本文最后更新于:2023年6月27日 上午
DM4 代数结构
DM4.1 代数系统的构成
代数系统的构成:构成成分(载体、运算)和 构成公理(运算性质)
#n 元运算
设 A 为集合,函数 f:A×A→A 称为 A 上的二元运算。也能表示为 f(⟨a1,a2⟩)=a3
对于 n 元运算 f:An→A:
- 若 n=0 则为 0 元运算,f:→A
- 若 n=1 则为 1 元运算,f:A→A
若 domf=An 且 ranf⊆A 则称 A 在运算 f 下封闭。
运算的算符记号可以是:∘,∗,∙,◻,⋄,△ 等
表达式的表示方法:
- 解析表达式:∘(x1,x2,…,xn)=yx1∘x2=y△x=y 等
- 运算表:有穷集上的一元、二元计算可用运算表。
#二元运算的算律
对于二元运算,算律有:
-
交换律:∀a,b∈A,a∘b=b∘a
-
结合律:∀a,b,c∈A,(a∘b)∘c=a∘(b∘c)
-
幂等律:∀a∈A,a∘a=a
-
消去律:∀a,b,c∈A,a∘b=a∘c∧a=0⇒b=c,b∘a=c∘a∧a=0⇒b=c
-
分配律(涉及两个不同二元运算):
∀a,b,c∈A,a∘(b∗c)=(a∘b)∗(a∘c),a∗(b∘c)=(a∗b)∘(a∗c)
-
吸收律(涉及两个不同二元运算):
设 ∘,∗ 可交换,则 ∀a,b∈A,a∘(a∗b)=a,a∗(a∘b)=a
其中 结合律、幂等律、分配律 能拓展到有限项。
#二元运算的特异元素
二元运算中可能存在以下特异元素:
-
单位元(幺元)e:∀a∈A,e∘a=a∘e=a
-
零元 0:∀a∈A,0∘a=a∘0=0
-
幂等元 a:a∈A,a∘a=a
-
可逆元 x、逆元 y:x∈A,∃y∈A,x∘y=e
在可结合运算中,可逆元 x 对应的逆元 y 是唯一的
存在特异元素也能作为算律。如:同一律(存在单位元)、零律(存在零元)
单位元与零元有唯一性:若存在单位元/零元,则存在唯一的单位元/零元
另若 ∣A∣>1,则必有 e=0
DM4.2 代数系统
代数系统的几种记法:
-
V=⟨A,Ω,K⟩
A 是非空载体
Ω 是运算集,有 Ω=∪j=1∞Ωj,Ωj={oj∣oj是A上的j元运算}
K 是代数常数集(0 元运算)且 ∅⊆K⊆A
-
V=⟨A,Ω⟩
此时是将 K 视为 Ω 中的 0 元运算,故 Ω=∪j=0∞Ωj,Ωj={oj∣oj是A上的j元运算}
-
V=⟨A,o1,o2,…,or⟩
运算数量有限的场合也能这样记
所有构成成分(运算个数、对应运算的元数)相同的代数系统称为 同类型的
同类型且公理相同的代数系统称为 同种的
#子代数
设有代数系统 V=⟨A,o1,o2,…,or⟩,集合 B⊆A,B=∅
若 B 对 V 中所有运算(含 0 元运算)封闭,则称 V′=⟨B,o1,o2,…,or⟩ 为 V 的 子代数
若还有 B⊂A 则 V′ 是 V 的 真子代数
此外,若 V 的代数常数集合为 K 对 V 中所有运算封闭,则 ⟨K,o1,o2,…,or⟩ 是 V 的 平凡子代数
要指出的是,V 亦是其自身的平凡子代数(也是最大的子代数)
若公理是二元运算的性质,则子代数必定与原代数 同种。
#积代数
设有同类型代数系统 V1=⟨A,o11,o12,…,o1r⟩ 和 V2=⟨A,o21,o22,…,o2r⟩,其中 o1i 与 o2i 是 ki 元运算。
则 V1 与 V2 的 积代数:V1×V2=⟨A×B,o1,o2,…,or⟩
其中 oi 是 ki 元运算,且对于任意的 ⟨x1,y1⟩,⟨x2,y2⟩,…,⟨xki,yki⟩∈A×B 有
oi(⟨x1,y1⟩,⟨x2,y2⟩,…,⟨xki,yki⟩)=⟨o1i(x1,x2,…,xki),o2i(y1,y2,…,yki)⟩
积代数有以下性质:
- 若 o1i 与 o2i 分别在 V1 与 V2 中可 交换/结合/幂等,则 oi 在积代数中也可交换/结合/幂等
