則稱 ⟨ A , ★ , ∗ ⟩ \langle A,\bigstar,*\rangle ⟨ A , ★ , ∗ ⟩ 是環 。
定理 5 - 9.1
設 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 是一個環,則對任意的 a , b , c ∈ A a,b,c\in A a , b , c ∈ A ,有
(1) a ⋅ θ = θ ⋅ a = θ a\cdot\theta=\theta\cdot a=\theta a ⋅ θ = θ ⋅ a = θ
(2) a ⋅ ( − b ) = ( − a ) ⋅ b = − ( a ⋅ b ) a\cdot(-b)=(-a)\cdot b=-(a\cdot b) a ⋅ ( − b ) = ( − a ) ⋅ b = − ( a ⋅ b )
(3) ( − a ) ⋅ ( − b ) = a ⋅ b (-a)\cdot(-b)=a\cdot b ( − a ) ⋅ ( − b ) = a ⋅ b
(4) a ⋅ ( b − c ) = a ⋅ b − a ⋅ c a\cdot(b-c)=a\cdot b-a\cdot c a ⋅ ( b − c ) = a ⋅ b − a ⋅ c
(5) ( b − c ) ⋅ a = b ⋅ a − c ⋅ a (b-c)\cdot a=b\cdot a-c\cdot a ( b − c ) ⋅ a = b ⋅ a − c ⋅ a
其中, θ \theta θ 是加法幺元, − a -a − a 是 a a a 的加法逆元,並將 a + ( − b ) a+(-b) a + ( − b ) 記爲 a − b a-b a − b 。
證明:
(1)因爲 θ ⋅ a = ( θ + θ ) ⋅ a = θ ⋅ a + θ ⋅ a \theta\cdot a=(\theta+\theta)\cdot a=\theta\cdot a+\theta\cdot a θ ⋅ a = ( θ + θ ) ⋅ a = θ ⋅ a + θ ⋅ a ,由加法運算的消去律,得 θ ⋅ a = θ \theta\cdot a=\theta θ ⋅ a = θ 。同理可證 a ⋅ θ = θ a\cdot\theta=\theta a ⋅ θ = θ 。
(2)因爲 a ⋅ b + a ⋅ ( − b ) = a ⋅ [ b + ( − b ) ] = a ⋅ θ = θ a\cdot b+a\cdot(-b)=a\cdot[b+(-b)]=a\cdot\theta=\theta a ⋅ b + a ⋅ ( − b ) = a ⋅ [ b + ( − b ) ] = a ⋅ θ = θ ,所以 a ⋅ ( − b ) = − ( a ⋅ b ) a\cdot(-b)=-(a\cdot b) a ⋅ ( − b ) = − ( a ⋅ b ) 。同理可證 ( − a ) ⋅ b = − ( a ⋅ b ) (-a)\cdot b=-(a\cdot b) ( − a ) ⋅ b = − ( a ⋅ b ) 。
定義 5 - 9.2
設 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 是環。如果 ⟨ A , ⋅ ⟩ \langle A,\cdot\rangle ⟨ A , ⋅ ⟩ 是可交換的,則稱 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 是交換環 。如果 ⟨ A , ⋅ ⟩ \langle A,\cdot\rangle ⟨ A , ⋅ ⟩ 含有幺元,則稱 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 是含幺環 。
定義 5 - 9.3
設 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 是一個代數系統,如果滿足:
(1) ⟨ A , + ⟩ \langle A,+\rangle ⟨ A , + ⟩ 是阿貝爾羣。
(2) ⟨ A , ⋅ ⟩ \langle A,\cdot\rangle ⟨ A , ⋅ ⟩ 是可交換獨異點,且無零因子,即對任意的 a , b ∈ A , a ≠ θ , b ≠ θ a,b\in A,a\ne\theta,b\ne\theta a , b ∈ A , a ̸ = θ , b ̸ = θ 必有 a ⋅ b ≠ θ a\cdot b\ne\theta a ⋅ b ̸ = θ 。
(3) 運算 ⋅ \cdot ⋅ 對於運算 + + + 是可分配的。
則稱 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 是整環 。
定理 5 - 9.2
在整環 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 中的無零因子條件等價於乘法消去律,即對於 c ≠ θ c\ne\theta c ̸ = θ 和 c ⋅ a = c ⋅ b c\cdot a=c\cdot b c ⋅ a = c ⋅ b ,必有 a = b a=b a = b 。
定義 5 - 9.4
設 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 是一個代數系統,如果滿足:
(1) ⟨ A , + ⟩ \langle A,+\rangle ⟨ A , + ⟩ 是阿貝爾羣。
(2) ⟨ A − { θ } , ⋅ ⟩ \langle A-\{\theta\},\cdot\rangle ⟨ A − { θ } , ⋅ ⟩ 是阿貝爾羣。
(3) 運算 ⋅ \cdot ⋅ 對於運算 + + + 是可分配的。
則稱 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 是域 。
定理 5 - 9.3
域一定是整環。
定理 5 - 9.4
有限整環必定是域。
定義 5 - 9.5
設 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 和 ⟨ B , ⊕ , ⊙ ⟩ \langle B,\oplus,\odot \rangle ⟨ B , ⊕ , ⊙ ⟩ 是兩個代數系統,如果一個從 A A A 到 B B B 的映射 f f f ,滿足如下條件:
