<离散数学> DM4 代数结构

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

AA 为集合,函数 f:A×AAf:A× A→ A 称为 AA 上的二元运算。也能表示为 f(a1,a2)=a3f(⟨ a_1,a_2⟩)=a_3

对于 n 元运算 f:AnAf:A^n→ A

  • n=0n=0 则为 0 元运算,f:Af:→ A
  • n=1n=1 则为 1 元运算,f:AAf:A→ A

domf=An\operatorname{dom}f=A^nranfA\operatorname{ran}f⊆ A 则称 AA 在运算 ff 下封闭。

运算的算符记号可以是:,,,,,∘,\,*,\,∙,\,◻,\,\diamond,\,△

表达式的表示方法:

  • 解析表达式:(x1,x2,,xn)=yx1x2=yx=y∘(x_1,x_2,\ldots,x_n)=y\quad x_1∘ x_2=y\quad △ x =y
  • 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,bA,ab=ba∀ a,b∈ A,\quad a∘ b = b∘ a

  • 结合律a,b,cA,(ab)c=a(bc)∀ a,b,c∈ A,\quad (a∘ b)∘ c=a∘(b∘ c)

  • 幂等律aA,aa=a∀ a∈ A,\quad a∘ a = a

  • 消去律a,b,cA,ab=aca0b=c,ba=caa0b=c∀ a,b,c∈ A,\quad a∘ b=a∘ c∧ a≠{\mathcal 0}⇒ b=c,\quad b∘ a=c∘ a∧ a≠{\mathcal 0}⇒ b=c

  • 分配律(涉及两个不同二元运算):

    a,b,cA,a(bc)=(ab)(ac),a(bc)=(ab)(ac)∀ a,b,c∈ A,\quad a∘(b*c)=(a∘ b)*(a∘ c),\quad a*(b∘ c)=(a* b)∘(a* c)

  • 吸收律(涉及两个不同二元运算):

    ,∘,* 可交换,则 a,bA,a(ab)=a,a(ab)=a∀ a,b∈ A,\quad a∘(a*b)=a,\quad 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)eeaA,ea=ae=a∀ a∈ A,\quad e∘ a=a∘ e=a

  • 零元 0{\mathcal 0}aA,0a=a0=0∀ a∈ A,\quad {\mathcal 0}∘ a=a∘{\mathcal 0}={\mathcal 0}

  • 幂等元 aaaA,aa=aa∈ A,\quad a∘ a=a

  • 可逆元 xx逆元 yyxA,yA,xy=ex∈ A,\exist y∈ A,\quad x∘ y=e

    在可结合运算中,可逆元 xx 对应的逆元 yy 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\mid A\mid >1,则必有 e0e≠\mathcal 0

DM4.2 代数系统

代数系统的几种记法:

  • V=A,Ω,KV=⟨ A,Ω,K⟩

    AA 是非空载体

    ΩΩ 是运算集,有 Ω=j=1Ωj,Ωj={ojojA上的j元运算}Ω={∪_{j=1}^∞\\}Ω_j,\quadΩ_j=\{o_j\mid o_j\,是\,A\,上的\,j\,元运算\}

    KK 是代数常数集(0 元运算)且 KA∅⊆ K⊆ A

  • V=A,ΩV=⟨ A,Ω⟩

    此时是将 KK 视为 ΩΩ 中的 0 元运算,故 Ω=j=0Ωj,Ωj={ojojA上的j元运算}Ω={∪_{j=0}^∞\\}Ω_j,\quadΩ_j=\{o_j\mid o_j\,是\,A\,上的\,j\,元运算\}

  • V=A,o1,o2,,orV=⟨ A,o_1,o_2,\ldots,o_r⟩

    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,,orV=⟨ A,o_1,o_2,\ldots,o_r⟩,集合 BA,BB⊆ A,\,B≠∅

BBVV 中所有运算(含 0 元运算)封闭,则称 V=B,o1,o2,,orV'=⟨ B,o_1,o_2,\ldots,o_r⟩VV子代数

若还有 BAB\subset AVV'VV真子代数

此外,若 VV 的代数常数集合为 KKVV 中所有运算封闭,则 K,o1,o2,,or⟨ K,o_1,o_2,\ldots,o_r⟩VV平凡子代数

要指出的是,VV 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,,o1rV_1=⟨ A,o_{11},o_{12},\ldots,o_{1r}⟩V2=A,o21,o22,,o2rV_2=⟨ A,o_{21},o_{22},\ldots,o_{2r}⟩,其中 o1io_{1i}o2io_{2i}kik_i 元运算。

V1V_1V2V_2积代数V1×V2=A×B,o1,o2,,orV_1× V_2=⟨ A× B,o_1,o_2,\ldots,o_r⟩

其中 oio_ikik_i 元运算,且对于任意的 x1,y1,x2,y2,,xki,ykiA×B⟨ x_1,y_1⟩,⟨ x_2,y_2⟩,\ldots,⟨ x_{k_i},y_{k_i}⟩∈ A× B

oi(x1,y1,x2,y2,,xki,yki)=o1i(x1,x2,,xki),o2i(y1,y2,,yki)\quad o_i(⟨ x_1,y_1⟩,⟨ x_2,y_2⟩,\ldots,⟨ x_{k_i},y_{k_i}⟩)=⟨ o_{1i}(x_1,x_2,\ldots,x_{k_i}),o_{2i}(y_1,y_2,\ldots,y_{k_i})⟩

