近世代数ppt课件--群的概念

1.2 群的概念群的概念v群的定义群的定义v群的性质群的性质v群的判别群的判别8/5/2024数学与计算科学学院1.2 群的概念群的定义8/20/2023数学与计算科学1一群的定义一群的定义定义定义1.2.11.2.1设 是一个非空集合,若对 中任意两个元素 通过某个法则“”，有 中惟一确定的则称法则“”为集合上的一个代数运代数运元素 与之对应,算（算（algebraic operation）元素 是 通过运 算“”作用的结果,我们将此结果记为8/5/2024数学与计算科学学院一群的定义 定义1.2.1设 是一个非空集合,若2例例有理数的加法、减法和乘法都是有理数集Q Q上的代数运算,除法不是Q Q上的代数运算如果只考 虑所有非零有理数的集合Q Q*,则除法是Q Q*上的代数运算.剩余类集对 ，规定例例 设 为大于1的正整数，为 的模8/5/2024数学与计算科学学院例有理数的加法、减法和乘法都是有理数集Q上的代数运算,除3证证我们只要证明,上面规定的运算与剩余类的代表元的选取无关即可设 则 于是 从而 则“”与“”都是 上的代数运算8/5/2024数学与计算科学学院证我们只要证明,上面规定的运算与剩余类的代表元的选取无关4所以+与 都是 上的代数运算.8/5/2024数学与计算科学学院所以+与 都是 上的代数运算.8/20/2023数学5一个代数运算，即对所有的 有 如 果 的运算还满足(G1)结合律，即对所有的 有；(G2)中有元素 ，使对每个 ，有定义定义1.2.21.2.2设 是一个非空集合，“”是 上的(G3)对 中每个元素 ，存在元素 ，使 8/5/2024数学与计算科学学院一个代数运算，即对所有的 有 6在不致引起混淆的情况下,也 称为群（unit element）或恒等元恒等元（identity）；注注1(G2)中的元素 称为群 的单位元单位元(G3)中的元素 称为 的逆元逆元（inverse）则称 关于运算“”构成一个群群（group），记作 我们将证明：群 的单位元 和每个元素的逆元都是惟一的 中元素 的惟一的逆元通常记作 8/5/2024数学与计算科学学院在不致引起混淆的情况下,也 称为群（unit e7（commutative group）或阿贝尔群阿贝尔群（abelian group)，有 ，则称 是一个交换群交换群3群 中元素的个数称为群 的阶阶（order），记为 如果 是有 限数,则称 为有限群有限群 2如果群 的运算还满足交换律，即对任意的（finite group），否则称 为无限群无限群（infinite group).8/5/2024数学与计算科学学院（commutative group）或阿贝尔群（abeli8例例整数集 关于数的加法构成群这个群称为整数加群 证证对任意的 ，有 ，所以“”是 上的一个代数运算同时，对任意的 ,有所以结合律成立.另一方面 ，且 有 8/5/2024数学与计算科学学院例整数集 关于数的加法构成群这个群称为整数加群 证9又对每个 有 从而 关于“”构成群，显然这是一个交换群所以0为 的单位元.所以 是 的逆元.注注1当群的运算用加号“”表示时，通常将 的单位元记作0，并称0为 的零元；将的逆元记作 ,并称 为 的负元8/5/2024数学与计算科学学院又对每个 有 从而 关于“”构成群，102习惯上，只有当群为交换群时，才用“”来表 示群的运算，并称这个运算为加法加法，把运算的结果叫做和和，同时称这样的群为加群加群相应地,将不是加群的群称为乘群乘群，并把乘群的运算叫做乘法乘法，运算的结果叫做积积在运算过程中，乘群的运算符号通常省略不写今后，如不作特别声明，我们总假定群的运算是乘法当然,所有关于乘群的结论对加群也成立（必要时,作一些相关的记号和术语上改变）8/5/2024数学与计算科学学院2习惯上，只有当群为交换群时，才用“”来表 示群的运算，11例例全体非零有理数的集合Q Q*关于数的乘法构成交换群,这个群的单位元是数1，非零有理数 的逆元是 的倒数 同理，全体非零实数的 集R R*、全体非零复数的集合 关于数的乘法也构成交换群8/5/2024数学与计算科学学院例全体非零有理数的集合Q*关于数的乘法构成交换群,这个12例例实数域R R上全体 阶方阵的集合 ，关于矩阵的加法构成一个交换群全体 阶可逆方阵的集合 关于矩阵的乘法构成群，群中的单位元是单位矩阵 ，可逆方阵的逆元是 的逆矩阵 当 时，是一个非交换群例例集合 关于数的乘法构成交换群8/5/2024数学与计算科学学院例实数域R上全体 阶方阵的集合 ，关于矩阵13关于数的乘法构成一个 