對任意的 a , b ∈ A a,b\in A a , b ∈ A ,有
(1) f ( a + b ) = f ( a ) ⊕ f ( b ) f(a+b)=f(a)\oplus f(b) f ( a + b ) = f ( a ) ⊕ f ( b )
(2) f ( a ⋅ b ) = f ( a ) ⊙ f ( b ) f(a\cdot b) = f(a)\odot f(b) f ( a ⋅ b ) = f ( a ) ⊙ f ( b )
則稱 f f f 爲由 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 到 ⟨ B , ⊕ , ⊙ ⟩ \langle B,\oplus,\odot \rangle ⟨ B , ⊕ , ⊙ ⟩ 的一個同態映射 ,並稱 ⟨ f ( A ) , ⊕ , ⊙ ⟩ \langle f(A),\oplus,\odot\rangle ⟨ f ( A ) , ⊕ , ⊙ ⟩ 是 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot \rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 的同態象 。
定理 5 - 9.5
任一環的同態象是一個環。
證明:
設 ⟨ A , + , ⋅ ⟩ \langle A,+,\cdot\rangle ⟨ A , + , ⋅ ⟩ 是一個環, ⟨ B , ⊕ , ⊙ ⟩ \langle B,\oplus,\odot \rangle ⟨ B , ⊕ , ⊙ ⟩ 是其在同態映射 f f f 下的同態象。
由 ⟨ A , + ⟩ \langle A,+\rangle ⟨ A , + ⟩ 是阿貝爾羣,容易證明 ⟨ B , ⊕ ⟩ \langle B,\oplus\rangle ⟨ B , ⊕ ⟩ 也是阿貝爾羣。
由 ⟨ A , ⋅ ⟩ \langle A,\cdot\rangle ⟨ A , ⋅ ⟩ 是半羣,容易證明 ⟨ B , ⊙ ⟩ \langle B,\odot\rangle ⟨ B , ⊙ ⟩ 也是半羣。
對於任意的 b 1 , b 2 , b 3 ∈ B b_1,b_2,b_3\in B b 1 , b 2 , b 3 ∈ B ,必有相應的 a 1 , a 2 , a 3 a_1,a_2,a_3 a 1 , a 2 , a 3 ,使得 f ( a i ) = b i , ( i = 1 , 2 , 3 ) f(a_i)=b_i,(i=1,2,3) f ( a i ) = b i , ( i = 1 , 2 , 3 ) 。
於是, b 1 ⊙ ( b 2 ⊕ b 3 ) = f ( a 1 ) ⊙ ( f ( a 2 ) ⊕ f ( a 3 ) ) = f ( a 1 ) ⊙ f ( a 2 + a 3 ) = f ( a 1 ⋅ ( a 2 + a 3 ) ) = f ( ( a 1 ⋅ a 2 ) + ( a 1 ⋅ a 3 ) ) = f ( a 1 ⋅ a 2 ) ⊕ f ( a 1 ⋅ a 3 ) = ( f ( a 1 ) ⊙ f ( a 2 ) ) ⊕ ( f ( a 1 ) ⊙ f ( a 3 ) ) = ( b 1 ⊙ b 2 ) ⊕ ( b 1 ⊙ b 3 ) \begin{aligned}b_1\odot(b_2\oplus b_3)&=f(a_1)\odot(f(a_2)\oplus f(a_3))\\&=f(a_1)\odot f(a_2+a_3)\\&=f(a_1\cdot(a_2+a_3))\\&=f((a_1\cdot a_2)+(a_1\cdot a_3))\\&=f(a_1\cdot a_2)\oplus f(a_1\cdot a_3)\\&=(f(a_1)\odot f(a_2))\oplus(f(a_1)\odot f(a_3))\\&=(b_1\odot b_2)\oplus(b_1\odot b_3)\end{aligned} b 1 ⊙ ( b 2 ⊕ b 3 ) = f ( a 1 ) ⊙ ( f ( a 2 ) ⊕ f ( a 3 ) ) = f ( a 1 ) ⊙ f ( a 2 + a 3 ) = f ( a 1 ⋅ ( a 2 + a 3 ) ) = f ( ( a 1 ⋅ a 2 ) + ( a 1 ⋅ a 3 ) ) = f ( a 1 ⋅ a 2 ) ⊕ f ( a 1 ⋅ a 3 ) = ( f ( a 1 ) ⊙ f ( a 2 ) ) ⊕ ( f ( a 1 ) ⊙ f ( a 3 ) ) = ( b 1 ⊙ b 2 ) ⊕ ( b 1 ⊙ b 3 )
同理可證 ( b 2 ⊕ b 3 ) ⊙ b 1 = ( b 2 ⊙ b 1 ) ⊕ ( b 2 ⊙ b 1 ) (b_2\oplus b_3)\odot b_1=(b_2\odot b_1)\oplus(b_2\odot b_1) ( b 2 ⊕ b 3 ) ⊙ b 1 = ( b 2 ⊙ b 1 ) ⊕ ( b 2 ⊙ b 1 )
因此, ⟨ B , ⊕ , ⊙ ⟩ \langle B,\oplus,\odot \rangle ⟨ B , ⊕ , ⊙ ⟩ 也是一個環。
第六章 格和布爾代數
6-1 格的概念
定義 6 - 1.1
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個偏序集,如果 A A A 中任意兩個元素都有最小上界和最大下界,則稱 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 爲格 。
定義 6 - 1.2
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格,如果在 A A A 上定義兩個二元運算 ∨ \vee ∨ 和 ∧ \wedge ∧ ,使得對於任意的 a , b ∈ A a,b\in A a , b ∈ A , a ∨ b a\vee b a ∨ b 等於 a a a 和 b b b 的最小上界, a ∧ b a\wedge b a ∧ b 等於 a a a 和 b b b 的最大下界,那麼,就稱 ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ \langle A,\vee,\wedge\rangle ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ 爲由格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 所誘導的代數系統 。二元運算 ∨ \vee ∨ 和 ∧ \wedge ∧ 分別稱爲並運算 和交運算 。
