☰本讲目录
◎学习目标
- 回顾循环群的定义与元素的两种形态(无限阶 / 有限阶),熟悉乘法记号 \(a^{n}\) 与加法记号 \(na\) 的对应;
- 掌握 \(G_n = \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 作为商群的构造:\(n\mathbb{Z}\) 是 \((\mathbb{Z},+)\) 的正规子群,元素是陪集 \(\bar{a} = a + n\mathbb{Z}\);
- 理解 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 上加法与乘法的定义,会严格验证乘法与代表元选取无关(well-defined);
- 掌握循环群的结构定理:无限阶循环群同构于 \((\mathbb{Z},+)\),\(n\) 阶循环群同构于 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\),并会用同态基本定理证明;
- 知道推论:同阶的循环群必同构(一般群无此性质);
- 会证明循环群的子群仍是循环群,掌握「取最小正幂次 + 带余除法导出矛盾」的标准套路。
0回顾:循环群与两个加法群 ⏱ 00:00
0.1 循环群元素的形态(乘法记号)
若一个群只需一个元素就能生成,即 \(G = \langle a \rangle\),则称 \(G\) 为循环群。设 \(G\) 为乘法群,则其中每个元素都形如
- 若 \(a\) 的阶数无限 ⏱ 00:38:找不到任何非零整数 \(n\) 使 \(a^{n} = e\),于是不同的 \(n\) 给出不同的元素,全部元素互不重复:
\[ \dots,\ a^{-2},\ a^{-1},\ e,\ a,\ a^{2},\ \dots \]
- 若 \(a\) 的阶数有限,设为 \(n\) ⏱ 01:14:此时 \(a^{n} = e\),所有元素恰好是
\[ e,\ a,\ a^{2},\ \dots,\ a^{n-1}, \]再往后的幂 \(a^{n}, a^{n+1}, \dots\) 就与这些元素重复了。
这正是循环群定义中已经看到的情形;本讲将把它的结构彻底弄清楚。
0.2 无限加法群 \((\mathbb{Z}, +)\) ⏱ 01:46
0.3 有限加法群 \(G_n\):换一个角度看 ⏱ 02:56
第一讲给过有限群的例子:\(G_n = \{0, 1, \dots, n-1\}\),配上模 \(n\) 加法 \(\oplus\)。本讲我们从商群的角度重新构造它——后面研究循环群时大量使用,所以这里详细写一遍。
1商群 \(G_n = \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 的构造 ⏱ 03:16
- 取 \(G = (\mathbb{Z}, +)\),它是交换群。
- \(n\mathbb{Z} = \{\, nk \mid k \in \mathbb{Z} \,\}\)(\(n\) 的全部整数倍)是 \(G\) 的子群。
- 因为整数加法群是交换群,\(n\mathbb{Z}\) 不仅是子群,而且是 \(G\) 的正规子群(讲正规子群时已提到)。
于是可以考虑对应的商群。
从陪集分解的角度看 ⏱ 04:58:原来的群 \(G\) 对子群 \(n\mathbb{Z}\) 作陪集分解,恰好写成这些两两不相交的陪集之并:
2\(G_n\) 上的运算与良定义性 ⏱ 05:49
2.1 商群的加法
商群的运算之前已经定义过。这里 \(G\) 是加法群,所以把运算写成加法:对任意 \(\bar{a}, \bar{b} \in G_n\),
这就是把以前用乘法记号写的商群运算改写为加法而已。
2.2 再定义一个乘法 ⏱ 06:12
2.3 乘法是 well-defined 的 ⏱ 07:04
问题在于:\(G_n\) 里同一个陪集可以由不同的代表元表示(例如 \(\bar{1} = \overline{n+1}\))。所以必须验证:乘法的定义与代表元的选取无关。
证明:乘法与代表元选取无关(点击展开)
