4: Підгрупи
Відтепер, якщо не вказано інше,G буде позначати групу, бінарна операція якої позначаєтьсяa⋅b або простоab дляa,b∈G. ІдентичністьG будеe позначена а зворотнаa∈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∈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∈H.
- Якщоa,b∈H, тоab∈H.
- Якщоa∈H, тоa−1∈H.
Для зручності ми інодіH≤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 групSn.
Проблема 4.2 Доведіть,G що якщо якась група, то
- {e}≤G.
- G≤G.
Підгрупи{e} іG, як кажуть, є тривіальними підгрупамиG.
Проблема 4.3
(a) Визначте, які з наступних підмножинS4 є підгрупамиS4.
- H={ι,(1 2),(3 4),(1 2)(3 4)}
- K={ι,(1 2 3),(1 3 2)}
- J={ι,(1 2),(1 2 3)}
- L={σ∈S4 | σ(1)=1}.
(b) Визначте, які з наступних підмножинZ12 є підгрупамиZ12. (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 підмножинZ є підгрупамиZ. (Тут двійкова операція - додавання.)
- U={5k |k ∈Z}
- V={5k+1 | k∈N}
- W={5k+1 | k∈Z}
Проблема 4.4SL(2,R)={A∈GL(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 Дляn∈N, 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.
aДозволяти бути елементом групиG. Якщо існуєn∈N таке, щоan=e ми говоримо, щоa має кінцевий порядок. І ми визначаємоo(a)=min{n∈N|an=e} Якщоan≠e для всіхn∈N, 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.
Якщоn≥2, довести, щоo(a)=n ми повинні показати, щоai≠e дляi=1,2,…,n−1 іan=e. Зверніть увагу також, щоa=e якщо і тільки якщоo(a)=1. Таким чином, кожен елемент групи, крімe має порядокn≥2 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?
aДозволяти бути елементом групиG. Визначити⟨a⟩={ai:i∈Z}. Ми⟨a⟩ називаємо підгрупуG згенерованихa.
Зверніть увагу, що⟨a⟩={…,a−3,a−2,a−1,a0,a1,a2,a3,…}. Зокрема,a=a1 іe=a0 знаходяться в⟨a⟩.
Завдання 4.14 Перевести наведене вище визначення⟨a⟩ і зауваження в адитивні позначення.
Для кожногоa в групіG,⟨a⟩ є підгрупаG. ⟨a⟩міститьa і є найменшою підгрупоюG, що міститьa. ◼
Доказ Як тільки що зазначалосяe=a0∈⟨a⟩. Нехайan,am∈⟨a⟩. Оскільки з теореми 2.4n+m∈Z випливає, щоanam=an+m∈⟨a⟩. також з теореми 2.4an∈⟨a⟩, якщо, оскількиn(−1)=−n ми маємо(an)−1=a−n∈⟨a⟩. Це доводить, що⟨a⟩ це підгрупа.
Так якa=a1 зрозуміло, щоa∈⟨a⟩. ЯкщоH є якась підгрупа,G що міститьa, оскількиH закривається під прийом продуктів і прийому інверсів,an∈⟨a⟩ для кожногоn∈Z. Отже⟨a⟩⊆H. Тобто кожна підгрупа,G що міститьa також містить⟨a⟩. Це означає, що⟨a⟩ є найменшою підгрупоюG, що міститьa.
GДозволяти бути групою і нехайa∈G. Якщоo(a)=1, то⟨a⟩={e}. Якщоo(a)=n деn≥2, то⟨a⟩={e,a,a2,…,an−1} і елементиe,a,a2,…,an−1 відрізняються, тобтоo(a)=|⟨a⟩|.◼
Доказ Припустимо, щоo(a)=n. Справаn=1 залишається на розгляд читача. Припустимоn≥2. Треба довести дві речі.
- Якщоi∈Z тодіai∈{e,a,a2,…,an−1}.
- Елементиe,a,a2,…,an−1 виразні.
Для встановлення 1 зауважимо, що якщоi є будь-яке ціле число, ми можемо записати його у виглядіi=nq+r деr∈{0,1,…,n−1}. 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 де0≤i<j≤n−1. Звідси випливає, щоaj−i=aj+(−i)=aja−i=aia−i=a0=e. Алеj−i є додатним цілим числом меншеn, томуaj−i=e суперечить тому, щоo(a)=n. Так що припущення,0≤i<j≤n−1 щоai=aj де хибне. Це означає, що 2 тримає. Звідси випливає, що⟨a⟩ містить самеn елементи, тобтоo(a)=|⟨a⟩|.
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,j−i є натуральним числом. Тоді за допомогою теореми 2.4 ми маємоaj−i=aj+(−i)=aja−i=aia−i=a0=e. Тобто,an=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∈G переліку всіх елементів⟨a⟩ підгрупиG.
- G=S3,a=(1 2).
- G=S3,a=(1 2 3).
- G=S4,a=(1 2 3 4).
- G=S4,a=(1 2)(3 4).
- G=Z,a=5.
- G=Z,a=−1.
- G=Z15,a=5.
- G=Z15,a=1.
- G=GL(2,Z2),a=(1101).
- G=GL(2,R),a=(0−110).
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.]