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  • 近世代数总结

    群的定义

    ((i):forall a in G,exists a^{-1},a cdot a^{-1}=e)

    ((ii))封闭性,可逆性,结合性

    群的判定定理:
    (forall a,bin G,exists x,y,ax=b quad and quad ya=b){证明这个的话,我们只需取a,a的话,我们就可以先把单位元确定了,然后利用性质自然逆元就得到了}
    性质:
    在群里消去律是成立的

    半群的定义:
    半群只要求满足结合律(幺半群有单位元)

    设G是一个群,H是G的一个非空子集,如果H关于G的运算也构成群,则称H为G的一个子群 ,记为(H<G)

    交换群

    (forall a,b in G,ab=ba)

    子群

    定义和例子

    一个简单的方法来拆分任何带有一系列公理的数学结构的方法,来研究同样带有公理的数学结构。我们开始这个工程来研究群的子群。
    第二个拆分数学结构的方法就是来研究它的商结构,商群的概念,这是一个方式来拆分一个群变成更小的群(我们将在下一个章节学习)

    子群的定义

    G为群,G的子集H是G的子群,如果H是非空的,H在积和逆运算下是封闭的。如果H是G的子群,我们记做(H < G)

    例子

    ((ii))每一群G其实都有两个平凡的子群(H=G,H={1})

    推论

    (子群的标准:)(H)(G)的子群,当且仅当:

    ((i)H eq varnothing)

    ((ii) forall x,y in H,xy^{-1} in H)

    如果H是有限的,我们需要确定H的封闭性

    证明:

    首先指出这个证明是双向的,然后我们考虑,其实对于一个a来说,就有(x^{-1}x=e)的事实,我们这样就能得到(e)这个很重要的元素在(H)中,然后对于每个(a)来说,(ea^{-1})同样也在里面,我们就可以确认每个元素的逆元也在里面,显然群的性质就已经确认了(这个推论确实简化了子群的判别,子群的判别说到底是涉及了两个集合,(G,H),推论从(H)里面出发,然后确定(G)(H)的关系)

    陪集和正规子群

    陪集:
    (H<G)
    (a H={a h | forall h in H})

    正规子群:
    (forall a in G quad a H=H a)
    则我们记作(H riangleleft G)

    关于正规子群的等价性命题:
    $$forall a in G,aHa^{-1}=H$$
    $$forall a in G,aHa^{-1}subseteq H$$
    $$forall a in G,h in H,aha^{-1}in H$$

    商群

    商群的概念结合了陪集与正规子群
    (如果 H riangleleft G quad ,)
    (G/H)称为商群

    群同态与同构

    群同态

    (f:(G,cdot) ightarrow(H, riangle), f(g_{1}cdot g_{2})=f(g_{1}) riangle f(g_{2})))
    f为单射 ( ightarrow)单同态
    f为满射 ( ightarrow)满同态
    f为双射 ( ightarrow)同构

    单位元具有唯一性:
    (fleft(e_{1} ight)=fleft(e_{1}^{2} ight)=fleft(e_{1} ight) Delta fleft(e_{1} ight)=left[fleft(e_{1} ight) ight]^{2})

    群同构基本定理

    f :G( ightarrow H)
    (G,(cdot))( ightarrow(H, riangle))
    (frac{G}{Kerf}cong Imf)
    (left{Kerf=g|f(g)=e_{H} ight} quad and quad Imf=left{f(g)|g in G ight})}
    从单射开始说起,
    令gKerf=(ar{g})

    第二同构定理:(Hig/(H cap K) cong HKig/K)

    群同构第三定理

    (G ig/ H cong (Gig/K)igg/(Hig/K))

    循环群分类定理

    [egin{cases} (a_{m}) cong Z_{m} \ (a)cong Z end{cases} ]

    Cayley定理

    任何一个群都同构于一个对称群的子群

    Lagrange定理

    (H<G)
    G为有限群的情况,H的阶整除G的阶
    素数阶的群一定是循环群?

    群的作用

    G为一个群,(G eq varnothing)

    (varphi:G imes S ightarrow S)

    ((i):g_1 g_{2}(s)=g_1(g_2(s)))

    ((ii):e(s)=s ,forall s in S)

    我们引入轨道的概念:(O_{x}={gx|gin G})

    我们来证明:$forall x,y,O_x=O_y $或者不相等(即不可能会出现相交的情况)

    (O_x cap O_y eq varnothing)

    任取(z in O_x cap O_y),存在(g_1,g_2 in G),使得(gx=z=gy)

    (y=g_2^{-1}g_1x in O_x)(这里我们要注意一些概念:(O_{x}={gx|forall gin G}))由此得到:(O_y subset O_x,同理可证O_x subset O_y ightarrow O_x =O_y)

    由于(O_{x}={gx|forall gin G})

    这里我们注意一个事实,尽管( ho)是一个双射,但是群的阶数与集合的阶数不相等。

    这是需要我们格外注意的地方:因为我们经常认为群作用了的话,本身就应该与映射出来的集合是一样的,即:(|g(x)|=X),而不是(|G|=|X|)