阶交换群证证(1)对任意的 ，因为 ,所以 例例全体 次单位根组成的集合因此 于是“”是 的代数运算 8/5/2024数学与计算科学学院关于数的乘法构成一个 阶交换群证(1)对任意的 14(3)由于 ，且对任意的 ，所以1为 的单位元(4)对任意的 ，有 ，且 所以 有逆元 的乘法也满足交换律和结合律(2)因为数的乘法满足交换律和结合律，所以8/5/2024数学与计算科学学院(3)由于 ，且对任意的 ，所以1为15因此 关于数的乘法构成一个群通常称这个群为 次单位根群次单位根群，显然 是一个具有 个元素的交换群8/5/2024数学与计算科学学院因此 关于数的乘法构成一个群通常称这个群为 次单位16例例设 是大于1的正整数，则 关于剩余 类的加法构成加群.这个群称为 的模模 剩余类加剩余类加群群 证证(1)由例知，剩余类的加法“”是 的 代数运算(2)对任意的 ，所以结合律成立 8/5/2024数学与计算科学学院例设 是大于1的正整数，则 关于剩余类的加法构成加17(3)对任意的 ,所以交换律成立(4)对任意的 ，且所以0为 的零元 8/5/2024数学与计算科学学院(3)对任意的 ,所以交换律成立(418(5)对任意的 ,且所以 为 的负元从而知，关于剩余类的加法构成加群8/5/2024数学与计算科学学院(5)对任意的 ,且所以 19例例设 是大于1的正整数，记则 关于剩余类的乘法构成群 证证(1)对任意的 ，有 于是 ，从而 (2)对任意的 所以剩余类的乘法“”是 的代数运算 8/5/2024数学与计算科学学院例设 是大于1的正整数，记则 关于剩余类的20所以结合律成立.(3)因为 ，从而 ，且对任意的 且 所以1是 的单位元 8/5/2024数学与计算科学学院所以结合律成立.(3)因为 ，从而 21(4)对任意的 ，有 ，由整数的性质可知，存在 ，使所以 ，且显然所以 为 的逆元从而知，的每个元素在中都可逆 8/5/2024数学与计算科学学院(4)对任意的 ，有 ，22这就证明了 关于剩余类的乘法构成群注注(1)群 称为 的模模 单位群单位群，显然这是一个交换群当 为素数时，常记作 .易知，(2)由初等数论可知（参见1），的阶等于 ,这里 是欧拉函数如果其中 为的 不同素因子，那么8/5/2024数学与计算科学学院这就证明了 关于剩余类的乘法构成群注238/5/2024数学与计算科学学院8/20/2023数学与计算科学学院24例例1010具体写出 中任意两个个元素的乘积以 及每一个元素的逆元素易知直接计算，可得 表表1.2.11.2.18/5/2024数学与计算科学学院例10具体写出 中任意两个个元素的乘积以 及每一个元25由表中很容易看出注注观察表1.2.1，我们发现可以把表1.2.1表示为更加简单的形式（见表1.2.2）表表1.2.21.2.21234112342241333142443218/5/2024数学与计算科学学院由表中很容易看出注观察表1.2.1，我们发现可以把表1.226形如表1.2.2的表通常称为群的乘法表乘法表（multiplication table），也称群表群表（group table）或凯莱表凯莱表（Cayley table）人们常用群表来表述有限群的运算如下表所示：ebeebaa8/5/2024数学与计算科学学院形如表1.2.2的表通常称为群的乘法表（multiplic27在一个群表中,表的左上角列出了群的运算符号 （有时省略），表的最上面一行则依次列出群的所有元素（通常单位元列在最前面），表的最左 列按同样的次序列出群的所有元素表中的其余部分则是最左列的元素和最上面一行的元素的乘 积注意，在乘积 中，左边的因子 总是 左列上的元素,右边的因子 总是最上面一行的元素由群表很容易确定一个元素的逆元素 8/5/2024数学与计算科学学院在一个群表中,表的左上角列出了群的运算符号 （有时省略）28又如果一个群的群表是对称的，则可以肯定，这个群一定是交换群8/5/2024数学与计算科学学院又如果一个群的群表是对称的，则可以肯定，这个群一定是交换群29二群的性质二群的性质定理定理1.2.11.2.1设 为群，则有(1)群 的单位元是惟一的；(2)群 的每个元素的逆元是惟一的；(3)对任意的 ，有 ；(4)对任意的 ，有 ；(5)在群中消去律成立，即设 ，如果 ，或 ，则 8/5/2024数学与计算科学学院二群的性质定理1.2.1设 为群，则有(1)群30证证(1)如果 都是 的单位元，则（因为 是 的单位元），因此 所以单位元是惟一的(2)设 都是 的逆元，则（因为 是 