积代数有以下性质:

  • o1io_{1i}o2io_{2i} 分别在 V1V_1V2V_2 中可 交换/结合/幂等,则 oio_i 在积代数中也可交换/结合/幂等
  • o1io_{1i}o1jo_{1j}o2io_{2i}o2jo_{2j}V1V_1V2V_2 中分别适用 分配律,则 oio_iojo_j 在积代数中也适用分配律
  • o1io_{1i}o1jo_{1j}o2io_{2i}o2jo_{2j}V1V_1V2V_2 中分别适用 吸收律,则 oio_iojo_j 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,,o1rV_1=⟨ A,o_{11},o_{12},\ldots,o_{1r}⟩V2=B,o21,o22,,o2rV_2=⟨ B,o_{21},o_{22},\ldots,o_{2r}⟩,其中 o1io_{1i}o2io_{2i}kik_i 元运算

若函数 f:ABf:A→ B 对于所有运算 o1i,o2io_{1i},\,o_{2i} 满足:

x1,x2,,xkiA\quad ∀ x_1,x_2,\ldots,x_{k_i}∈ A 都有 f(o1i(x1,x2,,xki))=o2i(f(x1),f(x1),,f(xji))f(o_{1i}(x_1,x_2,\ldots,x_{k_i}))=o_{2i}(f(x_1),f(x_1),\ldots,f(x_{j_i}))

则称 ff 是函数系统 V1V_1V2V_2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(xy)=f(x)f(y)f(x∘ y)=f(x)∘' f(y);一元运算有 f(Δx)=Δf(x)f(Δ x)=Δ' f(x);零元运算有 f(k)=kf(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 V1V2V_1∼ V_2
  • 既是单同态也是满同态的,称为 同构,记为 V1V2V_1≅ V_2

此外,载体是 AAA→ A 形式的,称为 自同态

同态有以下性质:

  • 同态的合成仍是同态:若 f:V1V2f:V_1→ V_2 同态,g:V2V3g:V_2→ V_3 同态,则 gf:V1V3g∘ f:V_1→ V_3 同态

  • 同态像是映射到的代数系统的子代数

  • 满同态映射(在同态像中)保持原系统的很多性质。

    如:交换律结合律幂等律分配律吸收律单位元零元逆元

    但,消去律不一定保持

#同余关系同余类商集

设有代数系统 V=A,o1,o2,,orV=⟨ A,o_1,o_2,\ldots,o_r⟩,其中 oio_ikik_i 元运算,关系 AA 上等价关系。

任取 2ki2k_i 个元数 a1,a2,,aki,b1,b2,,bkia_1,a_2,\ldots,a_{k_i},b_1,b_2,\ldots,b_{k_i}

若对于所有 j=1,2,,kij=1,2,\ldots,k_iajbja_j∼ b_j,就有 oi(a1,a2,,aki)oi(b1,b2,,bki)o_i(a_1,a_2,\ldots,a_{k_i})∼ o_i(b_1,b_2,\ldots,b_{k_i})。这样就称等价关系 对于运算 oio_i 具有 置换性质

若等价关系 VV 中所有运算都具有置换性质,则称 VV 上的 同余关系AA 中相关等价类称为 同余类

AA 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:ABf:A→ B 为同类型代数系统 V1V_1V2V_2 的同态映射,则:

    ff 导出的等价关系为 V1V_1 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,,orV=⟨ A,o_1,o_2,\ldots,o_r⟩,其中 oio_ikik_i 元运算。关系 RRVV 上的同余关系。

VV 关于 RR 的商代数记为:V/R=A/R,o1,o2,,,orV/R=⟨ A/R,\overline{o_1},\overline{o_2},\ldots,,\overline{o_r}⟩

其中 A/RA/R 是关于同余关系的商集。运算 oi\overline{o_i} 定义为:oi([a1],[a2],,[aki])=[oi(a1,a2,,aki)]\overline{o_i}([a_1],[a_2],\ldots,[a_{k_i}])=[o_i(a_1,a_2,\ldots,a_{k_i})]

  • 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 kik_i 元运算 oio_i,都要有:

    oi([a1],[a2],,[aki])\quad\overline{o_i}([a_1],[a_2],\ldots,[a_{k_i}])
    =[oi(a1,a2,,aki)]=[o_i(a_1,a_2,\ldots,a_{k_i})]
    =[oi(b1,b2,,bki)]=[o_i(b_1,b_2,\ldots,b_{k_i})]
    =oi([b1],[b2],,[bki])=\overline{o_i}([b_1],[b_2],\ldots,[b_{k_i}])

商代数有以下性质:

  • 商代数 V/RV/R 保持 VV 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/RV/R 保持 VV 的特异元素:

    [e][e] 是商代数的 单位元[0][{\mathcal 0}] 是商代数的 零元[a1]=[a]1[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,,orV=⟨ A,o_1,o_2,\ldots,o_r⟩,其中 oio_ikik_i 元运算。关系 RRVV 上的同余关系。

