4: Підгрупи
Відтепер, якщо не вказано інше,G буде позначати групу, бінарна операція якої позначаєтьсяa \cdot b або простоab дляa,b \in G. ІдентичністьG будеe позначена а зворотнаa \in G буде позначенаa^{-1}. Іноді, однак, нам може знадобитися обговорити групи, операції яких розглядаються як додавання. У таких випадках пишемоa + b замістьab. Також в цьому випадку ідентичність позначається0 іa \in G позначається зворотне від-a. Визначення та результати, наведені за допомогою мультиплікативних позначень, завжди можуть бути переведені на адитивні позначення, якщо це необхідно.
GДозволяти бути групою. ПідгрупаG - це підмножинаH,G яка задовольняє наступним трьом умовам:
- e \in H.
- Якщоa,b \in H, тоab \in H.
- Якщоa \in H, тоa^{-1} \in H.
Для зручності ми інодіH \le G пишемо означає, щоH є підгрупоюG.
Завдання 4.1 Переведіть наведене вище визначення в адитивні позначення.
ЯкщоH є підгрупоюG, то двійкова операція,G коли обмежена до,H є двійковою операцією наH. З визначення можна легко показати, що підгрупаH є групою самостійно по відношенню до цієї двійкової операції. Багато прикладів груп можна отримати таким чином. Насправді, таким чином, ми зробимо точні пізніше, кожна кінцева група може розглядатися як підгрупа однієї з групS_n.
Проблема 4.2 Доведіть,G що якщо якась група, то
- \{e \} \le G.
- G \le G.
Підгрупи\{e \} іG, як кажуть, є тривіальними підгрупамиG.
Проблема 4.3
(a) Визначте, які з наступних підмножинS_4 є підгрупамиS_4.
- H=\{ \iota, (1 \ 2), (3 \ 4), (1 \ 2) (3 \ 4) \}
- K=\{ \iota, (1 \ 2 \ 3), ( 1 \ 3 \ 2) \}
- J=\{ \iota, (1 \ 2), (1 \ 2 \ 3) \}
- L=\{\sigma\in S_4 \ | \ \sigma(1) = 1\}.
(b) Визначте, які з наступних підмножин\mathbb{Z}_{12} є підгрупами\mathbb{Z}_{12}. (Тут двійкова операція додавання по модулю 12.)
- A=\{ 0, 3, 6, 9, \}
- B=\{ 0, 6 \}
- C=\{0, 1,2,3,4,5 \}
(c) Визначте, які з наступних підмножин\mathbb{Z} є підгрупами\mathbb{Z}. (Тут двійкова операція - додавання.)
- U=\{ 5k \ \vert k \ \in \mathbb{Z}\}
- V=\{ 5k + 1 \ \vert \ k \in \mathbb{N}\}
- W=\{ 5k +1 \ \vert \ k \in \mathbb{Z}\}
Проблема 4.4SL(2,\mathbb{R}) = \{ A \in GL(2,\mathbb{R}) \, \vert \, \det(A) = 1 \}. Дозвольте довести цеSL(2,\mathbb{R}) \le GL(2,\mathbb{R}).
SL(2,\mathbb{R})називається спеціальною лінійною групою ступеня 2 над\mathbb{R}
Завдання 4.5 Дляn \in \mathbb{N}, нехайA_n буде набір всіх парних перестановок в групіS_n. Показати, щоA_n є підгрупоюS_n.
A_nназивається чередується групою ступеняn.
Завдання 4.6 Перерахуйте елементиA_n forn = 1, 2, 3, 4. Виходячи з цього спробуйте вгадати порядокA_n дляn > 4.
aДозволяти бути елементом групиG. Якщо існуєn \in \mathbb{N} таке, щоa^n = e ми говоримо, щоa має кінцевий порядок. І ми визначаємо\mathrm{o}(a) = \min \{ n \in \mathbb{N} \, | \, a^n=e \} Якщоa^n \ne e для всіхn \in \mathbb{N}, ми говоримо, щоa має нескінченний порядок, і ми визначити\mathrm{o}(a)=\infty. У будь-якому випадку ми\mathrm{o}(a) називаємо порядокa.