设同一个陪集有两种表示:\(\bar{a} = \bar{a}'\),\(\bar{b} = \bar{b}'\),即
要证:\(\overline{ab} = \overline{a'b'}\)。由陪集相等的判据,两个条件分别给出
(相差的就是 \(n\) 的整数倍。)于是老老实实展开:
后三项都含因子 \(n\),全部落在 \(n\mathbb{Z}\) 中,所以
即 \(\overline{a'b'} = \overline{ab}\)。这说明乘法定义合理,与代表元选取无关。
加法的 well-defined 验证套路完全一样,自己写一遍。
2.4 分配律可以直接用 ⏱ 11:05
有了加法和乘法,可以验证 \(G_n\) 里的运算满足分配律:
这些运算性质以后可以直接使用——后面研究群的结构、以及学环的时候都会频繁用到。
2.5 \(G_n\) 也是循环群:生成元 \(\bar{1}\) ⏱ 11:35
- \(G_n\) 和整数加法群一样,也是由 \(1\)(的陪集 \(\bar{1}\))生成的;只不过这里的生成元是有限阶的:\(n\) 个 \(\bar{1}\) 相加就变成商群的单位元 \(\bar{0}\):
\[ n \cdot \bar{1} = \bar{0}, \]即 \(\bar{1}\) 的阶数等于 \(n\)(\(\bar{0}\) 是商群的单位元)。
- 对任意 \(\bar{i} \in G_n\),\(\bar{i}\) 就是 \(i\) 个 \(\bar{1}\) 相加:
\[ \bar{i} = \underbrace{\bar{1} + \bar{1} + \cdots + \bar{1}}_{i \text{ 个}} = i \cdot \bar{1}. \]
- 所以计算时有时写 \(\bar{i}\)、有时写 \(i \cdot \bar{1}\),两者是一致的,两种写法都要熟悉。
- 无限阶:整数加法群 \((\mathbb{Z}, +) = \langle 1 \rangle\),生成元 \(1\) 的阶数无限;
- 有限阶(\(n\) 阶):\(G_n = \mathbb{Z}/n\mathbb{Z} = \langle \bar{1} \rangle\),生成元 \(\bar{1}\) 的阶数为 \(n\);其元素间的加法、乘法(以及分配律)都已定义清楚,必须非常熟悉。
预告本讲主线 ⏱ 13:15:任何一个循环群,若阶数无限,一定同构于 \((\mathbb{Z},+)\);若阶数为 \(n\),一定同构于 \(G_n\)。也就是说,循环群只有两种结构。因此今天先把这两个具体的加法群(一有限、一无限)搞清楚,后面才能用它们的性质证明一般结论。
3循环群的结构定理 ⏱ 14:05
- 若 \(G\) 的阶数无限(有无穷多个元素),则 \(G \cong (\mathbb{Z}, +)\);
- 若 \(G\) 的阶数有限,设为 \(n\),则 \(G \cong \mathbb{Z}/n\mathbb{Z} = G_n\)。
好处:一旦证明了这两个同构,以后研究任何循环群,都可以转化为研究结构已经完全清楚的 \((\mathbb{Z},+)\) 和 \(G_n\)。
证明工具:同态基本定理。构造从整数加法群到 \(G\) 的同态,然后看它的核。老师证明第一种情况,第二种情况自己证。
3.1 无限阶情形:\(G \cong (\mathbb{Z}, +)\) ⏱ 15:33
证明(点击展开)
设 \(G = \langle a \rangle\) 且 \(|G|\) 无限,则生成元 \(a\) 的阶数也是无限的。定义映射
(\(\mathbb{Z}\) 中任一整数 \(m\) 映到 \(a^{m}\)——这是最自然的对应。)
(1) \(\varphi\) 是同态 ⏱ 16:43:\(\mathbb{Z}\) 中是加法,\(G\) 中是乘法,
保持运算,是同态。
(2) \(\varphi\) 是满的:\(G\) 中任何元素都是 \(a^{m}\) 的形式(因为 \(G\) 由 \(a\) 生成),所以都有原像 \(m\)。满射显然。
(3) 求核 ⏱ 17:37:按定义,
