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

36381. Учет персонала 29.58 KB
  Учет персонала. Взаимосвязи подсистемы Учет персонала : Из подсистемы АНАЛИЗ и УПРАВЛЕНИЕ приказы нормативы и запросы на получение информации. Информация из бухгалтерии о расходах на содержание персонала отчеты по начислениям з платы и прочие денежные выплаты. Различные отчеты и сводки для подсистемы АНАЛИЗ и УПРАВЛЕНИЕ об использовании персонала численность и качественный состав работников данные для статистики расходы на содержание персонала и т.
36382. Экстремальные регуляторы 51.93 KB
  Задача поиска экстремума разбивается на две части 1 определение отклонений от точки экстремума изучение объекта 2 организация движения к точке экстремума. ЭР с запоминанием экстремума: ЭР вкл в себя ЗУ зап. В резте устанавливается автоколебательный режим работы регра около точки экстремума. Если Х0 сигнум реле не меняет направление вращения ИМ если Х0 то производится реверс ИМ изменяется направление поиска экстремума.
36383. Дайте классификацию и поясните сущность интегральных критериев качества 35.68 KB
  Наибольшее распространение получили три интегральных критерия: А линейный Б квадратичный В квадратичная оценка отклонения от эталона А Линейный критерий качества 6 6 где отклонение переходного процесса от устойчивого значения; Уmt функция веса ε1tmemtedttm Возможности критерия 7: 1У0t=t0=1 7 Критерий J10 7 площадь под кривой переходного процесса с учетом знака рис. 2 Критерий J10 7 пригоден только для анализа апериодических процессов. В этом случае J10=min...
36384. Моделирование на ЭВМ типовых звеньев САУ 59.29 KB
  Моделирование на ЭВМ типовых звеньев САУ В состав структурных схем большинства систем автоматического управления САУ входит достаточно ограниченный набор типовых звеньев. В основу процедуры моделирования многих типовых звеньев положен метод РунгеКутта. Апериодическое звено первого порядка Реальное дифференцирующее звено Пропорциональноинтегральное звено Структурные схемы некоторых типовых звеньев. При моделировании более сложных звеньев таких как апериодическое пропорциональноинтегральное дифференциальное и т.
36385. Принцип действия термопары и термометра сопротивления 37.39 KB
  Термопара два разнородных с различной концентрацией свободных электронов металлических проводника термоэлектроды соединенных пайкой или сваркой на измерительном рабочем конце подвергаемом воздействию измеряемой температуры и разомкнутых на контрольном свободном конце находящемся под воздействием известной температуры и подключаемом к измерительному прибору. Принцип действия термопреобразователей сопротивления или резистивных детекторов температуры основан на способности металлов или полупроводниковых материалов изменять...
36386. Техническое обеспечение САПР 12.99 KB
  Выделяют автоматизированные рабочие места АРМ трех классов: микро АРМ для решения простых конструкторских и технологических задач в автономном режиме в составе средств двухуровневой САПР. Средние АРМ помимо задач выполняемых микро АРМ посредством графического процессора позволяют представлять объект проектирования в двух и трехмерном виде имеют пакеты прикладных программ инвариантные к различным видам объекта проектирования. Супер АРМ способны решать весь комплекс задач САПР в масштабе предприятия. Все вычислительные комплексы САПР в том...
36387. Универсальные CADCAMCAE-системы 12.71 KB
  Универсальные CDCMCEсистемы. Системы проектирования в масштабах предприятия за рубежом принято определять как CD CM CE системы функции автоматизированного проектирования распределяются в них следующим образом: модули CD Computer ided Design для геометрического моделирования и машинной графики модули подсистемы CM Computer ided Mnufcturing для технологической подготовки производства а модули CE Computer ided Engineering для инженерных расчетов и анализа с целью поверки проектных решений. Все универсальные CD CM CE ...
36388. Электрические принципиальные схемы систем и средств автоматизации. Назначение и правила выполнения 24.29 KB
  Электрические принципиальные схемы систем и средств автоматизации. Принципиальные электрические схемы определяют полный состав приборов аппаратов и устройств а также связей между ними действие которых обеспечивает решение задач управления регулирования защит измерения и сигнализации. Эти схемы служат для изучения принципа действия системы они необходимы при производстве наладочных работ и в эксплуатации. Схемы выполняются применительно к определенным самостоятельным элементам установкам или участкам автоматизированной системы...
36389. тема или АИС это совокупность различных программноаппаратных средств которые предназначены для автомат. 28.78 KB
  Учет снабжения Финансовый учет Информация опоставке информация об оплате Бухгалтерский учет Требования на отпускинформация о поступлении груза цены на ресурсы данные о качестве Учет производства и контроль качества Учет вспомогательно прва Управление и анализ Отчетность по снабжению указания и планы Подсистема Учет снабжения предназначена для ввода и обработки информации по обеспечению оборудованием и материалами предоставляемой отделами и службами предприятия. Данная подсистема осуществляет интенсивный обмен информацией с подсистемой...