定義 6 - 1.3
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格,由格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 所誘導的代數系統爲 ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ \langle A,\vee,\wedge\rangle ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ ,設 B ⊆ A B\subseteq A B ⊆ A 且 B ≠ ∅ B\ne\varnothing B ̸ = ∅ ,如果 A A A 中的這兩個運算 ∨ \vee ∨ 和 ∧ \wedge ∧ 是封閉的,則稱 ⟨ B , ≼ ⟩ \langle B,\preccurlyeq\rangle ⟨ B , ≼ ⟩ 是 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 的子格 。
定理 6 - 1.1
在一個格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 中,對任意的 a , b ∈ A a,b\in A a , b ∈ A ,都有
(1) a ≼ a ∨ b a\preccurlyeq a\vee b a ≼ a ∨ b
(2) b ≼ a ∨ b b\preccurlyeq a\vee b b ≼ a ∨ b
(3) a ∧ b ≼ a a\wedge b \preccurlyeq a a ∧ b ≼ a
(4) a ∧ b ≼ b a\wedge b \preccurlyeq b a ∧ b ≼ b
證明:
(由定義易證。)
定理 6 - 1.2
在一個格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 中,對於 a , b , c , d ∈ A a,b,c,d\in A a , b , c , d ∈ A ,若 a ≼ b a\preccurlyeq b a ≼ b , c ≼ d c\preccurlyeq d c ≼ d ,則 a ∨ c ≼ b ∨ d a\vee c \preccurlyeq b \vee d a ∨ c ≼ b ∨ d , a ∧ c ≼ b ∧ d a\wedge c \preccurlyeq b \wedge d a ∧ c ≼ b ∧ d 。
證明:
a ≼ b ≼ b ∨ d , c ≼ d ≼ b ∨ d a \preccurlyeq b \preccurlyeq b\vee d,c \preccurlyeq d \preccurlyeq b\vee d a ≼ b ≼ b ∨ d , c ≼ d ≼ b ∨ d ,則 a ∨ c ≼ b ∨ d a\vee c \preccurlyeq b\vee d a ∨ c ≼ b ∨ d 。同理可證 a ∧ c ≼ b ∧ d a\wedge c \preccurlyeq b\wedge d a ∧ c ≼ b ∧ d
定理 6 - 1.3
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格,由格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq\rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 所誘導的代數系統爲 ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ \langle A,\vee,\wedge\rangle ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ ,則對任意的 a , b , c , d ∈ A a,b,c,d\in A a , b , c , d ∈ A ,有
(1) a ∨ b = b ∨ a a\vee b=b\vee a a ∨ b = b ∨ a (交換律)
(2) a ∨ ( b ∨ c ) = ( a ∨ b ) ∨ c a\vee(b\vee c)=(a\vee b)\vee c a ∨ ( b ∨ c ) = ( a ∨ b ) ∨ c (結合律)
(3) a ∨ a = a a\vee a=a a ∨ a = a (冪等律)
(4) a ∨ ( a ∧ b ) = a a\vee(a\wedge b)=a a ∨ ( a ∧ b ) = a (吸收律)
上述式子的對偶式也同樣成立。
證明:
(1)略
(2)
b ≼ b ∨ c ≼ a ∨ ( b ∨ c ) a ≼ a ∨ ( b ∨ c ) ⇒ ( a ∨ b ) ≼ a ∨ ( b ∨ c ) \begin{aligned}&b\preccurlyeq b\vee c \preccurlyeq a \vee (b \vee c)\\&a\preccurlyeq a \vee (b \vee c) \\\Rightarrow &(a\vee b)\preccurlyeq a\vee(b\vee c)\end{aligned} ⇒ b ≼ b ∨ c ≼ a ∨ ( b ∨ c ) a ≼ a ∨ ( b ∨ c ) ( a ∨ b ) ≼ a ∨ ( b ∨ c ) 又 c ≼ b ∨ c ≼ a ∨ ( b ∨ c ) c\preccurlyeq b\vee c \preccurlyeq a\vee (b\vee c) c ≼ b ∨ c ≼ a ∨ ( b ∨ c ) 則 ( a ∨ b ) ∨ c ≼ a ∨ ( b ∨ c ) (a\vee b)\vee c\preccurlyeq a\vee (b \vee c) ( a ∨ b ) ∨ c ≼ a ∨ ( b ∨ c ) 類似可證 a ∨ ( b ∨ c ) ≼ ( a ∨ b ) ∨ c a\vee (b \vee c)\preccurlyeq (a\vee b)\vee c a ∨ ( b ∨ c ) ≼ ( a ∨ b ) ∨ c 因此 ( a ∨ b ) ∨ c = a ∨ ( b ∨ c ) (a\vee b)\vee c= a\vee (b \vee c) ( a ∨ b ) ∨ c = a ∨ ( b ∨ c ) 證畢。
