加载中...
不想等待可以点我关掉

一、代数系统的引言

1.1 为什么要引入代数系统

在更抽象的层次上寻找不同数学分支的共性:

  • 代数系统的研究对象:某集合元素的总体
  • 代数系统的运算:满足一定抽象条件的运算

实质:代数系统是在集合上定义若干运算而形成的系统。

1.2 运算的类型

一元运算(Unary Operation):只带一个操作数的运算。

例如:实数的求倒数、相反数、绝对值;集合的补运算;逻辑的非运算。

二元运算(Binary Operation):具有两个操作数的运算。

例如:实数的加、减、乘、除;集合的交、并;逻辑的与、或。

为什么重点讨论二元运算:大多数常见的数学运算都是二元运算,且二元运算足以表达大部分代数结构。

1.3 封闭性

定义:对于集合 AA,一个从 AnA^n 到 BB 的映射称为集合 AA 上的一个 nn 元运算。如果 B⊆AB \subseteq A(即 BB 是 AA 的子集),则称该 nn 元运算是封闭的。

示例:加法在自然数集、实数集上封闭;减法在自然数集上不封闭(如 1−2=−1∉N1 - 2 = -1 \notin \mathbb{N}),在整数集上封闭。

1.4 代数系统的定义

定义:代数系统(代数结构)⟨A;f1,f2,⋯ ,fn⟩\langle A; f_1, f_2, \cdots, f_n \rangle 必须同时满足三个条件:

  1. 一个非空集合 AA
  2. 建立在 AA 上的若干运算 f1,f2,⋯ ,fnf_1, f_2, \cdots, f_n
  3. 这些运算对 AA 封闭

二、二元运算的表示

2.1 定义法

直接用数学表达式定义运算。

示例:

  • a∗b=2a+ba * b = 2a + b
  • a#b=max⁡(a,b)a \# b = \max(a, b)

2.2 运算表

只适合于有限个元素的集合。

示例:设 A={a,b,c}A = \{a, b, c\},运算 ∗* 的运算表:

∗*abc
aabc
bbca
ccab

三、二元运算的基本性质

设 ∗* 是定义在 AA 上的二元运算。

3.1 封闭性

∀x,y∈A, 有 x∗y∈A\forall x, y \in A, \text{ 有 } x * y \in A

3.2 可交换性(Commutative)

∀x,y∈A,x∗y=y∗x\forall x, y \in A, \quad x * y = y * x

3.3 可结合性(Associative)

∀x,y,z∈A,(x∗y)∗z=x∗(y∗z)\forall x, y, z \in A, \quad (x * y) * z = x * (y * z)

注意:判断一个运算是否可结合,必须用三个变元。

3.4 可分配性(Distributive)

设 △\triangle 和 ⋆\star 是 AA 上的两个二元运算,若满足:

∀x,y,z∈A,x△(y⋆z)=(x△y)⋆(x△z)(左可分配)\forall x, y, z \in A, \quad x \triangle (y \star z) = (x \triangle y) \star (x \triangle z) \quad \text{(左可分配)}

∀x,y,z∈A,(y⋆z)△x=(y△x)⋆(z△x)(右可分配)\forall x, y, z \in A, \quad (y \star z) \triangle x = (y \triangle x) \star (z \triangle x) \quad \text{(右可分配)}

则称 △\triangle 对 ⋆\star 是可分配的。

注意:

  1. 可分配必须是左可分配且右可分配同时成立
  2. △\triangle 对 ⋆\star 可分配 ⇏\not\Rightarrow ⋆\star 对 △\triangle 可分配

3.5 可吸收性(Absorptive)

设 △\triangle 和 ⋆\star 是 AA 上的两个二元运算,若满足:

∀x,y∈A,x△(x⋆y)=x且x⋆(x△y)=x\forall x, y \in A, \quad x \triangle (x \star y) = x \quad \text{且} \quad x \star (x \triangle y) = x