    自然映射 g:AA/R,g(a)=[a],aAg:A→ A/R,\,g(a)=[a],\,∀ a∈ AVVV/RV/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,,orV_1=⟨ A,o_{1},o_{2},\ldots,o_{r}⟩V2=B,o1,o2,,orV_2=⟨ B,o_{1}',o_{2}',\ldots,o_{r}'⟩ 同类型,其中 o1io_{1i}o2io_{2i}kik_i 元运算。f:ABf:A→ BV1V_1V2V_2 的同态映射,RRff 导出的 V1V_1 上的同余关系。

    则有 V1/Rf(A),o1,o2,,orV_1/R ≅⟨ f(A),o_1',o_2',\ldots,o_r'⟩

DM4.3 群、半群、置换群

#半群独异点

代数系统 V=S,V=⟨ S,∘⟩,其中 SS 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 ee 则构成 独异点(含幺半群)。独异点可表示为 V=S,,eV=⟨ S,∘,e⟩

由于仅有一个二元运算,所以 aba∘ b 可以简写为 abab

若有集合 BSB⊆ S 非空,且 BBVV 中运算封闭,则 B,⟨ B,∘⟩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 eSe∈ S

  • 若有集合 BSB⊆ S,则子半群 B={AAS的子半群,BA}⟨ B⟩={⋂\\}\{A\mid A\,是\,S\,的子半群,B⊆ A\} 即由子集合 BB 生成的子半群

    换言之,B=nZ+Bn,Bn={b1b2bnbiB,i=1,2,,n}⟨ B⟩={∪_{n∈ Z^+}\\}B^n,\,B^n=\{b_1∘ b_2∘ \ldots∘ b_n\mid b_i∈ B,\,i=1,2,\ldots,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。

    V=+,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=,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,anam=an+ma^1=a,\quad a^n∘ a^m=a^{n+m}(独异点有 a0=ea^0=e

  • 任何半群都能通过 增加单位元 ee 并定义与 ee 的运算 而扩张为独异点。

  • 半群同态定理

    若有半群 V={S,}V=\{S,*\},则 V={SS,}V'=\{S^S,∘\} 也是半群,且存在 VVVV' 的同态映射。

    其中 SS={ff:SS}S^S=\{f\mid f:S→ S\} 为合成。

  • 独异点表示定理

    对于独异点 V=S,,eV=⟨ S,*,e⟩,必存在 TST⊆ S 使得 VVT,,IS⟨ T,∘,I_S⟩ 同构

#

在独异点 V=S,,eV=⟨ S,∘,e⟩ 中,加入一元运算逆元 1{}^{-1} 即构成 V=S,,1,eV=⟨ S,∘,{}^{-1},e⟩

即,在群中,SS 上封闭, 满足结合律,有单位元 eS\exist e∈ S,且存在逆元运算 xS,x1S∀ x∈ S, x^{-1}∈ S

群有如下性质:

  • 群的等价定义

    G,⟨ G,∘⟩ 中, 可结合,并存在 右单位元 ee(只需 ae=aa∘ e=a

    若每个元素对于 ee 存在 右逆元 a1a^{-1}(只需 aa1=ea∘ a^{-1}=e),则 GG 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,bSa,b∈ S,未知数 x,ySx,y∈ S 在方程 ax=ba∘ x=bya=by∘ a=b 有且仅有唯一解

    该解即 x=a1bx=a^{-1}∘ by=ba1y=b∘ a^{-1}

    由该定理引申出群的 另一个等价定义:若 GG 是半群,且对任意 a,bG∀ a,b∈ Gax=bax=bya=bya=bGG 中有解,则 GG 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 GG 是不含零元的有限半群,且 GG 中消去律成立,则 GG 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:aG∀ a∈ GaG=GaG=GGa=GGa=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⟨\{e\},∘,{^{-1}},e⟩,可简记为 {e}\{e\}

  • 交换群:也称 Abel 群(阿贝尔群)。满足 a,bG,ab=ba∀ 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\mid G\mid

  • 幂运算an={en=0an1an>0(a1)mm=n,n<0a^n=\begin{cases}e&n=0\\a^{n-1}∘ a&n>0\\(a^{-1})^m&m=-n,n<0\end{cases}

    幂运算有如下规则:(a1)1=a,(ab)1=b1a1,anam=an+m,(an)m=anm(a^{-1})^{-1}=a,\,(ab)^{-1}=b^{-1}a^{-1},\,a^na^m=a^{n+m},\,(a^n)^m=a^{nm}

    此外,对于 Abel 群还有 (ab)n=anbn(ab)^n=a^nb^n

    以及,推广到有限多元素之积时有 (a1a2an)1=a1na12a11(a_1a_2\ldots a_n)^{-1}=a^n_{-1}\ldots a^2_{-1}a^1_{-1}

  • 元素 aa 的阶:使 ak=ea^k=e 成立的最小正整数 kk,记为 a\mid a\mid。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=ekmoda=0a^k=e⇔ k\operatorname{mod} {\mid a\mid }=0,以及 a=a1\mid a\mid =\mid a^{-1}\mid

    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

GG 为群,HHGG 的非空子集。若 HH 关于 GG 中的运算构成群,则 HHGG子群,记为 HGH≤ G

HHGG 的真子集,称 HHGG真子群,记作 H<GH< G。可见,子群 HH 就是 GG 的子代数。

群有消去律,由此可证 HH 的零元 e=ee'=e

GG 为群,HHGG 的非空子集。则判定子群的 判定定理 有:

  • HGa,bH(abHb1H)H≤ G⇔∀ a,b∈ H(ab∈ H∧ b^{-1}∈ H)
  • HGa,bH(ab1H)H≤ G⇔∀ a,b∈ H(ab^{-1}∈ H)
  • HH 有限,则:HGa,bH(abH)H≤ G⇔∀ a,b∈ H(ab∈ H)

一部分重要的子群:

  • aa 生成子群a={akkZ},aG⟨ a⟩=\{a^k\mid k∈ Z\},\,a∈ G

  • BB 生成子群B={HHG,BH},BG⟨ B⟩={⋂\\}\{H\mid H≤ G,\, B⊆ H\},\,B⊆ G

    B={b1e1b2e2bnenbiB,ei=±1,i=1,2,,n,nZ+}⟨ B⟩=\{b_1^{e_1}∘ b_2^{e_2}∘ \ldots∘ b_n^{e_n}\mid b_i∈ B,\,e_i=\pm 1,\,i=1,2,\ldots,n,\,n∈ Z^+\}

  • 中心C={aaG,xG(ax=xa)}C=\{a\mid a∈ G,\,∀ x∈ G(a∘ x=x∘ a)\},即所有可交换元素的集合。

    必有 {e}CG\{e\}⊆ C⊆ G。可见 C=GC=G 时即 Abel 群。

  • aa 的正规化子N(a)={xxG,xa=ax},aGN(a)=\{x\mid x∈ G,\,x∘ a=a∘ x\},\,a∈ G,即所有与 aa 可交换的元素的集合

    可见,aa 的正规化子也是 GG 的子群。

  • HH 的正规化子N(H)={xxG,xHx1=H},HGN(H)=\{x\mid x∈ G,\,xHx^{-1}=H\},\,H≤ G

    其中 xHx1={xhx1hH}={xex1,xh1x1,,xhix1},H={e,h1,h2,,hi}xHx^{-1}=\{xhx^{-1}\mid h∈ H\}=\{xex^{-1},xh_1x^{-1},\ldots,xh_ix^{-1}\},\,H=\{e,h_1,h_2,\ldots,h_i\}

  • 共轭子群xHx1={xhx1hH}xHx^{-1}=\{xhx^{-1}\mid h∈ H\},其中 HG,xGH≤ G,\,x∈ G

    虽然定有 xHx1=H\mid xHx^{-1}\mid =\mid H\mid,但两者不一定相等

  • 子群的交、并:若 H,KGH,K≤ G,则

    HKGH⋂ K≤ G

    HKGHKKHH∪ K≤ G⇔ H⊆ K∨ K⊆ H

  • 子群格:若 GG 为群,S={HHG}S=\{H\mid H≤ G\},则偏序集 S,⟨ S,⊆⟩ 构成 (偏序集中任何二元子集都有最小上界和最大下界),称为 GG子群格

#循环群

G=a={akkZ},aGG=⟨ a⟩=\{a^k\mid k∈ Z\},\,a∈ G,则称 GG循环群。其中 aaGG 的生成元。

若生成元的阶无限,则称 GG 是无限循环群。若生成元是 nn 阶元,则 GGnn 阶循环群。

循环群 G=aG=⟨ a⟩ 的生成元有以下情况:

  • GG 是无限循环群,则生成元为 aaa1a^{-1}

  • GGnn 阶循环群,且 n=1n=1,则 G=eG=⟨ e⟩ 的生成元是 ee

  • GGnn 阶循环群,且 n>1n>1,则有 ϕ(n)\phi(n) 个生成元(ϕ(n)\phi(n) 表示小于 nn 且与 nn 互质的正整数的个数)

    即:arG的生成元gcd(n,r)=1a^r\,是\,G\,的生成元⇔\operatorname{gcd}(n,r)=1

有如下 定理

  • G=aG=⟨ a⟩ 是循环群,则其子群也是循环群。

  • G=aG=⟨ a⟩ 是无限循环群,则其子群除 {e}\{e\} 外都是无限循环群。

  • G=aG=⟨ a⟩nn 阶循环群,则其子群的阶数为 nn 的因子。

    对于 nn 的每个正因子 dd,在 GG 中有且仅有一个 dd 阶子群。

#变换群置换群

f:AAf:A→ AAA 上的变换。若其双射,则称为 AA 上的 一一变换

定义 AA 上的 一一变换群:由 E(A)={ff:AA为双射}E(A)=\{f\mid f:A→ A\,为双射\} 为基数,关于函数合成运算而构成的群

若有 GE(A)G⊆ E(A) 为群,则称这样的子群为 AA 上的 变换群

若有穷集 AAA=n\mid A\mid =n,则 AA 上的一一变换称为 AA 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}A=\{1,2,\ldots,n\},则置换 σ=(12nσ(1)σ(2)σ(n))σ=\begin{pmatrix}1&2&\ldots&n\\σ(1)&σ(2)&\ldots&σ(n)\end{pmatrix}

  • 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)=i2σ(i2)=i3σ(in1)=inσ(i)=i1σ(i_1)=i_2、\,σ(i_2)=i_3、\ldots、σ(i_{n-1})=i_n、\,σ(i)=i_1,则构成轮换

