Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

4: Підгрупи

Відтепер, якщо не вказано інше,G буде позначати групу, бінарна операція якої позначаєтьсяab або простоab дляa,bG. ІдентичністьG будеe позначена а зворотнаaG буде позначенаa1. Іноді, однак, нам може знадобитися обговорити групи, операції яких розглядаються як додавання. У таких випадках пишемоa+b замістьab. Також в цьому випадку ідентичність позначається0 іaG позначається зворотне відa. Визначення та результати, наведені за допомогою мультиплікативних позначень, завжди можуть бути переведені на адитивні позначення, якщо це необхідно.

Визначення 4.1:

GДозволяти бути групою. ПідгрупаG - це підмножинаH,G яка задовольняє наступним трьом умовам:

  1. eH.
  2. Якщоa,bH, тоabH.
  3. ЯкщоaH, тоa1H.

Для зручності ми інодіHG пишемо означає, щоH є підгрупоюG.

Завдання 4.1 Переведіть наведене вище визначення в адитивні позначення.

Зауваження

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 групSn.

Проблема 4.2 Доведіть,G що якщо якась група, то

  1. {e}G.
  2. GG.

Підгрупи{e} іG, як кажуть, є тривіальними підгрупамиG.

Проблема 4.3

(a) Визначте, які з наступних підмножинS4 є підгрупамиS4.

  1. H={ι,(1 2),(3 4),(1 2)(3 4)}
  2. K={ι,(1 2 3),(1 3 2)}
  3. J={ι,(1 2),(1 2 3)}
  4. L={σS4 | σ(1)=1}.

(b) Визначте, які з наступних підмножинZ12 є підгрупамиZ12. (Тут двійкова операція додавання по модулю 12.)

  1. A={0,3,6,9,}
  2. B={0,6}
  3. C={0,1,2,3,4,5}

(c) Визначте, які з наступних підмножинZ є підгрупамиZ. (Тут двійкова операція - додавання.)

  1. U={5k |k Z}
  2. V={5k+1 | kN}
  3. W={5k+1 | kZ}

Проблема 4.4SL(2,R)={AGL(2,R)|det(A)=1}. Дозвольте довести цеSL(2,R)GL(2,R).

SL(2,R)називається спеціальною лінійною групою ступеня 2 надR

Завдання 4.5 ДляnN, нехайAn буде набір всіх парних перестановок в групіSn. Показати, щоAn є підгрупоюSn.

Anназивається чередується групою ступеняn.

Завдання 4.6 Перерахуйте елементиAn forn=1,2,3,4. Виходячи з цього спробуйте вгадати порядокAn дляn>4.

Визначення 4.2:

aДозволяти бути елементом групиG. Якщо існуєnN таке, щоan=e ми говоримо, щоa має кінцевий порядок. І ми визначаємоo(a)=min{nN|an=e} Якщоane для всіхnN, ми говоримо, щоa має нескінченний порядок, і ми визначитиo(a)=. У будь-якому випадку миo(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.

Якщоn2, довести, щоo(a)=n ми повинні показати, щоaie дляi=1,2,,n1 іan=e. Зверніть увагу також, щоa=e якщо і тільки якщоo(a)=1. Таким чином, кожен елемент групи, крімe має порядокn2 або.

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 елементаS3.

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(Z6,+).

Завдання 4.12 Знайти порядок кожного елементаGL(2,Z2). [Нагадаємо, щоGL(2,Z2) це група всіх2×2 матриць з записами вZ2 з ненульовим визначником. Нагадаємо, щоZ2={0,1} і операції множення і додавання по модулю 2.]

Задача 4.13 Знайти порядок елемента 2 в групі(R{0},). Чи є елементи скінченного порядку в цій групі?

Визначення 4.3:

aДозволяти бути елементом групиG. Визначитиa={ai:iZ}. Миa називаємо підгрупуG згенерованихa.

