第六章 群与子群

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因为根据结合律g0g1...gngn1...g11g01=g0g1...e...g11g01=e又因为gn1...g11g01g0g1...gn=g11g01...e...g0g1...e=e所以g0g1...gn的逆元是gn1...g11g01因为根据结合律g_0g_1...g_n*g_n^{-1}...g_1^{-1}g_0^{-1}\\ =g_0g_1...e...g_1^{-1}g_0^{-1}=e\\ 又因为g_n^{-1}...g_1^{-1}g_0^{-1}*g_0g_1...g_n\\ =g_1^{-1}g_0^{-1}...e...g_0g_1...e=e\\ 所以g_0g_1...g_n的逆元是g_n^{-1}...g_1^{-1}g_0^{-1}。

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(1)G的两个子群的交集必是G的子集,这是显然的。(2)假设G的两个子群为H1,H2,其交集为I封闭性:对于a,bI,因为IG1G2的子集,所以ab也在G1G2里,又因为G1G2是群所以存在abG1G2abI,满足封闭性。结合律:这是显然的,加法、乘法都满足结合律单位元:因为aI,a也在G1G2里,因为G1G2是群,所以存在eG1G2中,因为单位元唯一性,eG1G2的交集中eI,使得ea=ae=a.逆元:与单位元同理,是存在逆元的。所以,I是群综上,任意群G的两个子群的交集也是群G的子群。(1)G的两个子群的交集必是G的子集,这是显然的。\\ (2)假设G的两个子群为H_1,H_2,其交集为I\\ 封闭性:\\ 对于\forall a,b \in I,因为I是G_1和G_2的子集,\\ 所以a,b也在G_1和G_2里,又因为G_1和G_2是群\\ 所以存在ab\in G_1\cap G_2\\ 即\exists ab \in I,满足封闭性。\\ 结合律:\\ 这是显然的,加法、乘法都满足结合律\\ 单位元:\\ 因为\exist a\in I,则a也在G_1和G_2里,\\ 因为G_1和G_2是群,所以存在e在G_1和G_2中,\\ 因为单位元唯一性,e在G_1和G_2的交集中\\ 即\exist e\in I,使得ea=ae=a.\\ 逆元:\\ 与单位元同理,是存在逆元的。\\ 所以,I是群\\ 综上,任意群G的两个子群的交集也是群G的子群。\\

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(1)因为HKG的子群,所以对于hkHK,hH,kK,都有hkG,hkG,所以HKG的子集。(2)封闭性: 假设aH,bH,因为H是子群,所以abH,假设cK,dK,因为K是子群,所以cdK,根据定义,所以abcdHK,acHK,bdHK,则对于acHK,bdHK,又因为是阿贝尔群,都有acbd=abcdHK,封闭性得证。逆元:假设aH,因为H是子群,所以a1H,假设bK,因为K是子群,所以b1K,根据定义,abHK,a1b1HK,因为是阿贝尔群,所以abHK,都有(ab)1=a1b1HK.综上,因为HK是子集,证出封闭性和逆元即可得出是子群的结论。如果不是阿贝尔群,不满足交换律,结论不成立。(1)因为H和K是G的子群,\\ 所以对于\forall hk\in HK,即h\in H,k\in K,\\ 都有h、k\in G,即hk\in G,\\ 所以HK是G的子集。\\ (2)封闭性:\\\ 假设a\in H,b\in H,因为H是子群,所以ab\in H,\\ 假设c\in K,d\in K,因为K是子群,所以cd\in K,\\ 根据定义,所以abcd\in HK,\\ 且ac\in HK,bd\in HK,\\ 则对于\forall ac\in HK,bd\in HK,\\ 又因为是阿贝尔群,都有acbd=abcd\in HK,\\ 封闭性得证。\\ 逆元:\\ 假设a\in H,因为H是子群,所以a^{-1}\in H,\\ 假设b\in K,因为K是子群,所以b^{-1}\in K,\\ 根据定义,ab\in HK,a^{-1}b^{-1}\in HK,\\ 因为是阿贝尔群,所以\forall ab\in HK,\\ 都有(ab)^{-1}=a^{-1}b^{-1}\in HK.\\ 综上,因为HK是子集,证出封闭性和逆元即可得出是子群的结论。\\ \\ 如果不是阿贝尔群,不满足交换律,\\ \therefore 结论不成立。