    该不交轮换可表示为 τ=(i1,i2,,in)\tau=(i_1,i_2,\ldots,i_n)

    置换可表示为不交轮换之积,即 σ=τ1τ2τnσ=\tau_1\tau_2\ldots\tau_n

    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)(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)1^{C_1(σ)}2^{C_2(σ)}\ldots n^{C_n(σ)},其中 Ck(σ)C_k(σ) 表示 kk 轮换的个数。

    如轮换 (157)(48)(2)(3)(6)(157)(48)(2)(3)(6) 的指数为 1321311^32^13^1

    可见,不同指数的个数是方程 x1+2x2++nxn=nx_1+2x_2+\ldots+nx_n=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)\tau=(i_1,i_2,\ldots,i_n)=(i_1i_2)(i_1i_3)\ldots(i_1i_n)

    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 n!2\dfrac{n!}{2} 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)σ=(132)(5648)(7),\,\tau=(18246573),则 στ=(15728)(3)(4)(6)σ\tau=(15728)(3)(4)(6)

这其中有 στ(1)=σ(τ(1))=σ(8)=5σ\tau(1)=σ(\tau(1))=σ(8)=5,以及 στ(3)=σ(τ(3))=σ(1)=3σ\tau(3)=σ(\tau(3))=σ(1)=3 等等。

置换的逆 是置换的反函数。

比如置换 σ=(132)(5648)σ=(132)(5648),则 σ1=(8465)(231)σ^{-1}=(8465)(231)

SnS_nA={1,2,,n}A=\{1,2,\ldots,n\} 上的所有置换的集合,则 SnS_n 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。

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)(b_1,b_2,\ldots,b_n),其中 bib_i 代表 ii 后面比 ii 小的数的个数,有 0bi<i0≤ b_i< i

置换与其逆序序列一一对应。

DM4.4 群的分解

#陪集

GG 为群,HG,aGH≤ G,\,a∈ G,则 右陪集 Ha={hahH,aG}Ha=\{ha\mid h∈ H,a∈ G\}。其中 aa 称为该陪集的 代表元素

有如下性质:

  • He=HHe=H

  • aHaa∈ Ha

  • HaHaHH 等势(存在双射),即 HaHHa\approx H

  • aHbHa=Hbab1Ha∈ Hb⇔ Ha=Hb⇔ ab^{-1}∈ H

  • GG 上定义二元关系 RRaRbab1HaRb⇒ ab^{-1}∈ H,则 RR 为等价关系,且 [a]R=Ha[a]_R=Ha

  • a,bGa,b∈ G,定有 HaHb=Ha⋂ Hb=∅Ha=HbHa=Hb。此外,Ha=G{∪\\}Ha=G

  • 指数HH 的左陪集和右陪集数量相等。陪集的总数称为 HHGG 中的 指数,记为 [G:H][G:H]

  • 拉格朗日定理G=H[G:H]\mid G\mid =\mid H\mid [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

GG 为群,GG 上二元关系 RRaRbx(xG,a=xbx1)aRb⇔ \exist x(x∈ G,\,a=xbx^{-1}),则 RRGG 上的 共轭关系

共轭关系是 GG 上等价关系,其等价类为 共轭类。与 aa 共轭的等价类记为 a\overline {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:aCa={a}a∈ C⇔ \overline{a}=\{a\}

  • a=G:N(a)\mid \overline{a}\mid =\mid G:N(a)\mid,其中 N(a)N(a) 是与 aa 的可交换元素子群,即 N(a)={xxG,xa=ax}N(a)=\{x\mid 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)]\mid G\mid =\mid C\mid +[G:N(a_1)]+[G:N(a_2)]+\ldots+[G:N(a_k)]

    其中 GG 为群,CC 为中心,GG 中含 2 元素以上的共轭类为 kk

#正规子群

HGH≤ GaG(aH=Ha)∀ a∈ G(aH=Ha),则称 HHGG正规子群,记为 HGH⊴ G

对于任意 NGN≤ G,判定正规子群的方法如下:

  • NG\quad N⊴ G
    gG(gNg1=N)⇔∀ g∈ G(gNg^{-1}=N)
    gG(nN(gng1N))⇔ ∀ g∈ G(∀ n∈ N(gng^{-1}∈ N))
  • N=t\mid N\mid =tNNGG 的唯一的 t 阶子群,则其为正规子群
  • NN 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 HGH⊴ G,则可定义 商群G/H={HaaG}G/H=\{Ha\mid a∈ G\}

则可定义运算 HaHb=HabHa∘ Hb=Hab

商群有以下性质:

  • G/H=[G:H]\mid G/H\mid =[G:H],因而商群的阶也是 G\mid G\mid 的因子。
  • 商群保持 GG 中的性质。如交换性、循环性等。

#群的同态

若有 f:G1G2f:G_1→ G_2,当且仅当 x,yG1(f(xy)=f(x)f(y))∀ x,y∈ G_1(f(xy)=f(x)f(y)),此时 ffG1G_1G2G_2 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

    f(e1)=e2,f(x1)=f(x)1f(e_1)=e_2,\,f(x^{-1})=f(x)^{-1}

    此外,满同态 ff 也能把循环群生成元映射到生成元

    另外,必有 f(a)\mid f(a)\mid 整除 a\mid a\mid(映射到的元素阶是原元素阶的因子)。同构时额外有 f(a)=a\mid f(a)\mid =\mid a\mid