的单位元），8/5/2024数学与计算科学学院证(1)如果 都是 的单位元，则31于是 所以 的逆元是惟一的(3)因为 是 的逆元，所以从而由逆元的定义知，是 的逆元又由逆元的惟一性得(4)直接计算可得8/5/2024数学与计算科学学院于是 所以 的逆元是惟一的(3)因为 是 32及从而由逆元的惟一性得(5)如果 ，则 同理可证另一消去律8/5/2024数学与计算科学学院及从而由逆元的惟一性得(5)如果 ，则 同理33定理定理1.2.21.2.2设 是群，那么对任意的 ，方程 及在 中都有惟一解 证证取 ，则所以方程 有解 又如 为方程 的任一解，即 则这就证明了惟一性 8/5/2024数学与计算科学学院定理1.2.2设 是群，那么对任意的 34同理可证另一方程也有惟一解 8/5/2024数学与计算科学学院同理可证另一方程也有惟一解 8/20/2035指数与指数法则积与运算的顺序无关，因此可以简单地写成 群的定义中的结合律表明，群中 三个元素的乘进一步可知，在群 中，任意 个元素 的乘积与运算的顺序无关，因此可以写成 .据此,我们可以定义群的元素的方幂方幂 对任意的正整数 ，定义 8/5/2024数学与计算科学学院指数与指数法则积与运算的顺序无关，因此可以简单地写成 群的36再约定 （为正整数）则 对任意整数都有意义，并且不难证明：对任意的 有下列的指数法则指数法则(1)；(2)(3)如果 是交换群，则（如果 不是交换群，一般不成立）8/5/2024数学与计算科学学院再约定 （为正整数）则 对任意整数37当 是加群时,元素的方幂则应改写为倍数倍数相应地,指数法则变为倍数法则倍数法则：(1)(2)(3)（因为加群是交换群，所以（3）对加群总是成立的）8/5/2024数学与计算科学学院当 是加群时,元素的方幂则应改写为倍数相应地,指数38定理定理1.2.31.2.3设 是一个具有代数运算的非空 集合，则 关于所给的运算构成群的充分必要条件是 三群的判别三群的判别(1)的运算满足结合律；(2)中有一个元素 （称为 的左单位元）,使对 任意的 有(3)对 的每一个元素 ，存在 （称为 的左逆元），使 这里 是 的左单位元8/5/2024数学与计算科学学院定理1.2.3设 是一个具有代数运算的非空 集合，则 39证证必要性必要性由群的定义，这是显然的充分性充分性只需证:是 的单位元,，是 的 逆元即可 设 由条件(3)知，存在 使而对于 也存在 使于是且8/5/2024数学与计算科学学院证必要性由群的定义，这是显然的充分性只需证:是 40进而由条件（1）知，为群 由条件(2)及式(3)知，是 的单位元 是 的逆元，8/5/2024数学与计算科学学院进而由条件（1）知，为群 41注注这个定理说明，一个具有乘法运算的非空集合 ，只要满足结合律，有左单位元，每个元素有左逆元，就构成一个群同理可证，一个具有乘法运算的非空集合 ，如 果满足结合律，有右单位元，且 中每个元素有右逆元，则 构成群 8/5/2024数学与计算科学学院注这个定理说明，一个具有乘法运算的非空集合 ，只要满足结42定理定理1.2.41.2.4设 是一个具有乘法运算且满足结 合律的非空集合，则 构成群的充分必要条件是：对任意的 方程 及 在 中有解.证证必要性必要性已证（见定理1.2.2）充分性充分性任取 ，由条件知，有解，设为 ，则 .又对任意的 ，有解,设为 设为 于是从而知 是 的左单位元 8/5/2024数学与计算科学学院定理1.2.4设 是一个具有乘法运算且满足结 合律的非43其次，对每个 ，有解，设为 .于是从而知 有左逆元 于是由定理1.2.3知，构成群 8/5/2024数学与计算科学学院其次，对每个 ，有44例例1111设 是一个具有乘法运算的非空有限集合，如果 满足结合律，且两个消去律成立，则 是一个群对任意的 考察 与 ，如果 证证设则由左消去律得，于是 这说明，是 中 个不同的元素因 ，8/5/2024数学与计算科学学院例11设 是一个具有乘法运算的非空有限集合，如果 满45同理可证，方程 在 中也有解 从而由定理1.2.4知，是群 所以因 故必存在 ，使 这说明，方程 在 中有解8/5/2024数学与计算科学学院同理可证，方程 在 中也有解 从而由定理1.246参考文献及阅读材料参考文献及阅读材料1 潘承洞，潘承彪初等数论北京：北京大学出版社，19982 中国大百科全书数学北京，上海：中国大百科全书出版社，19883 数学百科全书(第二卷)北京：科学出版社，19958/5/2024数学与计算科学学院参考文献及阅读材料1 潘承洞，潘承彪初等数论北京：北47