群论
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引入
在数学和抽象代数中,群论(Group Theory)主要研究叫做「群」的代数结构。
定义
在数学中,群(group)是由一种集合以及一个二元运算所组成的,符合「群公理」的代数结构。
一个群是一个集合
群公理包含下述四个性质(有时略去封闭性,只有三个性质)。若集合
- 封闭性:对于所有
中 ,运算 的结果也在 G 中。 - 结合律(associativity):对于
中所有的 ,等式 成立。 - 单位元(identity element,也称幺元):
中存在一个元素 ,使得对于 中的每一个元素 ,都有一个 成立。这样的元素是独一无二的。它被称为群的单位元。 - 逆元(inverse element):对于每个
中的 ,总存在 中的一个元素 使 ,此处 为单位元,称 为 的逆元,记为 。
则称
群的衍生结构
- 若代数结构
满足封闭性、结合律性质,则称 为一个 半群(semigroup)。 - 若半群
还满足单位元性质,则称 为一个 幺半群(monoid)。 - 若群
还满足 交换律(commutativity):对于 中所有的 ,等式 成立。
则称为一个 阿贝尔群(Abelian group),又称 交换群(commutative group)。
群的基本概念
定义
在研究集合时,我们使用子集(subset)、函数(function)和等价关系商(quotient by an equivalence relation)等概念。在研究群时,我们通过等价关系用子群(subgroup)、同态(homomorphism)和商群(quotient group)来代替。
群同态
群同态 是保持群结构的函数,可用于关联两个群。
从群
子群
子群:群
子群 是包含在更大的群
即,若
子群检验法(subgroup test)是群
阶
群
群
例如,群
拉格朗日定理:如果
证明的简要思路是:(左/右)陪集大小等于子群大小;而每个陪集要么不相交要么相等,且所有陪集的并是集合
由拉格朗日定理可立即得到:群中任意一个元素的阶,一定整除群的阶。
如果群
"证明"
显然,在
反证法。如果
"有关阶的常见误区"
- 群
的阶一定等于其中所有元素阶的最大值(或 )。
反例:二面体群(相当于群 ,其中 表示异或)的阶是 ,但是除了 的阶为 ,其他元素的阶都是 。 - 如果群
中存在两个元素 、 的阶是 、 ,那么 中一定存在阶为 的元素。
反例:对称群(相当于 的置换群)中存在阶为 和 的元素,却不存在阶为 的元素。
群的主要类别
循环群
循环群(cyclic group,记作
生成元
"证明"
记
设生成元
同样的,
阶为
"证明"
构造映射