群:
群是这样一个东西,可以想想一个平面,在这个平面上有很多相互嵌套的小圈圈,小圈圈中有一些元素,这些元素是通过某个计算的符号进行约束的,这些元素在这个运算的约束下不可能出圈,群就是这样根据运算来约束元素的一个个小圈圈。
子群:
什么是子群呢?对于每一个圈圈,首先会有这样的情况,就是这个圈圈可能包含(!!完全包含)更小的小圈圈,于是对于这样的小圈圈,起个名字就叫作子群,当然不是什么小圈圈都能称作子群啦,这是有要求的。
对于群的要求首先是结合律,因为这个小圈圈是大圈圈的一部分,大圈圈满足结合律,这个小圈圈自然也满足。
那么还有什么要求呢?
1. 对于群来说,必不可少的就是幺元,因此子群性质之一就是要含有幺元。
为什么群的结合律就不强调,群的幺元却要强调呢?可以这么说,结合律在确定了运算律和运算对象之后,这种性质就已经在每一个元素的身上有所体现了,不论你选取的是哪个元素,这个性质是永远不会变的。
就像是你在炎黄子孙中不论取哪一部分人,他们都是龙的传人。
结合律,这个性质不会因为元素而改变。但是幺元就不同了,幺元是需要被挑选的,在挑选小圈子的时候是一定要把幺元包含进去的。
2. 逆元
其实这一点应该不用过多强调,不论元素怎么去运算,终究是不会出圈子的,而且不止如此,每一个元素都不是单独出现的,而是和逆一起出现的,一起出现或者一起不出现,就像是一对一对男男女女一起出现。当然,幺元除外。可以这样想象,在一个聚会上(小圈圈),有很多很多男男女女,这些人都是一对一对出现的,他们围着一个小孩子。
男男女女就是一对一对的元素,而小孩子就是幺元。元素结合成为幺元,男女结合就生出了一个新的小生命。
幺元的逆就是自己就好像雌雄同体。其他的元素都是雌雄异体。不过雌雄异体的结合的产物为雌雄同体的幺元。
3.封闭
这个不用过多的说,毕竟这是一个小圈圈,在这个小圈圈中的任何运算都不能出圈。
再按照上面的例子。
以上三点就约束了一个群的子群。就是这样一个子群,众星捧月,一对一对捧着一个幺元。
变换群、置换群:
A是一个集合,A,·>是幺半群,PA是从A到A所有双射的集合, A,·>是群。
A,·>的子群称为A的变换群。
怎么理解这个事儿呢?
首先要知道,子群中的每一个元素是一个双射。每一个双射的定义域和值域都是A。也就是说从A到A的许多双射构成的封闭的,有幺元的,有逆的这么一个东西叫做所有双射的子群。
任何一个群都与某个变换群同构。
变换群和置换群的区别就是集合A元素无限还是有限,变换群可以无限,置换群必须有限。
不变子群、商群
首先有群G,然后有子群H。这是线索。
首先是左陪集和右陪集。左陪集是这样一个东西。对于任何一个元素,可以和子群做乘法,不过H是在运算的右边。做乘法的结果会把G划分成几个不相交的等价类。这就是左陪集。
而右陪集就是H是在运算符号的左边,然后将所有的元素分成几个不相交的等价类,为右陪集。
拉格朗日定理:如果H是有限群G的子群,则#H整除#G,并且#G=#H·[G:H]。
对于一个有限群,它有一个子群,这个子群中的元素一定是有限群元素的因数,而且这个子群对整个群的划分,每一个等价类中的元素个数都子群中元素个数相同。
也就是说把整个的群划分成了[G:H]个等价类,每个等价类中有#H个元素。这个性质看上去是不是很美妙呢!
于是对于H把G划分的结果来说,左右陪集的个数应该是相同的。但是两个陪集中的元素是不是相同的呢?
