几个典型的代数系统
重点:
1、半群,可交换半群,独异点的定义,
2、群,交换群 (阿贝尔群)的定义及性质,
3、群的阶的定义,
4、循环群,生成元的定义及例子,
5、子群的定义及判定。
1、定义:满足结合律的代数系统 称为半群。
例1、(1) , , , , 都是半群。
(2) 是半群。
(3) 是半群,其中 表示集合的对称差运算。
(4) 是半群,其中 , 表示模 的加法。
可交换半群:运算可交换的半群。
2、独异点 (含幺半群):含有幺元的半群,记作 。
如例1中除了 不是独异点外,其余的均是独异点,分别记作 , , , , , , 。
3、半群中元素幂 。
由于半群 中的运算 是可结合的,可以定义运算的幂, , 指的是:
( 为正整数)
特别地, 为独异点时, 。
易证 的幂遵从以下规律:
( 为非负整数)
4、子半群。
半群的子代数叫子半群,独异点的子代数叫子独异点。
例如: , 都是 的子半群,且 是 的子独异点。
1、定义。代数系统 满足:①结合律,②有幺元,③任意元有逆元,则称 为群。
例2、(1) , , 都是群,因任意元素 的逆元 存在,而 , 不是群, 没有幺元, 除 外,其余元素都没有逆元。
(2) 不是群,因不是所有的 阶矩阵都可逆。
(3) 是群, 为幺元, ,
(4) 是群, 为幺元, ,
2、交换群 (也称阿贝尔 群)。
交换群:满足交换律的群。如例2中的 , , , , 都是阿贝尔群。
例3、 四元群。
,运算 由下表给出:
|
可以看出:(1) 为幺元,(2) 是可交换的,(3) 任何元素的逆元就是本身,(4) 三个元素中,任何两个元素的运算结果都等于另一个元素。
四元群也是一个阿贝尔群。
3、群的阶。
有限群 的阶—— 中元素的个数,记 。
例如: 的阶为 , 四元群的阶为4。
4、群中元素的幂 。
对于群 ,任意元素均有逆元, , ,定义
则可以把独异点中的关于 的定义扩充为:
( 为非负整数)
( 为正整数)
有关幂的两个公式: ,
5、群中元素 的阶 (或周期)。
群 中元素 的阶——使 成立的最小正整数 。
例如: 四元群中, 的阶都是 ,记 , 的阶为 ,记 。
例4、 ,求模 的加群 中各元素的阶。
解:因 ,即 ,所以 。
同理可得: , , , , 。
6、群的性质。
(1) , , 。
(2) 若 ,则 中无零元。
(3) 中消去律成立,即:
若 ,则 ,
若 ,则 。
(4) 幺元是群中唯一的幂等元。
(5) ,方程 和 在 中有唯一解。
(6) 有限群的运算表中,每一行 (每一列)都是 中元素的一个排列。不同行 (列)的排列不同。
例5、证明 是阿贝尔群当且仅当对 , 。
证明:设 为阿贝尔群,则 ,有 ,
故 。
反之,设 , ,即 ,
即 ,由消去律,得 ,故 为阿贝尔群。
例6、如果 中的每一个元素 都满足 ,则 是阿贝尔群。
证明: ,由题设知, , , ,
从而, ,
所以 是阿贝尔群。
例7、设群 不是阿贝尔群,则 中存在两个非幺元的元素 , ,使得 。
证明:(1) 先证存在 ,使 。事实上,若 ,都有 ,即 ,由例6知, 是阿贝尔群,与题设矛盾。
(2) 再证结论成立。
设 , ,令 ,则 非幺元,且 ,但 。
1、定义:设群 , 是 的非空子集,若 为群,则称 为 的子群,记作 。
例8、(1) 群 ,令 ,则 是 的子群,同样, 也是 的子群。
(2) 四元群, 有 个子群
, , , ,
其中 和 是平凡子群,其余均为真子群。
2、判定。
定理:设 为群, 是 的非空子集,若对任意 ,都有 ,则 是 的子群。
例9、设 和 都是群 的子群,证明 也是 的子群。
证明:(1) 先证 非空。因 为 的子群,故 , ,从而 ,因此, 非空。
(2) ,则 且 ,因 和 都是 的子群,故 , ,从而 ,由判定定理知, 为 的子群。
思考:若 , 为群 的子群,问 是 的子群吗?
3、生成子群,中心。
(1)生成子群:设 为群, ,记 ,称为由元素 生成的子群。
例10、 ,群 中由 生成的子群
,
同理, ,
,
,
(2) 中心:设 为群,记 ,称 为群 的中心。
的中心即与 中所有元素都可交换的元素构成的集合,它是 的子群。
1、定义。
群 中若存在 使得 ,则称 为循环群,记 ,称 为 的生成元。
在循环群 中,生成元 的阶与群 的阶一样。
循环群都是阿贝尔群。
循环群的子群都是循环群。
2、循环群的典型例子。
例11、 是循环群,其生成元为 和 ,因为任何整数都可由若干个 或者若干个 相加而得到。
是无限阶循环群,其子群除了 外都是无限阶循环群,如 ,其中 。
例12、 是 阶循环群, , 中与 互质的数均可作为生成元。
阶循环群 的子群的阶都是 的正因子,对于 的每个正因子 ,在 中只有一个 阶子群,就是由 生成的子群。
如: ,其生成元有 (均与 互质)。
即 。
的正因子有 ,则 的子群有:
阶子群
阶子群
阶子群
阶子群
阶子群
阶子群