- 若 o1i 对 o1j、o2i 对 o2j 在 V1 与 V2 中分别适用 分配律,则 oi 对 oj 在积代数中也适用分配律
- 若 o1i 与 o1j、o2i 与 o2j 在 V1 与 V2 中分别适用 吸收律,则 oi 与 oj 在积代数中也适用吸收律
- 积代数必定与因子代数 同类型。若系统公理不含消去律则同种,否则不保证同种。
- 积代数能推广到有限多个同类型的代数系统
- 直积分解是研究代数结构的有效手段
#同态、同构
设有同类型代数系统 V1=⟨A,o11,o12,…,o1r⟩ 和 V2=⟨B,o21,o22,…,o2r⟩,其中 o1i 与 o2i 是 ki 元运算
若函数 f:A→B 对于所有运算 o1i,o2i 满足:
∀x1,x2,…,xki∈A 都有 f(o1i(x1,x2,…,xki))=o2i(f(x1),f(x1),…,f(xji))
则称 f 是函数系统 V1 到 V2 的 同态映射,简称 同态。同态运算必须保持零元运算在内的所有运算。
简言之,对于二元运算有 f(x∘y)=f(x)∘′f(y);一元运算有 f(Δx)=Δ′f(x);零元运算有 f(k)=k′
同态可以按照映射性质分类:
- 满足单射的同态称为 单同态
- 满足漫射的同态称为 满同态。记为 V1∼V2
- 既是单同态也是满同态的,称为 同构,记为 V1≅V2
此外,载体是 A→A 形式的,称为 自同态
同态有以下性质:
#同余关系、同余类、商集
设有代数系统 V=⟨A,o1,o2,…,or⟩,其中 oi 是 ki 元运算,关系 ∼ 是 A 上等价关系。
任取 2ki 个元数 a1,a2,…,aki,b1,b2,…,bki
若对于所有 j=1,2,…,ki 有 aj∼bj,就有 oi(a1,a2,…,aki)∼oi(b1,b2,…,bki)。这样就称等价关系 ∼ 对于运算 oi 具有 置换性质。
若等价关系 ∼ 对 V 中所有运算都具有置换性质,则称 ∼ 是 V 上的 同余关系,A 中相关等价类称为 同余类
A 关于等价关系 ∼ 的所有同余类的集合称为 商集
-
由同态映射能导出同余关系
若函数 f:A→B 为同类型代数系统 V1 到 V2 的同态映射,则:
由 f 导出的等价关系为 V1 上的同余关系
每个同态能导出一个同余关系。相同的同态像能导出相同的同余关系。
#商代数
设有代数系统 V=⟨A,o1,o2,…,or⟩,其中 oi 是 ki 元运算。关系 R 是 V 上的同余关系。
则 V 关于 R 的商代数记为:V/R=⟨A/R,o1,o2,…,,or⟩。
其中 A/R 是关于同余关系的商集。运算 oi 定义为:oi([a1],[a2],…,[aki])=[oi(a1,a2,…,aki)]
-
对于商代数,应保证其 良定义,即运算结果与运算元素的表示无关。
也就是说,对于任意 ki 元运算 oi,都要有:
oi([a1],[a2],…,[aki])
=[oi(a1,a2,…,aki)]
=[oi(b1,b2,…,bki)]
=oi([b1],[b2],…,[bki])
商代数有以下性质:
-
商代数 V/R 保持 V 的以下性质:
交换律、结合律、幂等律、分配律、吸收律。
消去律不一定能保持。
-
商代数 V/R 保持 V 的特异元素:
[e] 是商代数的 单位元、[0] 是商代数的 零元、[a−1]=[a]−1 是其 逆元/可逆元
-
商代数是原代数的同态像。
设有代数系统 V=⟨A,o1,o2,…,or⟩,其中 oi 是 ki 元运算。关系 R 是 V 上的同余关系。
则 自然映射 g:A→A/R,g(a)=[a],∀a∈A 是 V 到 V/R 的同态映射。
-
同态基本定理:代数系统的同态像与商代数同构。任何同态像都同构于一个商代数。
代数系统 V1=⟨A,o1,o2,…,or⟩ 和 V2=⟨B,o1′,o2′,…,or′⟩ 同类型,其中 o1i 与 o2i 是 ki 元运算。f:A→B 是 V1 到 V2 的同态映射,R 是 f 导出的 V1 上的同余关系。