则称 △\triangle 和 ⋆\star 满足吸收律。

前提:△\triangle 和 ⋆\star 是可交换的。

3.6 等幂性(Idempotent)

∀x∈A,x∗x=x\forall x \in A, \quad x * x = x

推论:对于任意正整数 mm、nn,xm=xn=xx^m = x^n = x。


四、特殊元素

4.1 幺元(单位元 / Identity)

定义:设 ∗* 是集合 AA 上的二元运算。

  • 左幺元 ele_l:∀x∈A\forall x \in A,el∗x=xe_l * x = x
  • 右幺元 ere_r:∀x∈A\forall x \in A,x∗er=xx * e_r = x
  • 幺元 ee:∀x∈A\forall x \in A,e∗x=x∗e=xe * x = x * e = x

讨论:

  1. 幺元不一定存在(例如 ⟨R+,−⟩\langle \mathbb{R}^+, - \rangle 没有幺元)
  2. 不同的运算有不同的幺元,幺元依赖于运算
  3. 左右幺元可能都有、可能只有一个、也可能不存在
  4. 只有当左、右幺元都存在并且相等时,才有幺元
  5. 存在左幺元和右幺元且它们相等,则一定存在幺元
  6. 幺元若存在,必唯一

4.2 零元(Zero Element)

定义:设 ∗* 是集合 AA 上的二元运算。

  • 左零元 θl\theta_l:∀x∈A\forall x \in A,θl∗x=θl\theta_l * x = \theta_l
  • 右零元 θr\theta_r:∀x∈A\forall x \in A,x∗θr=θrx * \theta_r = \theta_r
  • 零元 θ\theta:∀x∈A\forall x \in A,x∗θ=θ∗x=θx * \theta = \theta * x = \theta

讨论:

  1. 零元不一定存在(例如 ⟨R,+⟩\langle \mathbb{R}, + \rangle 没有零元)
  2. 不同的运算有不同的零元,零元依赖于运算
  3. 左右零元可能都有、可能只有一个、也可能不存在
  4. 只有当左、右零元都存在并且相等时,才有零元
  5. 存在左零元和右零元且它们相等,则一定存在零元
  6. 零元若存在,必唯一
  7. 若 AA 有不止一个元素,且运算 ∗* 同时存在幺元和零元,则幺元一定不等于零元

数理逻辑中的零元:

运算零元
∧\wedge(与)00(假)
∨\vee(或)11(真)

4.3 逆元(Inverse Element)

定义:设二元运算 ∗* 存在幺元 ee,若 a,b∈Aa, b \in A,且 a∗b=ea * b = e,则称 aa 是 bb 的左逆元,bb 是 aa 的右逆元。若 a∗b=b∗a=ea * b = b * a = e,则称 aa 是 bb 的逆元,记作 a=b−1a = b^{-1}。

讨论:

  1. aa 是 bb 的逆元 ⇔\Leftrightarrow bb 是 aa 的逆元 ⇔\Leftrightarrow aa、bb 互逆 ⇔\Leftrightarrow a=b−1a = b^{-1} ⇔\Leftrightarrow b=a−1b = a^{-1}
  2. 一个元素的逆元可以是自己
  3. 对于同一个运算,有些元素有逆元,有些可能没有逆元
  4. 一个元素的左逆元可以不等于右逆元
  5. 一个元素的左、右逆元,可以只有其中的一个,可以两个都有,也可以一个都没有
  6. 一个元素的左(右)逆元可以不唯一
  7. 在某些条件下,逆元是唯一的(如运算满足结合律时)

五、运算表中的性质判断

以下性质可以通过运算表直接观察:

性质运算表中的体现
封闭性运算表中所有结果都在集合 AA 中
可交换性运算表关于主对角线对称
等幂性主对角线上的元素与行/列标相同
幂元某一行和某一列都与表头完全一致
零元某一行和某一列的所有元素都是该元素本身
互逆对于幺元所在的列,每行中出现幺元的位置对应互逆的元素