因为 \(a\) 的阶数无限,找不到任何非零整数 \(m\) 使 \(a^{m} = e\)(否则 \(\langle a \rangle\) 就不是无限阶循环群了),所以
(4) 用同态基本定理:\(\mathbb{Z} / \ker\varphi \cong \operatorname{Im}\varphi\),即
模掉平凡群还是 \(\mathbb{Z}\) 本身,而 \(\varphi\) 的像就是整个 \(G\),故 \((\mathbb{Z}, +) \cong G\)。第一种情况证毕。
3.2 有限阶情形:\(G \cong \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) ⏱ 19:11
证明(点击展开)
设 \(|G| = n\)。循环群的阶数等于生成元的阶数,所以 \(a\) 的阶数也是 \(n\)。同样定义
同态、满射与情形 (1) 完全一样,不再重复。
唯一的区别在核:
因为 \(a\) 的阶数是 \(n\),之前已经证明过:\(a^{m} = e\) 当且仅当 \(m\) 是 \(n\) 的整数倍。所以
再用同态基本定理:
即 \(G \cong G_n\)。证毕。
4推论:同阶的循环群必同构 ⏱ 21:17
证明(点击展开)
设 \(G_1, G_2\) 都是循环群且阶数相同。
- 若阶数都是无限的:由结构定理,\(G_1 \cong (\mathbb{Z},+) \cong G_2\),故 \(G_1 \cong G_2\);
- 若阶数都是 \(n\):由结构定理,\(G_1 \cong G_n \cong G_2\),故 \(G_1 \cong G_2\)。
总之两者都同构于同一个标准模型,自然彼此同构。
5循环群的子群仍是循环群 ⏱ 22:13
接下来考虑循环群的子群。先给出结论 ⏱ 22:47:有了它,以后就可以把循环群的子群具体地全部写出来。
证明(点击展开)⏱ 23:53
设 \(G = \langle a \rangle\) 为循环群。这里不预先假设 \(G\) 有限还是无限(两种都可能),所以直接写成一般形式 \(\langle a \rangle\);如果已经知道是有限(无限)情形,也可以直接把 \(G\) 取为 \(G_n\)(或 \(\mathbb{Z}\))来证。
设 \(H \le G\)。先处理两个极端(平凡)情形 ⏱ 25:01:
- 若 \(H = \{e\}\)(只含单位元的最小子群),则 \(H = \langle e \rangle\),是循环群;
- 若 \(H = G\)(最大的子群),则 \(H = \langle a \rangle\),当然是循环群。
以下只需考虑非平凡情形:\(\{e\} \subsetneq H \subsetneq G\)。
\(G\) 中每个元素都是 \(a\) 的整数次幂,\(H \subseteq G\),所以 \(H\) 中元素也都形如 \(a^{k}\)(\(k \in \mathbb{Z}\),可正可负)。要证 \(H\) 是循环群,关键是找出生成元:取
即 \(H\) 中所有正次幂里幂次最低的那个 \(a^{m}\) ⏱ 27:27。(该集合非空:\(H\) 非平凡,含某个 \(a^{t} \neq e\);若 \(t < 0\),则 \(a^{-t} = (a^{t})^{-1} \in H\),总归有正幂次在 \(H\) 中。)
断言:\(H = \langle a^{m} \rangle\)。显然 \(\langle a^{m} \rangle \subseteq H\)。反过来,任取 \(b \in H\),设 \(b = a^{n}\)。先证明一个事实:\(n\) 必是 \(m\) 的倍数。
用带余除法 + 反证 ⏱ 29:26:若 \(m \nmid n\),作带余除法
于是
右边:\(a^{n} = b \in H\);\(a^{m} \in H\),而 \(H\) 是子群,对取逆、作乘法封闭,故 \((a^{m})^{-q} \in H\),乘起来仍在 \(H\) 中。所以 \(a^{r} \in H\)。但 \(0 < r < m\),这与 \(m\) 是「使 \(a^{k} \in H\) 的最小正整数」矛盾!