则有 V1/R≅⟨f(A),o1′,o2′,…,or′⟩
DM4.3 群、半群、置换群
#半群、独异点
代数系统 V=⟨S,∘⟩,其中 S 在二元运算下 ∘ 封闭即构成 广群。
此外,∘ 满足 结合律,则构成 半群。
此外,半群中含单位元 e 则构成 独异点(含幺半群)。独异点可表示为 V=⟨S,∘,e⟩
由于仅有一个二元运算,所以 a∘b 可以简写为 ab
若有集合 B⊆S 非空,且 B 对 V 中运算封闭,则 ⟨B,∘⟩ 为 子半群。子半群有如下性质:
-
若干子半群的 非空 交集仍是子半群。
-
若干子独异点的交集仍为子独异点。(子独异点的交集必然非空,因为有 e∈S)
-
若有集合 B⊆S,则子半群 ⟨B⟩=⋂{A∣A是S的子半群,B⊆A} 即由子集合 B 生成的子半群
换言之,⟨B⟩=∪n∈Z+Bn,Bn={b1∘b2∘…∘bn∣bi∈B,i=1,2,…,n}
-
有集合 ∑ 表示有穷字母表,∑+ 为非空字的集合,∑∗ 为字的集合。
则每个字可唯一分解为 ∑ 中元素之积,∑+ 上的运算满足结合律。
故 V=⟨∑+,∘⟩ 构成半群,称之为 ∑ 上的 自由半群。∑ 为该自由半群的 生成元集
如果包含空串则 V=⟨∑∗,∘⟩ 构成 自由独异点
半群有如下性质:
-
半群的直积仍是半群,独异点的直积仍是独异点
-
能定义半群(独异点)中的幂运算:a1=a,an∘am=an+m(独异点有 a0=e)
-
任何半群都能通过 增加单位元 e 并定义与 e 的运算 而扩张为独异点。
-
半群同态定理
若有半群 V={S,∗},则 V′={SS,∘} 也是半群,且存在 V 到 V′ 的同态映射。
其中 SS={f∣f:S→S},∘ 为合成。
-
独异点表示定理
对于独异点 V=⟨S,∗,e⟩,必存在 T⊆S 使得 V 与 ⟨T,∘,IS⟩ 同构
#群
在独异点 V=⟨S,∘,e⟩ 中,加入一元运算逆元 −1 即构成 群 V=⟨S,∘,−1,e⟩
即,在群中,S 在 ∘ 上封闭,∘ 满足结合律,有单位元 ∃e∈S,且存在逆元运算 ∀x∈S,x−1∈S
群有如下性质:
-
群的等价定义
⟨G,∘⟩ 中,∘ 可结合,并存在 右单位元 e(只需 a∘e=a)
若每个元素对于 e 存在 右逆元 a−1(只需 a∘a−1=e),则 G 是群。此时能证明 右单位元/右逆 即 单位元/逆元。
仅满足 左单位元+左逆元 时仍成立。
-
群方程有唯一解
对于已知数 a,b∈S,未知数 x,y∈S 在方程 a∘x=b 或 y∘a=b 有且仅有唯一解
该解即 x=a−1∘b(y=b∘a−1)
由该定理引申出群的 另一个等价定义:若 G 是半群,且对任意 ∀a,b∈G,ax=b 与 ya=b 在 G 中有解,则 G 是群。
-
群都满足消去律
由该定理引申出群的 另一个等价定义:若 G 是不含零元的有限半群,且 G 中消去律成立,则 G 是群。
-
有限群的运算表的每行/列都是群中元素的置换(载体中每个元素在每行/列恰出现一次)
即:∀a∈G 有 aG=G 和 Ga=G
但运算表的行列都构成置换的,不一定是群。
群的相关术语:
-
平凡群:只含单位元的群 ⟨{e},∘,−1,e⟩,可简记为 {e}
-
交换群:也称 Abel 群(阿贝尔群)。满足 ∀a,b∈G,a∘b=b∘a
-
有限群、无限群:群的基数为有限或无限
-
Klein 四元群:其运算表如下
|
e |
a |
b |
c |
e |
e |
a |
b |
c |
a |
a |
e |
c |
b |
b |
b |
c |
e |
a |
c |
c |
b |
a |
e |
Klein 四元群是最小的循环群。
-
群的阶:群的基数。有限群的阶记为 ∣G∣
-
幂运算:an=⎩⎨⎧ean−1∘a(a−1)mn=0n>0m=−n,n<0