六、广群与半群

6.1 广群

定义:代数系统 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle,其中 SS 是非空集合,∗* 是 SS 上的二元运算,若 ∗* 是封闭的,则称 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 为广群。

6.2 半群

定义:代数系统 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle,其中 SS 是非空集合,∗* 是 SS 上的二元运算,若 ∗* 是封闭的且可结合的,则称 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 为半群(Semigroup)。

若运算 ∗* 还是可交换的,则称 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 为可交换半群。

6.3 子半群

定义:若 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 是半群,B⊆SB \subseteq S 且 ∗* 在 BB 上是封闭的,则 ⟨B,∗⟩\langle B, * \rangle 是半群,称为 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 的子半群。

6.4 关于半群的定理

定理:有限集对应的半群一定存在幂等元(即存在 a∈Sa \in S 使得 a∗a=aa * a = a)。

证明关键:抽屉(鸽巢)原理。


七、独异点

7.1 独异点的定义

定义:含有幺元的半群称为独异点(Monoid,也叫幺半群)。

即 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 满足:封闭、可结合、存在幺元 ee。

示例:设 Zm\mathbb{Z}_m 是由模 mm 的同余类组成的集合,定义运算 +m+_m 和 ×m\times_m:

[a]+m[b]=[(a+b)(modm)][a] +_m [b] = [(a + b) \pmod{m}]

[a]×m[b]=[(a×b)(modm)][a] \times_m [b] = [(a \times b) \pmod{m}]

则 ⟨Zm,+m⟩\langle \mathbb{Z}_m, +_m \rangle 和 ⟨Zm,×m⟩\langle \mathbb{Z}_m, \times_m \rangle 都是独异点。


八、群

8.1 群的定义

定义:代数系统 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 中,GG 是非空集合,∗* 是 GG 上的二元运算,若满足:

  1. 运算 ∗* 是封闭的(满足①是广群)
  2. 运算 ∗* 是可结合的(满足①②是半群)
  3. 存在幺元 ee(满足①②③是独异点)
  4. 对于每一个元素 x∈Gx \in G,存在其逆元 x−1x^{-1}(满足①②③④是群)

则称 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 为一个群(Group)。

层次关系:

广群⊆半群⊆独异点⊆群\text{广群} \subseteq \text{半群} \subseteq \text{独异点} \subseteq \text{群}

8.2 有限群与无限群

有限群:GG 是有限集,GG 的元素个数称为有限群的阶数。

无限群:GG 是无限集。

示例:⟨Z,+⟩\langle \mathbb{Z}, + \rangle 是一个群(Z\mathbb{Z} 是所有整数的集合,++ 是普通加法)。

8.3 子群

定义:⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 是群,S⊆GS \subseteq G 且 SS 非空,若 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 也是群,则 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 是 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 的子群。

平凡子群:若 S={e}S = \{e\} 或 S=GS = G,称 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 是 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 的平凡子群。

示例:⟨Z,+⟩\langle \mathbb{Z}, + \rangle 是一个群,设 Im={mk∣k∈Z}I_m = \{mk \mid k \in \mathbb{Z}\},则 ⟨Im,+⟩\langle I_m, + \rangle 是 ⟨Z,+⟩\langle \mathbb{Z}, + \rangle 的一个子群。

8.4 群的性质

性质1:群中不存在零元。

群的阶等于1时,幺元即为零元(但一般不讨论);阶大于1时,群中不存在零元。

性质2:群上的方程 a∗x=ba * x = b 和 y∗a=by * a = b(a,b∈Ga, b \in G)在群内都有唯一解。

解分别为 x=a−1∗bx = a^{-1} * b 和 y=b∗a−1y = b * a^{-1}。证明需分别验证存在性和唯一性。

性质3:群满足消去律:

∀a,b,c∈G,a∗b=a∗c⇒b=c\forall a, b, c \in G, \quad a * b = a * c \Rightarrow b = c

∀a,b,c∈G,b∗a=c∗a⇒b=c\forall a, b, c \in G, \quad b * a = c * a \Rightarrow b = c

因为 aa 有逆元且 ∗* 可结合。注意:若 ∗* 不可交换,则 a∗b=c∗aa * b = c * a 不一定有 b=cb = c。

性质4:群的运算表中的每一行或每一列都是 GG 元素的一个置换。

  • 每一个元素在运算表的任意行或任意列不可能出现多次
  • 每一个元素在运算表的任意行或任意列都会出现

性质5:除单位元外,群不存在幂等元。

由消去律推出。若 a∗a=a=a∗ea * a = a = a * e,由消去律得 a=ea = e。

性质6:群的幺元必定是其子群的幺元。

性质7:GG 的非空有限子集 BB 对 ∗* 封闭,则 ⟨B,∗⟩\langle B, * \rangle 是 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 的子群。

证明方法:利用抽屉原理证明存在幺元和任一元素有逆元。注意:无限子集不能用抽屉原理。

性质8:GG 的非空子集 SS(有限或无限),若 ∀a,b∈S\forall a, b \in S,a∗b−1∈Sa * b^{-1} \in S,则 ⟨S,∗⟩\langle S, * \rangle 是 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 的子群。

证明方法:验证有幺元、任一元素有逆元、封闭、可结合。


九、阿贝尔群

9.1 阿贝尔群的定义

定义:群 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 中的运算 ∗* 是可交换的,则称 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 为阿贝尔群(Abelian Group,也称交换群)。

∀a,b∈G,a∗b=b∗a\forall a, b \in G, \quad a * b = b * a

示例:⟨Z,+⟩\langle \mathbb{Z}, + \rangle 是阿贝尔群(整数加法群)。

9.2 证明阿贝尔群的方法

方法一:根据定义,先证明 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 是群,再证明运算 ∗* 是可交换的。

方法二:利用充要条件——⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 是阿贝尔群 ⇔\Leftrightarrow ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 是群,且 ∀a,b∈G\forall a, b \in G,(a∗b)∗(a∗b)=(a∗a)∗(b∗b)(a * b) * (a * b) = (a * a) * (b * b)。

方法三:任何阶数为 1、2、3、4 的群都是阿贝尔群。


十、循环群

10.1 循环群的定义

定义:⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 是群,若 GG 中的所有元素都是某个元素 aa 的幂,则称 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 为循环群(Cyclic Group),元素 aa 叫做循环群的生成元(Generator)。

示例:⟨{0,1,2,3},+4⟩\langle \{0, 1, 2, 3\}, +_4 \rangle 是循环群,其中 +4+_4 定义为 a+4b=(a+b)(mod4)a +_4 b = (a + b) \pmod{4}。生成元为 1(或 3)。

10.2 循环群的性质

性质1:循环群一定是阿贝尔群。

反之不成立:阿贝尔群不一定是循环群。

性质2:有限循环群 ⟨G,∗⟩\langle G, * \rangle 的生成元是 aa,∣G∣=n|G| = n,则 an=ea^n = e,且:

G={a,a2,a3,⋯ ,an−1,an=e}G = \{a, a^2, a^3, \cdots, a^{n-1}, a^n = e\}

证明步骤:

  1. 当 m<nm < n 时,am≠ea^m \neq e
  2. a,a2,a3,⋯ ,an−1,ana, a^2, a^3, \cdots, a^{n-1}, a^n 都各不相同(如果漏了这一步则不严密)

性质3:循环群的生成元可以不唯一。

对于某个确定的循环群,其生成元或者唯一或者不唯一。

性质4:循环群的子群也是循环群。


十一、同态

11.1 同态映射的定义

定义:⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle、⟨B,△⟩\langle B, \triangle \rangle 是两个代数系统,ff 是从 AA 到 BB 的一个映射(函数),并且 ∀a,b∈A\forall a, b \in A,f(a⋆b)=f(a)△f(b)f(a \star b) = f(a) \triangle f(b),则称 ff 是从 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 到 ⟨B,△⟩\langle B, \triangle \rangle 的同态映射,记作 A∼BA \sim B。

