Lec 01
1. 集合论
1.1 集合运算
集合的直积(笛卡尔积):
多个集合的直积:
一般的直积(指标集 ):
集合的并、交、差与补:
德摩根律(相对全集 ):
幂集:
1.2 映射
映射与像、原像:
映射的合成满足结合律:设 ,,,则
恒等映射:
单射、满射、双射:
- 为单射
- 为满射
- 为双射 既单又满
引理 1(合成结合律): 任取 ,有
引理 2(可逆判别): 为一一对应的充要条件是存在 ,使得
1.3 关系与等价关系
-
二元关系:。
-
等价关系:满足
- 自反性:
- 对称性:
- 传递性:
-
等价类与商集:
- 等价类:
- 商集: 构成 的一个划分
2. 群论
2.1 群的定义
一个非空集合 连同二元运算 称为群,若满足:
- 结合律:
- 幺元:
- 逆元:
若还满足交换律 ,则称 为 Abel 群(交换群)。
2.2 例子与基本性质
模 剩余类群:
其阶为欧拉函数 。
基本性质:
- 幺元唯一:若 均为幺元,则 。
- 逆元唯一:若 均为 的逆元,则 。
Lec 02
3. 群的阶与幂
设 为群。
- 若 ,则称 为有限群
- 若 ,则称 为无限群
记 的阶为 。
记号:
- 对任意 :
对于 :
对于 :
特别地,。
- 对任意 ,,有
证明: 分情况讨论。
(1) 当 时,显然
(2) 当 , 时,设 。
若 ,则
若 ,则
其余情形可类似讨论。
4. 元素的阶
定义: 设 。
- 若存在 使得 ,则满足该性质的最小正整数 称为 的阶,记作 。
- 若不存在 使得 ,则称 无有限阶(或阶为无穷)。
若 ,则对任意 ,有
5. 子群
定义: 设 为群,。若 也是群,则称 是 的子群,记作 (或 )。
注释与例子:
① 的幺元 与 的幺元 必有 。
证明:由于 是 的幺元,,故 。又由于 是 的幺元,,故 。从而 。逆元也一致(在 与 中取逆一致)。
②
③ :实数域上可逆的 阶方阵所成的群;:行列式等于 的 阶方阵所成的群,且 。
④ ,其中 构成 的子群。
6. 陪集与拉格朗日定理
定义陪集与集合乘法:
① 对 ,,定义
称为 关于 的左陪集; 称为右陪集。
② 对任意 ,定义
命题: 设 ,。在 上定义关系 ,则 是等价关系,且 所在的等价类恰为左陪集 。
证明: 任取 ,则存在 使得 ,于是 。反过来,若 ,则 。故左陪集恰好刻画了 的等价类。
由此, 可分解为互不相交的左陪集之并:
称 为完全代表系,其中 本身是单位元所在的陪集。
命题: 映射 , 是双射,故 。
当 时,
故 。
定理(拉格朗日定理): 若 ,,则 称 为 在 中的指数,记作 。
例: 若 为素数,则 只有平凡子群 和 自身。
设 ,。考虑序列 ,由于 有限,必有 (),从而 。故 生成的循环子群为
由拉格朗日定理,,从而
7. 欧拉定理与费马小定理
定理(欧拉定理): 设 ,,且 ,则
证明: 在乘法群 中考虑 。由于 ,故 ,且 。由拉格朗日定理,,即 。
推论(费马小定理): 若 , 为素数,且 ,则
证明: 当 为素数时,,由欧拉定理立得。
8. 群同态
设 为群。映射 称为群同态,若对任意 ,都有
基本性质:
- 若 还是双射,则称其为同构,记作 。
- 。
- ,因为 。
- 若 ,则 (像是子群)。
- 定义同态 的核与像:
核与像是子群
验证非空子集 是子群,只需验证:
对核:若 ,则
故 ,从而 。类似可验证 。
定理: 是单射
证明:
"":若 是单射,,则 ,由单射得 ,故 。
"":若 ,设 ,则
故 ,即 ,故 为单射。
例: 定义 ,(典型映射)。验证同态:
9. 循环群的同构
例: 设 ,定义
则 为同构。
证明:
- 同态:
- 单射: 若 ,则 。由于 的阶为 ,故 ,于是 ,故核平凡, 为单射。
- 满射: 中每个元素都形如 ,故 为满射。
因此 为同构。
例: 定义
验证同态:
10. 自同构
定义: 若 是同构,则称 为 的自同构。
所有 的自同构构成的集合记为 ,在映射的复合运算下构成群:
因为对任意 ,都有 。
Lec 03
1. 生成子群(Generated Subgroup)
定义
设 为群,,定义
记
则
其中 时约定乘积为单位元 ,且有
证明(两个定义等价):
- :由封闭性①验证右侧包含于 。
- :只需证右侧集合本身构成子群,由封闭性①②③逐一验证即可。
术语:
- 称为由 生成的子群
- 若 ,则 称为有限生成群, 称为生成元系
2. 循环群(Cyclic Group)
定义与两种情形
当 为单元素集时,,这种形式的群称为循环群。
情形①:(无限循环群)
同构: 定义
是群同构(无限循环群同构于整数加法群 )。
验证单射:,故为单射。
情形②:(有限循环群)
同构: 定义
是群同构(所有阶为 的有限循环群均同构于 )。
3. 循环群中元素的阶
核心公式
定理: 设 ,,则
证明: 设 。
一方面, 另一方面,
(因为 )
综合得 。
生成元的刻画
生成元个数为 (Euler 函数)。
4. 循环群的子群结构
定理 1(无限循环群)
定理: 设 ,,则 的全部子群为: 且 (即 在 中的指数为 )。
的所有陪集为:
对任意 ,有 。
证明(任意子群均为此形式):
设 ,令 ,断言 。
反证:设 ,。由带余除法 ,,则
与 的最小性矛盾。故 。
推论: 无限循环群 的生成元恰好是 和 。
定理 2(有限循环群)
定理: 设 ,,则 的全部子群为: 且 。
证明: 对任意 ,若 (即 ),令
则 (同上面的论证)。只需证 :
- 若 :由 Lagrange,,但 ,矛盾。
- 若 :,故 ,与 矛盾。
故 ,。
重要推论(Comments):
① 对 ,存在 中唯一阶为 的子群。
② 循环群的子群仍为循环群。
生成元总结
| 情形 | 生成元 | 个数 |
|---|---|---|
5. 循环群的自同构群
设 , 是 的自同构,令 ,则
-
时: ,故自同构只有两个: 和 。
-
时: ,故 。
6. 应用:离散对数问题与 ElGamal 加密
设 ,( 为素数),对 ,令 。
离散对数问题: 给定 ,求 (即 )。
ElGamal 加密方案:
| 角色 | 内容 |
|---|---|
| 公钥(public key) | ,其中 y \xleftarrow{\} \mathbb{Z}_qh = g^y$ |
| 私钥(secret key) | |
| 加密(Sender) | ,随机 ,发送 |
| 解密(Receiver) |
结论: 是循环群,当且仅当 ( 为奇素数,)。
7. 正规子群(Normal Subgroup)
商群的构造动机
设 为群,,令 为所有左陪集的集合(商集)。
尝试定义运算:。
well-defined 的条件: 若 (即 ),(即 ),需要 ,即 。