幂运算有如下规则:(a−1)−1=a,(ab)−1=b−1a−1,anam=an+m,(an)m=anm
此外,对于 Abel 群还有 (ab)n=anbn
以及,推广到有限多元素之积时有 (a1a2…an)−1=a−1n…a−12a−11
-
元素 a 的阶:使 ak=e 成立的最小正整数 k,记为 ∣a∣。无限群中,元素的阶可能不存在。
有限群的元素都是有限阶,且都是群的阶的因子。但元素都是有限阶的群,不一定是有限群。
此外,必定有 ak=e⇔kmod∣a∣=0,以及 ∣a∣=∣a−1∣
有限群的元素阶都是 群阶 的因子,可见 质数阶 群的元素阶是 1 或群阶,也就是说质数阶群是循环群。
#子群
设 G 为群,H 为 G 的非空子集。若 H 关于 G 中的运算构成群,则 H 是 G 的 子群,记为 H≤G
若 H 为 G 的真子集,称 H 是 G 的 真子群,记作 H<G。可见,子群 H 就是 G 的子代数。
群有消去律,由此可证 H 的零元 e′=e
设 G 为群,H 为 G 的非空子集。则判定子群的 判定定理 有:
- H≤G⇔∀a,b∈H(ab∈H∧b−1∈H)
- H≤G⇔∀a,b∈H(ab−1∈H)
- H 有限,则:H≤G⇔∀a,b∈H(ab∈H)
一部分重要的子群:
-
a 生成子群:⟨a⟩={ak∣k∈Z},a∈G
-
B 生成子群:⟨B⟩=⋂{H∣H≤G,B⊆H},B⊆G
即 ⟨B⟩={b1e1∘b2e2∘…∘bnen∣bi∈B,ei=±1,i=1,2,…,n,n∈Z+}
-
中心:C={a∣a∈G,∀x∈G(a∘x=x∘a)},即所有可交换元素的集合。
必有 {e}⊆C⊆G。可见 C=G 时即 Abel 群。
-
a 的正规化子:N(a)={x∣x∈G,x∘a=a∘x},a∈G,即所有与 a 可交换的元素的集合
可见,a 的正规化子也是 G 的子群。
-
H 的正规化子:N(H)={x∣x∈G,xHx−1=H},H≤G
其中 xHx−1={xhx−1∣h∈H}={xex−1,xh1x−1,…,xhix−1},H={e,h1,h2,…,hi}
-
共轭子群:xHx−1={xhx−1∣h∈H},其中 H≤G,x∈G
虽然定有 ∣xHx−1∣=∣H∣,但两者不一定相等
-
子群的交、并:若 H,K≤G,则
H⋂K≤G
H∪K≤G⇔H⊆K∨K⊆H
-
子群格:若 G 为群,S={H∣H≤G},则偏序集 ⟨S,⊆⟩ 构成 格(偏序集中任何二元子集都有最小上界和最大下界),称为 G 的 子群格。
#循环群
群 G=⟨a⟩={ak∣k∈Z},a∈G,则称 G 为 循环群。其中 a 为 G 的生成元。
若生成元的阶无限,则称 G 是无限循环群。若生成元是 n 阶元,则 G 为 n 阶循环群。
循环群 G=⟨a⟩ 的生成元有以下情况:
-
若 G 是无限循环群,则生成元为 a 和 a−1
-
若 G 是 n 阶循环群,且 n=1,则 G=⟨e⟩ 的生成元是 e
-
若 G 是 n 阶循环群,且 n>1,则有 ϕ(n) 个生成元(ϕ(n) 表示小于 n 且与 n 互质的正整数的个数)
即:ar是G的生成元⇔gcd(n,r)=1
有如下 定理:
-
若 G=⟨a⟩ 是循环群,则其子群也是循环群。
-
若 G=⟨a⟩ 是无限循环群,则其子群除 {e} 外都是无限循环群。
-
若 G=⟨a⟩ 是 n 阶循环群,则其子群的阶数为 n 的因子。
对于 n 的每个正因子 d,在 G 中有且仅有一个 d 阶子群。
#变换群、置换群
f:A→A 为 A 上的变换。若其双射,则称为 A 上的 一一变换。
定义 A 上的 一一变换群:由 E(A)={f∣f:A→A为双射} 为基数,关于函数合成运算而构成的群
若有 G⊆E(A) 为群,则称这样的子群为 A 上的 变换群。
若有穷集 A 有 ∣A∣=n,则 A 上的一一变换称为 A 上的 n 元置换