注意:

  1. 任意两个代数系统之间不一定同态(即不一定存在同态映射)
  2. 即使两个代数系统之间同态,其同态映射也不一定唯一

11.2 同态的结论

设 ff 是从 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 到 ⟨B,△⟩\langle B, \triangle \rangle 的一个同态映射,则同态像 f(A)⊆Bf(A) \subseteq B,且:

  1. ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 是半群 ⇒\Rightarrow ⟨f(A),△⟩\langle f(A), \triangle \rangle 也是半群
  2. ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 是独异点 ⇒\Rightarrow ⟨f(A),△⟩\langle f(A), \triangle \rangle 也是独异点
  3. ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 是群 ⇒\Rightarrow ⟨f(A),△⟩\langle f(A), \triangle \rangle 也是群

11.3 同态核

定义:ff 是从群 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 到群 ⟨B,△⟩\langle B, \triangle \rangle 的一个同态映射,AA 的子集 Ker(f)\text{Ker}(f) 包含了 AA 中所有映射到群 ⟨B,△⟩\langle B, \triangle \rangle 的幺元的元素,称为 ff 的同态核。

Ker(f)={a∈A∣f(a)=eB}\text{Ker}(f) = \{a \in A \mid f(a) = e_B\}

定理:ff 的同态核 Ker(f)\text{Ker}(f) 是群 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 的子群。

11.4 自同态与自同构

自同态:ff 是从 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 到 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 的同态。

自同构:ff 是从 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 到 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 的同构。

注意:自同态、自同构函数不一定是恒等函数。


十二、同构

12.1 同构映射的定义

设 ff 是从 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 到 ⟨B,△⟩\langle B, \triangle \rangle 的一个同态:

  • 若 ff 是满射,则称 ff 为满同态
  • 若 ff 是单射,则称 ff 为单一同态
  • 若 ff 是双射,则称 ff 为同构映射,记作 A≅BA \cong B

注意:

  1. 任意两个同态的代数系统不一定同构(即同态映射不一定是双射)
  2. 两个代数系统之间的同构映射可以不唯一
  3. 同构映射的逆也是同构映射

12.2 同构的性质

同构的两个代数系统具有相同的基数,且对运算保持相同的性质:

  1. 同构保持了结合律、交换律、幂等律
  2. 同构使两个系统同时存在幺元(零元、逆元),并且通过同构映射相对应

同构关系是等价关系(自反、对称、传递),因此可根据同构关系划分等价类。

12.3 判断同构的方法

初步判断(非严格证明):

  1. 集合的基数是否相同
  2. 运算是否同时满足交换律、结合律、幂等律
  3. 幺元、零元、逆元是否同时存在并且相对应

12.4 证明同构的方法

方法一:根据定义,找出同构映射 ff,证明:

  1. ff 是双射
  2. ∀a,b∈A\forall a, b \in A,f(a⋆b)=f(a)△f(b)f(a \star b) = f(a) \triangle f(b)

方法二:利用同构关系的等价性——若两个代数系统同时与另外一个代数系统同构,则它们彼此同构。

12.5 证明不同构的方法

  1. 集合的基数不同
  2. 运算的性质不同(不同时满足交换律、或结合律、或幂等律等)
  3. 特殊元素(幺元、零元、逆元)不同时存在,或没有对应关系
  4. 设存在同构映射 ff,由具体的元素和运算得出 ff 不是双射
  5. 设存在同构映射 ff,由具体的元素和运算得出与原集合或运算矛盾的结果

