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)