第六章 群与子群
因为根据结合律 g 0 g 1 . . . g n ∗ g n − 1 . . . g 1 − 1 g 0 − 1 = g 0 g 1 . . . e . . . g 1 − 1 g 0 − 1 = e 又因为 g n − 1 . . . g 1 − 1 g 0 − 1 ∗ g 0 g 1 . . . g n = g 1 − 1 g 0 − 1 . . . e . . . g 0 g 1 . . . e = e 所以 g 0 g 1 . . . g n 的逆元是 g n − 1 . . . g 1 − 1 g 0 − 1 。 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}。
因为根据结合律 g 0 g 1 ... g n ∗ g n − 1 ... g 1 − 1 g 0 − 1 = g 0 g 1 ... e ... g 1 − 1 g 0 − 1 = e 又因为 g n − 1 ... g 1 − 1 g 0 − 1 ∗ g 0 g 1 ... g n = g 1 − 1 g 0 − 1 ... e ... g 0 g 1 ... e = e 所以 g 0 g 1 ... g n 的逆元是 g n − 1 ... g 1 − 1 g 0 − 1 。
( 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 ∀ a , b ∈ 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 a b ∈ G 1 ∩ G 2 即 ∃ a b ∈ 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 ∃ a ∈ 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 ∃ e ∈ I , 使得 e a = a e = 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。\\
( 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 ∀ a , b ∈ 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 ∈ G 1 ∩ G 2 即 ∃ ab ∈ 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 ∃ a ∈ 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 ∃ e ∈ I , 使得 e a = a e = 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 ) 因为 H 和 K 是 G 的子群, 所以对于 ∀ h k ∈ H K , 即 h ∈ H , k ∈ K , 都有 h 、 k ∈ G , 即 h k ∈ G , 所以 H K 是 G 的子集。 ( 2 ) 封闭性: 假设 a ∈ H , b ∈ H , 因为 H 是子群,所以 a b ∈ H , 假设 c ∈ K , d ∈ K , 因为 K 是子群,所以 c d ∈ K , 根据定义,所以 a b c d ∈ H K , 且 a c ∈ H K , b d ∈ H K , 则对于 ∀ a c ∈ H K , b d ∈ H K , 又因为是阿贝尔群,都有 a c b d = a b c d ∈ H K , 封闭性得证。 逆元: 假设 a ∈ H , 因为 H 是子群,所以 a − 1 ∈ H , 假设 b ∈ K , 因为 K 是子群,所以 b − 1 ∈ K , 根据定义, a b ∈ H K , a − 1 b − 1 ∈ H K , 因为是阿贝尔群,所以 ∀ a b ∈ H K , 都有 ( a b ) − 1 = a − 1 b − 1 ∈ H K . 综上,因为 H K 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。
( 1 ) 因为 H 和 K 是 G 的子群, 所以对于 ∀ hk ∈ HK , 即 h ∈ H , k ∈ K , 都有 h 、 k ∈ G , 即 hk ∈ G , 所以 HK 是 G 的子集。 ( 2 ) 封闭性: 假设 a ∈ H , b ∈ H , 因为 H 是子群,所以 ab ∈ H , 假设 c ∈ K , d ∈ K , 因为 K 是子群,所以 c d ∈ K , 根据定义,所以 ab c d ∈ HK , 且 a c ∈ HK , b d ∈ HK , 则对于 ∀ a c ∈ HK , b d ∈ HK , 又因为是阿贝尔群,都有 a c b d = ab c d ∈ HK , 封闭性得证。 逆元: 假设 a ∈ H , 因为 H 是子群,所以 a − 1 ∈ H , 假设 b ∈ K , 因为 K 是子群,所以 b − 1 ∈ K , 根据定义, ab ∈ HK , a − 1 b − 1 ∈ HK , 因为是阿贝尔群,所以 ∀ ab ∈ HK , 都有 ( ab ) − 1 = a − 1 b − 1 ∈ 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, ∴ 结论不成立。
( 1 ) 根据费马小定理, g m ∈ G , 即 G m 是 G 的子集。 ( 2 ) 假设 ∀ g 1 m , g 2 m ∈ G m , 因为 g 2 ∈ G , 则 g 2 − 1 ∈ G , 根据定义 ( g 2 − 1 ) m ∈ G m , 又因为 g 1 g 2 − 1 ∈ G , 所以 ( g 1 g 2 − 1 ) m ∈ G m , 因为 G 是阿贝尔群,所以 ( g 1 g 2 − 1 ) m = g 1 m ( g 2 m ) − 1 ∈ 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 , a b − 1 ∈ H 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。
( 1 ) 根据费马小定理, g m ∈ G , 即 G m 是 G 的子集。 ( 2 ) 假设 ∀ g 1 m , g 2 m ∈ G m , 因为 g 2 ∈ G , 则 g 2 − 1 ∈ G , 根据定义 ( g 2 − 1 ) m ∈ G m , 又因为 g 1 g 2 − 1 ∈ G , 所以 ( g 1 g 2 − 1 ) m ∈ G m , 因为 G 是阿贝尔群,所以 ( g 1 g 2 − 1 ) m = g 1 m ( g 2 m ) − 1 ∈ 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 , a b − 1 ∈ H 得证。
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 ∀ g ∈ G , 集合 < g > = { g k : k ∈ Z } = 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
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 ∀ g ∈ G , 集合 < g >= { g k : k ∈ Z } = G , 则称 G 是为 g 生成的循环群
设 G 的阶为 q , 对于 ∀ g ∈ G , g n = e , 根据除法算法, ∃ q , r ∈ Z 使得 n = q k + r ( 0 ≤ r < k ) 设 k 为 g 的阶, ∀ g ∈ G , g k = e , 因此, e = g n = g k q + r = g k q g r = g r . 解得 r = 0 , 所以 n = k q , 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。\\
设 G 的阶为 q , 对于 ∀ g ∈ G , g n = e , 根据除法算法, ∃ q , r ∈ Z 使得 n = q k + r ( 0 ≤ r < k ) 设 k 为 g 的阶, ∀ g ∈ G , g k = e , 因此, e = g n = g k q + r = g k q g r = g r . 解得 r = 0 , 所以 n = k q , 得证循环群 G 中任意元素的阶都整除群 G 的阶。
import mathfrom cmath import sqrtfrom math import ceildef prime (n ): for i in range (2 ,int (math.sqrt(n))+1 ): if n % i == 0 : return False return True def prime_factors_list (n ): ls=[] for i in range (2 ,n): if prime(i): ls.append(i) return ls def is_primitive_root (a,p ): 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 ): 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 ): 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
( 1 ) 若 g ∉ H , 则 g H ≠ H , H g ≠ H , ∵ G 有两个左陪集, ∴ G = H ∪ H g = H ∪ g H ∴ g H = H g = G − H ( 2 ) 若 g ∈ H , 则 g H = H g = H 综上, g H = H g . (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.
( 1 ) 若 g ∈ / H , 则 g H = H , H g = H , ∵ G 有两个左陪集, ∴ G = H ∪ H g = H ∪ g H ∴ g H = H g = G − H ( 2 ) 若 g ∈ H , 则 g H = H g = H 综上, g H = H g .
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。 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。
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。
∵ 群 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 , 即 ∣ G ∣ / ∣ H ∣ ≥ 2 ∴ ∣ H ∣ ≤ ∣ G ∣ / 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
∵ 群 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 , 即 ∣ G ∣/∣ H ∣ ≥ 2 ∴ ∣ H ∣ ≤ ∣ G ∣/2