n 元置换的表示方法有:
-
置换的表示法
若令 A={1,2,…,n},则置换 σ=(1σ(1)2σ(2)……nσ(n))
-
n 元置换的轮换表示
任何置换都能表达成 不交的 轮换 之积,且表法唯一
若有 σ(i1)=i2、σ(i2)=i3、…、σ(in−1)=in、σ(i)=i1,则构成轮换
该不交轮换可表示为 τ=(i1,i2,…,in)
置换可表示为不交轮换之积,即 σ=τ1τ2…τn
写成该表达式时,那些一阶的轮换可以省略。如 (124)(36)(5)(7)=(124)(36)
轮换指数
n 元置换的 轮换指数 是该轮换中,对应阶轮换的个数的表示。
其表示为 1C1(σ)2C2(σ)…nCn(σ),其中 Ck(σ) 表示 k 轮换的个数。
如轮换 (157)(48)(2)(3)(6) 的指数为 132131
可见,不同指数的个数是方程 x1+2x2+…+nxn=n 的非负整数解的个数。
-
n 元置换的对换表示
所有轮换可被表示成 对换(2 阶轮换)之积
轮换转化为对换的方法:τ=(i1,i2,…,in)=(i1i2)(i1i3)…(i1in)
将轮换表示中的轮换转化为对换积,就形成了对换表示。对换间可以相交。
n 元置换的对换表示不唯一,但分解的对换数量的奇偶性(等于置换中逆序的个数)不变。
奇置换/偶置换:表成奇数/偶数个对换之积。
奇置换与偶置换间存在一一对应,因此各有 2n! 个。可见恒等置换是偶置换。
置换的乘法 即函数的合成。
例如有 8 元置换 σ=(132)(5648)(7),τ=(18246573),则 στ=(15728)(3)(4)(6)。
这其中有 στ(1)=σ(τ(1))=σ(8)=5,以及 στ(3)=σ(τ(3))=σ(1)=3 等等。
置换的逆 是置换的反函数。
比如置换 σ=(132)(5648),则 σ−1=(8465)(231)
若 Sn 为 A={1,2,…,n} 上的所有置换的集合,则 Sn 关于置换乘法构成群,称为 n 元对称群
其子群称为 n 元置换群。n 元对称群中所有偶置换构成的子群称为 n 元交代群。
置换的阶 是其不交轮换分解式中,各轮换阶的最小公倍数。
有 Cayley 定理:每个群都与一个变换群同构。推论:每个有限群都与一置换群同构。
置换的逆序序列 (b1,b2,…,bn),其中 bi 代表 i 后面比 i 小的数的个数,有 0≤bi<i。
置换与其逆序序列一一对应。
DM4.4 群的分解
#陪集
若 G 为群,H≤G,a∈G,则 右陪集 Ha={ha∣h∈H,a∈G}。其中 a 称为该陪集的 代表元素
有如下性质:
-
He=H
-
a∈Ha
-
Ha 与 H 等势(存在双射),即 Ha≈H
-
a∈Hb⇔Ha=Hb⇔ab−1∈H
-
在 G 上定义二元关系 R,aRb⇒ab−1∈H,则 R 为等价关系,且 [a]R=Ha
-
a,b∈G,定有 Ha⋂Hb=∅ 或 Ha=Hb。此外,∪Ha=G
-
指数:H 的左陪集和右陪集数量相等。陪集的总数称为 H 在 G 中的 指数,记为 [G:H]
-
拉格朗日定理:∣G∣=∣H∣[G:H]
推论:群的元素的阶定是群阶的因子。也因此,素数阶的群一定是循环群。
#共轭
若 G 为群,G 上二元关系 R 有 aRb⇔∃x(x∈G,a=xbx−1),则 R 为 G 上的 共轭关系。
共轭关系是 G 上等价关系,其等价类为 共轭类。与 a 共轭的等价类记为 a
共轭类有如下性质:
-
群的中心元素的共轭类仅包含该元素自身:a∈C⇔a={a}
-
∣a∣=∣G:N(a)∣,其中 N(a) 是与 a 的可交换元素子群,即 N(a)={x∣x∈G,xa=ax}
-
共轭类中置换的轮换结构相同
-
群的分类方程:∣G∣=∣C∣+[G:N(a1)]+[G:N(a2)]+…+[G:N(ak)]
其中 G 为群,C 为中心,G 中含 2 元素以上的共轭类为 k 个