推导过程:
定义
定义: 设 为群,。若对 均有 则称 是 的正规子群,记作 (或 )。
等价条件: (左右陪集相同)。
Comments:
- 正规子群等价于 (不要求 与每个元素交换,而是整体陪集相等)。
- 若 为 Abel 群,则 的任何子群均为正规子群(normal)。
商群
定理: 设 ,则 是群,称为 关于 的商群,其中运算为
记 ,则 ,运算 。
8. 同态基本定理(First Isomorphism Theorem)
ker(f) 是正规子群
设 是群同态,则 。
证明: 对任意 ,:
故 ,即 。(注: 与 等价)故 。
定理
同态基本定理: 设 是满同态,则 同构映射为
证明:
① Well-defined: 若 (即 ,即 ),则
故 与代表元选取无关。
② 同态:
③ 单射:
④ 满射: 因 满,, 使 ,故 。
综合①②③④, 是同构。
9. 同态基本定理的例子
例 1
是满同态,,由同态基本定理:
例 2
设 为素数,,定义
验证同态:
满( 是满射),,由同态基本定理:
知识结构总览
循环群 ⟨α⟩
│
├── o(α)=∞ ──→ 同构于 (ℤ,+)
│ 子群: {1}, ⟨αᵐ⟩ (m≥1), 指数=m
│
└── o(α)=n ──→ 同构于 (ℤₙ,+)
子群: ⟨αᵐ⟩, m|n, 指数=m
元素 αᵏ 的阶 = n/(n,k)
生成元个数 = φ(n)
正规子群 N◁G
│
└──→ 商群 G/N 有意义
│
└──→ 同态基本定理: G/ker(f) ≅ Im(f)
Lec 04
1. 基本定义
设 为一个有限集合。
定义: 上的置换(Permutation) 是 的一一映射(双射)。
置换 通常写成两行记号:
例:
表示 。
2. 对称群与置换群
设 为 上所有置换的集合,则 。
置换的乘法定义为映射的复合:(即先作 ,再作 )。
构成群,幺元为恒等映射 ,满足 。 称为 上的对称群(Symmetric Group)
的任一子群称为 上的置换群(Permutation Group)
特别地,当 时,将 简记为 ,称为 次对称群,其阶为 。
3. 轮换与对换
3.1 轮换(Cycle)
定义: 若置换 满足 而其余元素不动,则称 为 -轮换,记作 。
定理: 中任一置换均可表示为若干不相交轮换的乘积,且在不计顺序的意义下唯一。
不相交的轮换之间乘法可交换顺序(因为它们作用在不重叠的元素上)。
3.2 对换(Transposition)
定义: 含两个元素的轮换 ()称为对换,其作用为 ,其余元素不动。
长轮换分解为对换之积:
注: 此处乘法约定为从右往左依次作用,即对元素 先作用最右边的置换。读者可逐一验证:。
结合不相交轮换分解定理,立得:
推论: 时, 中任一置换均可表示为若干对换的乘积(表示方式不唯一)。
注: ,即幺元也可写成偶数个对换之积。
3.3 生成元集
命题: 可以生成 中任意置换(即它是 的一个生成元集)。
证明: 由推论,只需证任意对换 均可由 表示。
① 若 或 : 本身就在生成元集中。
② 若 : 则
验证(按从右往左的作用顺序,逐个追踪各元素):
-
:( 被 映到 )
重新追踪:( 与 互换,但 ,故映到 )
完整追踪:(,不动) ✓
-
: ✓
-
:三步均不动 ✓
4. 奇偶置换
4.1 定义
设 ,将 表示为对换之积 。
定义:
- 若 为偶数,称 为偶置换;
- 若 为奇数,称 为奇置换。
时定义 为偶置换。
4.2 奇偶性是良定义的
定理: 不能同时表示为偶数个对换之积和奇数个对换之积,即 的奇偶性由 本身唯一确定,与具体分解方式无关。
证明: 定义 为 不相交轮换分解中轮换的个数(固定点计为 -轮换)。
关键引理: 设 为对换,则
引理的证明(分两种情形):
情形① 属于 的同一轮换:
设该轮换为 ,则
一个轮换分裂为两个,故 。
情形② 属于 的不同轮换:
设两轮换分别为 和 ,则
两个轮换合并为一个,故 。
无论哪种情形, 与 恰差 。(引理)
回到定理: 注意 。若 ,从 出发依次左乘对换共 步,每步轮换数变化 ,故
若另有 ,则同理 ,从而 ,奇偶性相同。
推论: 定义符号函数(sign):
则 ,即 是群同态。
5. 交错群
5.1 定义
定义: ,称为 次交错群(Alternating Group)。
是 的子群,。
5.2
令 (全体奇置换)。取 ,定义
是双射:对 , 是偶置换(故 ),且 (因为 ),故逆映射为 。
这里是利用构造逆映射——如果能找到 g 使得 则 f 必为双射
从而
5.3
方法一(利用同态核): 是群同态,。由”同态的核是正规子群”立得 。
方法二(利用指数为 2 的定理): ,由下面的定理立得。
6. 指数为 2 的子群必为正规子群
定理: 设 ,若 ,则 。
证明: 指数为 意味着 恰好被分解为两个不相交的左陪集,同时也被分解为两个不相交的右陪集:
- 对 :左陪集 ,右陪集 ,故 。
- 对 :。
因此 ,,即 。
7. 单群与 的结构定理
7.1 单群
定义: 若群 只含平凡正规子群(即 与 本身),则称 为单群(Simple Group)。
7.2 结论
定理(不加证明):
- 时, 是 的唯一非平凡正规子群。
- 时, 是单群。
注: 时以上结论不成立。例如 含正规子群 Klein 四元群 ,故 不是单群。
8. 关于在集合上的作用
置换表示的定义
设 为群, 为集合,。群同态 称为 的一个置换表示。若 是单射,则称 为忠实表示。此时对每个 ,有 。
💡 直觉:置换表示的意思是”用置换来描述群元素的行为”。 是 上所有双射(置换)构成的群。 把群 的每个元素 对应到一个”重排 的方式”。忠实表示意味着不同的群元素对应不同的置换——群的结构被”完整地”编码进去了,没有信息损失。
群作用的定义
在 上的一个作用是映射
满足以下两条公理:
- 单位元公理:,对所有 ;
- 相容性公理:,对所有 ,。
💡 直觉:群作用描述的是”群元素如何移动集合中的点”。你可以把 理解为” 把点 搬到了哪里”。两条公理保证这个”搬动”是自洽的:单位元不动任何点;先用 搬再用 搬,等价于直接用 搬。
两个定义之间的联系
群作用与置换表示本质上是等价的:给定一个群作用 ,对每个固定的 ,映射 是 上的一个置换,从而确定一个群同态 ;反之亦然。忠实作用(即不同的 诱导不同的置换)对应忠实表示( 为单射)
置换表示诱导群作用
给定 的置换表示 ,令
验证两条公理:
① ✓
② ✓
💡 解释:这里说的是,如果你已经有了一个置换表示 ,那么自然就得到了一个作用——直接把 作用在 上即可。公理①用到了 是群同态所以 ;公理②用到了 (同态性质)。
群通过一个置换表示诱导一个作用。
群作用诱导置换表示