    我们来看个例子,首先我们必须明白一点群的作用只是个抽象的作用,并不是群真实的作用在集合上,这只是一个称呼。

    我们定义(varphi:g(x)=gxg^{-1},forall g in G)

    我们有这样的事实:

    ((i)e(x)=exe^{-1})

    ((ii)g_1(g_2(x))=g_1(g_2xg_2^{-1})g_1^{-1}=g_1g_2x(g_1g_2)^{-1})

    我们很容易提出问题:(|G|?=|O_x|?=|G imes X|)

    ??我们注意一件事情,如果G为交换群,则(g(s)=g_1g_2(s)=g_2(g_1(s)))

    我们首先要注意事实:(|G|)(|O_x|)在大多时候的阶数是不一样的

    我们先来看看轨道稳定子定理:

    我们定义稳定子:(S_x={gx=x})

    那么有这样的事实:( ho: O_x ightarrow G ig/S_x)

    (gx ightarrow gS_x)

    那么我们(O_x)(G ig/ S_x)的一一映射

    这个是很有意思的事情,一般不容易发现,这样我们就定义(|G|)(|O_x|)的关系

    我们先来证明轨道稳定子定理:

    ((i) ho 为单射: ho(g_1 x)= ho(g_2x) ightarrow g_1S_x=g_2S_x,g_1^{-1}g_2S_x=S_x)

    (g_1^{-1}g_2 in S_x,g_1^{-1}g_2x=x)

    我们得到了很重要的结论:(|G|=|S_x||O_x|)

    我们来看看一个群作用:

    多项式:(x_1x_2+x_2x_3+x_3x_4+x_4x_1)的对称变换的群

    (X={x_1,x_2,x_3,x_4}),G作用在X上,( au=(1,2,3,4))

    !!我们要注意这个事实,我们每次的群作用都是利用在X里面去一个元素来完成,所以我们如果要来衡量(|X|)的阶数,

    (|X|=sum_{i=1}^{t}[G:S_{x_i}]),其中(x_i)取遍不同轨道的代表元素

    我们注意一个很有意思的现象,因为群本身的定义是集合,然后有规定的运算,我们可以定义群作用于群本身的集合,

    (G imes G ightarrow G),我们这里不采用抽象的定义,即映射的方式:(g_1(g_2) ightarrow g),这里我们采用共轭作用,群(G)作用在自身

    (x in G,O_x={gxg^{-1}|g in G},S_x={g in G|gxg^{-1}=x})

    我们通常把(O_x)称为x所在的共轭类,(S_x)称为中心化子

    所以我们得到了一个重要的定理:

    (|G|=sum_{x}|G:C(x)|),我们对这个等式进行整理,把x为中心元素的共轭类的代表元都弄出来,

    (|G:C(x)|=1)(x为中心元素的共轭类)

    (G)为有限群,(|G|=|C(G)|+sum_{x}|G:C(x)|)

    (x为取遍非中心元素的共轭类的代表元)

    推论:Cauchy定理:如果(G)为一个有限群,(|G|=n),对于n每一个素因子p,(G)都有阶为p的元素

    Sylow定理


    环的定义

    ((i)(mathbb{R},+))构成一个交换群
    ((ii)(R,cdot))满足结合律
    ((iii)(R,+,cdot))满足分配律
    若环K中没有零因子,则消去律成立

    交换环

    (ab=ba,forall a,b in R)交换环
    子环
    ((R,+,cdot))是一个环,S为R的一个非空子集,S关于R的运算成环,则称S为R的子环
    ((R,+,cdot))是一个环,S为R的一个非空子集,则S为R的子环的充分必要条件:
    (i)(S,+)为(R,+)的加法子群
    (ii)(forall a,b in S ightarrow ab in S)

    域,除环,体

    零因子:
    (a eq 0,exists b eq 0,使得ab =0)
    这里我们注意,零因子的概念重要性从反面而言,是很显然的,在日常生活中的常用的代数结构,(mathbb{R}),除开零元来看的话,都是没有零因子这种代数结构的
    这里注意零因子与零元不是一个概念(我们日常使用的代数系统都是无零因子环很多,满足环的消去律)

    无零因子环

    无零因子环:我们把没有零因子,有单位元e的环称为无零因子环
    {整环}
    一个没有零因子,有单位元e的交换环R称作整环
    高斯整环:(Z[i])
    ((R,+,cdot))满足结合律,则称为域
    oindent 四元数体(Hamilton quaternion field)=(left{a+bi+cj+dk|a,b,c,din R ight})
    除环}
    R有单位元(e eq 0)的环,在环中非零元都可逆
    域}
    F为一个有单位元的交换环,如果每个非零元都可逆,则称为域

    (Q sqrt[3]{2})

    环同态

    (R_{1},R_{2})为两个环,

    [f:R_{1} ightarrow R_{2} ]

    若f满足:
    (i)(f(r_{1}+r_{2})=f(r_{1})+f(r_{2}))
    (ii)(f(r_{1}r_{2})=f(r_{1})f(r_{2}))

