Lec 03

1. 生成子群(Generated Subgroup)

定义

为群,,定义

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
  • ,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

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:,则

证明:

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:,则 的全部子群为: (即 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):

,令 ,断言

反证:设 。由带余除法 ,则

的最小性矛盾。故

推论: 无限循环群 的生成元恰好是

定理 2(有限循环群)

定理:,则 的全部子群为:

证明: 对任意 ,若 (即 ),令

(同上面的论证)。只需证

  • :由 Lagrange,,但 ,矛盾。
  • ,故 ,与 矛盾。

重要推论(Comments):

① 对 ,存在 唯一阶为 的子群。

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

的自同构,令 ,则

  • 时: ,故自同构只有两个:

  • 时: ,故


6. 应用:离散对数问题与 ElGamal 加密

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

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:(即 ),(即 ),需要 ,即

推导过程:

定义

定义: 为群,。若对 均有 则称 正规子群,记作 (或 )。

等价条件: (左右陪集相同)。

Comments:

  1. 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)。
  2. 为 Abel 群,则 的任何子群均为正规子群(normal)。

商群

定理:,则 是群,称为 关于 商群,其中运算为

,则 ,运算


8. 同态基本定理(First Isomorphism Theorem)

ker(f) 是正规子群

是群同态,则

证明: 对任意

,即 。(注: 等价)故

定理

同态基本定理: 是满同态,则 同构映射为

证明:

① Well-defined:(即 ,即 ),则

与代表元选取无关。

② 同态:

③ 单射:

④ 满射: 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

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)