给定一个作用 ,定义 :
💡 解释:反过来,如果你有一个作用,对每个固定的 ,映射 是 到自身的一个函数。我们需要验证它其实是个双射(可逆的),才能说它是 的元素。
验证 是双射:
- 单射:若 ,即 ,两边左乘 得 。 单。
- 满射:,取 ,则 。 满。
故 ,且 构成群同态(由作用的公理②保证)。
💡 解释:单射的证明思路是” 的作用可以被 撤销”,这正是群结构的体现。满射则说明每个目标点都能被”打到”——用 先把目标点”倒推回去”再作用就行了。
忠实表示的判定
即 , 是忠实表示(单射)。
💡 解释:核 是所有”作用等于恒等”的群元素的集合。若一个 也不动所有点,那它在置换表示中就”隐形了”,表示就不忠实。忠实表示等价于”只有单位元才不动所有点”。
置换表示与群作用的等价性
设
- :所有置换表示 的集合
- :所有群作用 的集合
定义互逆对应:
满足 ,,即两者一一对应。
💡 解释:这是本节最核心的结论——置换表示和群作用本质上是同一件事的两种语言。你可以在两种视角之间自由切换:
- 从置换表示出发: 是个置换,作用就是”拿这个置换去动点”;
- 从群作用出发:固定 ,” 动点的方式”就是一个置换。
和 互为逆映射,说明这两种语言之间没有任何信息的损失或增加。
例1:右乘逆元的置换表示
取 ,定义 :
💡 解释:这里集合就取群本身 ,每个元素 对应的置换是”把所有元素右乘 “。注意是 而不是 ,这是为了让同态方向对。
是双射:
- 单射: ✓
- 满射:, ✓
是群同态(验证 ):
💡 解释: 是群中逆元的反序法则,这里用到了它。正因为要用右乘 (而不是 ),才能让乘法顺序与群同态相容。
例2:左乘的置换表示(Cayley 表示)
取 ,定义 :
是群同态:
💡 解释:这就是著名的 Cayley 定理的核心构造——每个群都同构于某个置换群的子群。左乘置换表示是忠实的(因为 对所有 成立当且仅当 ),所以 可以嵌入 。与例1相比,左乘用 本身(不需要取逆),同态性质直接由结合律保证,更加自然。
知识结构总览
S_n:n 次对称群(阶为 n!)
│
├─ 分解定理:任意 σ = 不相交轮换之积(唯一)
│
├─ 对换生成:任意 σ = 对换之积(不唯一)
│ └─ {(1,2),(1,3),...,(1,n)} 生成整个 S_n
│
├─ 奇偶性:sgn(σ) 良定义
│ ├─ 偶置换 → A_n(交错群)
│ └─ 奇置换 → B_n,|A_n| = |B_n| = n!/2
│
└─ 正规子群结构
├─ A_n ◁ S_n([S_n : A_n] = 2,或 ker(sgn))
└─ n >= 5:A_n 是 S_n 唯一非平凡正规子群,且 A_n 是单群
Lec 05
群在自身上的作用
左乘表示
定义映射 ,对任意 ,令
即群元素 对应一个置换:将 映射到 。简记为:
右乘逆元表示
类似地,可定义另一种作用:
即 。
这里用 而非 ,是为了保证群同态性质:。若定义 ,则 ,而 ,两者不等。用逆元则可使两边一致。
像是子群
是 的像,即
在群论中表示子群,即 是 的一个子群。
Cayley 定理
定理(Cayley): 任意群都同构于某个置换群。
证明思路:
由群同态第一同构定理:
左乘表示是忠实的(faithful),即 ,从而:
直觉: 将 的每个元素”原封不动”地对应到 里的一个置换,没有任何两个不同元素被粘合,因此 与 完全同构——一个用群元素描述,一个用置换描述。
是 的子群,而 的子群本身也是置换群,故任意群都同构于某个置换群。
陪集空间上的群作用
设 (不一定是正规子群),定义 在 中所有左陪集构成的集合:
定义映射 ,即 在 上的作用:
直观理解: 元素 通过左乘,将一个陪集”搬”到另一个陪集的位置。
同态的核与正规核心
核的定义:
即所有”不改变任何陪集位置”的元素 的集合。
推导 的具体形式:
- 由定义: 当且仅当对所有 ,都有 。
- 由陪集性质:。
- 等价变形:(即 属于 的共轭子群)。
- 由于该条件对所有 都须成立,取交集:
核心结论:
这个交集 称为 在 中的正规核心(Normal Core),记作 。
性质:
- 是 的正规子群(因为它是群同态的核)。
- 是包含在 内部的最大的 的正规子群。
- 。
右诱导表示
右陪集集合 ,定义作用:
用 而非 是为保证满足群作用的结合律(同态性)。
的正规化子
设 ,定义 在 中的正规化子(Normalizer):
等价地,。可以验证 。
是使 成为其正规子群的最大子群,即 。
在共轭子群集合上的作用
设 ,令
为 的所有共轭子群构成的集合,定义 :
证明 是单满射:
对任意 ,取 ,则 ,故 是满射。若 ,则 ,故 是单射。
证明 是同态:
两者相等,故 是同态。
给出 的刻画:
即 是 的正规核心。
轨道(Orbit)
等价关系与轨道定义
设 作用于集合 ,定义关系 :对 ,
验证这是等价关系:
- 自反性: ,故 。
- 对称性: 若 ,则 ,故 。
- 传递性: 若 ,,则 ,故 。
定义: 所在的等价类称为 的轨道(Orbit),记作 或 :
轨道中任意两个元素之间都有关系(互相可达)。
例一:抛物线族
背景: 平面上的二次曲线,一定是某个群在 上作用的一个轨道。
考察 ,令 作用在 上,对任意 ,,定义:
验证是群作用:
① 。✓
② 与 :
展开后两者相等。✓
计算轨道:
即抛物线 。对一般点 :令 ,,则 ,故
是平移后的抛物线族,不同的 值对应不同的轨道。
例二:双曲线族
令 作用在 上,对任意 ,,定义:
验证是群作用:
① 。✓
② ;。两者相等。✓
计算轨道:
即双曲线 。
一些特殊点的轨道:
- (原点单独成轨道)
- : 轴
- : 轴
稳定子群(Stabilizer)
设 作用于 ,,定义 的固定/稳定子群:
验证 :
- 单位元:,故 。✓
- 封闭性:若 ,则 。✓
- 逆元:若 ,则 。✓
故
轨道-稳定子定理
定理: 设有限群 作用于 ,则对任意 :
证明:
设 ,对每个 取 使得 。
关键引理: 。
因此,使得 的所有 恰好构成陪集 , 个陪集不相交,故:
轨道分解与不动点
轨道分解
设 ,, 分解为轨道的不相交并:
不动点集
定义不动点集(轨道长度为 1 的元素的集合):
-群定理
定理: 设 ( 为素数), 作用于有限集 ,则:
证明:
将轨道长度 的轨道单独列出:
由轨道-稳定子定理, 是 的幂次(),故 ,从而:
Cauchy 定理
定理(Cauchy): 设 为有限群, 为素数,若 ,则 中存在 阶元(即 有一个 阶循环子群)。
特例: 若 为偶数,则 中存在 阶元(即存在 使得 )。
证明
第一步:构造集合 。
前 个元素可任意选取, 由前面唯一确定,故 。由 ,得
第二步:定义 在 上的循环移位作用。
