67575

Циклические группы

Лекция

Математика и математический анализ

Определение Группа G называется циклической если все ее элементы являются степенями одного элемента. Примеры циклических групп: Группа Z целых чисел с операцией сложения. Группа всех комплексных корней степени n из единицы с операцией умножения. Поскольку группа является циклической и элемент g = образующий.

Русский

2014-09-12

169 KB

8 чел.

Лекция 4

Циклические группы.

Определение

Группа G называется циклической, если все ее элементы являются степенями одного элемента . Этот элемент g называется образующим циклической группы G.

Примеры циклических групп:

Группа  Z  целых чисел с операцией сложения.

Группа   всех комплексных корней степени n из единицы с операцией умножения. Поскольку , группа является циклической и элемент g=  -образующий .

Мы видим, что циклические группы могут быть как конечными так и бесконечными.

Пусть (G,*) - произвольная группа и произвольный элемент. Множество   является циклической группой с образующим элементом g . Она называется циклической подгруппой, порожденной элементом g, а ее порядок  - порядком элемента g. По теореме Лагранжа порядок элемента является делителем порядка группы. Отображение

    действующее по формуле: , очевидно является

    гомоморфизмом и его образ совпадает с . Отображение  сюръективно      тогда и только тогда, когда группа G - циклическая и g ее образующий элемент. В этом случае будем называть  стандартным гомоморфизмом для циклической группы G c выбранной образующей g . 

Применяя в этом случае теорему о гомоморфизме,  мы получаем важное свойство циклических групп: всякая циклическая группа является гомоморфным образом группы Z .

Поскольку , всякая циклическая группа коммутативна и мы будем использовать аддитивную запись, так что n-ая степень g будет выглядеть как ng и называться n-кратным элемента g, а нейтральный элемент G мы будем называть нулем и обозначать 0.  

Условимся еще о следующем обозначении. Если F произвольная  группа, записанная аддитивно, то nF будет обозначать подмножество, элементами которого являются n-кратные элементов из F. Если группа F коммутативна, то nF - подгруппа F поскольку  n(x-y)=nx-ny.

Теорема о подгруппах группы Z

Если H -подгруппа группы Z , то H=nZ , где n - некоторое неотрицательное целое число и значит H - циклическая группа с образующим элементом n.

Доказательство:

Если H-тривиальная подгруппа, то теорема верна и n=0. Пусть H нетривиальна. В этом случае в H содержатся ненулевые числа и  противоположные к ним, а значит и положительные целые. Обозначим наименьшее из них буквой n. Тогда . Если  - любое число, то разделив m на n с остатком, получим: m=kn+r, причем . Но тогда r=m-kn и значит r=0. Поэтому H =nZ , что и требовалось. 

Замечание.

Если k 0 - любое целое, то отображение  определенное формулой  является изоморфизмом и отображает подгруппу  на подгруппу  , а значит определяет изоморфизм .

Теорема о структуре циклических групп

Всякая бесконечная циклическая группа изоморфна Z . Всякая конечная циклическая группа порядка n изоморфна Z/nZ.

Доказательство.

Как было отмечено выше, всякая циклическая группа G изоморфна Z/H, где H - некоторая подгруппа Z. По предыдущей теореме H=nZ, где . Если n=0, G изоморфна Z и, следовательно, бесконечна. Если n>0, Z разбивается на n смежных классов: nZ, nZ+1, nZ+2, ..., nZ+(n-1) и потому факторгруппа Z/H имеет порядок n.

В дальнейшем группу Z/nZ будем обозначать . В частности, .

Отметим, что в наших обозначениях,  - тривиальная группа.

Элементами конечной группы  по определению являются смежные классы:

{nZ, nZ+1, ... , nZ+n-1}, которые обозначаются  и называются вычетами по модулю n , а операция в - сложением по модулю n.

Теорема о подгруппах группы (n>0).

Если H подгруппа группы , то H=  причем n делится на m нацело. Порядок H равен  =d , и значит .

Доказательство.