#正规子群
若 H≤G 且 ∀a∈G(aH=Ha),则称 H 为 G 的 正规子群,记为 H⊴G
对于任意 N≤G,判定正规子群的方法如下:
- N⊴G
⇔∀g∈G(gNg−1=N)
⇔∀g∈G(∀n∈N(gng−1∈N))
- ∣N∣=t 且 N 是 G 的唯一的 t 阶子群,则其为正规子群
- N 是指数为 2 的子群(陪集数量为 2),则其为正规子群
#商群
若有 H⊴G,则可定义 商群:G/H={Ha∣a∈G}
则可定义运算 Ha∘Hb=Hab
商群有以下性质:
- ∣G/H∣=[G:H],因而商群的阶也是 ∣G∣ 的因子。
- 商群保持 G 中的性质。如交换性、循环性等。
#群的同态
若有 f:G1→G2,当且仅当 ∀x,y∈G1(f(xy)=f(x)f(y)),此时 f 是 G1 到 G2 的同态映射。
群的同态映射有如下性质:
-
同态保持元素的性质
有 f(e1)=e2,f(x−1)=f(x)−1
此外,满同态 f 也能把循环群生成元映射到生成元
另外,必有 ∣f(a)∣ 整除 ∣a∣(映射到的元素阶是原元素阶的因子)。同构时额外有 ∣f(a)∣=∣a∣
-
同态保持子代数的性质
H≤G1⇒f(H)≤G2
若 H⊴G1 且 f 是满同态,则有 f(H)⊴G2
-
同态核的性质
核:kerf={x∣x∈G,f(x)=e2}
有 kerf={e1}⇔f是单同态
有 kerf⊴G1,此外,∀a,b∈G1(f(a)=f(b))⇔akerf=bkerf
-
同态基本定理
若 H⊴G,则 G/H 是 G 的同态像
若 G′ 是 G 的同态像(即 f(G)=G′),则 G/kerf≅G′
一些特殊的自同态/自同构:
-
EndG:G 的自同态的集合
-
AutG:G 的自同构的集合
-
InnG:G 的内自同构的集合。内自同构即:fx:G→G,fx(a)=xax−1
可见必有 InnG⊆AutG⊆EndG
EndG 是独异点;AutG 是群;InnG 是 AutG 的正规子群
DM4.5 环和域
#环
若代数系统 ⟨R,+,∙⟩ 满足以下条件,则构成 环:
- ⟨R,+⟩ 构成 Abel 群(封闭、有单位元、有逆元、满足交换律、结合律)
- ⟨R,∙⟩ 构成半群(封闭、满足结合律)
- ∙ 运算对 + 运算满足分配律
环中的一些 符号说明:
环的 性质:
- a∙0=0∙a=0,其中 0 是 + 运算的单位元
- (−a)∙b=a∙(−b)=−(a∙b)
- (−a)∙(−b)=a∙b
- a∙(b−c)=a∙b−a∙c(b−c)∙a=b∙a−c∙a
- (∑i=1nai)∙(∑j=1mbj)=∑i=1n∑j=1m(ai∙bj)
- (na)∙b=a∙(nb)=n(a∙b)
一些特殊的环:
-
交换环(∙ 满足交换律)、含幺环(∙ 运算有单位元)
-
无零因子环:a∙b=0⇒a=0∨b=0
(零因子即 a=0∧b=0 且 a∙b=0,此时 a 为左零因子,b 为右零因子)
若 R 为环,则有定理:R是无零因子环⇔R中的∙运算满足消去律
-
整环:交换、含幺的无零因子环
-
除环:∣R∣>1,且 ⟨R∗,∙⟩ 构成群,则 R 为 除环。其中 R∗=R−{0}
#域
∣R∣>1 时的,具有交换律的除环(或 R∗ 元素有逆元的整环)称为 域。
可见对于域 F,有 ⟨F,+⟩ 和 ⟨F−{0},∙⟩ 都是 Abel 群
对于有限的整环 R,必有 R∗ 为群(无零元、有消去律的有限半群),故 有限的整环都是域
若域 F 中,∣F∣ 有限,则称为 有限域。
有限域 ⟨F,+⟩ 中,若 x1=0(即 + 运算中,1 的阶为 x),则 x 称为有限域的 特征。
有限域的特征是素数。无限域的特征为 0
有限域有如下性质:若 F 为有限域,则存在素数 p 使得 ∣F∣=pn
验证素数的方法(Miller-Rabin 算法)
Fermat 小定理:n是素数⇒∀a∈Z+(a=0(modn)→an−1≡1(modn))