对 ,定义:
验证是群作用:
① 。✓
② (均为循环左移的复合)。✓
还需验证移位后乘积仍为 :若 ,则将 移到末尾后,,故封闭性成立。✓
第三步:利用 -群定理。
,由 -群定理:
由于 ,故 。
第四步:刻画不动点。
当且仅当循环移位后不变,即
且 (由乘积条件)。
,故 。又 ,故 。
因此,除 外,至少存在一个 且 ,满足 。
这样的 即为 中的 阶元。
Lec 06
Sylow 定理
预备设置
设 ,其中 为素数,。
第一 Sylow 定理
定理(第一 Sylow 定理): 若 ,则 中存在阶为 的子群(称为 Sylow -子群)。
证明
第一步:构造集合 。
令
即 的所有大小为 的子集构成的集合。定义 在 上的左乘作用:
验证 成立,故这是合法的群作用。
第二步:计算 ,并证明 。
对分子分母的第 项(),写 (其中 ),则:
- 分子第 项:, 的幂次恰为 。
- 分母第 项:, 的幂次同样恰为 。
因此分子与分母中 的幂次逐项抵消,故 。
第三步:找到基数不被 整除的轨道。
由轨道分解:
由于 ,必存在某个轨道 ,使得 。
第四步:证明稳定子群的阶 。
取 ,令 。由轨道-稳定子定理:
由于 ,而 ,故 ,从而 。
第五步:证明 。
取任意固定元素 。对任意 ,由 知 ,故整个左陪集
由于 (左陪集与子群等势),而 且 ,故 。
综合: 由第四步 ,第五步 ,故 , 是 的 Sylow -子群。
第二 Sylow 定理
定理(第二 Sylow 定理): 设 ,则 的所有 Sylow -子群彼此共轭。
证明思路
设 为一个 Sylow -子群(),令
为 在 中所有左陪集构成的集合(),定义 在 上的左乘作用:
计算稳定子:
验证:。
故 ,由轨道-稳定子定理, 所在轨道大小为
即整个 恰好构成一个单一的 -轨道( 在左陪集集合 上的作用是可迁的)。
证明任意 Sylow -子群 与 共轭:
令 在 上作用(限制 的作用到 ),。
将 按 -轨道分解:
每个 -轨道基数整除 ,故每个轨道基数为 ()。
由于 ,故至少存在一个 -轨道基数为 ,即存在 使得 ,即:
这等价于 。由于 ,故:
即 是 的一个共轭子群。
第三 Sylow 定理
定理(第三 Sylow 定理): 设 ,令 为 Sylow -子群的个数,则:
证明
设 为一个 Sylow -子群,由第二 Sylow 定理,所有 Sylow -子群构成 的一个完整共轭类:
证明 :
通过共轭作用于 , 是一个轨道。由轨道-稳定子定理:
其中 ( 的正规化子)。由于 且 ,故 ,设 (),则
故 。
证明 :
令 通过共轭作用于 :(,)。
将 按 -轨道分解,每个轨道大小整除 ,故每个轨道大小为 的幂次,从而
其中 为 的不动点集。
确定不动点: 是 -不动点,即 对所有 成立,等价于 。
由于 和 都是 Sylow -子群,。在 中, 是正规子群, 也是 的子群(),且两者阶相同。
由第一 Sylow 定理在 中的应用, 与 在 中共轭,即存在 使得 。但 ,故 ,从而 。
因此 中唯一的 -不动点就是 本身,,故
Sylow 定理的应用
例一:148 阶群不是单群
,取 ,。
令 为 Sylow -子群的个数,由第三 Sylow 定理:
- ,故
结合两条,仅有 满足。唯一的 Sylow -子群 满足 对所有 ,即 ,且 ,,故 不是单群。
例二:56 阶群不是单群
,取 ,。
令 为 Sylow -子群的个数,由第三 Sylow 定理:
- ,故
满足条件的有 或 。
情形一:。 唯一的 Sylow -子群是正规子群, 不是单群。
情形二:。 有 8 个不同的 Sylow -子群,每个阶为 (素数阶群必为循环群),任意两个不同的 Sylow -子群相交仅含单位元。
为什么两个不同的阶为 的子群交只含单位元? 设 都是阶为 的子群,则 是 的子群,其阶整除 (素数),故 或 。若等于 则 ,矛盾,故只含单位元。
因此 个子群共贡献
加上单位元,共 个元素已被”占用”,剩余 个元素。
再令 为 Sylow -子群(阶为 )的个数,由第三 Sylow 定理:
- ,故
- ,故 为奇数,
若 ,则需要至少 个元素给 Sylow -子群,但剩余元素(含单位元)只有 个,恰好构成唯一一个阶为 的子集,故只能有 。
唯一的 Sylow -子群 ()满足 对所有 ,即 , 不是单群。
综上,56 阶群不是单群。
群的直积
定义
设 为群,定义直积:
元素为有序 元组 (),群运算定义为分量逐项相乘:
单位元为 ,逆元为 。
阿贝尔群的直和
当各 均为阿贝尔群时,直积也常记作直和:
例:
的阶为 ,其运算为分量相加(模各自的模数)。验证生成元 的阶:
的阶为 ,故 。
一般定理: 当且仅当 。
直觉: 当 时, 的阶恰为 ,足以生成整个群。当 时,任意元素 的阶整除 ,故群中无 阶元,不是循环群。
注意: 。 中每个非单位元的阶均为 (因为 ),而 中存在阶为 的元素(生成元 ),两者不同构。
有限阿贝尔群结构定理
定理: 任何有限阿贝尔群都同构于若干素数幂阶循环群的直和,且在不计直和因子顺序的意义下,该分解唯一。
具体地,设 (素因子分解, 两两不同),则对每个素数 ,将指数 写成一个递减正整数分拆:
则
为什么要求递减? 不同的分拆对应不同的同构类型,递减排列只是为了规范化表示(去掉顺序的差异),使每个群对应唯一的分拆。
的初等因子组(elementary divisors)为该素数对应的所有幂次:
全体初等因子组(所有素数合在一起,不计顺序)唯一确定 的同构类型:不同的初等因子组对应不同构的有限阿贝尔群。
有限阿贝尔群的分类例子
例一: 的阿贝尔群
,只有一个素数 ,指数为 。对 做所有递减正整数分拆:
| 分拆 | 对应直和 | 说明 |
|---|---|---|
| 循环群,有 阶元 | ||
| 最大元素阶为 | ||
| 所有非单位元阶均为 |
共 3 种不同构的 阶阿贝尔群。
注意 阶群共有 5 种(含非阿贝尔的 和四元数群 ),上面只列出了 种阿贝尔的。
例二: 的阿贝尔群
,两个素数各自独立分拆再组合。
的分拆(对指数 ): 或 ,对应 或 。
的分拆(对指数 ): 或 ,对应 或 。
两两组合,共 种:
| 的分拆 | 的分拆 | 同构类型 |
|---|---|---|
共 4 种不同构的 阶阿贝尔群。
其中 因为 ; 因为 ,故第三行可以写成 。第四行的 ,注意 ,但 和 不能进一步合并(,)。
Lec 07
环、域
环的定义
定义: 非空集合 连同两个二元运算 、: 称为环,如果以下满足:
- 是阿贝尔群
- 乘法结合律:,
- 分配律:
Comments
- 加法幺元为 (由阿贝尔群保证)
- 如果存在 ,使得 ,,则称 为含 1 环, 即乘法幺元