本节小结

  • 代数系统:非空集合 + 若干运算 + 运算封闭,记作 ⟨A;f1,f2,⋯ ,fn⟩\langle A; f_1, f_2, \cdots, f_n \rangle
  • 一元运算:一个操作数;二元运算:两个操作数
  • 封闭性:运算结果仍在集合中
  • 可交换性:x∗y=y∗xx * y = y * x
  • 可结合性:(x∗y)∗z=x∗(y∗z)(x * y) * z = x * (y * z),判断时必须用三个变元
  • 可分配性:△\triangle 对 ⋆\star 可分配,需要左、右可分配同时成立
  • 可吸收性:x△(x⋆y)=xx \triangle (x \star y) = x 且 x⋆(x△y)=xx \star (x \triangle y) = x
  • 等幂性:x∗x=xx * x = x
  • 幺元:e∗x=x∗e=xe * x = x * e = x,若存在必唯一
  • 零元:θ∗x=x∗θ=θ\theta * x = x * \theta = \theta,若存在必唯一,幺元 ≠\neq 零元
  • 逆元:a∗b=b∗a=ea * b = b * a = e,逆元不一定存在,不一定唯一
  • 广群:封闭;半群:封闭 + 可结合;独异点:半群 + 幺元;群:独异点 + 逆元
  • 群的性质:无零元、方程有唯一解、消去律、运算表每行每列为置换、除幺元外无幂等元
  • 子群:群的非空子集对运算封闭且本身构成群
  • 阿贝尔群:可交换的群,阶数为1、2、3、4的群都是阿贝尔群
  • 循环群:所有元素都是某个生成元的幂的群,循环群一定是阿贝尔群,子群也是循环群
  • 同态映射:f(a⋆b)=f(a)△f(b)f(a \star b) = f(a) \triangle f(b),同态保持半群/独异点/群的结构
  • 同态核:映射到幺元的元素集合,是群的子群
  • 同构映射:双射的同态,同构的代数系统本质上是同一个系统
  • 同构是等价关系:可据此划分等价类
  • 自同态/自同构:从代数系统到自身的同态/同构,不一定是恒等函数

练习题

练习1:运算表分析

题目:设 A={a,b,c}A = \{a, b, c\},运算 ∗* 的运算表如下,判断 ∗* 是否封闭、可交换、可结合,是否存在幺元、零元、逆元。

∗*abc
aabc
bbca
ccab

解:

  • 封闭性:运算表中所有结果都在 AA 中,✓
  • 可交换性:运算表关于主对角线对称(a∗b=b∗a=ba*b = b*a = b,a∗c=c∗a=ca*c = c*a = c,b∗c=c∗b=ab*c = c*b = a),✓
  • 幺元:aa 所在的行和列都与表头一致(a∗x=x∗a=xa*x = x*a = x),所以 aa 是幺元
  • 零元:不存在(没有任何元素所在行和列全是该元素本身)
  • 逆元:a−1=aa^{-1} = a(a∗a=a=ea * a = a = e),b−1=cb^{-1} = c(b∗c=a=eb * c = a = e),c−1=bc^{-1} = b(c∗b=a=ec * b = a = e)
  • 等幂性:a∗a=aa * a = a ✓,b∗b=c≠bb * b = c \neq b ✗,不满足等幂性
  • 结合律:需要验证 (x∗y)∗z=x∗(y∗z)(x*y)*z = x*(y*z) 对所有 x,y,zx,y,z 成立。经逐一验证,✓

结论:⟨A,∗⟩\langle A, * \rangle 是一个阿贝尔群(可交换的群)。

练习2:幺元与逆元求解

题目:设 Z6={[0],[1],[2],[3],[4],[5]}\mathbb{Z}_6 = \{[0], [1], [2], [3], [4], [5]\} 是模6的同余类集合,运算 +6+_6 定义为 [a]+6[b]=[(a+b) mod 6][a] +_6 [b] = [(a+b) \bmod 6]。求幺元和每个元素的逆元。

解:

  • 幺元:[0][0],因为 [a]+6[0]=[(a+0) mod 6]=[a][a] +_6 [0] = [(a+0) \bmod 6] = [a]
  • 逆元:
    • [0]−1=[0][0]^{-1} = [0]([0]+6[0]=[0][0] +_6 [0] = [0])
    • [1]−1=[5][1]^{-1} = [5]([1]+6[5]=[0][1] +_6 [5] = [0])
    • [2]−1=[4][2]^{-1} = [4]([2]+6[4]=[0][2] +_6 [4] = [0])
    • [3]−1=[3][3]^{-1} = [3]([3]+6[3]=[0][3] +_6 [3] = [0])
    • [4]−1=[2][4]^{-1} = [2]([4]+6[2]=[0][4] +_6 [2] = [0])
    • [5]−1=[1][5]^{-1} = [1]([5]+6[1]=[0][5] +_6 [1] = [0])

⟨Z6,+6⟩\langle \mathbb{Z}_6, +_6 \rangle 是一个群(也是阿贝尔群、循环群,生成元为 [1][1] 或 [5][5])。

练习3:二元运算个数

题目:设 A={a,b}A = \{a, b\},问 AA 上可定义多少个不同的二元运算?其中有多少个是可交换的?

解:

  • AA 上的二元运算 ∗* 是从 A×AA \times A 到 AA 的映射
  • ∣A×A∣=4|A \times A| = 4,每个序偶的运算结果有 ∣A∣=2|A| = 2 种选择
  • 二元运算总数:24=162^4 = 16 个

对于可交换的运算,需要 a∗b=b∗aa*b = b*a,即 ⟨a,b⟩\langle a,b \rangle 和 ⟨b,a⟩\langle b,a \rangle 的结果相同。独立的选择有:a∗aa*a(2种)、b∗bb*b(2种)、a∗b=b∗aa*b = b*a(2种),共 23=82^3 = 8 个可交换的二元运算。

练习4:代数系统类型判断

题目:判断以下代数系统分别是广群、半群、独异点、群中的哪些:

(1) ⟨N,+⟩\langle \mathbb{N}, + \rangle(自然数集,加法)

(2) ⟨Z,+⟩\langle \mathbb{Z}, + \rangle(整数集,加法)

(3) ⟨Z,×⟩\langle \mathbb{Z}, \times \rangle(整数集,乘法)

(4) ⟨Q−{0},×⟩\langle \mathbb{Q} - \{0\}, \times \rangle(非零有理数集,乘法)

解:

代数系统广群半群独异点群
⟨N,+⟩\langle \mathbb{N}, + \rangle是是是(幺元0)否(除0外无逆元)
⟨Z,+⟩\langle \mathbb{Z}, + \rangle是是是(幺元0)是
⟨Z,×⟩\langle \mathbb{Z}, \times \rangle是是是(幺元1)否(±1\pm 1 外无逆元)
⟨Q−{0},×⟩\langle \mathbb{Q}-\{0\}, \times \rangle是是是(幺元1)是

练习5:同态映射证明

题目:设 ff 是从群 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 到群 ⟨B,△⟩\langle B, \triangle \rangle 的同态映射,gg 是从群 ⟨B,△⟩\langle B, \triangle \rangle 到群 ⟨C,⊙⟩\langle C, \odot \rangle 的同态映射。证明 g∘fg \circ f 是从 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 到 ⟨C,⊙⟩\langle C, \odot \rangle 的同态映射。

证明:

设 a1,a2∈Aa_1, a_2 \in A,则:

(g∘f)(a1⋆a2)=g(f(a1⋆a2))(g \circ f)(a_1 \star a_2) = g(f(a_1 \star a_2))

因为 ff 是同态映射,f(a1⋆a2)=f(a1)△f(a2)f(a_1 \star a_2) = f(a_1) \triangle f(a_2),所以:

=g(f(a1)△f(a2))= g(f(a_1) \triangle f(a_2))

因为 gg 是同态映射,g(f(a1)△f(a2))=g(f(a1))⊙g(f(a2))g(f(a_1) \triangle f(a_2)) = g(f(a_1)) \odot g(f(a_2)),所以:

=(g∘f)(a1)⊙(g∘f)(a2)= (g \circ f)(a_1) \odot (g \circ f)(a_2)

