☰本讲目录
◎学习目标
- 掌握关于自同构的一般引理:自同构保持元素的阶;生成集的像集仍生成整个群;
- 理解并熟记循环群的核心结论:自同构把生成元映到生成元,且自同构由生成元的像完全决定;
- 会计算 \(\mathrm{Aut}(\mathbb{Z}) \cong \mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\),并能具体写出两个自同构;
- 掌握 \(\bar{m}\) 是 \(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 生成元的充要条件 \(\gcd(m,n)=1\),会对给定的 \(n\) 找出全部生成元;
- 回顾欧拉函数 \(\varphi(n)\) 与群 \(U(n)\)(与 \(n\) 互素的剩余类对模 \(n\) 乘法构成的群);
- 掌握主定理 \(\mathrm{Aut}(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}) \cong U(n)\) 及其证明(构造对应 \(\Phi\),验证单、满、同态);
- 能具体写出有限循环群(如 \(\mathbb{Z}/8\mathbb{Z}\))的每一个自同构。
1自同构的引理(一般群)⏱ 00:00
本讲的目标是求循环群的自同构群。先证明一个关于自同构的一般引理——它对任意群都成立,而本讲用到的是它在循环群上的特殊情形。这个引理直接告诉我们:要找循环群的自同构,应该从哪里下手。
- 保持阶数:对任意 \(a \in G\),\(\sigma(a)\) 的阶等于 \(a\) 的阶,即
\[ \mathrm{ord}(\sigma(a)) = \mathrm{ord}(a). \]自同构不会改变元素的阶:\(a\) 本来是几阶,它的像也是几阶。
- 生成集映到生成集 ⏱ 01:12:若 \(G\) 由子集 \(S \subseteq G\) 生成(\(G = \langle S \rangle\)),则 \(G\) 也由像集 \[ \sigma(S) = \{\, \sigma(s) \mid s \in S \,\} \] 生成,即 \(G = \langle \sigma(S) \rangle\)。
1.1 证明结论 (1):自同构保持阶数 ⏱ 04:05
证明(点击展开)
设 \(\mathrm{ord}(a) = m\),即 \(m\) 是使 \(a^{m} = e\) 成立的最小正整数。要证 \(\mathrm{ord}(\sigma(a)) = m\)。
第一步:先证 \(\sigma(a)\) 的 \(m\) 次幂是单位元。因为 \(\sigma\) 是同态、保持运算(且同态把单位元映到单位元,上一讲已证):
第二步(证最小性)⏱ 05:32:设正整数 \(k\) 也满足 \((\sigma(a))^{k} = e\),要证 \(k\) 必是 \(m\) 的倍数。由 \(\sigma\) 保持运算:
因为 \(\sigma\) 是自同构,特别是单射:两个像相同则原像相同,故 \(a^{k} = e\)。又因为 \(\mathrm{ord}(a) = m\),由第 2 讲已证的结论(元素的阶整除任何使它幂次为单位元的指数)得
综合两步:\(m\) 次幂等于单位元,且任何满足条件的 \(k\) 都是 \(m\) 的倍数,所以 \(m\) 是最小的,即 \(\mathrm{ord}(\sigma(a)) = m\)。
1.2 证明结论 (2):生成集的像仍生成全群 ⏱ 08:43
证明(点击展开)
设 \(G = \langle S \rangle\)。由生成子群的结构,\(G\) 中任一元素都可写成
其中 \(r\) 为任意自然数,\(a_i\) 可以重复(即要把 \(S\) 中元素的乘积与逆都包含进来)。
因为 \(\sigma\) 是自同构,特别是满射:对任意 \(h \in G\),存在 \(g \in G\) 使 \(h = \sigma(g)\)(换言之,像集 \(\mathrm{im}\,\sigma = G\))。由同态性:
即 \(G\) 中任意元素都可写成 \(\sigma(S)\) 中元素的乘积与逆,故 \(G = \langle \sigma(S) \rangle\)。
两条结论中,本讲用得最多的是结论 (1) 在循环群上的推论。下面分无限、有限两种情形把循环群的自同构群完全求出来。