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(1)根据费马小定理,gmG,GmG的子集。(2)假设g1m,g2mGm因为g2G,g21G,根据定义(g21)mGm,又因为g1g21G,所以(g1g21)mGm,因为G是阿贝尔群,所以(g1g21)m=g1m(g2m)1Gm.根据命题群G非空子集HG子群,当且仅当对任意a,bH,ab1H得证。(1)根据费马小定理,g^m\in G,即G^m是G的子集。\\ (2)假设\forall g_1^m,g_2^m\in G^m,\\ 因为g_2\in G,则g_2^{-1}\in G,\\ 根据定义(g_2^{-1})^m\in G^m,\\ 又因为g_1g_2^{-1}\in G,所以(g_1g_2^{-1})^m\in G^m,\\ 因为G是阿贝尔群,所以(g_1g_2^{-1})^{m}=g_1^m(g_2^m)^{-1}\in G^m.\\ 根据命题群G非空子集H是G子群,当且仅当对任意a,b∈H,ab^{-1}∈H得证。

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即证,G的子群群只有非平凡子群{e},则群G是循环群。G中任意非e的元素都能生成GgG,集合<g>={gk:kZ}=G则称G是为g生成的循环群即证,G的子群群只有非平凡子群\{e\},则群G是循环群。\\ 则G中任意非e的元素都能生成G\\ 即\forall g\in G,集合<g>=\{g^k:k\in Z\}=G,\\ 则称G是为g生成的循环群

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G的阶为q对于gG,gn=e,根据除法算法,q,rZ使得n=qk+r(0r<k)kg的阶,gG,gk=e,因此,e=gn=gkq+r=gkqgr=gr.解得r=0,所以n=kq,得证循环群G中任意元素的阶都整除群G的阶。设G的阶为q,\\ 对于\forall g\in G,g^n=e,\\ 根据除法算法,\exists q,r\in Z使得n=qk+r(0\leq r<k)\\ 设k为g的阶,\forall g\in G,g^k=e,\\ 因此,e=g^n=g^{kq+r}=g^{kq}g^r=g^r.\\ 解得r=0,所以n=kq,\\ 得证循环群G中任意元素的阶都整除群G的阶。\\

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import math
from cmath import sqrt
from math import ceil

def prime(n):#判定素数
for i in range(2,int(math.sqrt(n))+1):
if n % i == 0:
return False
return True

def prime_factors_list(n):#获取素数列表
ls=[]
for i in range(2,n):
if prime(i):
ls.append(i)
return ls

def is_primitive_root(a,p):#判定生成元
flist=prime_factors_list(p-1)
for f in flist:
if pow(a,(p-1)//f,p)==1:
return False
return True

def get_minroot(p):#获取最小生成元
if not prime(p):
return False
elif p==2:
return 1
for i in range(2,p-1):
if is_primitive_root(i,p):
return i
return False

def P_of_maxroot(n):#最大生成元的素数P
ls=prime_factors_list(n)
root=[]
for i in ls:
root.append(get_minroot(i))
d=dict(zip(ls,root))
print(d)
return max(d,key=lambda k:d[k])

调用P_of_maxroot函数即可,最大的最小生成元是11

第八章 陪集与拉格朗日定理

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(1)gH,gHH,HgH,G有两个左陪集,G=HHg=HgHgH=Hg=GH(2)gH,gH=Hg=H综上,gH=Hg.(1)若g\notin H,则gH\neq H,Hg\neq H,\\ \because G有两个左陪集,\\ \therefore G=H\cup Hg=H\cup gH\\ \therefore gH=Hg=G-H\\ (2)若g\in H,则gH=Hg=H\\ 综上,gH=Hg.

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根据拉格朗日定理,子群的阶整除群的阶所以子群H的阶为pq1H的阶为1时,{e}是循环群,因为pq是素数,素数阶的群一定是循环群.所以G的任意真子群是循环群。根据拉格朗日定理,子群的阶整除群的阶\\ 所以子群H的阶为p、q、1,\\ H的阶为1时,\{e\}是循环群,\\ 因为p、q是素数,素数阶的群一定是循环群.\\ 所以G的任意真子群是循环群。

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H是有限群G的真子群,根据拉格朗日定理G上被划分的左陪集2,G/H2HG/2\because 群H是有限群G的真子群,根据拉格朗日定理\\ \therefore G上被划分的左陪集\geq 2,即|G|/|H|\geq 2\\ \therefore |H|\leq|G|/2