另(因为域是无零因子环)有:n是素数⇒方程x2≡1(modn)的根只有{x=1x=n−1
可见对于任意奇素数 n,必存在q,m 使得 n−1=2qm
此时对于序列 am(modn), a2m(modn),a22m(modn),…,a2qm(modn)
序列最后一项必为为 1,且前面的项都是 1 或 n−1。
该验证方法的准确率约为一半。多次验证可提高准确率。
#子环
环 R 的非空子集 A 关于环中运算 +,∙ 构成环,则称 A 是 R 的 子环。
子环就是子代数。存在平凡子环。
判别子环时,判断其对于 + 运算构成子群,且对于 ∙ 运算构成子半群。
相似的,有 子整环、子除环、子域 的概念。
#理想
若 D 是环 R 的非空子集,⟨D,+⟩ 构成 Abel 群,且 ∀r∈R, rD⊆D, Dr⊆D,则称 D 是 R 的 理想。
只满足 ∀r∈R, rD⊆D 的称为 左理想,同理也有 右理想。
理想是 R 的子环,但子环不一定是理想。
任何环都有平凡理想:{0} 与 R 自身。
#商环
若 D 为 R 的理想,称 ⟨R/D,+,∙⟩ 构成的环为 R 关于 D 的 商环
其中 R/D={x∣x∈R},而 x=D+x={d+x∣d∈D}。
并定义:x+y=x+y, x∙y=x∙y
#环同态
若映射 f:R1→R2 满足 f(x+y)=f(x)+f(y) 且 f(xy)=f(x)f(y) 则其为环的同态映射。
同态的核是 kerf={x∣x∈R1,f(x)=0}
环同态有如下性质:
-
f(0)=0,f(1)=1, f(−x)=−f(x), f(x−1)=f(x)−1
-
S 是 R1 的子环,则 f(S) 是 R2 的子环
T 是 R2 的子环,则 f−1(T) 是 R1 的子环
D 是 R1 的理想,则 f(D) 是 f(R1) 的理想
I 是 R2 的理想,则 f−1(I) 是 R1 的理想
-
kerf={x∣x∈R1, f(x)=0} 是 R1 的理想
-
同态基本定理:环 R 的任何商环 R/D 是 R 的同态像。若 R∼R′ 则 R′≅R/kerf
DM4.6 格
#格
格 也是一种具有两个二元运算的代数系统。
偏序集 ⟨S,≼⟩ 中,若 S 的任意二元子集都有 最大上界 和 最小下界,则称之为 格(格的 偏序集定义)。
可见,所有的 全序集 或 链 都是格。
运算 ∧(求最大下界)、∨(求最小上界)称为格 ⟨L,≼⟩ 的 自然运算(也称保交/保联运算)
格的性质:
-
对偶原理
若 P 是由格中元素与 ≼,≽,=,∧,∨ 等表示的命题,则将 P 中符号 ≼,≽,∧,∨ 分别替换为 ≽,≼,∨,∧ 而得到的命题 P∗ 称为 对偶命题。显然有 (P∗)∗=P
若 P 对于一切格为真,则其对偶命题 P∗ 也对一切格为真。
-
a≼a(自反)
a≼b, b≼c⇒a≼c(传递)
a≼b, b≼a⇒a=b(反对称)
a∧b≼a, a∧b≼b(下界)
a≼a∨b, b≼a∨b(上界)
a≼b, a≼c⇒a≼b∧c(最大下界)
b≼a, c≼a⇒b∨c≼a(最小上界)
-
格中的等价条件:a≼b⇔a∧b=a⇔a∨b=b
-
保序不等式:a≼b, c≼d⇒a∧c≼b∧d, a∨c≼b∨d
分配不等式:a∨(b∧c)≼(a∨b)∧(a∨c)a∧(b∨c)≽(a∧b)∨(a∧c)
模不等式:a≼b⇔a∨(c∧b)≼(a∨c)∧b
-
交换律:a∧b=b∧aa∨b=b∨a
结合律:(a∧b)∧c=a∧(b∧c)(a∨b)∨c=a∨(b∨c)
幂等律:a∧a=aa∨a=a
吸收律:a∧(a∨b)=aa∨(a∧b)=a
引理:代数系统 ⟨S,∗,∘⟩ 中,二元运算 ∗,∘ 满足交换、结合、吸收律,则定有 ∗,∘ 满足幂等律,且 a∗b=a⇔a∘b=b
由此引理给出了格的等价定义:
代数系统 ⟨S,∧,∨⟩ 中,二元运算 ∧,∨ 满足交换、结合、吸收律,则 ⟨S,∧,∨⟩ 是格(格的 代数系统定义)
#子格、格同态
格 L 的非空子集 S 关于 ∧,∨ 运算封闭,则 S 是 L 的子格。
注意:子格中的 ∧,∨ 运算要 放在原格中计算。
若格 L1, L2 和映射 f:L1→L2 对于 ∀x,y∈L1 有 f(x∧y)=f(x)∧f(y), f(x∨y)=f(x)∨f(y),则 f 为同态映射。
格同态有如下性质:
- 保序性:a≼b⇒f(a)≼f(b)
- 若 f 为双射,则:当且仅当 a≼b⇔f(a)≼f(b) 时,f 为同构映射。
#完备格、理想格
若格 L 的任何子集 S,S 的最大下界 ∧S 和最小上界 ∨S 都存在,则 L 是 完备格。有限格一定是完备格。
注意:S 也可能是空集。取 L 中最大元为 ∧∅,最小元为 ∨∅。可见完备格必有最大/最小元素。
若格 L 的非空子集 I 满足 ∀a,b∈I, a∨b∈I(上界)且 ∀a∈I,∀x∈L, x≼a⇒x∈I(下界),则 I 是 L 的 理想。可见理想一定是子格。
L 的所有理想的集合关于 包含关系 可构成 理想格。记为 I(L)。
理想格不一定完备,但 I0(L)=I(L)∪{∅} 必定是完备格。
DM4.7 特殊的格
#模格
对于格 L,若 ∀a,b,c∈L, a≼b⇒a∨(c∧b)=(a∨c)∧b(模律),则 L 为 模格。
格 L 为模格的 判别条件:
- 当且仅当其不含与五角格同构的子格时,L 为模格。
- 当且仅当其满足 ∀a,b,c∈L(a≼b, a∨c=b∨c, a∧c=b∧c⇒a=b) 时,L 为模格。
#分配格
若格 L 对于 ∀a,b,c∈L,满足 a∧(b∨c)=(a∧b)∨(a∧c) 或 a∨(b∧c)=(a∨b)∧(a∨c),则 L 为 分配格。
在任何格中,两个分配式都是等价的。即 a∧(b∨c)=(a∧b)∨(a∧c)⇔a∨(b∧c)=(a∨b)∧(a∨c)
模格 L 为分配格的 判别条件:
- 当且仅当其不含与钻石格同构的子格时,L 为分配格。
- 当且仅当对于 ∀a,b,c,∈L 有 (a∧b)∨(b∧c)∨(c∧a)=(a∨b)∧(b∨c)∧(c∨a) 时,L 为分配格。
#有界格、有补格
格的最大元 1 为 全上界,格的最小元 0 为 全下界。存在全上界与全下界的格 ⟨L,∧,∨,0,1⟩ 称为 有界格。
有限格必定有界,无限格有可能无界。
显然有 a∧1=a, a∨0=a, a∨1=1, a∧0=0
对于有界格,其对偶命题除运算符互换外,0,1 也要互换。
在有界格中,若 a∧b=0, a∨b=1,则称 a,b 互为 补元。在 有界分配格 中,若元素存在补元,其补元唯一。
若有界格 L 的所有元素都存在补元,则其为 有补格。
#布尔代数
有补分配格称为 布尔格。此时求补运算构成布尔格中的一元运算。
若 ⟨B,∗,∘,△,a,b⟩ 是代数系统,其中 ∗,∘ 是二元运算,△ 是一元运算,a,b 是零元运算。若其满足如下性质则构成布尔格:
- 交换律:x∗y=y∗xx∘y=y∘x
- 分配律:x∗(y∘z)=(x∗y)∘(x∗z)x∘(y∗z)=(x∘y)∗(x∘z)
- 同一律:x∗b=xx∘a=x
- 补元律:x∗△x=ax∘△x=b
布尔格有以下性质:
- 双重否定率:
a≼b
⇔a∧b=a
⇔a∨b=b
⇔a∧b=0
⇔a∧b=1
- 德摩根率:a≼b⇔b≼a
布尔代数的同态映射 f:B1→B2 需满足下列条件中的 2 个:
- f(x∧y)=f(x)∧f(y)
- f(x∨y)=f(x)∨f(y)
- f(x)=f(x)
在布尔代数中,若对元素 a∈B 有 ∀x∈B, x≼a→(x=a)∨(x=0) 则称 a 是 B 中的 原子。
若 B 是 有限布尔代数,A 是 B 中所有 原子 的集合,则必有 P(A)≅B。
可见任何有限布尔代数元素数都是 2n,任何有限布尔代数都同构于 {0,1}n