(3)
a ≼ a ∨ a , a ≼ a ⇒ a ∨ a ≼ a ⇒ a = a ∨ a \begin{aligned}&a\preccurlyeq a\vee a,\\&a\preccurlyeq a \Rightarrow a\vee a \preccurlyeq a\\\Rightarrow &a=a\vee a\end{aligned} ⇒ a ≼ a ∨ a , a ≼ a ⇒ a ∨ a ≼ a a = a ∨ a 再由對偶原理, a ∧ a = a a\wedge a=a a ∧ a = a 。
(4)略
引理 6 - 1.1
設 ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ \langle A,\vee,\wedge\rangle ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ 是一個代數系統,其中 ∨ , ∧ \vee,\wedge ∨ , ∧ 都是二元運算且滿足吸收性,則 ∨ \vee ∨ 和 ∧ \wedge ∧ 都滿足冪等性。
證明:
由吸收性,有 a ∨ ( a ∧ b ) = a a\vee(a\wedge b)=a a ∨ ( a ∧ b ) = a 和 a ∧ ( a ∨ b ) a\wedge(a\vee b) a ∧ ( a ∨ b ) 取(1)式中 b b b 爲 a ∨ b a\vee b a ∨ b 得 a ∨ ( a ∧ ( a ∨ b ) ) = a a\vee(a\wedge(a\vee b))=a a ∨ ( a ∧ ( a ∨ b ) ) = a 再由(2)式得 a ∨ a = a a\vee a=a a ∨ a = a 同理可證 a ∧ a = a a\wedge a=a a ∧ a = a
定理 6 - 1.4
設 ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ \langle A,\vee,\wedge\rangle ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ 是一個代數系統,其中 ∨ \vee ∨ ,∧ \wedge ∧ 都是二元運算且滿足交換性、結合性和吸收性,則 A A A 上存在偏序關係 ≼ \preccurlyeq ≼ ,使 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格。
定理 6 - 1.5
在一個格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 中,對任意的 a , b , c ∈ A a,b,c\in A a , b , c ∈ A ,都有 a ∨ ( b ∧ c ) ≼ ( a ∨ b ) ∧ ( a ∨ c ) a\vee(b\wedge c)\preccurlyeq(a\vee b)\wedge(a\vee c) a ∨ ( b ∧ c ) ≼ ( a ∨ b ) ∧ ( a ∨ c ) 和 ( a ∧ b ) ∨ ( a ∧ c ) ≼ a ∧ ( b ∨ c ) (a\wedge b)\vee(a\wedge c)\preccurlyeq a\wedge(b\vee c) ( a ∧ b ) ∨ ( a ∧ c ) ≼ a ∧ ( b ∨ c )
定理 6 - 1.6
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格,那麼,對於任意的 a , b ∈ A a,b\in A a , b ∈ A ,有 a ≼ b ⇔ a ∧ b = a ⇔ a ∨ b = b a \preccurlyeq b \Leftrightarrow a \wedge b = a \Leftrightarrow a \vee b = b a ≼ b ⇔ a ∧ b = a ⇔ a ∨ b = b
定理 6 - 1.7
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格,那麼,對於任意的 a , b ∈ A a,b\in A a , b ∈ A ,有 a ≼ c ⇔ a ∨ ( b ∧ c ) ≼ ( a ∨ b ) ∧ c a \preccurlyeq c \Leftrightarrow a \vee (b \wedge c) \preccurlyeq (a \vee b) \wedge c a ≼ c ⇔ a ∨ ( b ∧ c ) ≼ ( a ∨ b ) ∧ c
定義 6 - 1.4
設 ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ \langle A_1,\preccurlyeq_1 \rangle ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ 和 ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ \langle A_2,\preccurlyeq_2 \rangle ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ 是兩個格,由它們分別誘導的代數系統爲 ⟨ A 1 , ∨ 1 , ∧ 1 ⟩ \langle A_1,\vee_1,\wedge_1\rangle ⟨ A 1 , ∨ 1 , ∧ 1 ⟩ 和 ⟨ A 2 , ∨ 2 , ∧ 2 ⟩ \langle A_2,\vee_2,\wedge_2\rangle ⟨ A 2 , ∨ 2 , ∧ 2 ⟩ ,如果存在着一個從 A 1 A_1 A 1 到 A 2 A_2 A 2 的映射 f f f ,使得對於任意的 a , b ∈ A 1 a,b\in A_1 a , b ∈ A 1 有 f ( a ∨ 1 b ) = f ( a ) ∨ 2 f ( b ) f(a \vee_1 b)=f(a) \vee_2 f(b) f ( a ∨ 1 b ) = f ( a ) ∨ 2 f ( b ) f ( a ∧ 1 b ) = f ( a ) ∧ 2 f ( b ) f(a \wedge_1 b)=f(a) \wedge_2 f(b) f ( a ∧ 1 b ) = f ( a ) ∧ 2 f ( b ) 則稱 f f f 爲從 ⟨ A 1 , ∨ 1 , ∧ 1 ⟩ \langle A_1,\vee_1,\wedge_1\rangle ⟨ A 1 , ∨ 1 , ∧ 1 ⟩ 到 ⟨ A 2 , ∨ 2 , ∧ 2 ⟩ \langle A_2,\vee_2,\wedge_2\rangle ⟨ A 2 , ∨ 2 , ∧ 2 ⟩ 的格同態象 。