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群论

出处说明

本文内容摘自外部资源,为方便学员快速学习相关前置数学知识而整理在一起。内容可能较原文有删减,仅保留本课程所需的前置内容,以便学员快速掌握必备知识。

原文链接:https://oi-wiki.org/math/group-theory/

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,(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 G 加上对 G 的二元运算。二元运算用 表示,它结合了任意两个元素 ab 形成了一个属于 G 的元素,记为 ab

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 GG 上的运算 构成的代数结构 (G,) 满足以下性质:

  1. 封闭性:对于所有 Ga,b,运算 a·b 的结果也在 G 中。
  2. 结合律(associativity):对于 G 中所有的 a,b,c,等式 (ab)c=a(bc) 成立。
  3. 单位元(identity element,也称幺元):G 中存在一个元素 e,使得对于 G 中的每一个元素 a,都有一个 ea=ae=a 成立。这样的元素是独一无二的。它被称为群的单位元。
  4. 逆元(inverse element):对于每个 G 中的 a,总存在 G 中的一个元素 b 使 ab=ba=e,此处 e 为单位元,称 ba 的逆元,记为 a1

则称 (G,) 为一个 。例如,整数集和整数间的加法 (Z,+) 构成一个群,单位元是 0,一个整数的逆元是它的相反数。

群的衍生结构

  • 若代数结构 (G,) 满足封闭性、结合律性质,则称 (G,) 为一个 半群(semigroup)。
  • 若半群 (G,) 还满足单位元性质,则称 (G,) 为一个 幺半群(monoid)。
  • 若群 (G,) 还满足 交换律(commutativity):对于 G 中所有的 a,b,等式 ab=ba 成立。
    则称 (G,) 为一个 阿贝尔群(Abelian group),又称 交换群(commutative group)。

群的基本概念

定义 X=x,y,z 为包含 x,y,z 元素的集合 XxX 表示 x 属于集合 Xf:XY 表示 f 是一个与 X 的每个元素和 Y 的元素相关联的函数。

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 (G,) 到群 (H,) 的同态是一个函数 φ:GH 使得对于 G 中所有的元素 ab

φ(ab)=φ(a)φ(b)

子群

子群:群 (G,),(H,),满足 HG,则 (H,)(G,) 的子群。

子群 是包含在更大的群 G 内的一个群 H。它具有 G 的元素的子集和相同操作。这意味着 G 的单位元素必须包含在 H 中,并且每当 h1h2 都在 H 中,那么 h1h2h11 也在 H 中。所以 H 中的元素,和在 G 上的限制为 H 的群操作,形成了一个群体。

即,若 (G,) 是群,HG 的非空子集,且 (H,) 也是群,则称 (H,)(G,)子群

子群检验法(subgroup test)是群 G 的子集 H 是子群的充分必要条件:对于所有元素 g,hHg1hH

G 的阶是它元素的个数,记作 ord(G)|G|,无限群有无限阶。

G 内的一个元素 a 的阶是使 am=e 成立的最小正整数 m,记作 ord(a)|a|,等于 ord(a)。若这个数不存在,则称 a 有无限阶。有限群的所有元素都有有限阶。

例如,群 Zn×={a{0,1,,n1}gcd(a,n)=1} 的阶为 φ(n),其中元素 x 的阶为满足 xr1(modn) 的最小正整数 r(这正是数论中 xn 的阶)。

拉格朗日定理:如果 HG 的子群,那么 |G|=[G:H]|H|

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 G;那么陪集数就等于 GH 的阶之比。

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 G 中存在两个元素 ab 的阶 mn 互素,那么 asbt=e 当且仅当 as=e 并且 bt=e

"证明"

显然,在 asbt=e 成立的情况下,as=ebt=e 等价,所以不成立只能同时不成立。

反证法。如果 asbt=e,但是两个部分 asbt 都不是单位元,那么 e=asm=btm。因为 gcd(m,n)=1,根据裴蜀定理或者乘法逆元,可以去掉 m,得到 e=bt,矛盾。

"有关阶的常见误区"

  1. G 的阶一定等于其中所有元素阶的最大值(或 lcm)。
    反例:二面体群 D4(相当于群 ({0,1,2,3},),其中 表示异或)的阶是 4,但是除了 e 的阶为 1,其他元素的阶都是 2
  2. 如果群 G 中存在两个元素 x1x2 的阶是 d1d2,那么 G 中一定存在阶为 d=lcm(d1,d2) 的元素。
    反例:对称群 S3(相当于 X={1,2,3} 的置换群)中存在阶为 23 的元素,却不存在阶为 6 的元素。

群的主要类别

循环群

循环群(cyclic group,记作 Cn)是最简单的群。群 G 中任意一个元素 a 都可以表示为 a=gk,其中 k 为整数。称 g 为群 G 的生成元。

生成元 g 的阶就是群 G 的阶。

"证明"

G 的单位元为 e。由于 G 有限,对生成元 g 不断做幂运算,必然会在某时重复,即存在不同的整数 ij 使得 gi=gj。两边同时去掉若干个 g 就有非 0 整数 n 使得 gn=e。显然 g0=e

设生成元 g 的阶是 dG 中任意一个元素 a 都可以表示为 g 的幂,因此 d 不可能小于 m。否则 g 的幂当中出现 d 个元素之后就回到了单位元 e,剩余的元素就不能被 g 的幂表示,矛盾。

同样的,d 也不可能大于 m。否则在前 dg 的幂中就会出现重复,存在不同的整数 ij 使得 gi=gj,再得到的 gn=en 介于 0d 之间,就与 d 的最小性矛盾。因此,d=m。证完。

阶为 m 的有限循环群 G 同构于模 m 剩余类对于加法构成的群 Zm

"证明"

构造映射 fZmGf(n)=gn,可见 f 为双射,并且对于任意的 ijf(i+j)=gigj。因此同构。证完。