  • 同态保持子代数的性质

    HG1f(H)G2H≤ G_1⇒ f(H)≤ G_2

    HG1H⊴ G_1ff 是满同态,则有 f(H)G2f(H)⊴ G_2

  • 同态核的性质

    kerf={xxG,f(x)=e2}\ker f=\{x\mid x∈ G,f(x)=e_2\}

    kerf={e1}f是单同态\ker f=\{e_1\}⇔ f\,是单同态

    kerfG1\ker f⊴ G_1,此外,a,bG1(f(a)=f(b))akerf=bkerf∀ a,b∈ G_1(f(a)=f(b))⇔ a\ker f=b\ker f

  • 同态基本定理

    HGH⊴ G,则 G/HG/HGG 的同态像

    GG'GG 的同态像(即 f(G)=Gf(G)=G'),则 G/kerfGG/\ker f≅ G'

一些特殊的自同态/自同构:

  • EndG\operatorname{End} GGG 的自同态的集合

  • AutG\operatorname{Aut} GGG 的自同构的集合

  • InnG\operatorname{Inn} GGG 的内自同构的集合。内自同构即:fx:GG,fx(a)=xax1f_x:G→ G,\,f_x(a)=xax^{-1}

    可见必有 InnGAutGEndG\operatorname{Inn}G⊆\operatorname{Aut}G⊆\operatorname{End}G

    EndG\operatorname{End}G 是独异点;AutG\operatorname{Aut}G 是群;InnG\operatorname{Inn}GAutG\operatorname{Aut}G 的正规子群

DM4.5 环和域

#

若代数系统 R,+,⟨ R,+,∙⟩ 满足以下条件,则构成

  • R,+⟨ R,+⟩ 构成 Abel 群(封闭、有单位元、有逆元、满足交换律、结合律)
  • R,⟨ 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

  • 对于 ++ 运算:

    00(单位元)、x-x(逆元)、nxnx(幂运算)、xyx-y(即 x+(y)x+(-y)

  • 对于 运算:

    11(单位元)、x1x^{-1}(逆元)、xnx^n(幂运算)

环的 性质

  • a0=0a=0a∙ 0=0∙ a=0,其中 00++ 运算的单位元
  • (a)b=a(b)=(ab)(-a)∙ b=a∙(-b)=-(a∙ b)
  • (a)(b)=ab(-a)∙(-b)=a∙ b
  • a(bc)=abac(bc)a=bacaa∙(b-c)=a∙ b-a∙ c\qquad (b-c)∙ a=b∙ a-c∙ a
  • (i=1nai)(j=1mbj)=i=1nj=1m(aibj)({∑_{i=1}^{n}\\}a_i)∙({∑_{j=1}^m\\}b_j)={∑_{i=1}^n\\}{∑_{j=1}^m\\}(a_i∙ b_j)
  • (na)b=a(nb)=n(ab)(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ab=0a=0b=0a∙ b=0⇒ a=0∨ b=0

    (零因子即 a0b0a≠0∧ b≠0ab=0a∙ b=0,此时 aa 为左零因子,bb 为右零因子)

    RR 为环,则有定理:R是无零因子环R中的运算满足消去律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\mid R\mid >1,且 R,⟨ R^*,∙⟩ 构成群,则 RR 为 除环。其中 R=R{0}R^*=R-\{0\}

#

R>1\mid R\mid >1 时的,具有交换律的除环(或 RR^* 元素有逆元的整环)称为

可见对于域 FF,有 F,+⟨ F,+⟩F{0},⟨ F-\{0\},∙⟩ 都是 Abel 群

对于有限的整环 RR,必有 RR^* 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 FF 中,F\mid F\mid 有限,则称为 有限域

有限域 F,+⟨ F,+⟩ 中,若 x1=0x1=0(即 ++ 运算中,11 的阶为 xx),则 xx 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 FF 为有限域,则存在素数 pp 使得 F=pn\mid F\mid =p^n

验证素数的方法(Miller-Rabin 算法)

Fermat 小定理:n是素数aZ+(a0(modn)an11(modn))n\,是素数⇒ ∀ a∈ Z^+(a≠0(\operatorname{mod} n)→ a^{n-1}\equiv 1(\operatorname{mod}n))

另(因为域是无零因子环)有:n是素数方程x21(modn)的根只有{x=1x=n1n\,是素数⇒ 方程\, x^2\equiv 1(\operatorname{mod}n)\,的根只有\,\begin{cases}x=1\\x=n-1\end{cases}

可见对于任意奇素数 nn,必存在q,mq,m 使得 n1=2qmn-1=2^qm

此时对于序列 am(modn), a2m(modn),a22m(modn),,a2qm(modn)a^m(\operatorname{mod}n),\ a^{2m}(\operatorname{mod}n),a^{2^2m}(\operatorname{mod}n),\ldots,a^{2^qm}(\operatorname{mod}n)

序列最后一项必为为 11,且前面的项都是 11n1n-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

RR 的非空子集 AA 关于环中运算 +,+,\,∙ 构成环,则称 AARR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

DD 是环 RR 的非空子集,D,+⟨ D,+⟩ 构成 Abel 群,且 rR, rDD, DrD∀ r∈ R,\ rD⊆ D,\ Dr⊆ D,则称 DDRR理想