Рассмотрим стандартный гомоморфизм . K= - подгруппа Z и значит K=mZ для некоторого целого m. Отсюда следует, что H= . При этом  и потому n=dm где d -  целое.  По теореме о гомоморфизме  .

Из доказанных теорем следует, что всякая подгруппа циклической группы циклична. Мы видим также, что для каждого целого d, делящего порядок n конечной циклической группы имеется и притом ровно одна подгруппа порядка d, то есть для конечных циклических групп справедлива теорема обратная теореме Лагранжа.

Дальнейшее изучение структуры циклических групп опирается на один результат о делимости целых чисел, который мы сейчас и изложим.

Напомним, что для любых целых n и m определен их наибольший общий делитель d=(n,m). Если n 0 и m 0, то d - это наибольшее целое число на которое без остатка делятся  n и m. (0,m)=(m,0)=m по определению. Числа, для которых (n,m)=1 называются взаимно простыми.

Основная теорема теории делимости.

Если числа n и m взаимно просты, то можно подобрать два таких целых x и y, что  xn+ym=1.

*Доказательство.

Поскольку числа n и m ненулевые, nn+0m= >0. Значит среди чисел вида xn+ym есть положительные. Пусть s=xn+ym - наименьшее положительное число этого вида. Предположим, что s>1. Тогда s> (n,m) и потому либо n либо m (пусть n) не делится на s нацело. Значит n=ks+r, где 0< r<s. В этом случае r=n-ks = n-k(xn+ym)= (1-kx)n+(-ky)m. Это противоречит выбору числа s и значит, s=1.

Следствие.

Для всяких целых n и m можно подобрать такие целые x и y, что xn+ym=(n,m).

В самом деле , если n или m равно 0, то утверждение очевидно. Если же (n,m)>0, то числа  и   взаимно просты и по доказанной теореме для подходящих x и y имеем: , откуда и следует сформулированный результат.*

Теорема о порядках элементов конечных циклических групп.

Пусть p0 любое целое. Вычет в группе  имеет порядок v=n/(n,p).

Доказательство.

Пусть (n,p)=d. Поскольку p/d - целое число, имеем: ===, откуда следует, что порядок не превосходит v. С другой стороны, если порядок  равен k, то k=, то есть kp делится на n. По основной теореме теории делимости d=xn+yp и значит kd=kxn+ykp также делится на n. Но если k<v=n/d , то 0<kd<n не может делиться на n.

Следствие.

В группе  образующими элементами являются в точности те вычеты, для которых (n,p)=1.

Заметим также, что образующими элементами в Z являются , очевидно, только 1 и -1.

В качестве еще одного применения основной теоремы теории делимости приведем интересный пример конечной группы. Рассмотрим множество  тех вычетов  по модулю n, для которых (m,n)=1. Проверим, что относительно умножения по модулю n эти вычеты составляют группу, называемую мультипликативной группой вычетов по модулю n. Ассоциативность умножения очевидна. Также очевидно, что вычет  является нейтральным элементом. Остается проверить наличие обратного элемента. Пусть . По основной теореме найдутся такие x и y, что xm+yn=1. Переходя к вычетам, находим: = , откуда видно, что .

Группа не всегда циклична. Например, легко проверить, что все 3 нетривиальных элемента группы  имеют порядок 2 и потому она не является циклической.

Наконец, отметим один полезный результат непосредственно вытекающий из доказанного выше.

Теорема о структуре групп простого порядка.

Если порядок конечной группы G равен простому числу p, то  .

Доказательство.