- 如果乘法满足交换律,即 ,,则称为交换环
- 是含 1 交换环,幺元为
例子
不是含 1 环: ,即全体偶数关于普通加法和乘法构成的代数系统。
注意:这里”不是环”指的是在含 1 环的定义下不满足,因为 中不存在乘法幺元()。在不要求幺元的宽松环定义下, 实际上是一个环。
是含 1 环: ,验证分配律如下:
其中第一步利用了陪集加法定义,第二步利用了陪集乘法定义,第三步用整数的分配律,最后再还原成陪集加法。
一些基本定理推导
定理 1: ,
证明:,两边消去 (加法逆元存在)得 。右侧类似。
定理 2: ,
证明:,故 是 的加法逆元,即 。 同理。
定理 3: 分配律推广(有限求和版本)
两式合并得乘积展开:
定理 4: 记 个 相加(),则
以 为例:,利用定理 3。 时结合定理 2 类似可得。
环中的单位与可逆性
前提条件
以下讨论均设 是含 1 环。
左/右可逆的定义
右可逆 (Right Invertible): 若存在 ,使得 ,则称 是右可逆的, 称为 的一个右逆元。
左可逆 (Left Invertible): 若存在 ,使得 ,则称 是左可逆的, 称为 的一个左逆元。
可逆元/单位 (Unit)
定义: 若 既有左逆元又有右逆元,则称 为环 的一个单位 (Unit) 或可逆元。
逆元唯一性推导: 设 (左逆),(右逆),则:
故左逆等于右逆。结论: 可逆元的逆元唯一,记作 。
术语区分(易错点)
- 单位元 (Identity): 环中唯一的乘法幺元 ,满足 。
- 单位 (Unit): 环中所有可逆元的统称。例如在 中,单位只有 和 ;在 中,所有非零元素都是单位。
Comments
- 若 是单位(既有左逆又有右逆),则其左逆与右逆必相同(见上面的唯一性推导)。
- 若 是交换环,则左逆 = 右逆(由乘法交换律直接得到)。
- 在非交换环中, 有可能有两个不同的左逆。例如在无穷维线性空间的线性算子环中,右移算子有多个左逆,但本身不是单位。
零因子
定义:
- 左零因子: ,且存在 ,使得 ,则称 为左零因子。
- 右零因子: ,且存在 ,使得 ,则称 为右零因子。
- 若 既是左零因子又是右零因子,则称 为零因子。
- 若 为交换环,左右零因子概念一致,统称为零因子。
例子: 在 中,,故 和 都是零因子。
对比:在 中, 不是零因子,因为不存在非零整数 使得 。
整环与域
整环的定义
定义: 若 是含 的交换环,且无零因子(即 或 ),则称 为整环 (integral domain)。
称为零环,通常约定零环不是整环(要求 )。
域的定义
定义: 设 是含 的交换环,令 ,若 构成群(即每个非零元都可逆),则称 为域 (field),记作 。
域一定是整环:若 且 ,则 可逆,两边左乘 得 。
的定义
表示 中所有单位(可逆元)构成的集合,关于乘法 构成群。
验证群的四条公理:
- 封闭性: 若 ,则 存在,故 。
- 幺元: ( 本身可逆,)。
- 逆元: 则 (因为 )。
- 结合律: 由环本身的乘法结合律继承。
例子
- (高斯整数环),
例子:
(Euler 函数)
这是因为 在 中可逆当且仅当 与 互素,此时由 Bézout 定理存在整数 使得 ,即 。
经典的域:有理数域与
, 为素数,是一个域。原因:
因为 是素数, 时均有 ,故所有非零元可逆,即 是域。
复数相关的域的例子
验证 是域:设 (即 不全为零,故 ),构造其乘法逆元:
故 (因为 ,),所以每个非零元可逆, 是域。
环同态
定义
定义: 称为环同态,如果 :
Comments
- (由加法群同态得),
- 若 是单射,称 为单同态(嵌入);若 是满射,称 为满同态;若 是双射,称 为同构。
性质
性质 3: 若 、 均含 ,且 是满同态,则 。
证明:,因 满,存在 使 。则 ,故 是 的乘法幺元,即 。
由此可得:若 ,则 ,且 。
证明:,故 是 的右逆,类似可得左逆,故 。
性质 4: 是 的子环。
性质 5: 若 是单射,则 是 到 的同构,称 为嵌入,即 同构嵌入 中。
性质 6: 若 是双射且是环同态,则 是 的自同构 (automorphism)。
子环、子域、扩域
定义
设 是环,,若 本身也构成环,则称 是 的子环 (subring)。
设 是域,,若 本身也构成域,则称 是 的子域 (subfield),记 ,此时 称为 的扩域 (extension field),记 。
例子
- 是 的子环(但不是子域,因为 中非零元不全可逆)
- 是 的子环
- 域的扩张链: 和
环的特征
一般定义
定义: 设环 ,若存在正整数 ,使得 对所有 成立,则把满足此条件的最小正整数 称为 的特征 (characteristic),记作 ;若这样的 不存在,则记 。
这里 表示 的 次加法:。
例:,。
含 1 环的特征(等价刻画)
定义: 若 含 ,只需考察使 成立的最小正整数 ,即为 。
这与一般定义等价,因为 ,故只要 ,就有 对所有 成立。
定理:整环的特征必为素数或 0
定理: 若 是整环且 ,则 为素数。
证明: 设 ,假设 不是素数,则 ,。于是:
因 无零因子,故 或 ,这与 是使 的最小正整数矛盾。故 必为素数。
推论: 域是整环,故域的特征也只能为 或素数 。
- :如 、、
- :如
Frobenius 恒等式
命题: 设 是交换环,( 为素数),则 :
证明: 用二项式定理展开(因 交换,可用):
对 ,,分子含因子 ,而分母 中各因子均小于 ( 为素数故不被整除),从而 。
因此 (在特征 的环中),中间项全为零,得:
同理:
用归纳法可推广至 的幂次:
此映射 在特征 域上是环同态,称为 Frobenius 自同态。
Lec08~10
1. 理想与商环
Def. 理想 ideal
设 是环,。若
- 是 的子群;
- 对任意 ,都有
则称 是 的双边理想,记为 。
如果 是交换环,则左右吸收条件等价,写成
Example. 中的理想
的所有子群都是
并且 对整数乘法封闭吸收,因此 中所有理想都是 。
Def. 商环
设 。先把 看作加法群商群:
定义
Thm. 商环乘法良定义
若 是理想,则 在上述加法、乘法下构成环。
Pf. 关键是乘法 well-defined
若
则
要证
计算:
其中三项都属于 ,因为 对左右乘法吸收,所以 。因此乘法与代表元无关。
注
商环的核心逻辑和商群一样:先用理想 把元素“模掉”,再要求运算不依赖代表元。理想条件正是为了保证乘法良定义。
2. 环同态基本定理
Def. 环同态
映射 称为环同态,如果对任意 ,
若 含 ,有的教材还要求 ;本课程里常用结论是:如果 是满同态,则自动有 。
Def. 核与像
Prop. 是理想
Pf.