Зауваження

Зверніть увагу, щоa={,a3,a2,a1,a0,a1,a2,a3,}. Зокрема,a=a1 іe=a0 знаходяться вa.

Завдання 4.14 Перевести наведене вище визначенняa і зауваження в адитивні позначення.

Теорема4.1

Для кожногоa в групіG,a є підгрупаG. aміститьa і є найменшою підгрупоюG, що міститьa.

Доказ Як тільки що зазначалосяe=a0a. Нехайan,ama. Оскільки з теореми 2.4n+mZ випливає, щоanam=an+ma. також з теореми 2.4ana, якщо, оскількиn(1)=n ми маємо(an)1=ana. Це доводить, щоa це підгрупа.

Так якa=a1 зрозуміло, щоaa. ЯкщоH є якась підгрупа,G що міститьa, оскількиH закривається під прийом продуктів і прийому інверсів,ana для кожногоnZ. ОтжеaH. Тобто кожна підгрупа,G що міститьa також міститьa. Це означає, щоa є найменшою підгрупоюG, що міститьa.

Теорема4.2

GДозволяти бути групою і нехайaG. Якщоo(a)=1, тоa={e}. Якщоo(a)=n деn2, тоa={e,a,a2,,an1} і елементиe,a,a2,,an1 відрізняються, тобтоo(a)=|a|.

Доказ Припустимо, щоo(a)=n. Справаn=1 залишається на розгляд читача. Припустимоn2. Треба довести дві речі.

  1. ЯкщоiZ тодіai{e,a,a2,,an1}.
  2. Елементиe,a,a2,,an1 виразні.

Для встановлення 1 зауважимо, що якщоi є будь-яке ціле число, ми можемо записати його у виглядіi=nq+r деr{0,1,,n1}. qОсь частка іr є залишком, колиi ділиться наn. Тепер, використовуючи теорему [Th2.3] ми маємоai=anq+r=anqar=(an)qar=eqar=ear=ar. Це доводить 1. Щоб довести 2, припустимо, щоai=aj де0i<jn1. Звідси випливає, щоaji=aj+(i)=ajai=aiai=a0=e. Алеji є додатним цілим числом меншеn, томуaji=e суперечить тому, щоo(a)=n. Так що припущення,0i<jn1 щоai=aj де хибне. Це означає, що 2 тримає. Звідси випливає, щоa містить самеn елементи, тобтоo(a)=|a|.

Теорема4.3

ЯкщоG є скінченною групою, то кожен елементG має скінченний порядок.

Доказa Дозволяти бути будь-яким елементомG. Розглянемо нескінченнийa1,a2,a3,,ai, список елементів вG. ОскількиG є кінцевим, всі елементи у списку не можуть відрізнятися. Таким чином, повинні бути позитивні цілі числаi<j такі, щоai=aj. Оскількиi<j,ji є натуральним числом. Тоді за допомогою теореми 2.4 ми маємоaji=aj+(i)=ajai=aiai=a0=e. Тобто,an=e для позитивного цілого числаn=ji. Такa має кінцевий порядок, що і є те, що ми хотіли довести.

Задача 4.15 Для кожного виборуG і кожного заданогоaG переліку всіх елементівa підгрупиG.

  1. G=S3,a=(1 2).
  2. G=S3,a=(1 2 3).
  3. G=S4,a=(1 2 3 4).
  4. G=S4,a=(1 2)(3 4).
  5. G=Z,a=5.
  6. G=Z,a=1.
  7. G=Z15,a=5.
  8. G=Z15,a=1.
  9. G=GL(2,Z2),a=(1101).
  10. G=GL(2,R),a=(0110).

Задача 4.16a Припустимо, що елемент групи іo(a)=n. Доведіть, щоam=e якщо і тільки якщоn|m. [Підказка: Алгоритм поділу з Додатка C може бути корисним для доказу в одному напрямку.]