2无限情形:\(\mathrm{Aut}(\mathbb{Z}) \cong \mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\) ⏱ 12:25
本讲考虑的都是循环群。第一种情况:\(G\) 是无限阶循环群。
| \(\oplus\) | \(0\) | \(1\) |
|---|---|---|
| \(0\) | \(0\) | \(1\) |
| \(1\) | \(1\) | \(0\) |
还要记住 \(\mathrm{Aut}(G)\) 本身的含义:它的元素是 \(G \to G\) 的同态双射,元素之间的乘法是作为映射的复合。
证明(点击展开)
第 1 步:化为整数加法群。由上一讲(循环群的结构)的结论:循环群要么同构于整数加法群 \((\mathbb{Z},+)\),要么同构于 \(G_n\)。现在 \(G\) 是无限阶循环群,故不妨设 \(G = \mathbb{Z}\)。 ⏱ 14:27
第 2 步:\(\mathbb{Z}\) 的生成元。 ⏱ 15:00 整数加法群的生成元是 \(e = 1\),也可以取 \(-e = -1\):任何元素 \(n \in \mathbb{Z}\) 都可写成 \(n \cdot 1\)(或 \(n \cdot (-1)\))。所以 \(\mathbb{Z}\) 的生成元恰有两个:\(1\) 与 \(-1\)。
第 3 步:自同构由 \(\sigma(1)\) 完全决定。 ⏱ 16:45 设 \(\sigma \in \mathrm{Aut}(\mathbb{Z})\)。首先 \(\sigma(0) = 0\)(同态把单位元映到单位元)。对正整数 \(n\),\(n\) 就是 \(n\) 个 \(1\) 相加,由同态性:
对负整数:\(-n\) 是 \(n\) 个 \(-1\) 相加;又同态把逆元映到逆元(\(-1\) 是 \(1\) 的逆元,故 \(\sigma(-1) = -\sigma(1)\)),所以 \(\sigma(-n) = -n\,\sigma(1)\)。于是对一切 \(n \in \mathbb{Z}\) 统一有
所以只要确定 \(\sigma(1)\),整个自同构就确定了。
第 4 步:\(\sigma(1)\) 只能是 \(\pm 1\)。 ⏱ 19:47 由第 1 节的引理,生成元必被映到生成元;而 \(\mathbb{Z}\) 的生成元只有 \(1\) 和 \(-1\),故
第 5 步:写出具体的两个自同构。 ⏱ 20:15
- 单位元 \(\mathrm{id}\)(讲义也记作 \(e\)):\(1 \mapsto 1\),从而 \(n \mapsto n\);
- \(\sigma\):\(1 \mapsto -1\),从而 \(n \mapsto -n\)。
二者都是 \(\mathbb{Z}\) 到自身的双射同态,确实都是自同构,且除此之外再无别的。所以 \(\mathrm{Aut}(\mathbb{Z}) = \{\mathrm{id}, \sigma\}\),阶为 \(2\)。
第 6 步:与 \(G_2\) 同构。 ⏱ 21:58 把 \(\sigma\) 再做一次:\(n \mapsto -n \mapsto n\),即
所以 \(\sigma\) 是 2 阶元素。乘法表为:\(\mathrm{id}\circ\mathrm{id}=\mathrm{id}\),\(\mathrm{id}\circ\sigma=\sigma\circ\mathrm{id}=\sigma\),\(\sigma\circ\sigma=\mathrm{id}\)。 ⏱ 22:23 作对应
则 \(\sigma^{2}=\mathrm{id}\) 正对应 \(1 \oplus 1 = 0\),乘法表完全一致;验证它是同态双射没有问题。故
3有限情形准备:\(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\) 的生成元 ⏱ 23:37
现在考虑有限阶循环群 \(G_n = \mathbb{Z}/n\mathbb{Z} = \{\bar{0}, \bar{1}, \dots, \overline{n-1}\}\)(模 \(n\) 加法群,上一讲已详细写过它的结构)。先要回答:它的生成元到底是哪些?