若 ,则
故 。
若 ,则
因此 ,所以 。
Thm. 环同态基本定理
若 是满环同态,则
同构映射为
Pf. 证明结构
- 良定义:若 ,则 ,所以
- 同态:
- 单射:
- 满射:由 满射,任意 都有 。
Example
定义
则 是满同态,
因此
3. 由子集生成的理想
Def. 生成理想
设 。 中包含 的最小理想称为由 生成的理想,记为
等价地,
一般非交换情形
若 ,则生成理想由所有有限和构成,大致形如
以及必要的整数倍项。非交换时要同时考虑左乘、右乘和双边夹乘。
交换含 环中
若 是交换含 环,则
即
特别地,单个元素生成的理想为
称 为主理想。
Example
在 中,
若 ,则
原因是 Bézout 等式给出
所以 ,反过来 ,所以 。
4. 主理想整环 PID
Def. PID
设 是整环。如果 中每个理想都是主理想,则称 是主理想整环,简称 PID。
Example
因为 中每个理想都形如 。
在 PID 中 gcd 的理想解释
设 是 PID,。因为
是理想,所以存在 使得
则 是 的最大公因子。
原因:
- ,所以 ;
- 若 ,则 ,从而
于是 ,即 。
特别地
若 互素,即 ,则
等价于存在 ,使得
5. 整除、相伴、不可约元、素元
以下设 是整环。
Def. 整除
设 ,。若存在 ,使得
则称 整除 ,记为
否则记为 。
Def. 相伴 associate
若 ,且
则称 相伴,记为
在整环中,等价于存在单位 ,使得
Pf.
若 ,则
代入得
由于 是整环且 ,所以
因此 是单位,故 只差一个单位因子。
Prop. 相伴与主理想相同
在整环中,若 ,则
Def. 不可约元 irreducible
设 ,,且 不是单位。若
推出 或 是单位,则称 是不可约元。
等价说法: 没有非平凡分解。
Def. 素元 prime element
设 ,,且 不是单位。若
则称 是素元。
Thm. 素元推出不可约元
若 是素元,则 是不可约元。
Pf.
设
则 。由素元定义, 或 。
若 ,则 。代入
因为 是整环且 ,所以 ,故 是单位。另一种情况类似。因此 不可约。
注意
一般整环中:
反方向不一定成立。若 是 UFD,则二者等价。
6. gcd 与 lcm
Def. 最大公因子 gcd
设 。若 满足:
- ,;
- 对任意 ,若 ,则 ;
则称 是 的最大公因子,记为
或
gcd 的唯一性
gcd 不一定唯一,但若存在,则在相伴意义下唯一:
Def. 最小公倍数 lcm
设 。若 满足:
- ,;
- 对任意 ,若 ,则 ;
则称 是 的最小公倍数,记为
lcm 同样只在相伴意义下唯一。
7. UFD:唯一分解整环
Def. UFD
整环 称为唯一分解整环 UFD,如果每个非零非单位元 都能写成不可约元乘积:
并且这种分解在相伴和排列意义下唯一。
也就是说,若
其中 都不可约,则
且存在一个置换 ,使得
Thm. UFD 中不可约元等价于素元
若 是 UFD,则
Pf. 关键方向:不可约推出素
设 不可约,且
则存在 ,使得
把 都分解成不可约元乘积。由于 UFD 分解唯一,左边 的不可约分解中必须出现一个与 相伴的因子。这个因子要么来自 ,要么来自 。因此
故 是素元。
Example. 非 UFD 现象
在
中有经典分解:
这些因子之间不能仅通过单位和排列互相对应,因此该环不是 UFD。常用范数
辅助证明其中某些元素不可约。
8. PID 推出 UFD
Thm.
证明思路
证明分两步:
1. 存在性
若某个非零非单位元 不能分解为不可约元乘积,则 不是不可约元,所以
其中 都不是单位,且 是 的真因子。于是
若 仍不能分解,继续得到严格上升的主理想链:
在 PID 中不存在无限严格上升的理想链,因此矛盾。故分解存在。
2. 唯一性
在 PID 中可证明不可约元是素元:若 不可约,考虑理想 ,它是极大理想,从而是素理想;因此 是素元。素元性质保证分解唯一。
关系图
反向一般不成立。
9. ED:欧几里得整环
Def. 欧几里得函数
整环 称为欧几里得整环 ED,如果存在函数
满足:对任意 ,,存在 ,使得
且
通常还要求 与乘法有一定兼容性,但证明 ED 推出 PID 主要使用除法性质。
Example
因为整数有带余除法。
Thm. ED 推出 PID
Pf.
设 ,。取 ,,使得 在 中最小。
显然
任取 。由欧几里得除法,存在 ,使得
其中 或 。
又因为 ,所以
若 ,则 且 ,与 的选择矛盾。因此 ,从而
所以 。最终
故 是 PID。
Example. PID 但不是 ED
某些二次数环是 PID 但不是 ED,例如课程笔记中提到的形如
是 PID 但不是 ED。
10. 极大理想与素理想
Def. 极大理想 maximal ideal
设 是含 交换环。真理想 称为极大理想,如果不存在真理想 满足
等价地:若 ,则
Thm. 商环判别极大理想
Pf. 思路
- 若 极大。任取 ,即 。由极大性,
所以存在 ,使得
模 得
故每个非零元可逆, 是域。
- 若 是域。若 ,取 。则 ,在 中可逆,所以存在 ,使
即 。又 ,所以 ,故 。因此 极大。
Def. 素理想 prime ideal
真理想 称为素理想,如果
Thm. 商环判别素理想
Pf.
