群

  • 群
    • 定义
      • 已知代数系统 V=⟨A,∘⟩V=\langle A,\circ \rangle
        • 若 ∘\circ 满足结合律,则 VV 是半群。
        • 若 VV 中存在单位元,则 VV 是幺半群 / 独异点。
        • 若 AA 中每个元素都有逆元在 AA 中,则 VV 是群。
      • 在群中,x∘yx\circ y 可以省略 ∘\circ 为 xyxy,沿用乘法、乘幂等记号。
    • 分类
      • 若群 GG 是有穷集,则 GG 是有限群,否则是无限群。
      • 若群 GG 只包含单位元,则 GG 是平凡群。
      • 若群 GG 的二元运算有交换律,则 GG 是交换群 / 阿贝尔群。
    • 性质
      • 群的运算满足消去律。
    • 乘幂
      • 已知 G,a∈GG,a\in G,定义 an={an−1a,n>0e,n=0(a−1)−n,n<0a^n = \left\{\begin{matrix} a^{n-1} a, & n > 0 \\ e, & n = 0 \\ (a^{-1})^{-n}, & n < 0 \end{matrix}\right.。
        • (a−1)−1=a(a^{-1})^{-1} = a
        • (ab)−1=b−1a−1(ab)^{-1} = b^{-1}a^{-1}
        • aman=am+na^m a^n = a^{m + n}
        • (am)n=amn(a^m)^n = a^{mn}
        • 若 GG 为交换群,则 (ab)n=anbn(ab)^n = a^n b^n。
    • 阶
      • 已知 G,a∈GG,a\in G,若存在最小的 kk 使得 ak=ea^k = e,则 kk 为 aa 的阶,记作 ∣a∣=k|a|=k,aa 为 kk 阶元。不存在则 aa 为无限阶元。
      • 已知 ∣a∣=r|a| = r,bb 为有限阶元
        • ak=e  ⟺  r∣ka^k = e \iff r \mid k
        • ∣a−1∣=∣a∣=r|a^{-1}| = |a| = r
        • ∣b−1ab∣=∣a∣|b^{-1}ab| = |a|
        • ∣ab∣=∣ba∣|ab| = |ba|
      • 若 GG 为有限群,则 GG 中阶大于 22 的元素有偶数个。
  • 子群
    • 定义
      • 设 GG 为群,非空集 H⊆GH \subseteq G,如果 HH 关于 GG 中的运算构成群,则 HH 是 GG 的子群,记作 H≤GH\le G。
      • 如果 H≠GH \ne G,则 HH 是 GG 的真子群,记作 H<GH < G。
    • 判定
      • 充要条件 1:∀a,b∈H\forall a,b \in H 有 ab∈Hab \in H,且 ∀a∈H\forall a \in H 有 a−1∈Ha^{-1} \in H。
      • 充要条件 2:∀a,b∈H\forall a,b\in H 有 ab−1∈Hab^{-1} \in H。
      • 充要条件 3:HH 是有穷集时,∀a,b∈H\forall a,b\in H 有 ab∈Hab \in H。
    • 重要子群
      • 元素生成的子群
        • 已知 GG 为群,a∈Ga\in G,则定义 ⟨a⟩={ak∣k∈Z}\langle a \rangle = \{a^k \mid k \in \mathrm Z\}。
        • 已知 B⊆GB \subseteq G,则定义 ⟨B⟩=∩{H∣B⊆H∧H≤G}\langle B \rangle = \cap \{H \mid B \subseteq H \land H \le G \}。
      • 中心
        • 已知 GG 为群,C={a∣a∈G∧∀x∈G(ax=xa)}C = \{ a \mid a \in G \land \forall x \in G (ax = xa)\},即 CC 包含 GG 中所有与其他元素可交换的元素。
        • 定义 CC 为 GG 的中心。