Уважно зверніть увагу на різницю між порядком групи та порядком елемента групи. Деякі автори погіршують ситуацію, використовуючи однакові позначення для обох понять. Можливо, використовуючи різні позначення, це полегшить розрізнення двох понять.
Якщоn \ge 2, довести, що\mathrm{o}(a)=n ми повинні показати, щоa^i \ne e дляi=1, 2, \dots, n-1 іa^n =e. Зверніть увагу також, щоa=e якщо і тільки якщо\mathrm{o}(a)=1. Таким чином, кожен елемент групи, крімe має порядокn \ge 2 або\infty.
Завдання 4.7 Переведіть наведене вище визначення в адитивні позначення. Тобто визначити порядок елемента групиG з двійковою операцією+ та ідентичністю, позначеною 0.
Завдання 4.8 Знайти порядок кожного елементаS_3.
Задача 4.9 Знайти порядокk -циклу, колиk=2,3,4,5. Вгадайте порядокk -циклу для довільногоk.
Завдання 4.10 Знайдіть порядок наступних перестановок:
(а)(1 \ 2) (3 \ 4 \ 5)
(б)(1 \ 2) ( 3 \ 4) (5 \ 6 \ 7 \ 8)
(c)(1 \ 2) ( 3 \ 4) (5 \ 6 \ 7 \ 8) ( 9 \ 10 \ 11)
(d) Спробуйте знайти правило для обчислення порядку виробу нероз'єднаних циклів з точки зору розмірів циклів.
Завдання 4.11 Знайти порядок кожного елемента групи(\mathbb{Z}_6,+).
Завдання 4.12 Знайти порядок кожного елементаGL(2,\mathbb{Z}_2). [Нагадаємо, щоGL(2,\mathbb{Z}_2) це група всіх2 \times 2 матриць з записами вZ_2 з ненульовим визначником. Нагадаємо, що\mathbb{Z}_2 = \{ 0, 1 \} і операції множення і додавання по модулю 2.]
Задача 4.13 Знайти порядок елемента 2 в групі(\mathbb{R}-\{ 0 \},\cdot). Чи є елементи скінченного порядку в цій групі?
aДозволяти бути елементом групиG. Визначити\langle a \rangle = \{ a^i: i \in \mathbb{Z}\}. Ми\langle a \rangle називаємо підгрупуG згенерованихa.
Зверніть увагу, що\langle a \rangle = \{ \ldots, a^{-3}, a^{-2}, a^{-1}, a^0, a^1, a^2, a^3, \ldots \}. Зокрема,a = a^1 іe = a^0 знаходяться в\langle a \rangle.
Завдання 4.14 Перевести наведене вище визначення\langle a \rangle і зауваження в адитивні позначення.
Для кожногоa в групіG,\langle a \rangle є підгрупаG. \langle a \rangleміститьa і є найменшою підгрупоюG, що міститьa. \blacksquare
Доказ Як тільки що зазначалосяe=a^0 \in \langle a \rangle. Нехайa^n,a^m \in \langle a \rangle. Оскільки з теореми 2.4n+m \in \mathbb{Z} випливає, щоa^na^m = a^{n+m} \in \langle a \rangle. також з теореми 2.4a^n \in \langle a \rangle, якщо, оскількиn(-1) = -n ми маємо(a^n)^{-1} = a^{-n} \in \langle a \rangle. Це доводить, що\langle a \rangle це підгрупа.
Так якa=a^1 зрозуміло, щоa \in \langle a \rangle. ЯкщоH є якась підгрупа,G що міститьa, оскількиH закривається під прийом продуктів і прийому інверсів,a^n \in \langle a \rangle для кожногоn \in \mathbb{Z}. Отже\langle a \rangle \subseteq H. Тобто кожна підгрупа,G що міститьa також містить\langle a \rangle. Це означає, що\langle a \rangle є найменшою підгрупоюG, що міститьa.