答案是这样的:只有元素之间是可交换的才能保证左右两个陪集划分是相同的。为什么这么说呢?对于两个元素,如果在左陪集中属于同一个等价类,他们的逆在右陪集中也属于同一个等价类。那么如果他们在右陪集中属于同一个等价类,同时他们的逆在左陪集也在同一个等价类之中,那么这个性质就很好了,但是不然。因为在定义中左陪集是a-1b=h,右陪集是ab-1=h。
aH=bH=>b-1a属于h
[a-1]R=[b-1]R=>ba-1属于h
按照左陪集的要求,这是不能保证的,什么时候可以保证呢?就是可交换的时候,可交换,就可以把逆交换到前面,然后性质就符合了,因此只有交换律成立的时候才能够保证做右陪集是相同的。
交换群的每个子群都是不变子群。
有几个推论:有限群G每个元素的阶正处G的阶。
素数阶群必为循环群。
四阶群都是交换群,而且只有两个。
好了,下面是最重要的角色:不变子群。
什么是不变子群呢?就是左陪集和右陪集是相同的。
这是个贝壳,为什么要放上这么一张图片呢?因为贝壳的形状很像是划分。划分成一片片。如果把整个的贝壳看作是G的话,那么每一片就是一个等价类。
定理:如果H是G的不变子群,那么对于任意G中的元素a,aHa等于或者属于H,aha-1属于H,那么H就是G的不变子群。怎么理解这件事情呢?
对于不变子群,不变子群将所有的元素划分为等价类,但是这个等价类已经变成了同余关系,有了更好的性质。因此就有了G根据同于关系进行划分的商集。
商集的运算在代数结构那篇文章中有涉及,在此不再说明。
e这个元素很特殊,特殊在什么地方呢?[e]R是这样一个不变子群,它有一个很特殊的性质,就是可以确定所有其他的等价类。
同态核:什么是同态核呢?实际上就是映射到幺元的原像,在线性代数中是映射到零向量。为什么同态核这么特殊呢?首先是同态核都会映射到幺元,他们都是有同样的像。根据映射的像的不同可以对原像进行同余关系的划分。划分完同余关系,自然有幺元的要占主导地位,Kerf就是G的不变子群。
群同构定理:
群第一同构定理:如果有G1到G2的群同态,根据同态可以对G1进行同于类的划分。划分的结果就是G1/Kerf,当然这个划分是根据像集的映射来划分的,因此就是同构映射。
定理:如果H,K是H的有限子群,则|HK|=|H|·|K|/|H交K|。
怎么来看待这个式子呢?
分成两部分:|H|和|K|/|H交K|。|H|就是H中的元素个数,而后面的式子就是K被划分成了多少个等价类。对于H来说,和K中等价类中的任意一个元素计算的结果是相同的,这就导致如果是每个元素相乘的话,最后结果会有大量的重复的元素。最后的结果并不仅仅是H和K的元素个数相乘得到的结果,就是因为划分了等价类之后简化了计算。
群第二同构定理:G是群且K是G子群,如果H是G不变子群,K/(H交K)同构于HK/H。
K根据相交进行的划分结果和HK/H是相同的,为什么这么说呢?HK根据H进行的划分,就是HK中大量元素通过不变子群进行划分,HK中元素是H乘K被H交K划分而来,因此HK在根据H进行划分的结果就是H分别乘上K被H交K划分结果。K/(H交K)就是K被(H交K)划分的结果。
实际上群第二同构定理就是把HK的产生过程重新说了一遍,然后去掉了许多容易理解的细节罢了。
群第三同构定理:G为群,H、K都是G的不变子群。而且K是H的子群。(多么美妙的条件啊,有一个大群G,有一个小不变子群H,H中还有一个小小不变子群K),则H/K是G/K的不变子群而且(G/K)/(H/K)同构于G/H。
为啥捏?首先我们看H/K是H被K划分,G/K是G被K划分,H/K是H被K划分成了小扇贝。G/K首先我们考虑G/H,被划分成了小扇贝,除此之外,再把每个扇片根据K划分成更细小的部分。大家感觉一下,就是扇贝的表面成了网格。对于这个网格,H/K还是处于一个比较高的地位,因为这些网格实际上都可以被H/K划分出来,读者自己划一划图形相信会有很直观的理解。
而G/K这个细碎的划分如果去掉(H/K)这个划分相当于把碎片合成条,重新变得规整,变成了扇贝的形状,就是G被H划分的结果。
扇贝是个好东西。