其它代数系统
本章学习环、域、格与布尔代数。
一、基本要求
1. 知道环、子环与域的概念。
2. 了解格(偏序格、代数格及其等价性)、子格等概念。
3. 知道有界格、有余格、分配格的概念。
4. 了解布尔代数概念,掌握其性质和运算。
掌握布尔恒等式的证明和布尔表达式的化简。知道亨廷顿公理。
本章重点:格与布尔代数概念,布尔代数运算、化简和恒等式证明。
二、学习指导
1. 环与域
h环 设G是非空集合,在G上定义加法+和乘法·两种运算,如果满足:
(1) (G,+)是交换群(阿贝尔群);
(2) (2) (G,·)是半群;
(3) (3) 乘法对加法适合左、右分配律,即对"a,b,cÎG,有
a·(b+c)=a·b+a·c (a+b)·c=a·c+b·c
则称代数系统(G,+,·)为环.
环就是定义了代数运算+,·,其中“+”满足交换律,“·”满足结合律,·对+满足左右分配律。
h交换环 环(G,+,·)的乘法满足交换律:a·b=b·a. 则称(G,+,·)是交换环。
交换环就两个代数运算都满足交换律。
h除环 环(G,+,·)的乘法·存在单位元;非0元对·有逆元的环。
h域 设(S,+,·)是代数系统,如果满足:
(1) (1) (S,+)是交换群;
(2) (2) (S-{0},·)是交换群;
(3) (3) 运算·对运算+是可分配的.
则称(S,+,·)为域.。或者域就是交换除环。
域比环条件强,但是比交换环条件弱。
环与域关系图
h环的同态、同构
例8.1 证明 是环,其中Z是整数集,运算 定义如下:
证明 (1) ,
显然有
又 ,即1是运算 的单位元。
对 ,即2-a是运算 的逆元。
从而得到(Z, )是交换群。
(2) ,
所以运算 是可结合的。那么(Z, )是半群。
(3) ,
故,运算 对 适合分配律。
总之,( )能构成环。
例8.2 试判别( )和( )是不是域。其中
解 根据环的定义,不难验证(Z3,+3,Ä3)和(Z4,+4,Ä4)是环(即验证①(Z3,+3)是交换群;②(Z3,Ä3)是半群;③运算Ä3对+3有分配律)。
对于(Z3,+3,Ä3)和(Z4,+4,Ä4),我们只需验证它们满足以下条件:
(1) (1) 运算Ä3和Ä4是否可交换;
(2) (2) 运算Ä3和Ä4是否具有单位元;
(3)Z3和Z4中的每一个非0元素分别对于Ä3和Ä4是否具有逆元。
(注:满足(1)和(2),表示(Z3,+3,Ä3)和(Z4,+4,Ä4)是除环,又满足(1)表示(Z3,+3,Ä3)和(Z4,+4,Ä4)是交换除环)
为此我们构造Ä3和Ä4的运算表
表8-1 Ä3的运算表 表8-2 Ä4的运算表
Ä3 |
0 |
1 |
2 |
Ä4 |
0 |
1 |
2 |
3 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
2 |
1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
|
2 |
0 |
2 |
1 |
2 |
0 |
2 |
0 |
2 |
|
3 |
0 |
3 |
2 |
1 |
由表8-1可知,运算Ä3是可交换的,1是Ä3的单位元(因为"kÎZ3,k=0,1,2,,kÄ31=k=1Ä3k)。非0元素关于Ä3存在有逆元,1-1=1,2-1=2(从表看出1Ä31-1=1Ä31=1(单位元),2Ä32-1=2Ä32=1(单位元))。因此,(Z3,+3,Ä3)是域。
从表8-2可知,运算Ä4是可交换的,1是Ä4的单位元(因为"kÎZ4,k=0,1,2,3,,kÄ31=k=1Ä3k)。非0元素1,3,有1-1=1,3-1=3(从表看出1Ä41-1=1Ä41=1(单位元),3Ä43-1=3Ä43=1(单位元)),但是非0元素2没有逆元。因此,(Z4,+4,Ä3)不是域。
2. 格
h格 设(L,£)是一个偏序集,如果对于"a,bÎL,L的子集{a,b}在L中都有一个最大下界(记为inf{a,b})和一个最小上界(记为sup{a,b}),则称(L,£)是一个偏序格.
