群论从入门到入不了门

3.7k 词

前置知识

笛卡尔积

对于两个集合 X,YX, Y,定义它们的笛卡尔积X×Y={(x,y)xX,yY}X \times Y = \{(x, y) \mid x \in X, y \in Y\}
对于任意集合 AA,定义 A1=AA ^ 1 = AAn=An1×A(nN,n>1)A ^ n = A ^ {n - 1} \times A(n \in \N, n > 1)

二元关系

对于两个集合 X,YX, Y,定义 XXYY二元关系 RRX×YX \times Y 的子集。对于 xX,yYx \in X, y \in Y,记 xRyx\mathrel{R}y 当且仅当 (x,y)R(x, y) \in R
如果 Y=XY = X,则可以称 RRXX 上的二元关系。

等价关系

对于集合 XX 上的二元关系 RR,定义其为等价关系,当且仅当其满足:

  • 自反性(reflexive)xX,xRx\forall x \in X, x\mathrel{R}x
  • 对称性(symmetric)x,yx,xRy    yRx\forall x, y \in x, x\mathrel{R}y \iff y\mathrel{R}x
  • 传递性(transitive)x,y,zX,xRy,yRz    xRz\forall x, y, z \in X, x\mathrel{R}y, y\mathrel{R}z \implies x\mathrel{R}z

等价关系通常用符号 \sim 表示。

等价类

定义 XX 上的等价关系 \sim 上的一个等价类 SS 满足 S,SXS \ne \varnothing, S \subseteq X,并且 xS,yX,xy    yS\forall x \in S, y \in X, x \sim y \iff y \in S

S1,S2S _ 1, S _ 2XX 的两个等价类,则它们要么相等,要么不交。即 S1S2    S1=S2S _ 1 \cap S _ 2 \ne \varnothing \implies S _ 1 = S _ 2

划分

定义集合 XX 的一个划分 P(x)P(x)XX 子集的集合,满足:

  • xP(x)x=X\bigcup _ {x \in P(x)} x = X
  • x,yP(x),xy    xy=\forall x, y \in P(x), x \ne y \implies x \cap y = \varnothing

显然 xX\forall x \in X,存在唯一一个 yP(x)y \in P(x),使得 xyx \in y

X/X / \sim 表示 XX 在等价关系 \sim 上的等价类的集合,X/X / \simXX 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 xX,yX/,xy\forall x \in X, \exist y \in X / \sim, x \in y
构造 y={zzX,xz}y = \{z \mid z \in X, x \sim z\},显然 xzx \in z

  • ay,bX,ab\forall a \in y, b \in X, a \sim b,有 axa \sim x。根据等价关系的传递性,xbx \sim b,所以 byb \in y
  • ay,by\forall a \in y, b \in y,有 ax,xba \sim x, x \sim b,所以 aba \sim b

因此 yy 是一个合法的等价类。

\square

根据划分的性质,xX\forall x \in X,有且仅有一个 yP(X)y \in P(X) 满足 xyx \in y,记为 [x][x],即 [x]=y={zzX,xz}[x] = y = \{z \mid z \in X, x \sim z\}。可以发现 x,yX,xy    [x]=[y]\forall x, y \in X, x \sim y \iff [x] = [y]

群论

基础定义

对于集合 GG \ne \varnothingGG 上的二元运算 \cdot,如果其满足封闭性a,bG,abG\forall a, b \in G, a \cdot b \in G),则称 (G,)(G, \cdot) 是一个原群

无歧义时,可以将 aba \cdot b 写作 abab,将 (G,)(G, \cdot) 写作 GG

若原群 (G,)(G, \cdot) 满足结合律a,b,cG,(ab)c=a(bc)\forall a, b, c \in G, (a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)),则称其是一个半群

若半群 (G,)(G, \cdot) 存在 单位元 / 幺元eG,gG,eg=ge=g\exist e \in G, \forall g \in G, e \cdot g = g \cdot e = g),则称其是一个幺半群。无歧义时 ee 专指幺元。

若幺半群 (G,)(G, \cdot) 的每个元素都存在逆元(aG,bG,ab=ba=e\forall a \in G, \exist b \in G, a \cdot b = b \cdot a = e),则称其是一个,记元素 aa 的逆元为 a1a ^ {-1}

若群 (G,)(G, \cdot) 的运算 \cdot 满足交换律(a,bG,ab=ba\forall a, b \in G, a \cdot b = b \cdot a),则称其是一个交换群 / 阿贝尔群

定义一个原群 (G,)(G, \cdot)势 / 阶为集合 GG 的势,若 GG 是有限的,则其等于 G|G|

无歧义时,对于任意一个元素 gGg \in G 和正整数 xNx \in \N ^ *,定义 gx=gx1g,gx=gx+1g1,g0=eg ^ x = g ^ {x - 1}g, g ^ {-x} = g ^ {-x + 1}g ^ {-1}, g ^ 0 = e
可以得到 a,bZ,gagb=gab,(ga)b=gab\forall a, b \in \Z, g ^ a g ^ b = g ^ {ab}, (g ^ a) ^ b = g ^ {ab}

群的基本性质

性质 1:对于原群 GG,左单位元等于右单位元。

证明:

若存在左单位元 aG,gG,ag=ga \in G, \forall g \in G, ag = g,也存在右单位元 bG,gG,gb=gb \in G, \forall g \in G, gb = g,则 ab=a=bab = a = b

\square

由此可知,一个原群的单位元唯一。

性质 2:对于幺半群 GG,左逆元等于右逆元。

证明:

gg 存在左逆元 aa 使得 ag=eag = e,也存在右逆元 bb 使得 bg=ebg = e,则 (ag)b=b=a(gb)=a(ag)b = b = a(gb) = a

\square

性质 3:对于群 GG,其满足消去律a,b,cG,ab=ac    b=c\forall a, b, c \in G, ab = ac \iff b = c

证明考虑左乘一个 a1a^{-1}。同理有 ba=ca    b=cba = ca \iff b = c

性质 4:对于群 GG 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 GGgG,gG={guuG}=G,Gg={uguG}=G\forall g \in G, gG = \{gu \mid u \in G\} = G, Gg = \{ug \mid u \in G\} = G

证明:

只需证 aG    agGa \in G \iff a \in gG
aGa \in G,则 g1aGg ^ {-1} a \in G,所以 a=gg1agGa = g g ^ {-1} a \in gG
agGa \in gG,则 gagGg a \in gG,所以 a=g1gaGa = g ^ {-1} g a \in G

\square

同理可证第二条。

子群

留言