在 中,
若 素,则 推出 或 ,即
所以 无零因子,是整环。反向同理。
Cor. 极大理想一定是素理想
因为
所以
Principal ideal 的素性
设 是整环, 非零非单位。
Pf.
素理想条件给出
等价于
11. 理想的和、交、积
设 。
Def. 理想和
它仍然是理想。
若
称 互素。
Def. 理想交
它仍然是理想。
Def. 理想积
若
则
Prop. 互素理想时交等于积
若 ,则
Pf.
总有
反过来,若 。因为 ,存在 ,使
于是
其中 ,所以 ;,所以 。故 。
12. 中国剩余定理 CRT
环的直积
设 是环,定义
其中运算逐分量进行:
注意:若 ,即使每个 是整环,直积也通常不是整环,因为
Thm. 中国剩余定理
设 是含 交换环, 是两两互素理想,即
令
则
同构映射为
由于两两互素时
所以也常写为
Pf. 证明结构
1. 构造同态
定义
显然 是环同态。
2. 核
两两互素时交等于积,因此
3. 满射
要构造元素 ,使得
因为 与 两两互素,可构造
并满足 。
于是对任意目标
令
则
故 满射。
由环同态基本定理得 CRT。
Example. 整数版 CRT
若 互素,则
更一般地,若 两两互素,则
13. CRT 与 RSA 思路
RSA 中取两个大素数 ,令
则
选择 满足
再取 使
加密:
解密:
因为
要证明
通常分别模 和模 证明:
- 若 ,由费马小定理
- 若 ,则显然
所以总有
同理
由 CRT 得
14. 商域 fraction field
目标
把整环 嵌入到一个域 中,并使 中元素都可以写成
这类似于从 构造 。
构造
设
在 上定义等价关系:
记等价类为
定义
运算
这些运算是良定义的。
Thm. 是域
- 零元:
- 单位元:
- 加法逆元:
- 非零元的乘法逆元:若
则 ,所以
因此 是域。
嵌入
定义
若
\frac a1=rac b1,则
所以 是单射, 可视为 的子环。
最小性
若 是任意包含 的域,则对任意 ,在 中可解释为
因此商域 是包含 的“最小域”。
Example
若 是域,则
15. 局部化 localization
Def. 乘法封闭子集
设 是环,。若
则称 是乘法封闭子集。
通常还要求 ,否则局部化会退化。
Def. 局部化
令
定义等价关系:
若存在 ,使得
当 是整环且 时,可简化为
运算定义为
直觉
局部化就是“强行让 中的元素都变成可逆元”。在 中,若 ,则
16. 素理想与局部化的对应
设 是 的素理想,取
因为 是素理想, 是乘法封闭的:若 ,但 ,由素理想定义推出 或 ,矛盾。
局部化记为
这是在素理想 处的局部化。
从 的素理想到 的素理想
若 是 的素理想,且
则可以扩张成 中的素理想
从 的素理想到 的素理想
若 是 的素理想,则收缩
是 中与 不相交的素理想。
Thm. 素理想对应
中的素理想与 中满足
的素理想一一对应。
对应关系为
两者互逆:
特别情形:
当 时, 的素理想对应于 中包含于 的素理想。
也就是说:
其中 的唯一极大理想为
这就是“局部”的含义:在 附近,只保留包含在 下面的素理想结构。
17. 总结关系图
环与理想
理想判别
分解理论
CRT
若 ,,则
商域与局部化
商域是把所有非零元都变成可逆元;局部化是只把 中的元素变成可逆元。
18. 易混点整理
1. 单位元 vs 单位
- 单位元 identity:乘法幺元 。
- 单位 unit:可逆元素,集合记作 。
例如:
2. 不可约元 vs 素元
不可约元说的是“不能继续分解”;素元说的是“整除乘积则整除某个因子”。
一般整环中:素元一定不可约,但不可约不一定素。
3. gcd 不是真的唯一
在一般整环中,gcd 只在相伴意义下唯一:
在 中常取正的 gcd,是人为选了一个代表元。
4. 和
总有
但等号需要条件。若 ,则
5. CRT 的关键不是“模数互素”,而是“理想互素”
整数版里 互素对应
一般环中写作
6. 商域 vs 局部化
商域是局部化的特殊情况:若 是整环,取
则
Lec11
1. 多项式环的定义
设 是一个环, 表示以 中元素为系数、以 为未定元的多项式环:
这里 是形式符号,不一定代表 中的元素。若
则
不足的系数视为 ;
因此 也是环;若 是交换环,则 也是交换环;若 含 ,则 也含 。
2. 次数与基本性质
设
则 为 的次数,记为:
约定:
常数多项式 的次数为 。注意 多项式不是次数为 ,而是单独约定为 。 对任意 ,有:
若 是整环且 ,最高次项系数不会相乘为 ,所以:
3. 的单位
若 是整环,则:
即 中的可逆元只能是 中的可逆常数。证明:若 ,则
所以 ,二者都是常数。反过来, 中的单位自然也是 中的单位。特别地,若 是域:
4. 不可约元与素元
设 是整环, 且 不是单位。若
只能推出 或 是单位,则称 为不可约元。若
则称 为素元。一般有:
但反过来不一定成立。若 是 UFD,则不可约元等价于素元。
5. 是欧氏整环
设 是域。对 定义欧氏函数:
由于域中非零系数都可逆,所以可以做带余除法:
因此:
于是:
关键点:这里必须是域。若只是整环 , 不一定能带余除法,因为首项系数可能不可逆。
6. 带余除法证明思路
设
写作
因为 是域,所以 存在。令
则 的次数严格小于 。不断重复,就得到:
7. 商环
设 是域,,。由带余除法,任意 都能写成:
所以每个陪集都有唯一代表元:
因此:
作为 -向量空间,它的一组基为:
所以:
若 在 中不可约,则 是极大理想,故:
8. 例:
设 为素数,, 且 不可约,则:
是一个域。每个元素都唯一写成:
所以它有:
个元素。这是构造有限域的基本方法。
9. 最大公因式与 Bezout 等式
在 中,因为 是 PID,所以任意 的最大公因式存在。若 ,则:
因此存在 使得:
特别地:
10. 余数定理
设 是域,,。对 做带余除法:
所以 是常数。代入 得:
因此:
11. 根与重根
设 ,。若
则称 是 在 中的一个根。若存在 ,使得
则称 是 的 重根。等价地:
若 ,称 是单根;若 ,称 是重根。若 且 ,则 在 中至多有 个根,重根按重数计算。
12. 形式导数
设
定义形式导数为:
这里的 表示 加自身 次,不是微积分里的极限导数。形式导数满足:
13. 重根与导数
设 是域,,,且
则:
若 ,则:
所以:
整体判别常写为:
这个判别通常是在 的代数闭包中理解。