Пусть  - любой элемент, отличный от нейтрального. Поскольку порядок x больше 1 и является делителем p, то он равен p и значит .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27540. Рассмотрите соотношение права и религиозных норм 29.5 KB
  Рассмотрите соотношение права и религиозных норм. Сходство норм права и религиозных норм имеет практически те же черты что и сходство норм права и норм морали и выражается в нормативности совокупность определенных норм являющихся образцом масштабом поведения людей универсальности эти нормы распространяются на общественные отношения общности права и религии в нормативноценностных критериях правомерного и неправомерного. В настоящее время принято выделять семьи религиозного права где в качестве основных источников права выступают...
27541. Система права: понятие и основные элементы 31 KB
  Система права: понятие и основные элементы. Система права явление объективное хотя оно и находит свое проявление вовне через деятельность законодателя. Структура права предопределена в конечном счете характером общественных отношений на том или ином этапе общественного развития. Таким образом система права это внутреннее строение права деление его на отрасли подотрасли и правовые институты в соответствии с предметом и методом правового регулирования.
27542. Соотношение инкорпорации, кодификации и консолидации 29.5 KB
  Систематизация нормативно-правовых актов это их упорядочение приведение в единую более или менее сложную систему. Особенности систематизационной деятельности: сопоставляются и анализируются изданные в разное время действующие акты; 2 выявляются имеющиеся противоречия в содержании правовых норм пробелы в праве множественность актов посвященных одним и тем же вопросам обнаруживаются устаревшие нормы действие которых перекрыто актами изданными позднее; 3 подготавливаются проекты новых актов предложения об изменении и дополнении...
27543. Соотношение нормативного и ненормативного в правовом регулировании общественных отношений 37 KB
  Соотношение нормативного и ненормативного в правовом регулировании общественных отношений. Втретьих в качестве предпосылки нормативности может выступать ценность для общества тех или иных вариантов поведения следовательно и образуемых общественных отношений. Но при этом следует учитывать что для эффективного нормативнорегулятивного выражения тех или иных социальных отношений недостаточно простого познания уяснения характерных и сущностных данных отношений. Далее механизм экономического регулирования как справедливо отмечает автор...
27544. Соотношение права и корпоративных норм 30.5 KB
  Корпоративные нормы это правила поведения устанавливаемые различными организациями в их актах и охраняемые мерами социального воздействия это особая разновидность социальных норм призванных регулировать отношения которые складываются между членами и участниками данных организаций. Корпоративные нормы регулируют только внутренние отношения этих организаций. Эти нормы выражают волю участников общественных объединений компетенцию объем прав и обязанностей их членов и т. Корпоративные нормы схожи с правовыми нормами тем что они имеют...
27545. Соотношение права и моральных норм 44 KB
  Соотношение норм права и норм морали складывается из двух типов связи: взаимоподдержки основанной на единстве и однонаправленности действия; конфликта основанного на различиях и противоречиях. Единство права и морали выражается в том что: обе эти категории являются надстроечными; представляют собой разновидность социальных норм; опираются на единый политический фундамент; имеют один и тот же объект регулирования; основываются на свободе воли индивида; служат для упорядочения общественных отношений; являются показателями...
27546. Форма и сущность государства 27.5 KB
  Термин форма государства на сегодняшний день трактуется неоднозначно т. Для того чтобы проанализировать чтобы вывести адекватный смысл термина форма государства следует обратиться к общефилософским понятиям формы и содержания. Исходя из общего учения о содержании формы можно заключить что: Содержание государства заключается в том что это особый социальный институт предназначенный для поддержания жизнедеятельности общества достижению уровня производящей экономики.
27547. Форма правления 28 KB
  Форма правления это способы организации верховной государственной власти порядок образования ее органов и их взаимоотношения с населением. Дуалистическая двойственная монархия это такая организация верховной государственной власти при которой законодательная власть принадлежит парламенту а монарх и руководимое им правительство осуществляют функции исполнительной власти. Парламентарная монархия такая организация высших органов государственной власти при которой монарх царствует но не правит. 2 Республика форма правления...
27548. Формационный поход к типологии государства 29.5 KB
  Типология государства традиционно рассматривают как теория учение о типах государств когдалибо существовавших в истории человеческого общества или существующих в настоящее время. Типология государства это процесс систематизации государств с учетом их сущностных свойств для повышения эффективности в теоретической и практической деятельности по изучению государства и правоприменения. Под типом государства понимаются взятые в единстве общие черты различных государств система их важнейших свойств и сторон порождаемых соответствующей...