只满足 rR, rDD∀ r∈ R,\ rD⊆ D 的称为 左理想,同理也有 右理想

理想是 RR 的子环,但子环不一定是理想。

任何环都有平凡理想:{0}\{0\}RR 自身。

#商环

DDRR 的理想,称 R/D,+,⟨ R/D,+,∙⟩ 构成的环为 RR 关于 DD商环

其中 R/D={xxR}R/D=\{\overline{x}\mid x∈ R\},而 x=D+x={d+xdD}\overline{x}=D+x=\{d+x\mid d∈ D\}

并定义:x+y=x+y, xy=xy\overline{x}+\overline{y}=\overline{x+y},\ \overline{x}∙ \overline{y}=\overline{x∙ y}

#环同态

若映射 f:R1R2f:R_1→ R_2 满足 f(x+y)=f(x)+f(y)f(x+y)=f(x)+f(y)f(xy)=f(x)f(y)f(xy)=f(x)f(y) 则其为环的同态映射。

同态的核是 kerf={xxR1,f(x)=0}\ker f=\{x\mid x∈ R_1,f(x)=0\}

环同态有如下性质:

  • f(0)=0,f(1)=1, f(x)=f(x), f(x1)=f(x)1f(0)=0,\, f(1)=1,\ f(-x)=-f(x),\ f(x^{-1})=f(x)^{-1}

  • SSR1R_1 的子环,则 f(S)f(S)R2R_2 的子环

    TTR2R_2 的子环,则 f1(T)f^{-1}(T)R1R_1 的子环

    DDR1R_1 的理想,则 f(D)f(D)f(R1)f(R_1) 的理想

    IIR2R_2 的理想,则 f1(I)f^{-1}(I)R1R_1 的理想

  • kerf={xxR1, f(x)=0}\ker f=\{x\mid x∈ R_1,\ f(x)=0\}R1R_1 的理想

  • 同态基本定理:环 RR 的任何商环 R/DR/DRR 的同态像。若 RRR∼ R'RR/kerfR'≅ R/\ker f

DM4.6 格

#

也是一种具有两个二元运算的代数系统。

偏序集 S,⟨ S,≼⟩ 中,若 SS 的任意二元子集都有 最大上界最小下界,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)、\lor(求最小上界)称为格 L,⟨ L,≼⟩自然运算(也称保交/保联运算)

格的性质:

  • 对偶原理

    PP 是由格中元素与 ,,=,,≼,≽,=,∧,∨ 等表示的命题,则将 PP 中符号 ,,,≼,≽,∧,∨ 分别替换为 ,,,≽,≼,∨,∧ 而得到的命题 PP^* 称为 对偶命题。显然有 (P)=P(P^*)^*=P

    PP 对于一切格为真,则其对偶命题 PP^* 也对一切格为真。

  • aaa≼ a(自反)

    ab, bcaca≼ b,\ b≼ c⇒ a≼ c(传递)

    ab, baa=ba≼ b,\ b≼ a⇒ a=b(反对称)

    aba, abba∧ b≼ a,\ a∧ b≼ b(下界)

    aab, baba≼ a∨ b,\ b≼ a∨ b(上界)

    ab, acabca≼ b,\ a≼ c⇒ a≼ b∧ c(最大下界)

    ba, cabcab≼ a,\ c≼ a⇒ b∨ c≼ a(最小上界)

  • 格中的等价条件abab=aab=ba≼ b⇔ a∧ b=a⇔ a∨ b =b

  • 保序不等式ab, cdacbd, acbda≼ b,\ c≼ d⇒ a∧ c≼ b∧ d,\ a∨ c≼ b∨ d

    分配不等式a(bc)(ab)(ac)a(bc)(ab)(ac)a∨(b∧ c)≼ (a∨ b)∧(a∨ c)\qquad a∧(b∨ c)≽ (a∧ b)∨(a∧ c)

    模不等式aba(cb)(ac)ba≼ b⇔ a∨(c∧ b)≼ (a∨ c)∧ b

  • 交换律ab=baab=baa∧ b=b∧ a\qquad a∨ b=b∨ a

    结合律(ab)c=a(bc)(ab)c=a(bc)(a∧ b)∧ c=a∧(b∧ c)\qquad (a∨ b)∨ c=a∨(b∨ c)

    幂等律aa=aaa=aa∧ a = a\qquad a∨ a = a

    吸收律a(ab)=aa(ab)=aa∧(a∨ b)=a\qquad a∨(a∧ b)=a

引理:代数系统 S,,⟨ S,*,∘⟩ 中,二元运算 ,*,∘ 满足交换、结合、吸收律,则定有 ,*,∘ 满足幂等律,且 ab=aab=ba*b=a⇔ a∘ b = b

由此引理给出了格的等价定义:

代数系统 S,,⟨ S,∧,∨⟩ 中,二元运算 ,∧,∨ 满足交换、结合、吸收律,则 S,,⟨ S,∧,∨⟩ 是格(格的 代数系统定义

#子格格同态

LL 的非空子集 SS 关于 ,∧,∨ 运算封闭,则 SSLL 的子格。

注意:子格中的 ,∧,∨ 运算要 放在原格中计算

若格 L1, L2L_1,\ L_2 和映射 f:L1L2f:L_1→ L_2 对于 x,yL1∀ x,y∈ L_1f(xy)=f(x)f(y), f(xy)=f(x)f(y)f(x∧ y)=f(x)∧ f(y),\ f(x∨ y)=f(x)∨ f(y),则 ff 为同态映射。