子集在L中有上确界和下确界的偏序集,就是格。
h代数格 在L定义二元运算*,o满足:对"a,b,cÎL,有
(1) 交换律 a*b=b*a,aob=boa
(2) 结合律 (a*b)*c=a*(b*c) , (aob)oc=ao(boc)
(3) 吸收律 a*(aob)=a, ao(a*b)=a
则称(L,*,o )是代数格.
用代数的语言,格就是在非空集合上定义了两个满足结合律、交换律和吸收律的运算。
h对偶式 由1,0,和可以代表格中的任意元素的变量通过+,×运算连结起来的式子,就是格中的表达式,记作f。将f中的0换成1,1换成0,+换成×,×换成+所得的表达式,就是表达式f的对偶式记作f*。h
h对偶原理 若f为真,则f*为真。
例8.3 试判断(Z,£)是否为格?
解 显然(Z,£)是一个偏序集。又 皆为整数,仍然属于Z。故对Z的任意子集,在Z中都有上确界和下确界。即(Z,£)是格。
3. 布尔代数
h一个有余分配格称为一个布尔代数
设B是一个至少含有两个元素的集合,·,+是定义在B上的两种运算,如果对"a,b,cÎB,满足下列公理:
H1:a·b=b·a a+b=b+a
H2:a·(b+c)=a·b+a·c a+(b·c)=(a+b)·(a+c)
H3:B中有元素0和1,对"aÎB,有
a·1=a a+0=a
H4:对"aÎB,有`aÎB,满足
a·`a=0 a+`a=1
则(B,·,+,`` ,0,1)是一个布尔代数
h记住布尔代数运算的10条算律。
例8.4 设( )是布尔代数, ,证明( )是B的子布尔代数,而且是布尔代数,其中 。
证明 对于集合T中的元素作运算见表8-3。
表8-3 T的元素元素表
Ú |
0 |
a |
`a |
1 |
Ù |
0 |
a |
`a |
1 |
1 |
|||
0 |
0 |
a |
`a |
a |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
||
a |
a |
a |
1 |
a |
a |
0 |
a |
0 |
a |
a |
`a |
||
`a |
`a |
1 |
`a |
a |
`a |
0 |
0 |
`a |
`a |
`a |
a |
||
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
a |
`a |
1 |
1 |
0 |
由B是布尔代数可知,从表8-3得到T对运算Ú,Ù,` 是封闭的,所以( )是子布尔代数。由定理11知( )也是布尔代数。
三、实例
例1 非空集合L,其上定义二元运算¡和·,如果 是交换群,(L,·)是 ,而且 满足分配律,则L对二元运算¡和·构成环。
答案:(L,¡);半群;二元运算·对运算¡
解答:见环的定义。
例2 设L是一个集合,·和¡是L上两个二元运算,如果这两个二元运算满足 律,
律和 律,则(L,·,¡)是格。
答案:交换律;结合律;吸收律
解答:见代数格的定义。
例3 下列图表示的偏序集中,是格的为( )
(A) ¢ ¢
(B) ¢ ¢
(C) ¢ (D) ¢ ¢
¢
¢ ¢ ¢ ¢
¢ ¢ ¢ ¢ ¢
¢
¢
¢
答案:(C)
解答:所给(A),(B),(D)的偏序集,都有两个极大元,不存在上确界,都不是格,只有(C)
的偏序集有上确界和下确界,是格。故选择(C)正确。
例4 设 是布尔代数, ,则下式不成立的是( )
答案:(D)
解答:因为B是偏序集, ,选择(D)正确。
例5 在布尔代数中,有 成立。根据对偶原理,那么一定
成立。
答案:
解答:见对偶原理,知 是原式的对偶式,也是成立的。
例6 布尔代数式 =( )
答案:(B)
解答: 。
故选择(B)正确。
例7 是布尔代数, ,化简 。
解
例8 设 R是实数集,“+”为数的加法,“×”定义为 。试问R对二元运算+和×是否构成环?
解 (1)显然实数R对加法满足交换律,(R,+)是交换群。
,有
所以, ,即(R,×)是半群。
(3) ,
满足左分配律;
,
一般情况下,
即×对+不满足右分配律。
所以,R对二元运算+和×不能构成环。
例9 在布尔代数( )中,对 有
证明 因为( ),故10条算律在其上成立,所以
所以