    理想

    R为环,I为R的非空子集,如果I满足:
    ((i)forall r_{1},r_{2}in I,r_{1}-r_{2}in I)
    ((forall r in R,forall i in I),ri in I)称为左理想(ir in T)称为右理想
    根理想:设I为交换环R的一个理想,定义集合:

    (Rad(I)={r in R|存在整数n,使得r^{n}in I})

    证明(Rad(I)是R)的理想

    (这里我们要注意理想的概念)

    考察(r_1,r_2)

    (r_{1}^n in I,r_2^m in I)

    考虑((r_1-r_2)^{m+n})

    这里我们主要考虑(sum_{k=1}^{m+n}r_1^kr^{m+n-k})

    根据理想的性质,(r_1和r_2根据次方总有一个满足其中一个属于理想)

    不妨设(r^k in I),根据(sI subset I),显然((r_1-r_2)^{m+n} in I)

    商环

    环R,理想I,在(R,+)的商集(R igg/ I = {r+I|r in R })

    主理想

    R为环, (forall a in R,),则(a)=由a生成的理想,称为主理想
    这个概念比较麻烦,我们康康一个例子,

    设R为有单位元的交换环,则主理想:((a)={ra|r in R})
    (i)首先证明(a)为R的一个子环,
    (forall alpha,eta in (a), ightarrow alpha =r_{alpha}a,eta= r_{eta}a)
    我们利用子环的判定定理
    易知(alpha - eta =(r_{alpha}-r_{eta})a in (a))
    (alpha eta =r_{alpha}r_{eta}aa in (a))((r_{alpha}r_{eta} sim r))
    (ii)我们还要考虑一些事情:(a)本身为理想,
    (forall ar{r} in R, ar{r}(a)= lbrace ar{r}ra brace)
    $ar{r}(a) subset (a) $

    极大理想与素理想

    极大理想

    R为交换环,M为R的真理想,对R的任一包含M的理想N ( ightarrow N=M quad Or quad N=R)

    素理想

    R为交换环,P为R的真理想,如果(forall a,bin R),由 (abin P ightarrow a in P quad Or quad b in P)

    R为一个有单位元的交换环,则R的每个极大理想都是素理想

    主理想环

    环的每一个理想都是主理想

    除环,域都是主理想

    [(mathbb{Z},+, imes) ]

    主理想整环

    多项式整环

    (f{R}(x),+,( imes))
    (P_{1}(x)=a_{n}x^{n}+a_{n-1}x^{n-1}+dots+a_{1}x+a_{0})

    域的扩张

    (K subset mathbb{F}),为两个域,称(mathbb{F})为K的扩域

    代数元,超越元

    代数元
    (mathbb{F})是一个域,称(alpha)为代数数,若存在一个多项式f(x)(in mathbb{F}[x] ,s.t. f(alpha)=0)

    极小多项式

    (mathbb{F})为域,

    极小多项式不可约

    习题


    (A)为交换群,然后固定(n in mathbb{Z})我们证明下面的集合是A的子群:
    ((a){a^n|a in A})
    ((b){a in A |a^n =1})
    证明(:(1)a^{n}b^{-n}=(ab^{-1})^{n})(利用交换群性质,把(a,b)弄得更加紧凑),然后根据群的性质,(ab^{-1} in A),((ab^{-1})^{n} subset A)
    ((2)) ((a b)^{m n}=underbrace{(a b)(a b) cdots(a b)}_{m n ext { times }}=a^{m n} b^{m n}),利用交换群性质,把(a,b)弄得更加紧凑,由于(a^n=e,b^m=e,a^{mn}={a^n}^{m}=e,b^{mn}={b^m}^{n}=e)
    证明正规子群的等价性命题:
    $$forall a in G,aHa^{-1}=H$$
    $$forall a in G,aHa^{-1}subseteq H$$
    $$forall a in G,h in H,aha^{-1}in H$$

    [forall a in G,h in H,aha^{-1}in H ]

    我们从这里证明正规子群,
    (ah=aha^{-1}a=(aha^{-1})a subset Ha)
    (forall a in G ,a^{-1}h(a^{-1})^{-1} in H , ightarrow ha in aH,Ha subset aH )}

    f:(G ightarrow H)群同态
    则$ Kerf riangleleft G$

    {(forall gkg^{-1} in g Kerf g^{-1} \ f(gkg^{-1})=f(g)f(k)f(g^{-1}) \ =f(g)e_{H}[f(g)]^{-1}=e_{H} \ gkg^{-1} in Kerf(gKerfg^{-1}subset Kerf))}

    证明群同态基本定理f :G( ightarrow H)
    ((G,cdot) ightarrow(H, riangle))
    (frac{G}{Kerf}cong Imf)

    {Kerf显然是正规子群,}

    设$C(G)= { a in G|forall g in G,ag=ga } $,是群G的中心,证明:如果G/C(G)是循环群,则G是Abel群

    简要证明Sylow定理(1,2,3)

    设 G 的阶为 168, G 中有多少个阶为 7 元素

    (mathbb{Z}_{2}[x])中多项式(x^3+x^2+1)是不可约的,并利用这一结论构造一个有8个元的有限域

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