此外,當 f f f 是雙射時,則稱 f f f 爲從 ⟨ A 1 , ∨ 1 , ∧ 1 ⟩ \langle A_1,\vee_1,\wedge_1\rangle ⟨ A 1 , ∨ 1 , ∧ 1 ⟩ 到 ⟨ A 2 , ∨ 2 , ∧ 2 ⟩ \langle A_2,\vee_2,\wedge_2\rangle ⟨ A 2 , ∨ 2 , ∧ 2 ⟩ 的格同構 ,亦稱 ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ \langle A_1,\preccurlyeq_1 \rangle ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ 和 ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ \langle A_2,\preccurlyeq_2 \rangle ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ 這兩個格是同構 的。
定理 6 - 1.8
設 f f f 是格 ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ \langle A_1,\preccurlyeq_1 \rangle ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ 到 ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ \langle A_2,\preccurlyeq_2 \rangle ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ 的格同態,則對任意的 x , y ∈ A 1 x,y\in A_1 x , y ∈ A 1 ,如果 x ≼ 1 y x\preccurlyeq_1 y x ≼ 1 y ,必有 f ( x ) ≼ 2 f ( y ) f(x)\preccurlyeq_2 f(y) f ( x ) ≼ 2 f ( y ) 。
定理 6 - 1.9
設 ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ \langle A_1,\preccurlyeq_1 \rangle ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ 和 ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ \langle A_2,\preccurlyeq_2 \rangle ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ 是兩個格, f f f 是從 A 1 A_1 A 1 到 A 2 A_2 A 2 的雙射,則 f f f 是 ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ \langle A_1,\preccurlyeq_1 \rangle ⟨ A 1 , ≼ 1 ⟩ 到 ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ \langle A_2,\preccurlyeq_2 \rangle ⟨ A 2 , ≼ 2 ⟩ 的格同構,當且僅當對任意的 a , b ∈ A a,b\in A a , b ∈ A , a ≼ 1 b ⇔ f ( a ) ≼ 2 f ( b ) a\preccurlyeq_1 b \Leftrightarrow f(a) \preccurlyeq_2 f(b) a ≼ 1 b ⇔ f ( a ) ≼ 2 f ( b ) 。
6-2 分配格
定義 6 - 2.1
設 ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ \langle A,\vee,\wedge\rangle ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ 是由格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 所誘導的代數系統。如果 ∧ \wedge ∧ 運算和 ∨ \vee ∨ 運算在 A A A 上互相可分配,則稱 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 爲分配格 。
定理 6 - 2.1
如果在一個格中 ∧ \wedge ∧ 運算對於 ∨ \vee ∨ 運算是可分配的,則 ∨ \vee ∨ 運算對於 ∧ \wedge ∧ 運算也是可分配的。反之亦然。
定理 6 - 2.2
每個鏈一定是分配格。
定理 6 - 2.3
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個分配格,那麼,對於任意的 a , b , c ∈ A a,b,c\in A a , b , c ∈ A ,如果有 a ∧ b = a ∧ c a\wedge b = a\wedge c a ∧ b = a ∧ c 和 a ∨ b = a ∨ c a\vee b = a \vee c a ∨ b = a ∨ c 成立,則必有 b = c b=c b = c 。
定義 6 - 2.2
