• 【抽代复习笔记】21-群(十五):循环群引理及定义


    例4:证明,如果σ=(i1 i2 … ik)是Sn中的一个k-循环,而r∈Sn,则rσr^(-1)也是一个k-循环,且rσr^(-1)=(r(i1),r(i2),…,r(ik))。

    证:①设σ=(i1 i2 … ik)=(i1 ik)(i1 ik-1)…(i1 i2),

    则rσr^(-1)=r(i1 i2 … ik)r^(-1)=r(i1 ik)(i1 ik-1)…(i1 i2)r^(-1)=r(i1 ik)[r^(-1)r](i1 ik-1)[r^(-1)r]…[r^(-1)r](i1 i2)r^(-1)=[r(i1 ik)r^(-1)][r(i1 ik-1)r^(-1)]…[r(i1 i2)r^(-1)];

    ②在上述①中,任取一个r(is it)r^(-1) = v,两边右乘r,可得r(is it) = vr,而r显然是双射,所以r(i1),r(i2),...,r(ik)互不相同,先考察它们在v下的像:

    因为r(it) = r(is it)(is) = v[r(is)],r(is) = r(is it)(it) = vr(it),所以v把r(is)变为r(it),把r(it)变为r(is),

    对任意不等于is,it的ip,有r(ip) = r(is it)(ik) = vr(ik),也就是把r(ik)变为r(ik),

    因此,置换v把{r(i1),r(i2),...,r(ik)}中的r(is)与r(it)对换,其它变为原数,即v = (r(is) r(it))。

    所以①中的rσr^(-1) = [r(i1) r(ik)]...[(i1) r(i3)][(i1) r(i2)] = (r(i1) r(i2) r(i3) ... r(ik)),

    命题得证。

    上述分析表明了rσr^(-1)的性质:

    ①若σ = (is it),则rσr^(-1) = (r(is) r(it));

    ②若σ = (i1 i2 … ik),则rσr^(-1) = (r(i1) r(i2) r(i3) ... r(ik));

    ③若σ = (i1 i2 … ik)(j1 j2 ... jl)(z1 z2 ... zm),则rσr^(-1) = [r(i1) r(i2) r(i3) ... r(ik)][r(j1) r(j2) r(j3) ... r(jl)][r(z1) r(z2) r(z3) ... r(zm)]。

    循环群

    引理:

    欧拉函数Φ(n)定义为:小于n,且与n互素的非负整数的个数。

    例1:(1)求Φ(4),Φ(12),Φ(18),Φ(13),Φ(24),Φ(36),Φ(5),Φ(7);

    (2)写出欧拉函数的一条性质。

    解:(1)①小于4且与4互素的非负整数有1和3两个,因此Φ(4) = 2;

    ②小于12且与12互素的非负整数有1、5、7、11四个,所以Φ(12) = 4;

    ③小于18且与18互素的非负整数有1、5、7、11、13、17六个,所以Φ(18) = 6;

    ④小于13且与13互素的非负整数有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12共十二个,所以Φ(13) = 12;

    ⑤小于24且与24互素的非负整数有1、5、7、11、13、17、19、23共8个,所以Φ(24) = 8;

    ⑥小于36且与36互素的非负整数有1、5、7、11、13、17、19、23、25、29、31、35共十二个,所以Φ(36) = 12;

    ⑦小于5且与5互素的非负整数有1、2、3、4共四个,所以Φ(5) = 4;

    ⑧小于7且与7互素的非负整数有1、2、3、4、5、6共六个,所以Φ(7) = 6。

    【注:1与任意数互素】

    (2)欧拉函数的一条重要性质:当n为素数是,Φ(n) = n-1。

    定义1:设G是一个群,a∈G,若对任意b∈G,都存在整数m,使得b = a^m = a o a o ... o a(m个a),则称群G为一个循环群,且称a为群(G,o)的生成元,记为G = (a)。

    【注:上述的生成元a可能等于0,因此a^0 = e(单位元),不能写成a^0 = 1。】

    例2:A3 = {(1),(123),(132)}是S3中所有偶置换组成的集合,证A3关于变换的乘法作成一个循环群,但S3并不是一个循环群。

    证:(1)首先证明A3是一个群:

    ①因为任意两个偶置换相乘还是偶置换,所以满足了群公理的第一条封闭性;

    ②变换的乘法适合结合律,所以也满足了群公理的第二条;

    ③对于(1)∈A3,任意的f∈A3,都有(1) o f = f o (1) = f,因此(1)为A3中的单位元,所以也满足了群公理的第四条;

    ④因为(123)(132) = (132)(123) = (1),因此(123)和(132)互为逆元,(1)的逆元则是它本身,所以A3中每一个元素都存在对应的逆元,所以也满足了群公理的第五条。

    综上,根据群的第二判定定理,可以得出A3关于变换的乘法作成群。

    (2)再证A3是一个循环群:

    对于(123)∈A3,由于(123)^1 = (123)∈A3,(123)^2 = (132)∈A3,(123)^3 = (1)∈A3,所以A3中任意的元素都可以由(123)生成,所以A3是一个循环群,其生成元为(123),记为A3 = ((123))。

    (3)最后证S3不是循环群:

    因为在S3中找不到生成元a,能够满足对任意的b∈S3,都存在整数m,使得a^m = b,因此S3不是循环群。

    补充:

    ①(132)也是A3的生成元;

    ②A3刻画的是等边三角形的旋转对称性;

    ③一般地,An关于变换的乘法作成的群,叫做“n次交错群”。

    (待续……)

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