14. 常见修正与原因
- 修正 1:不能说 一定是 UFD。正确说法是:若 是 UFD,则 是 UFD;特别地,若 是域,则 是 ED、PID、UFD。原因是一般环 可能有零因子或不可唯一分解。
- 修正 2:带余除法需要 的首项系数可逆。若在 中, 是域,所以一定可做;若在一般 中,不一定可做。
- 修正 3: 需要额外条件,例如 是整环。若 有幂零元, 可能有非常数单位。
- 修正 4: 多项式不是次数为 ,而是约定 。次数为 的是非零常数多项式。
- 修正 5: 不是 PID。虽然 是 PID,但 不是 PID,例如理想 不是主理想。
- 修正 6: 是域的条件是 不可约,不是任意 都可以。若 可约,则商环通常有零因子。
- 修正 7:形式导数不是微积分里的导数,不需要 取实数值。它是按公式定义的代数运算。
15. 本节逻辑总览
Lec12
1. 高斯引理
1.1 content 与本原多项式
设 是 UFD,,写作
定义 的 content 为所有系数的最大公因子:
若 ,则称 是 本原多项式(primitive polynomial)。
修正:你笔记里“系数最大公因子”这里应理解为“系数的 gcd”,不是普通意义上的最大值。因为在 UFD 中没有大小关系,只有整除关系。
1.2 Gauss 引理
若 是 UFD,,则
特别地:
证明思路
只需证“本原 本原仍本原”。若 本原但 不本原,则存在不可约元 使 整除 的所有系数。设
由于 本原,可取最小的 使
且对 有 。考虑 中 的系数:
其中除 外,其他项都被 整除,因此
而 不整除 ,矛盾。故 本原。
1.3 UFD 分式域上的不可约性
设 是 UFD,。若 ,,且 本原,则
证明
“”显然:若在 可约,则在 也可约。 “”:若 在 中可约,设
清分母后可写成
取 content 并用 Gauss 引理,可把 分别化成本原部分,最终得到
这与 在 中不可约矛盾。
修正:这里不能直接说“ 可约 可约”,中间必须用清分母和 Gauss 引理处理。
1.4 例子
在 中:
由 Gauss 引理,判断它在 中是否不可约,可以先在 中判断。
2. Eisenstein 判别法
定理
设 是 UFD,,,,且
若存在不可约元 ,满足:
则 在 中不可约。
证明
反设 在 中可约,其中
由常数项
且 ,可设
因为最高次项
且 ,所以
取最小的 使 。则 。看 的系数:
由 ,条件给出 ;又 ,所以除 外其余项都被 整除。于是
但 且 ,矛盾。故 不可约。
例 1
取 Eisenstein 素数 ,有
故 在 中不可约。
例 2:圆分多项式型
设 为素数:
直接用 Eisenstein 不明显。令 ,则
除首项外所有系数被 整除,常数项为 ,不被 整除,故 不可约,从而 不可约。
修正:笔记里写“令 看不可约性”时,要明确是做变量代换 。因为代换 是 的自同构,会保持不可约性。
3. 域扩张与线性空间
3.1 域扩张
若 且 都是域,并且 的运算限制到 上就是 的运算,则称 是 的扩域,记作
例:
3.2 扩域自然成为线性空间
若 是域扩张,则 可以看作 上的线性空间。数乘定义为域中乘法:
满足:
3.3 扩张次数
定义 作为 -线性空间的维数为扩张次数:
若 ,称 是有限扩张。
3.4 次数乘法定理
若
且 、 都有限,则
证明
设 是 的一组基, 是 的一组基。证明
是 的一组基。 生成性:任取 ,由于 是 的基,
又 ,,所以
线性无关性:若
整理为
因 在 上线性无关,得
再由 在 上线性无关,得 。故结论成立。
例子
因为 是 在 上的一组基。
4. 由元素生成的域
4.1 与
设 是扩域,。
这是 中包含 和 的最小子环。
这是 中包含 和 的最小子域。
易混点: 是“多项式代入”得到的环, 允许分式,因此是域。一般有 。
4.2 多元情形
若 ,则
5. 代数元与超越元
5.1 定义
设 是域扩张,。若存在非零多项式 使
则称 是 上的代数元。否则称 是 上的超越元。
例:
而 是 上的超越数。
5.2 有限扩张一定是代数扩张
若 ,则任意 都是 上的代数元。
证明
设 。考虑 个元素
它们在 维 -线性空间 中必线性相关,故存在不全为零的 使
即 是某个非零多项式的根,所以 代数。
修正:有限扩张 每个元素代数;反过来“一切元素代数”不一定推出有限扩张,除非还要求有限生成等条件。
6. 极小多项式
6.1 定义
设 是扩域, 是代数元。所有使 为根的多项式构成理想:
由于 是 PID,所以
其中 可取为首一多项式。称 为 在 上的极小多项式,记作
6.2 等价刻画
是 在 上的极小多项式,当且仅当:
- ;
- 首一;
- 在所有使 为根的非零多项式中次数最小;
- 在 中不可约。
6.3 为什么极小多项式不可约
反设
且 。代入 得
由于 是域,故无零因子,所以
这与 的次数最小性矛盾。故 不可约。
6.4 根与理想的关系
若 ,则
原因是 ,所有使 为根的多项式都是 的倍数。
7. 单代数扩张
7.1 定义
若 是扩域, 是代数元,则 称为单代数扩张。
7.2 核心定理
设 是 上代数元,极小多项式为
且
则
并且
更具体地,
且
是 在 上的一组基。
证明
定义代入同态:
则 是满同态,且
由环同构定理:
因为 在 中不可约,而 是 PID,所以 是极大理想,故
是域。因此 本身就是域。由于 是包含 的最小域,得到
又由带余除法,每个陪集都有唯一代表元
所以每个元素都可唯一写为
故扩张次数为 。
例子
中, 的极小多项式是
由 Eisenstein 判别法, 在 中不可约,所以
一组基为
例子:加入三次单位根
令
则
所以
一组基为
因此
这里通常为
原因是 在 上仍不可约,等价于 。
修正:计算这种复合扩张次数时不能只把两个次数直接相乘,必须检查后一层的极小多项式在中间域上是否仍不可约。
8. 常见修正与原因
修正 1:content 不是“最大系数”
原因:UFD 中讨论的是整除结构,不是大小顺序。
修正 2:Eisenstein 中 要不可约
在 中通常说 是素数;在一般 UFD 中应说 是不可约元/素元。条件是:
修正 3: 和 不总相等
若 代数,则
若 超越,则一般
例如:
修正 4:极小多项式必须首一
极小多项式通常规定为首一不可约多项式。若只说“次数最小”,还差一个单位倍数的不唯一性。
修正 5:有限扩张推出代数,但代数不一定有限
反方向一般不成立。