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格,由它所誘導的代數系統爲 ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ \langle A,\vee,\wedge\rangle ⟨ A , ∨ , ∧ ⟩ ,如果對於任意的 a , b , c ∈ A a,b,c \in A a , b , c ∈ A ,當 b ≼ a b \preccurlyeq a b ≼ a 時,有 a ∧ ( b ∨ c ) = b ∨ ( a ∧ c ) a \wedge (b \vee c) = b \vee (a \wedge c) a ∧ ( b ∨ c ) = b ∨ ( a ∧ c ) 則稱 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是模格 。
定理 6 - 2.4
格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是模格,當且僅當在 A A A 中不含有適合下述條件的元素 u , v , w u,v,w u , v , w
(1) v ≺ u v \prec u v ≺ u
(2) u ∨ w = v ∨ w , u ∧ w = v ∧ w u \vee w = v \vee w, u \wedge w = v \wedge w u ∨ w = v ∨ w , u ∧ w = v ∧ w
定理 6 - 2.5
在一般的格中,對於任意的 a , b , c a,b,c a , b , c ,有以下三個式子成立:
(1) a ∨ ( b ∧ c ) ≼ ( a ∨ b ) ∧ ( a ∨ c ) a \vee (b \wedge c) \preccurlyeq (a \vee b) \wedge (a \vee c) a ∨ ( b ∧ c ) ≼ ( a ∨ b ) ∧ ( a ∨ c )
(2) ( a ∧ b ) ∨ ( a ∧ c ) ≼ a ∧ ( b ∨ c ) (a \wedge b) \vee (a \wedge c) \preccurlyeq a \wedge (b \vee c) ( a ∧ b ) ∨ ( a ∧ c ) ≼ a ∧ ( b ∨ c )
(3) ( a ∧ b ) ∨ ( b ∧ c ) ∨ ( c ∧ a ) ≼ ( a ∨ b ) ∧ ( b ∨ c ) ∧ ( c ∨ a ) (a \wedge b) \vee (b \wedge c) \vee (c \wedge a) \preccurlyeq (a \vee b) \wedge (b \vee c) \wedge (c \vee a) ( a ∧ b ) ∨ ( b ∧ c ) ∨ ( c ∧ a ) ≼ ( a ∨ b ) ∧ ( b ∨ c ) ∧ ( c ∨ a )
對於模格,若有三個元素 a , b , c a,b,c a , b , c ,使得上述三個式子的任何一個式子把 ≼ \preccurlyeq ≼ 換成 = = = 成立,則另外兩個式子中把 ≼ \preccurlyeq ≼ 換成 = = = 也必成立。
定理 6 - 2.6
分配格必定是模格。
6-3 有補格
定義 6 - 3.1
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格,如果存在元素 a ∈ A a\in A a ∈ A ,對於任意的 x ∈ A x\in A x ∈ A ,都有 a ≼ x a\preccurlyeq x a ≼ x 則稱 a a a 爲格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 的全下界 ,記格的全下界爲 0 0 0 。
定理 6 - 3.1
一個格若有全下界,則是唯一的。
定義 6 - 3.2
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格,如果存在元素 b ∈ A b\in A b ∈ A ,對於任意的 x ∈ A x\in A x ∈ A ,都有 x ≼ b x\preccurlyeq b x ≼ b 則稱 b b b 爲格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 的全上界 ,記格的全上界爲 1 1 1 。
定理 6 - 3.2
一個格若有全上界,則是唯一的。
定義 6 - 3.3
如果一個格中存在全下界和全上界,則稱該格爲有界格 。
定理 6 - 3.3
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個有界格,則對任意的 a ∈ A a\in A a ∈ A ,必有
(1) a ∨ 1 = 1 , a ∧ 1 = a a\vee1=1,a\wedge1=a a ∨ 1 = 1 , a ∧ 1 = a
(2) a ∨ 0 = a , a ∧ 0 = 0 a\vee0=a,a\wedge0=0 a ∨ 0 = a , a ∧ 0 = 0
定義 6 - 3.4
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個有界格,對於 A A A 中的一個元素 a a a ,如果存在 b ∈ A b\in A b ∈ A ,使得 a ∨ b = 1 a\vee b=1 a ∨ b = 1 和 a ∧ b = 0 a\wedge b=0 a ∧ b = 0 ,則稱元素 b b b 是元素 a a a 的補元 。
定義 6 - 3.5
在一個有界格中,如果每個元素都至少有一個補元素,則稱此格爲有補格 。
定理 6 - 3.4
在有界分配格中,若有一個元素有補元素,則必是唯一的。
證明:
設 a a a 有兩個補元素 b b b 和 c c c ,即有 a ∨ b = 1 , a ∧ b = 0 a \vee b =1,a \wedge b=0 a ∨ b = 1 , a ∧ b = 0 a ∨ c = 1 , a ∧ c = 0 a \vee c = 1,a \wedge c =0 a ∨ c = 1 , a ∧ c = 0 由定理 6 - 2.3 即得 b = c b=c b = c 。
定義 6 - 3.6
一個格如果它既是有補格,又是分配格,則稱它爲有補分配格 。我們把有補分配格中任一元素 a a a 的唯一補元記爲 a ˉ \bar{a} a ˉ 。
6-4 布爾代數
定義 6 - 4.1
一個有補分配格稱爲布爾格 。
定義 6 - 4.2
