Учебная работа № 1007. Линейная Алгебра. Теория групп

Учебная работа № 1007. Линейная Алгебра. Теория групп

Лекции по общей алгебре

Лекция 1

Понятие бинарной алгебраической операции

Говорят, что на множестве S определена (бинарная) алгебраическая операция (АО) « *», если для всяких двух его элементов x и y однозначно определен элемент z=x*y называемый композицией или произведением элементов x и y.

Примерами таких операций могут служить обычные операции сложения, вычитания или умножения на множестве всех действительных (или комплексных ) чисел, операция умножения на множестве всех квадратных матриц данного порядка ,операция композиции на множестве всех перестановок из N элементов, операция векторного перемножения на множестве всех векторов трехмерного пространства.

Само по себе понятие АО является слишком общим, чтобы допускать сколько ни будь глубокое изучение. В алгебраических теориях обычно рассматривают операции, обладающие рядом дополнительных свойств. Перечислим некоторые из них.

Свойство ассоциативности

(1)

Во всех перечисленных выше примерах АО это свойство выполняется, за исключением операции вычитания и операции векторного произведения.

Из свойства (1) вытекает, что произведение любого числа сомножителей однозначно определено, так как не зависит от того, как в этом произведении расставлены скобки, например

Разумеется, при этом нельзя нарушать порядок сомножителей.

Наличие свойства ассоциативности позволяет определить степень любого элемента с натуральным показателем. А именно:

(n сомножителей).

При этом выполняются обычные правила действий со степенями:

,

Свойство коммутативности

(2)

Это свойство выполняется для сложения и умножения чисел, но нарушается для умножения матриц и композиции перестановок.

Разумеется, из (2) вытекает, что в случае ассоциативной и коммутативной АО мы имеем право переставлять любым способом сомножители в произведении любого их числа.

Кроме того, в этом случае

Наличие нейтрального элемента

(3)

Элемент n в этом случае называется нейтральным для АО (*).

Для операции сложения чисел нейтральным является число ноль, для операции умножения число единица. Для умножения матриц нейтральным элементом будет единичная матрица, для композиции перестановок тождественная перестановка. В случае векторного перемножения векторов нейтральный элемент отсутствует.

Отметим, что в (3) квантор существования предшествует квантору всеобщности, то есть элемент n не зависит от выбора x.

В случае существования единственного нейтрального элемента и ассоциативности операции можно определить степень с нулевым показателем:

для всякого элемента x. Упомянутые выше свойства степеней при этом сохраняются.

Наличие обратного элемента

Это понятие имеет смысл в случае наличия нейтрального элемента для операции (*).

Элемент называется обратным для элемента x, если

(4)

Для сложения чисел обратный элемент существует для любого числа и равен противоположному числу. Для умножения обратный элемент так и называется и существует у любого числа, кроме 0. В случае умножения матриц обратный элемент равен обратной матрице и существует в том случае, если эта матрица невырождена, то есть ее определитель не равен нулю.

Элементы для которых существует обратный называются обратимыми. Из условия (4) сразу вытекает, что элемент всегда обратим и обратным для него будет исходный элемент x. Кроме того в случае ассоциативной операции произведение двух обратимых элементов снова будет обратимым элементом и при этом . В самом деле: и аналогично

Если элемент определен однозначно, можно определить степени x с отрицательным целым показателем, а именно:

, где m=1,2,… . При этом сохраняются обычные правила действий со степенями.

Замечание

В конкретных алгебраических системах алгебраическая операция чаще всего обозначается либо знаком (+) и называется сложением , либо знаком (.) и называется умножением. В первом случае говорят об аддитивном, а во втором о мультипликативном способе записи операции. Операция записанная аддитивно как правило считается коммутативной. В этом случае вместо термина «обратный» используется термин «противоположный элемент», который, естественно, обозначается (x), а вместо степени элемента говорят о его кратных (nx).

Понятие группы

Определение

Множество G на котором определена бинарная операция (*) называется группой (G,*), если выполняются условия:

1. Операция (*) ассоциативна.

2. Для операции существует нейтральный элемент.

3. Все элементы G обратимы.

Примеры групп

1. R группа действительных чисел с операцией сложения. ( аддитивная группа действительных чисел)

2. C аддитивная группа комплексных чисел.

3. группа ненулевых действительных чисел с операцией умножения ( мультипликативная группа действительных чисел)

4. мультипликативная группа комплексных чисел.

5. группа невырожденных матриц порядка n с действительными элементами. (Аналогично, )

6. группа перестановок множества 1,2, …, n.

Во всех этих примерах наличие свойств 1 3 не вызывает сомнений.

Прежде чем приводить другие примеры групп укажем некоторые простейшие свойства этих алгебраических систем. Во всех последующих формулировках считается, что x, y, z, … элементы некоторой группы G.

1. Закон сокращения

(левое сокращение)

(правое сокращение)

Докажем, например, первый закон. Используем существование обратного элемента и свойство ассоциативности операции.

y=z.