        • 对于交换群,其中心为本身。
    • 性质
      • 已知 G,H,KG,H,K 为群,H≤G,K≤GH \le G,K\le G,则
        • H∩K≤GH \cap K \le G
        • H∪K≤G  ⟺  H⊆K∨K⊆HH \cup K \le G \iff H \subseteq K \lor K \subseteq H
  • 陪集
    • 定义
      • 已知 G,HG,H 为群,H≤GH \le G,a∈Ga \in G。
      • 定义右陪集 Ha={ha∣h∈H}Ha = \{ ha \mid h \in H \},aa 为其代表元素。
      • 定义左陪集为 aH={ah∣h∈H}aH = \{ah \mid h \in H \}。
    • 性质
      • 已知 H≤GH \le G,则
        • He=HHe=H,eH=HeH=H
        • ∀a∈H\forall a \in H,a∈Haa \in Ha,a∈aHa \in aH
        • ∀a,b∈G\forall a,b \in G,a∈Hb  ⟺  ab−1∈H  ⟺  Ha=Hba \in Hb \iff ab^{-1} \in H \iff Ha = Hb,由此给出相等的充要条件。
        • ∀a,b∈G\forall a,b \in G,a∈bH  ⟺  b−1a∈H  ⟺  aH=bHa \in bH \iff b^{-1}a \in H \iff aH = bH
        • HH 在 GG 中的左陪集与右陪集数量相等,都记作 [G:H][G:H]。
      • 陪集中的任何元素都可以作为其代表元素。
      • 已知 GG 为群,a,b∈Ga,b\in G,定义二元关系 RR 满足 ⟨a,b⟩∈R  ⟺  ab−1∈H\langle a,b\rangle \in R \iff ab^{-1} \in H。则 [a]R=Ha[a]_R = Ha。
        • ∀a,b∈G\forall a,b\in G,Ha=Hb∨Ha∩Hb=∅Ha = Hb \lor Ha \cap Hb = \varnothing
        • ⋃a∈GHa=G\displaystyle\bigcup_{a\in G} Ha = G
        • ∀a∈G\forall a \in G,H≈HaH \approx Ha
        • 左陪集有类似性质。
    • 拉格朗日定理
      • 已知 G,HG,H 为群,H≤GH \le G,则 ∣G∣=∣H∣[G:H]|G| = |H|[G:H]。
      • 已知 GG 为 nn 阶群,a∈Ga \in G,则 ∣a∣|a| 是 nn 的因子,∣a∣n=e|a|^n = e。
      • nn 为质数时,存在 aa 使得 ⟨a⟩=G\langle a \rangle=G。
      • 逆定理不成立。
  • 循环群
    • 定义
      • 已知 GG 为群,如果存在 a∈Ga \in G 且 ⟨a⟩=G\langle a \rangle = G,则 GG 为循环群,aa 为生成元。
      • 循环群分为无限循环群和 nn 阶循环群。
    • 性质
      • 生成元的个数:
        • 如果 G=⟨a⟩G=\langle a \rangle 为无限循环群,则 GG 只有两个生成元 a,a−1a,a^{-1}。
        • 如果 G=⟨a⟩G=\langle a \rangle 为 nn 阶循环群,则 GG 的生成元 bb 满足 ∣b∣|b| 与 nn 互质,个数为 φ(n)\varphi(n)。
      • 循环群的子群:
        • 如果 G=⟨a⟩G=\langle a \rangle 为循环群,则其子群也为循环群。
        • 如果 G=⟨a⟩G=\langle a \rangle 为无限循环群,则除 {e}\{e\} 以外的子群都是无限循环群。
        • 如果 G=⟨a⟩G=\langle a \rangle 为 nn 阶循环群,对每个 nn 的正因子 dd,GG 有恰好一个 dd 阶子群。