因此 g∘fg \circ f 是从 ⟨A,⋆⟩\langle A, \star \rangle 到 ⟨C,⊙⟩\langle C, \odot \rangle 的同态映射。

练习6:循环群判断

题目:⟨{0,1,2,3},+4⟩\langle \{0, 1, 2, 3\}, +_4 \rangle 是否为循环群?若是,求其生成元。

解:+4+_4 定义为 a+4b=(a+b) mod 4a +_4 b = (a + b) \bmod 4。

检验元素 11 的幂:11=11^1 = 1,12=1+41=21^2 = 1 +_4 1 = 2,13=2+41=31^3 = 2 +_4 1 = 3,14=3+41=01^4 = 3 +_4 1 = 0。

G={1,2,3,0}={0,1,2,3}G = \{1, 2, 3, 0\} = \{0, 1, 2, 3\},所以 11 是生成元。

检验元素 33 的幂:31=33^1 = 3,32=3+43=23^2 = 3 +_4 3 = 2,33=2+43=13^3 = 2 +_4 3 = 1,34=1+43=03^4 = 1 +_4 3 = 0。

G={3,2,1,0}G = \{3, 2, 1, 0\},所以 33 也是生成元。

元素 22 的幂:21=22^1 = 2,22=02^2 = 0,23=22^3 = 2,… 只生成 {0,2}≠G\{0, 2\} \neq G,所以 22 不是生成元。

结论:⟨{0,1,2,3},+4⟩\langle \{0,1,2,3\}, +_4 \rangle 是循环群,生成元为 11 和 33。


关键术语速查

术语定义
代数系统非空集合 + 若干封闭运算,⟨A;f1,f2,⋯ ,fn⟩\langle A; f_1, f_2, \cdots, f_n \rangle
一元运算只带一个操作数的运算
二元运算带两个操作数的运算
封闭性∀x,y∈A,x∗y∈A\forall x, y \in A, x * y \in A
可交换性∀x,y∈A,x∗y=y∗x\forall x, y \in A, x * y = y * x
可结合性∀x,y,z∈A,(x∗y)∗z=x∗(y∗z)\forall x, y, z \in A, (x * y) * z = x * (y * z)
可分配性x△(y⋆z)=(x△y)⋆(x△z)x \triangle (y \star z) = (x \triangle y) \star (x \triangle z)
可吸收性x△(x⋆y)=xx \triangle (x \star y) = x 且 x⋆(x△y)=xx \star (x \triangle y) = x
等幂性∀x∈A,x∗x=x\forall x \in A, x * x = x
幺元(单位元)e∗x=x∗e=xe * x = x * e = x,若存在必唯一
零元θ∗x=x∗θ=θ\theta * x = x * \theta = \theta,若存在必唯一
逆元a∗b=b∗a=ea * b = b * a = e,记作 a=b−1a = b^{-1}
运算表用表格表示有限集合上的二元运算
广群封闭的代数系统
半群封闭 + 可结合的代数系统
子半群半群的非空子集对运算封闭
独异点(幺半群)含幺元的半群
群封闭 + 可结合 + 幺元 + 每个元素有逆元
有限群GG 是有限集的群,元素个数为阶数
子群群的非空子集本身也构成群
平凡子群S={e}S = \{e\} 或 S=GS = G 的子群
消去律a∗b=a∗c⇒b=ca * b = a * c \Rightarrow b = c
阿贝尔群(交换群)运算可交换的群
循环群所有元素都是某个生成元的幂的群
生成元循环群中能生成所有元素的那个元素
同态映射f(a⋆b)=f(a)△f(b)f(a \star b) = f(a) \triangle f(b) 的映射
满同态满射的同态映射
单一同态单射的同态映射
同构映射双射的同态映射,记作 A≅BA \cong B
同态核Ker(f)={a∈A∣f(a)=eB}\text{Ker}(f) = \{a \in A \mid f(a) = e_B\},是群的子群
自同态从代数系统到自身的同态映射
自同构从代数系统到自身的同构映射