前置知识
笛卡尔积
对于两个集合 X,Y,定义它们的笛卡尔积为 X×Y={(x,y)∣x∈X,y∈Y}。
对于任意集合 A,定义 A1=A,An=An−1×A(n∈N,n>1)。
二元关系
对于两个集合 X,Y,定义 X 到 Y 的二元关系 R 为 X×Y 的子集。对于 x∈X,y∈Y,记 xRy 当且仅当 (x,y)∈R。
如果 Y=X,则可以称 R 是 X 上的二元关系。
等价关系
对于集合 X 上的二元关系 R,定义其为等价关系,当且仅当其满足:
- 自反性(reflexive):∀x∈X,xRx。
- 对称性(symmetric):∀x,y∈x,xRy⟺yRx。
- 传递性(transitive):∀x,y,z∈X,xRy,yRz⟹xRz。
等价关系通常用符号 ∼ 表示。
等价类
定义 X 上的等价关系 ∼ 上的一个等价类 S 满足 S=∅,S⊆X,并且 ∀x∈S,y∈X,x∼y⟺y∈S。
设 S1,S2 为 X 的两个等价类,则它们要么相等,要么不交。即 S1∩S2=∅⟹S1=S2。
划分
定义集合 X 的一个划分 P(x) 为 X 子集的集合,满足:
- ⋃x∈P(x)x=X。
- ∀x,y∈P(x),x=y⟹x∩y=∅。
显然 ∀x∈X,存在唯一一个 y∈P(x),使得 x∈y。
设 X/∼ 表示 X 在等价关系 ∼ 上的等价类的集合,X/∼ 是 X 的一个划分。
证明:
第二部分已经证明,现在只需要证明第一部分。
只需证 ∀x∈X,∃y∈X/∼,x∈y。
构造 y={z∣z∈X,x∼z},显然 x∈z。
- ∀a∈y,b∈X,a∼b,有 a∼x。根据等价关系的传递性,x∼b,所以 b∈y。
- ∀a∈y,b∈y,有 a∼x,x∼b,所以 a∼b。
因此 y 是一个合法的等价类。
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根据划分的性质,∀x∈X,有且仅有一个 y∈P(X) 满足 x∈y,记为 [x],即 [x]=y={z∣z∈X,x∼z}。可以发现 ∀x,y∈X,x∼y⟺[x]=[y]。
群论
基础定义
对于集合 G=∅ 和 G 上的二元运算 ⋅,如果其满足封闭性(∀a,b∈G,a⋅b∈G),则称 (G,⋅) 是一个原群。
无歧义时,可以将 a⋅b 写作 ab,将 (G,⋅) 写作 G。
若原群 (G,⋅) 满足结合律(∀a,b,c∈G,(a⋅b)⋅c=a⋅(b⋅c)),则称其是一个半群。
若半群 (G,⋅) 存在 单位元 / 幺元(∃e∈G,∀g∈G,e⋅g=g⋅e=g),则称其是一个幺半群。无歧义时 e 专指幺元。
若幺半群 (G,⋅) 的每个元素都存在逆元(∀a∈G,∃b∈G,a⋅b=b⋅a=e),则称其是一个群,记元素 a 的逆元为 a−1。
若群 (G,⋅) 的运算 ⋅ 满足交换律(∀a,b∈G,a⋅b=b⋅a),则称其是一个交换群 / 阿贝尔群。
定义一个原群 (G,⋅) 的势 / 阶为集合 G 的势,若 G 是有限的,则其等于 ∣G∣。
无歧义时,对于任意一个元素 g∈G 和正整数 x∈N∗,定义 gx=gx−1g,g−x=g−x+1g−1,g0=e。
可以得到 ∀a,b∈Z,gagb=gab,(ga)b=gab。
群的基本性质
性质 1:对于原群 G,左单位元等于右单位元。
证明:
若存在左单位元 a∈G,∀g∈G,ag=g,也存在右单位元 b∈G,∀g∈G,gb=g,则 ab=a=b。
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由此可知,一个原群的单位元唯一。
性质 2:对于幺半群 G,左逆元等于右逆元。
证明:
若 g 存在左逆元 a 使得 ag=e,也存在右逆元 b 使得 bg=e,则 (ag)b=b=a(gb)=a。
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性质 3:对于群 G,其满足消去律:∀a,b,c∈G,ab=ac⟺b=c。
证明考虑左乘一个 a−1。同理有 ba=ca⟺b=c。
性质 4:对于群 G 的每个元素,有且仅有单位元满足与之相乘结果为其本身。
重排定理
重排定理:对于群 G,∀g∈G,gG={gu∣u∈G}=G,Gg={ug∣u∈G}=G。
证明:
只需证 a∈G⟺a∈gG。
若 a∈G,则 g−1a∈G,所以 a=gg−1a∈gG。
若 a∈gG,则 ga∈gG,所以 a=g−1ga∈G。
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同理可证第二条。
子群