      • 求出 nn 阶循环群 ⟨a⟩\langle a \rangle 的所有子群,只要找到所有 nn 的所有因子 did_i,则子群为 ⟨an/di⟩\langle a^{n/d_i} \rangle。
  • 置换群
    • 定义
      • 设 S={1,2,3,…,n}S=\{1,2,3,\dots,n\},SS 上的双射函数 σ:S→S\sigma:S\to S 都是 nn 元置换。
      • 将 nn 元置换记作 σ=(123⋯nσ(1)σ(2)σ(3)⋯σ(n))\sigma = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & \cdots & n\\ \sigma(1) & \sigma(2) & \sigma(3) & \cdots & \sigma(n)\end{pmatrix}。
      • 定义置换 σ,τ\sigma,\tau 的乘法 ∘\circ 为 στ(x)=τ(σ(x))\sigma\tau(x)=\tau(\sigma(x))。
      • 所有 nn 元置换的的群称为 nn 元对称群,其子群都称为 nn 元置换群。
      • 若 nn 元置换满足 SS 的其中 kk 个元素有 σ(i1)=i2,σ(i2)=i3,…,σ(ik−1)=ik,σ(ik)=i1\sigma(i_1)=i_2,\sigma(i_2)=i_3,\dots,\sigma(i_{k-1})=i_k,\sigma(i_k)=i_1,其他元素不变,则 σ\sigma 为 kk 阶轮换。
      • kk 阶轮换表示为 (i1 i2 i3 … ik)(i_1\ i_2\ i_3\ \dots\ i_k)。
      • 若 k=2k=2 则轮换称为对换。
    • 性质
      • 置换的轮换表示:
        • 任意的置换可以表示为若干个不交的轮换的乘积。
        • 如果不考虑每个轮换的内部顺序和轮换之间的顺序,则置换的轮换的表示是唯一的,即每个轮换的组成元素方案唯一。
        • 置换的轮换可以任意排列,轮换内可以任意循环移动。
      • 置换的对换表示:
        • 任意的置换可以表示为若干个对换的乘积。
        • 对于轮换 (i1 i2 i3 … ik)(i_1\ i_2\ i_3\ \dots\ i_k),可以表示为 (i1 i2)(i1 i3)⋯(i1 ik)(i_1\ i_2)(i_1\ i_3)\cdots(i_1\ i_k)。
        • 置换的对换表示不唯一,且同一个轮换拆分的对换顺序不能改变。
      • 置换的对换表示按照对换个数分为奇置换和偶置换,个数分别为 n!2\dfrac{n!}{2}。
      • 所有 nn 元偶置换构成的群称为 nn 元交错群。
  • 环
    • 定义
      • 设 ⟨R,+,⋅⟩\langle R,+,\cdot \rangle 为代数系统,若 ⟨R,+⟩\langle R,+ \rangle 构成交换群,⟨R,⋅⟩\langle R,\cdot \rangle 构成半群,⋅\cdot 关于 ++ 有分配律,则 RR 是环。
      • ++ 称为环中的加法,⋅\cdot 称为环中的乘法。
      • 环中 ++ 的单位元记作 00,⋅\cdot 的单位元记作 11。
      • 环中 xx 的加法逆元称为负元,记作 −x-x。
    • 分类
      • 若 ⋅\cdot 有交换律,则 RR 为交换环。
      • 若 ⋅\cdot 有单位元,则 RR 为含幺环。
      • 若 ∀a,b∈R\forall a,b \in R,ab=0  ⟹  a=0∨b=0ab = 0 \implies a = 0 \lor b = 0,则 RR 为无零因子环。
      • 若 RR 是交换环、含幺环、无零因子环,则 RR 是整环。
      • 若 RR 是至少有两个元素的整环,且 ∀a∈R−{0}\forall a \in R - \{0\} 都存在 a−1a^{-1},则 RR 是域。
    • 性质
      • Z\mathrm{\boldsymbol Z} 是整环,Q,R,C\mathrm{\boldsymbol Q},\mathrm{\boldsymbol R},\mathrm{\boldsymbol C} 是域。