格同态有如下性质:

  • 保序性:abf(a)f(b)a≼ b⇒ f(a)≼ f(b)
  • ff 为双射,则:当且仅当 abf(a)f(b)a≼ b⇔ f(a)≼ f(b) 时,ff 为同构映射。

#完备格理想格

若格 LL 的任何子集 SSSS 的最大下界 S∧ S 和最小上界 S\lor S 都存在,则 LL完备格。有限格一定是完备格。

注意SS 也可能是空集。取 LL 中最大元为 ∧∅,最小元为 \lor∅。可见完备格必有最大/最小元素。

若格 LL 的非空子集 II 满足 a,bI, abI∀ a,b∈ I,\ a∨ b∈ I(上界)且 aI,xL, xaxI∀ a∈ I,∀ x∈ L,\ x≼ a⇒ x∈ I(下界),则 IILL理想。可见理想一定是子格。

LL 的所有理想的集合关于 包含关系 可构成 理想格。记为 I(L)I(L)

理想格不一定完备,但 I0(L)=I(L){}I_0(L)=I(L)∪ \{∅\} 必定是完备格。

DM4.7 特殊的格

#模格

对于格 LL,若 a,b,cL, aba(cb)=(ac)b∀ a,b,c∈ L,\ a≼ b⇒ a∨(c∧ b)=(a∨ c)∧ b(模律),则 LL模格

LL 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,LL 为模格。
  • 当且仅当其满足 a,b,cL(ab, ac=bc, ac=bca=b)∀ a,b,c∈ L(a≼ b,\ a∨ c=b∨ c,\ a∧ c=b∧ c⇒ a=b) 时,LL 为模格。

#分配格

若格 LL 对于 a,b,cL∀ a,b,c∈ L,满足 a(bc)=(ab)(ac)a∧(b∨ c)=(a∧ b)∨(a∧ c)a(bc)=(ab)(ac)a∨(b∧ c)=(a∨ b)∧(a∨ c),则 LL分配格

在任何格中,两个分配式都是等价的。即 a(bc)=(ab)(ac)a(bc)=(ab)(ac)a∧(b∨ c)=(a∧ b)∨(a∧ c)⇔ a∨(b∧ c)=(a∨ b)∧(a∨ c)

模格 LL 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,LL 为分配格。
  • 当且仅当对于 a,b,c,L∀ a,b,c,∈ L(ab)(bc)(ca)=(ab)(bc)(ca)(a∧ b)∨(b∧ c)∨(c∧ a)=(a∨ b)∧ (b∨ c)∧ (c∨ a) 时,LL 为分配格。

#有界格有补格

格的最大元 11全上界,格的最小元 00全下界。存在全上界与全下界的格 L,,,0,1⟨ 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 a1=a, a0=a, a1=1, a0=0a∧ 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,0,10,1 也要互换。

在有界格中,若 ab=0, ab=1a∧ b=0,\ a∨ b=1,则称 a,ba,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 LL 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。

B,,,,a,b⟨ B,*,∘,△,a,b⟩ 是代数系统,其中 ,*,∘ 是二元运算, 是一元运算,a,ba,b 是零元运算。若其满足如下性质则构成布尔格:

  • 交换律xy=yxxy=yxx*y=y*x\qquad x∘ y=y∘ x
  • 分配律x(yz)=(xy)(xz)x(yz)=(xy)(xz)x*(y∘ z)=(x*y)∘(x*z)\qquad x∘(y*z)=(x∘ y)*(x∘ z)
  • 同一律xb=xxa=xx*b=x\qquad x∘ a=x
  • 补元律xx=axx=bx*△ x=a\qquad x∘△ x=b

布尔格有以下性质:

  • 双重否定率
    ab\quad a≼ b
    ab=a⇔ a∧ b=a
    ab=b⇔ a∨ b=b
    ab=0⇔ a∧ \overline{b}=0
    ab=1⇔ \overline{a}∧ b=1
  • 德摩根率abbaa≼ b⇔\overline{b}≼ \overline{a}

布尔代数的同态映射 f:B1B2f:B_1→ B_2 需满足下列条件中的 2 个:

  • f(xy)=f(x)f(y)f(x∧ y)=f(x)∧ f(y)
  • f(xy)=f(x)f(y)f(x∨ y)=f(x)∨ f(y)
  • f(x)=f(x)f(\overline{x})=\overline{f(x)}

在布尔代数中,若对元素 aBa∈ BxB, xa(x=a)(x=0)∀ x∈ B,\ x≼ a→ (x=a)∨(x=0) 则称 aaBB 中的 原子

BB有限布尔代数AABB 中所有 原子 的集合,则必有 P(A)BP(A)≅ B

可见任何有限布尔代数元素数都是 2n2^n,任何有限布尔代数都同构于 {0,1}n\{0,1\}^n


<离散数学> DM4 代数结构
https://i-melody.github.io/2023/01/20/离散数学/4 代数结构/
作者
Melody
发布于
2023年1月20日
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