可以逐一验证阶数(记住 \(G_8\) 是加法群,「\(k\) 倍 \(\bar{a}\)」指 \(k\) 个 \(\bar{a}\) 相加)⏱ 25:33:例如 \(\bar{3}\),使 \(k \cdot \bar{3} = \bar{0}\) 的最小正整数 \(k\) 是 \(8\)(\(3, 6, 1, 4, 7, 2, 5, 0\)),故 \(\mathrm{ord}(\bar{3}) = 8\);类似地 \(\bar{1}, \bar{5}, \bar{7}\) 的阶也都是 \(8\),与群的阶相同,确为生成元。
命题的证明(点击展开)
这是充要条件,需证两个方向。
(\(\Rightarrow\))设 \(\bar{m}\) 是生成元,证 \(\gcd(m,n)=1\)。 ⏱ 26:22 所谓 \(\bar{m}\) 生成 \(G_n\),即 \(G_n\) 中每个元素都可写成 \(\bar{m}\) 的整数倍(模 \(n\) 意义下)。特别地,生成元 \(\bar{1} \in G_n\) 也可由 \(\bar{m}\) 表示:存在整数 \(s\) 使得
按模 \(n\) 的含义,即 \(sm\) 与 \(1\) 相差 \(n\) 的整数倍:存在整数 \(k\) 使
由最大公约数的基本性质(中学结论):\(\gcd(m,n)\) 整除左边,故 \(\gcd(m,n) \mid 1\),从而 \(\gcd(m,n) = 1\)。
(\(\Leftarrow\))设 \(\gcd(m,n)=1\),证 \(\bar{m}\) 是生成元。 ⏱ 28:44 主要思想:只要能把已知生成元 \(\bar{1}\) 用 \(\bar{m}\) 表示出来,其余元素自然都可由 \(\bar{m}\) 表示。由互素(裴蜀定理),存在整数 \(s, t\) 使
两边模 \(n\):右边变为 \(\bar{1}\);左边 \(nt\) 是 \(n\) 的整数倍、模 \(n\) 为 \(\bar{0}\),于是
(\(\overline{ms} = \bar{m}\bar{s} = s\bar{m}\),\(s\) 上面带不带横杠没有关系:相差的只是 \(n\) 的整数倍)。于是对任意 \(\bar{k} \in G_n\):
所以整个 \(G_n\) 都由 \(\bar{m}\) 生成,即 \(\bar{m}\) 是生成元。
4回顾:欧拉函数与群 \(U(n)\) ⏱ 32:27
回到证明欧拉定理的那一讲(第 6 讲):当时引入过欧拉函数,并用「与 \(n\) 互素的剩余类」构造了一个群。本讲把这个群记作 \(U(n)\)(上一讲记作 \(G\))。
| \(\cdot\) | \(1\) | \(3\) | \(5\) | \(7\) |
|---|---|---|---|---|
| \(1\) | \(1\) | \(3\) | \(5\) | \(7\) |
| \(3\) | \(3\) | \(1\) | \(7\) | \(5\) |
| \(5\) | \(5\) | \(7\) | \(1\) | \(3\) |
| \(7\) | \(7\) | \(5\) | \(3\) | \(1\) |
5主定理:\(\mathrm{Aut}(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}) \cong U(n)\) ⏱ 37:54
5.1 化简与 \(\Phi\) 的定义 ⏱ 38:43
- 已知 \(G\) 是 \(n\) 阶(有限)循环群,由循环群的结构定理,不妨直接设 \(G = G_n = \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}\)。
- 设 \(\sigma \in \mathrm{Aut}(G_n)\)。\(\sigma\) 由 \(\sigma(\bar{1})\) 完全决定 ⏱ 39:43:\(G_n\) 中任一元素 \(\bar{k} = k \cdot \bar{1}\)(\(k\) 个 \(\bar{1}\) 相加),由同态性 \[ \sigma(\bar{k}) = k \cdot \sigma(\bar{1}). \] 找到 \(\bar{1}\) 的像,其余元素的像就完全确定了。