GДозволяти бути групою і нехайa \in G. Якщо\mathrm{o}(a)=1, то\langle a \rangle = \{e\}. Якщо\mathrm{o}(a) = n деn \ge 2, то\langle a \rangle = \{ e, a, a^2, \ldots, a^{n-1} \} і елементиe, a, a^2, \ldots, a^{n-1} відрізняються, тобто\mathrm{o}(a) = \vert \langle a \rangle \vert.\blacksquare
Доказ Припустимо, що\mathrm{o}(a) = n. Справаn=1 залишається на розгляд читача. Припустимоn \ge 2. Треба довести дві речі.
- Якщоi \in \mathbb{Z} тодіa^i \in \{ e, a, a^2, \ldots, a^{n-1} \}.
- Елементиe, a, a^2, \ldots, a^{n-1} виразні.
Для встановлення 1 зауважимо, що якщоi є будь-яке ціле число, ми можемо записати його у виглядіi=nq+r деr \in \{ 0, 1, \dots, n-1 \}. qОсь частка іr є залишком, колиi ділиться наn. Тепер, використовуючи теорему [Th2.3] ми маємоa^i=a^{nq+r}=a^{nq}a^r=(a^n)^qa^r = e^qa^r=ea^r=a^r. Це доводить 1. Щоб довести 2, припустимо, щоa^i = a^j де0 \le i < j \le n-1. Звідси випливає, щоa^{j-i} = a^{j + (-i)} = a^ja^{-i} = a^ia^{-i}=a^0=e. Алеj-i є додатним цілим числом меншеn, томуa^{j-i} =e суперечить тому, що\textrm{o}(a) =n. Так що припущення,0 \le i < j \le n-1 щоa^i = a^j де хибне. Це означає, що 2 тримає. Звідси випливає, що\langle a \rangle містить самеn елементи, тобто\mathrm{o}(a) = \vert \langle a \rangle \vert.
ЯкщоG є скінченною групою, то кожен елементG має скінченний порядок. \blacksquare
Доказa Дозволяти бути будь-яким елементомG. Розглянемо нескінченнийa^1, a^2, a^3, \dots, a^i, \dots список елементів вG. ОскількиG є кінцевим, всі елементи у списку не можуть відрізнятися. Таким чином, повинні бути позитивні цілі числаi < j такі, щоa^i = a^j. Оскількиi < j,j-i є натуральним числом. Тоді за допомогою теореми 2.4 ми маємоa^{j-i} = a^{j + (-i)} = a^ja^{-i} = a^ia^{-i}=a^0=e. Тобто,a^n = e для позитивного цілого числаn=j-i. Такa має кінцевий порядок, що і є те, що ми хотіли довести.
Задача 4.15 Для кожного виборуG і кожного заданогоa \in G переліку всіх елементів\langle a \rangle підгрупиG.
- G=S_3,a=( 1 \ 2).
- G=S_3,a=( 1 \ 2 \ 3 ).
- G=S_4,a= ( 1 \ 2 \ 3 \ 4).
- G=S_4,a=( 1 \ 2)( 3 \ 4).
- G=\mathbb{Z},a=5.
- G=\mathbb{Z},a=-1.
- G=\mathbb{Z}_{15},a=5.
- G=\mathbb{Z}_{15},a=1.
- G=GL(2,\mathbb{Z}_2),a= \left ( \begin{array} {cc} 1&1\\0&1 \end{array}\right).
- G=GL(2,\mathbb{R}),a= \left ( \begin{array} {cr} 0&-1 \\ 1&0 \end{array}\right).
Задача 4.16a Припустимо, що елемент групи іo(a)= n. Доведіть, щоa^m = e якщо і тільки якщоn \, \vert \, m. [Підказка: Алгоритм поділу з Додатка C може бути корисним для доказу в одному напрямку.]