由布爾格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ ,可以誘導一個代數系統 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ ,這個代數系統稱爲布爾代數 。
定理 6 - 4.1
對於布爾代數中任意兩個元素 a , b a,b a , b ,必定有 ( a ˉ ) ‾ = a \overline{(\bar{a})}=a ( a ˉ ) = a a ∨ b ‾ = a ˉ ∧ b ˉ \overline{a \vee b} = \bar{a} \wedge \bar{b} a ∨ b = a ˉ ∧ b ˉ a ∧ b ‾ = a ˉ ∨ b ˉ \overline{a \wedge b} = \bar{a} \vee \bar{b} a ∧ b = a ˉ ∨ b ˉ
定義 6 - 4.3
具有有限個元素的布爾代數稱爲有限布爾代數 。
定義 6 - 4.4
設 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 和 ⟨ B , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle B,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ B , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 是兩個布爾代數,如果存在着 A A A 到 B B B 的雙射 f f f ,對於任意的 a , b ∈ A a,b \in A a , b ∈ A ,都有 f ( a ∨ b ) = f ( a ) ∨ f ( b ) f(a \vee b) = f(a) \vee f(b) f ( a ∨ b ) = f ( a ) ∨ f ( b ) f ( a ∧ b ) = f ( a ) ∧ f ( b ) f(a\wedge b)=f(a)\wedge f(b) f ( a ∧ b ) = f ( a ) ∧ f ( b ) f ( a ˉ ) = f ( a ) ‾ f(\bar{a})=\overline{f(a)} f ( a ˉ ) = f ( a ) 則稱 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 和 ⟨ B , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle B,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ B , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 同構 。
定義 6 - 4.5
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個格,且具有全下界 0 0 0 ,如果有元素 a a a 蓋住 0 0 0 ,則稱元素 a a a 爲原子 。
定理 6 - 4.2
設 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 是一個具有全下界 0 0 0 的有限格,則對於任何一個非零元素 b b b (即不等於全下界 0 0 0 的元素)至少存在一個原子 a a a ,使得 a ≼ b a \preccurlyeq b a ≼ b 。
引理 6 - 4.1
在一個布爾格中, b ∧ c ˉ = 0 b \wedge \bar{c} = 0 b ∧ c ˉ = 0 當且僅當 b ≼ c b \preccurlyeq c b ≼ c 。
引理 6 - 4.2
設 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 是一個有限布爾代數,若 b b b 是 A A A 中任意非零元素, a 1 , a 2 , ⋯  , a k a_1,a_2,\cdots, a_k a 1 , a 2 , ⋯ , a k 是 A A A 中滿足 a j ≼ b a_j \preccurlyeq b a j ≼ b 的所有原子( j = 1 , 2 , ⋯  , k j=1,2,\cdots,k j = 1 , 2 , ⋯ , k ),則 b = a 1 ∨ a 2 ∨ ⋯ ∨ a k b = a_1 \vee a_2 \vee \cdots \vee a_k b = a 1 ∨ a 2 ∨ ⋯ ∨ a k 。
引理 6 - 4.3
設 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 是一個有限布爾代數, b ∈ A b \in A b ∈ A ,且 b ≠ 0 b \ne 0 b ̸ = 0 , a 1 , a 2 , ⋯  , a k a_1,a_2,\cdots,a_k a 1 , a 2 , ⋯ , a k 是滿足 a i ≼ b a_i \preccurlyeq b a i ≼ b ( i = 1 , 2 , ⋯  , k i=1,2,\cdots,k i = 1 , 2 , ⋯ , k )的 A A A 中的所有原子,則 b = a 1 ∨ a 2 ∨ ⋯ ∨ a k b = a_1 \vee a_2 \vee \cdots \vee a_k b = a 1 ∨ a 2 ∨ ⋯ ∨ a k 是將 b b b 表示爲原子的並的唯一形式。
引理 6 - 4.4
在一個布爾格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 中,對 A A A 中的任意一個原子 a a a 和另一個非零元素 b b b , a ≼ b a\preccurlyeq b a ≼ b 和 a ≼ b ˉ a \preccurlyeq \bar{b} a ≼ b ˉ 兩式中有且僅有一式成立。
定理 6 - 4.3 (Stone 表示定理)