- 由第 1 节的引理,生成元必被映到生成元,故 \(\sigma(\bar{1})\) 也是生成元;再由第 3 节的命题 ⏱ 41:19: \[ \sigma(\bar{1}) = \bar{m}, \quad \text{其中 } 1 \le m < n,\ \gcd(m,n) = 1, \] 即 \(m \in U(n)\)。生成元的像的选取范围非常有限——只能在 \(U(n)\) 里。
计划 ⏱ 44:41:左边 \(\mathrm{Aut}(G_n)\) 的元素是自同构,运算是映射的复合;右边 \(U(n)\) 的元素是与 \(n\) 互素的数,运算是模 \(n\) 乘法。要证 \(\Phi\) 是同构,需验证:单的(比较显然)、满的(要稍微想一下)、同态(也比较简单)。
5.2 \(\Phi\) 是单射 ⏱ 45:28
证明(点击展开)
设 \(\Phi(\sigma_1) = \Phi(\sigma_2)\),即两个自同构对应的数相同,亦即
而自同构完全由 \(\bar{1}\) 的像决定(5.1),故对一切 \(\bar{k}\),\(\sigma_1(\bar{k}) = k\bar{m} = \sigma_2(\bar{k})\),即 \(\sigma_1 = \sigma_2\)。所以 \(\Phi\) 是单的。
5.3 \(\Phi\) 是满射 ⏱ 46:25
任给 \(m \in U(n)\)(即 \(m < n\) 且 \(\gcd(m,n)=1\)),要构造一个自同构 \(\sigma\) 使 \(\Phi(\sigma) = m\)。自然的定义是:让 \(\bar{1} \mapsto \bar{m}\),即 ⏱ 47:31
定义完必须严格证明 \(\sigma\) 确实是 \(G_n\) 上的自同构(同态、满、单)——这是不显然的,下面逐项验证。 ⏱ 48:38
验证 \(\sigma\) 是自同构(点击展开)
(1) \(\sigma\) 是同态。 ⏱ 49:32 \(G_n\) 的运算是加法。对任意 \(\bar{k}, \bar{l} \in G_n\):
其中用了上一讲 \(G_n\) 中「数乘对加法满足分配律」的性质。故 \(\sigma\) 保持运算。
(2) \(\sigma\) 是满的。 ⏱ 51:20 只要证 \(G_n\) 中任一元素都有原像。先找 \(\bar{1}\) 的原像:因为 \(\gcd(m,n)=1\),由裴蜀定理(Bézout),存在整数 \(p, q\) 使 ⏱ 52:25
模 \(n\) 后 \(nq\) 一项变为 \(\bar{0}\),得 \(p\,\bar{m} = \bar{1}\),即
于是对任意 \(\bar{k} \in G_n\)(注意 \(\bar{k} = k\cdot\bar{1}\)):
每个 \(\bar{k}\) 都有原像 \(k\bar{p}\),故 \(\sigma\) 是满的。
(3) \(\sigma\) 是单的。 ⏱ 54:32 用上一讲(同态与同构)的判据:同态是单射当且仅当其核为平凡群。由同态基本定理(第一同构定理)⏱ 56:25:
已证 \(\sigma\) 是满的,故 \(\mathrm{im}\,\sigma = G_n\)。两边取阶(\(\ker\sigma\) 是 \(G_n\) 的正规子群,商群的阶等于 \(|G_n|/|\ker\sigma|\)):
所以 \(\ker \sigma = \{\bar{0}\}\) 是平凡群,由判据知 \(\sigma\) 是单的。 ⏱ 58:03
综上,\(\sigma \in \mathrm{Aut}(G_n)\),且按定义 \(\Phi(\sigma) = m\)。由 \(m\) 的任意性,\(\Phi\) 是满的。
(课上提到:有同学指出这是更广的结论;从数分/有限集合计数的角度也可以证明——有限集合上满的自映射必是单的。)