2. Единственность нейтрального элемента

В любой группе нейтральный элемент определен однозначно. В самом деле, если и оба являются нейтральными, то по определению

и в то же время , откуда . Единственный нейтральный элемент группы G будет в дальнейшем обозначаться или просто e.

3. Единственность обратного элемента

Для каждого элемента x обратный элемент определен однозначно. В самом деле, если элементы y и z являются обратными для x, то y*x=e и z*x=e, откуда y*x=z*x и по закону сокращения y=z.

4. Признак нейтрального элемента

Действительно, поскольку , имеем , откуда по закону сокращения получаем .

5. Разрешимость любого уравнения первой степени (существование обратной операции)

. Элемент z определен однозначно. (Его можно назвать «частным» от деления y на x).

Имеем: и значит можно взять . Однозначность следует из закона сокращения: .

Понятие подгруппы

Определение

Группа называется подгруппой группы , если, во первых

(как подмножество) и, вовторых,

(то есть закон умножения на подмножестве H такой же как и во всем множестве G.)

Тот факт, что является подгруппой в обозначается с помощью символа включения: или просто .

Примеры подгрупп.

1. Целые числа с операцией сложения (Z) образуют подгруппу в группе R, которая, в свою очередь является подгруппой группы C.

2. Четные перестановки образуют подгруппу в группе всех перестановок.

3. Матрицы с определителем 1 образуют подгруппу в группе всех невырожденных матриц.

Чтобы проверить, будет ли данное подмножество H в G подгруппой надо, очевидно, проверить следующие условия :

1. 

2. 

3. .

Оказывается, что вместо трех этих условий достаточно проверить только одно.

Признак подгруппы

Непустое подмножество H в группе G будет подгруппой этой группы тогда и только тогда, когда:

. (5)

Доказательство.

Условие (4) очевидно следует из 1 3. Проверим обратное утверждение. Взяв в (5) y=x, получим: , то есть выполнено второе условие. Теперь возьмем , тогда получим: и таким образом условие 3. также выполнено. Наконец, взяв в условии (5) , получим , то есть условие 1.

Лекция№10

Мультипликативная группа поля; Неприводимые многочлены.

Свойство мультипликативной группы поля.

Конечная подгруппа мультипликативной группы любого поля циклична.

Доказательство.

Проведем доказательство от противного. Пусть конечная подгруппа. Предположим, что G не является циклической группой. Рассмотрим первое каноническое разложение: , где n>1 и n | m. Тогда G , а значит и содержит подгруппу H . Для каждого (а всего в H элементов ) имеем: . Поэтому уравнение в поле k имеет не менее корней, что невозможно, так как степень этого уравнения равна n .

Следствие.

Мультипликативная группа конечного поля циклична.

Заметим, что этот результат нетривиален даже для простейших конечных полей GF(p). Образующие элементы группы называются первообразными корнями по модулю p. В следующей таблице приведены наименьшие первообразные корни по некоторым модулям:

модуль	3	5	7	11	13	17	19	23	29	31	37	41
первообразный корень mod(p)

Неприводимые многочлены над некоторыми полями.

1. Поле комплексных чисел C. Имеет место фундаментальная теорема Гаусса: Всякий многочлен положительной степени над полем C имеет корень. Из нее вытекает, что над полем C неприводимы только многочлены первой степени.

2. Поле вещественных чисел R. Чтобы перейти от поля C к полю R, заметим, что отображение , сопоставляющее каждому комплексному числу z сопряженное число является изоморфизмом поля на себя (автоморфизмом ) и переводит поле R в себя. Отсюда вытекает, что для всякого и всякого имеет место формула: = (), где многочлен с комплексно сопряженными коэффициентами. Пусть теперь многочлен положительной степени. По теореме Гаусса он имеет корень. Но, ) = 0. Если , то многочлены ( x ) и ( x ) взаимно просты и из делимости многочлена p ( по теореме Безу) на ( x ) и на ( x ) следует его делимость на их произведение . Следовательно, над полем R неприводимыми будут , во первых, все многочлены первой степени, а, вовторых, те многочлены второй степени, которые не имеют корней в R ( то есть у которых дискриминант отрицателен). Все прочие многочлены приводимы.

3. Поле рациональных чисел Q.

Если q ненулевой многочлен с рациональными коэффициентами, то, приводя их к общему знаменателю, можно записать: q = () = , где все коэффициенты целые числа, ОНД() = 1 и ,>0 . Легко видеть, что многочлен и число определены однозначно. Будем называть примитивным многочленом, соответствующим многочлену q.

Лемма : .

Для всякого целочисленного многочлена w = и простого числа p обозначим через многочлен над полем GF(p), коэффициенты которого получаются из соответствующих коэффициентов w приведением по модулю p :

Учебная работа № 1007. Линейная Алгебра. Теория групп