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又再更多複習代數---拉格朗日定理

你有沒有嘗試過登出? | 2021-05-29 21:54:13 | 巴幣 2 | 人氣 148

令H是群G內的子集,a、b是G內的元素。aH定義為集合{ah|h屬於H},同理Ha、aHa^(-1)。
如果H是G內的子群,aH稱為H的在G中的一個左陪集,Ha稱為H在G中的一個右陪集。

例:
整數集配上加法(Z,+)是一個群,所有三的倍數(包括負數倍)是它的一個子群,記為3Z。
他的其中一個左陪集是1+3Z={..., -5, -2, 1, 4, 7, 10, 13,...},另外一個左陪集是2+3Z={..., -4, -1, 2, 5, 8, 11, 14,...},3Z總共只有三個不同的左陪集。

引理:令H是G內的子群,a、b是隨意兩個在G內的元素,則
1,a會在aH內。
2,aH=H當且僅當a在H內。
3,(ab)H=a(bH),H(ab)=(Ha)b。
4,aH=bH當且僅當a在bH內。
5,兩個左陪集不是完全相等就是沒有交集。
6,aH=bH當且僅當a^(-1)b在H內。
7,隨意兩個陪集的元素數量(或勢)相等。
8,aH=Ha當且僅當H=aHa^(-1)。
9,aH是一個G內的子群當且僅當aH=H。

證明:
1,由於H是子群,他會包含單位元e,所以a=ae,在aH內。
2,首先假設aH=H,根據1推得a在H內。再來假設a再H內,由於H是子群,由子群的封閉性可知aH一定包含在H內,又H內的任意元素h都可以寫成a(a^(-1)h),而a^(-1)h根據a在H內以及H是子群可知會在H內,因此H包含於aH;由於H和aH互相包含,因此兩者相等。
3,由G的結合性得證。
4,如果aH=bH,根據1,a會在bH內;反過來說,如果a在bH內,那會有某個H內的元素h使得a=bh,因此aH=(bh)H=b(hH),根據2,hH=H,得到aH=bH。
5,假設aH跟bH交集非空,則存在H內的元素h跟k使得ah=bk,由於H是子群,h的反元素h^(-1)也在H內,因此aH=bkh^(-1)H=bH。
6,假設aH=bH,等價地有H=a^(-1)bH,根據2,a^(-1)b在H內,反之亦然。
7,把每個aH內的元素ah對應到bH內的元素bh,顯然這是一個一一對應關係,因此兩者的元素數量一樣。
8,aH=Ha當且僅當(aH)a^(-1)=(Ha)a^(-1)=H(aa^(-1))=H。
9,假設aH是一個子群,那麼他會包含單位元e,因此aH跟eH=H交集非空,根據5,aH=H。

例:
令H={[1],[15]},他是乘法群U(16)={[1], [3], [5], [7], [9], [11], [13], [15]}內的子群,我們想要找出他所有的陪集,做法是首先找一個不在H內的元素,例如[3],然後計算[3]*H={[3], [13]},接下來找不在H和[3]*H內的元素,例如[5],然後計算[5]*={[5], [11]},繼續下去之後找到[7]*H={[7], [9]},到此為止;由於所有U(16)的元素都已經出現在某個陪集內了,所以接下來H的任何陪集都會是前四個陪集內的其中一個。

拉格朗日定理:
令H是有限群G內的子群,則|H|會整除|G|,而且|G|/|H|就會剛好是H的所有相異陪集的數量。

證明:假設H總共有r個陪集,根據前面引理1,任何G內的元素a都會剛好在aH這個陪集內,而aH一定是前面r個陪集中的其中一個,所以集合G等於前面r個陪集的聯集,又每個陪集的元素數量都相等(注意到H本身也是H的一個陪集),所以G的元素個數就是H的r倍。

推論:如果有某個群G的元素個數是質數,那麼G是循環群。

證明:設|G|是質數,a是G內某個不是單位元的元素,則由a生成的群(元素是由a自己作用數次)會是G內的子群,根據拉格朗日定理這個群的數量不是|G|就是1,由於a不是單位元,所以a生成的子群的元素數量就剛好等於|G|,因此G可以由a生成,因此G是循環群。

例:交錯群A_4有12個元素,但他沒有6個元素的子群。

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