5.4 \(\Phi\) 是同态(保持运算)⏱ 60:51
证明(点击展开)
要证:对任意 \(\sigma, \tau \in \mathrm{Aut}(G_n)\),
设 \(\Phi(\sigma) = m\)(即 \(\sigma(\bar{1}) = \bar{m}\)),\(\Phi(\tau) = k\)(即 \(\tau(\bar{1}) = \bar{k}\));再设 \(\Phi(\sigma \circ \tau) = r\),即 \((\sigma \circ \tau)(\bar{1}) = \bar{r}\)。自动构的复合仍是自同构,故 \(r\) 有意义。
把 \((\sigma\circ\tau)(\bar{1})\) 从两个角度算出来 ⏱ 63:35。一方面,按 \(\Phi\) 的定义,它就是 \(\bar{r}\)。另一方面,直接按复合与同态性计算:
按 \(U(n)\) 的乘法定义,设 \(\bar{k}\cdot\bar{m} = \bar{s}\),其中 \(s\) 是 \(km\) 除以 \(n\) 的余数(\(0 \le s < n\),\(km \equiv s \pmod n\))。于是 \(\overline{km} = \bar{s}\),从而
而 \(r, s\) 都是 \(0\) 到 \(n-1\) 之间的余数,故 \(r = s\)。 ⏱ 65:41 于是
(\(U(n)\) 的乘法交换,\(m \cdot k = k \cdot m\);这里 \(m = \Phi(\sigma)\),\(k = \Phi(\tau)\))。故 \(\Phi\) 保持运算,是同态。
6例:\(\mathrm{Aut}(\mathbb{Z}/8\mathbb{Z})\) ⏱ 67:12
证明很抽象?回到一直在用的 \(G_8\) 例子,把结论落到实处。
由主定理 ⏱ 67:49:
所以 \(\mathbb{Z}/8\mathbb{Z}\) 共有 \(4\) 个自同构。如何找?自同构由 \(\bar{1}\) 的像决定,而 \(\bar{1}\) 只能被映到生成元,即 \(U(8)\) 中的四个元素之一。四个自同构(分别记作 \(\mathrm{id}, \sigma_1, \sigma_2, \sigma_3\))⏱ 68:42:
| 自同构 | \(\bar{1}\) 的像 | 一般规则 \(\sigma(\bar{k}) = k\cdot\sigma(\bar{1})\) |
|---|---|---|
| \(\mathrm{id}\) | \(\bar{1} \mapsto \bar{1}\) | \(\bar{k} \mapsto \bar{k}\) |
| \(\sigma_1\) | \(\bar{1} \mapsto \bar{3}\) | \(\bar{k} \mapsto 3\bar{k}\) |
| \(\sigma_2\) | \(\bar{1} \mapsto \bar{5}\) | \(\bar{k} \mapsto 5\bar{k}\) |
| \(\sigma_3\) | \(\bar{1} \mapsto \bar{7}\) | \(\bar{k} \mapsto 7\bar{k}\) |
这就给出了 \(G_8\) 到 \(G_8\) 上的所有自同构。上面只写了生成元的像;一旦 \(\bar{1}\) 的像确定,其余元素的像完全确定。
| 原像 | \(\bar{0}\) | \(\bar{1}\) | \(\bar{2}\) | \(\bar{3}\) | \(\bar{4}\) | \(\bar{5}\) | \(\bar{6}\) | \(\bar{7}\) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| \(\sigma_1\) 的像 | \(\bar{0}\) | \(\bar{3}\) | \(\bar{6}\) | \(\bar{1}\) | \(\bar{4}\) | \(\bar{7}\) | \(\bar{2}\) | \(\bar{5}\) |