因此余数 \(r = 0\),即 \(n = mk\) 是 \(m\) 的整数倍。于是
这说明 \(H\) 中每个元素都能用 \(a^{m}\) 的幂表达,故 \(H \subseteq \langle a^{m} \rangle\)。综上 \(H = \langle a^{m} \rangle\),生成元就是 \(a^{m}\),\(H\) 是循环群。证毕。
- 「想证整除,就假设不整除,用带余除法得到一个余数,再与最小性矛盾」——这个套路在证明循环群、加法群的相关性质时经常用到,要留意。
- 课堂上的证明是按乘法群的记号写的;作为练习,把整个证明用加法群的记号重写一遍(\(a^{k}\) 换成 \(ka\),幂次换成倍数),是很好的练习 ⏱ 33:37。
至此我们证明了:循环群的子群肯定也是循环群。有了结构定理和这条定理,循环群本身以及它的子群长什么样,就都可以具体写出来了。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 两套记号混淆:乘法群写 \(a^{n}\),加法群写 \(na\)。整数加法群的生成元是 \(1\),\(G_n\) 的生成元是 \(\bar{1}\);「\(n\) 个生成元相加得单位元」在加法记号下是 \(n \cdot \bar{1} = \bar{0}\)。
- 忘记 \(G_n\) 的元素是陪集:\(\bar{a} = \bar{b}\) 当且仅当 \(a - b \in n\mathbb{Z}\)(即 \(n \mid a-b\));运算法则是「先按整数算,再模 \(n\) 归入陪集」。
- 验证 well-defined 时只检查了某一组代表元。必须对任意两种表示 \(\bar{a} = \bar{a}'\)、\(\bar{b} = \bar{b}'\) 证明结果相同,才算数。
- 结构定理中核写错:无限阶时 \(\ker\varphi = \{0\}\)(平凡群),\(n\) 阶时 \(\ker\varphi = n\mathbb{Z}\)——两者来源不同(\(a\) 的阶数无限 / 为 \(n\)),不要混淆。
- 证明「子群是循环群」时直接取「最小正幂次」,却忘了 \(H = \{e\}\) 时这样的正幂次不存在——必须先单独处理平凡子群。
- 误以为「阶数相同的群都同构」。这只对循环群成立;一般群阶数相同结构也可能不同。
✎自测与作业
- (课上作业)验证 \(G_n = \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 上加法的 well-defined 性(与课上验证乘法的套路完全一样:设 \(\bar{a} = \bar{a}'\)、\(\bar{b} = \bar{b}'\),证 \(\overline{a+b} = \overline{a'+b'}\))。
- 验证 \(G_n\) 上的分配律:\(\bar{a}(\bar{b} + \bar{c}) = \bar{a}\bar{b} + \bar{a}\bar{c}\)。
- 自己补全结构定理第 (2) 种情形的证明:设 \(G = \langle a \rangle\),\(|G| = n\),定义 \(\varphi: \mathbb{Z} \to G,\ m \mapsto a^{m}\),证明 \(\varphi\) 是满同态且 \(\ker\varphi = n\mathbb{Z}\),从而 \(G \cong \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\)。
- (课上作业)把「循环群的子群仍是循环群」的证明用加法记号重写一遍(提示:\(a^{k}\) 换成 \(ka\),「最小正幂次」换成「最小正倍数」,带余除法照旧)。
- 用本讲定理具体写出 \(G_6\) 与 \(G_8\) 的全部子群(对每个子群找出使 \(m\bar{1}\) 落在其中的最小正整数 \(m\),并写出生成元)。