設 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 是由有限布爾格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 所誘導的一個有限布爾代數, S S S 是布爾格 ⟨ A , ≼ ⟩ \langle A,\preccurlyeq \rangle ⟨ A , ≼ ⟩ 中的所有原子的集合,則 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 和 ⟨ P ( S ) , ∪ , ∩ , ∼ ⟩ \langle \mathscr{P}(S),\cup,\cap,\sim \rangle ⟨ P ( S ) , ∪ , ∩ , ∼ ⟩ 同構。
6-5 布爾表達式
定義 6 - 5.1
設 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 是一個布爾代數,並在這個布爾代數上定義布爾表達式 如下:
(1) A A A 中任何元素是一個布爾表達式。
(2)任何變元是一個布爾表達式。
(3)如果 e 1 e_1 e 1 和 e 2 e_2 e 2 是布爾表達式,那麼, e ˉ 1 , ( e 1 ∨ e 2 ) \bar{e}_1,(e_1 \vee e_2) e ˉ 1 , ( e 1 ∨ e 2 ) 和 ( e 1 ∧ e 2 ) (e_1 \wedge e_2) ( e 1 ∧ e 2 ) 也都是布爾表達式。
定義 6 - 5.2
一個含有 n n n 個相異變元的布爾表達式,稱爲含有 n n n 元的布爾表達式 。記爲 E ( x 1 , x 2 , ⋯  , x n ) E(x_1,x_2,\cdots,x_n) E ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) ,其中 x 1 , x 2 , ⋯  , x n x_1,x_2,\cdots,x_n x 1 , x 2 , ⋯ , x n 爲變元。
定義 6 - 5.3
布爾代數 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 上的一個含有 n n n 元的布爾表達式 E ( x 1 , x 2 , ⋯  , x n ) E(x_1,x_2,\cdots,x_n) E ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) 的值 是指:將 A A A 中的元素作爲變元 x i x_i x i ( i = 1 , 2 , ⋯  , n i=1,2,\cdots,n i = 1 , 2 , ⋯ , n )的值來代替表達式中相應的變元(即對變元賦值),從而計算出表達式的值。
定義 6 - 5.4
設布爾代數 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 上兩個 n n n 元的布爾表達式爲 E 1 ( x 1 , x 2 , ⋯  , x n ) E_1(x_1,x_2,\cdots,x_n) E 1 ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) 和 E 2 ( x 1 , x 2 , ⋯  , x n ) E_2(x_1,x_2,\cdots,x_n) E 2 ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) ,如果對於 n n n 個變元的任意賦值 x i = x ~ i x_i=\widetilde{x}_i x i = x i , x ~ i ∈ A \widetilde{x}_i \in A x i ∈ A 時,均有 E 1 ( x ~ 1 , x ~ 2 ⋯  , x ~ n ) = E 2 ( x ~ 1 , x ~ 2 ⋯  , x ~ n ) E_1(\widetilde{x}_1,\widetilde{x}_2\cdots,\widetilde{x}_n) = E_2(\widetilde{x}_1,\widetilde{x}_2\cdots,\widetilde{x}_n) E 1 ( x 1 , x 2 ⋯ , x n ) = E 2 ( x 1 , x 2 ⋯ , x n ) 則稱這兩個布爾表達式是等價的,記作 E 1 ( x 1 , x 2 , ⋯  , x n ) = E 2 ( x 1 , x 2 , ⋯  , x n ) E_1(x_1,x_2,\cdots,x_n) = E_2(x_1,x_2,\cdots,x_n) E 1 ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) = E 2 ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) 。
定義 6 - 5.5
設 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 是一個布爾代數,一個從 A n A^n A n 到 A A A 的函數,如果它能夠用 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 上的 n n n 元布爾表達式來表示,那麼,這個函數就稱爲布爾函數 。
定理 6 - 5.1
對於兩個元素的布爾代數 ⟨ { 0 , 1 } , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle \{0,1\}, \vee , \wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ { 0 , 1 } , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ ,任何一個從 { 0 , 1 } n \{0,1\}^n { 0 , 1 } n 到 { 0 , 1 } \{0,1\} { 0 , 1 } 的函數都是布爾函數。
定理 6 - 5.2
設 E ( x 1 , x 2 , ⋯  , x n ) E(x_1,x_2,\cdots,x_n) E ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) 是布爾代數 ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ \langle A,\vee,\wedge,\bar{\quad} \rangle ⟨ A , ∨ , ∧ , ˉ ⟩ 上的任意一個布爾表達式,則它一定能寫成析取範式。