作业 ⏱ 72:07:类似地把 \(\sigma_2\)(\(\bar{1} \mapsto \bar{5}\))与 \(\sigma_3\)(\(\bar{1} \mapsto \bar{7}\))具体写出来:先定 \(\bar{1}\) 的像,再写出其余每个元素的像。要对 \(G_8\) 的自同构群非常清楚,每一个自同构都要会具体写出来,明白它到底是什么意思。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 混淆两边的运算:\(\mathrm{Aut}(G_n)\) 中的运算是映射的复合,\(U(n)\) 中的运算是模 \(n\) 乘法;\(\Phi\) 保持的是「复合 \(\leftrightarrow\) 乘法」,不要把两边运算搞混。
- 误以为 \(\bar{1}\) 可以映到任意元素:生成元必须映到生成元。例如在 \(G_8\) 中,\(\bar{1}\) 只能映到 \(\bar{1}, \bar{3}, \bar{5}, \bar{7}\),不能映到 \(\bar{2}\)(\(2\) 与 \(8\) 不互素,\(\bar{2}\) 不是生成元)。
- 证明「保持阶数」时只证了 \((\sigma(a))^{m} = e\) 就收尾,忘记证最小性:还需由 \((\sigma(a))^{k} = e\) 推出 \(m \mid k\),关键一步是用 \(\sigma\) 的单射性得到 \(a^{k} = e\)。
- 混淆 \(G_n\) 与 \(U(n)\):\(G_n\) 是加法群(模 \(n\) 加法,含 \(\bar{0}\)),\(U(n)\) 是乘法群(模 \(n\) 乘法,元素与 \(n\) 互素,不含 \(0\))。
- 具体写自同构 \(\sigma(\bar{k}) = k\bar{m}\) 时忘记模 \(n\) 取余:在 \(G_8\) 中 \(\sigma_1(\bar{3}) = \overline{9} = \bar{1}\),不是 \(9\);也别漏掉 \(\bar{0} \mapsto \bar{0}\)。
- 写完像之后不检验双射:像必须恰好是 \(n\) 个互不相同的元素;出现重复必是算错了。
✎自测与作业
- (课上作业)具体写出整数加法群的两个自同构(\(n \mapsto n\) 与 \(n \mapsto -n\)),列出它们的复合表,并与 \(G_2\) 的加法表对照,验证 \(\mathrm{Aut}(\mathbb{Z}) \cong \mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\)。
- 具体写出 \(\mathbb{Z}/8\mathbb{Z}\) 的自同构 \(\sigma_2\)(\(\bar{1} \mapsto \bar{5}\))与 \(\sigma_3\)(\(\bar{1} \mapsto \bar{7}\)):列出每个元素的像,并验证像构成 \(\bar{0}, \dots, \bar{7}\) 的一个排列。
- 找出 \(\mathbb{Z}/12\mathbb{Z}\) 的全部生成元,写出 \(U(12)\) 的元素,并说明 \(\mathrm{Aut}(\mathbb{Z}/12\mathbb{Z})\) 的阶。
- 证明 \(\mathrm{Aut}(\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}) \cong U(6) \cong \mathbb{Z}/2\mathbb{Z}\),并具体写出这两个自同构。
- 证明:有限群的满同态必是自同构(提示:同态基本定理 + 比较阶数;或用有限集合的计数)。
- (上一讲作业)证明:\(n\) 阶循环群的生成元个数为 \(\varphi(n)\)(提示:用本讲第 3 节的充要条件 \(\gcd(m,n)=1\))。