群的定义
定义
A group is a set G, together with a map of G×G into G (denoted g1∗g2) with some basic properties
群的基本属性
封闭性 Closure
∀g1,g2∈Gs.t.g1∗g2∈G
从G×G到G的映射称为群的积(Product)
结合律 Associativity
∀g1,g2∈Gs.t.g1∗(g2∗g3)=(g1∗g2)∗g3
单位元 Identity Element
∀g∈G,∃e∈G,s.t.g∗e=e∗g=g
单位元e是唯一的,单位元与群内元素的乘积为该元素本身。
阿贝尔群和逆元 Abelian and Inverse
∀g∈G,∃h∈G,s.t.g∗h=h∗g=e
阿贝尔群的群元素乘积的值与乘法运算时的次序无关,即阿贝尔群具备交换律;
群本身没有交换律存在,称上述公式中h为g的逆元(Inverse Element),每个元素的逆元唯一存在。记群内元素g的逆元为g−1
基本属性总结
Given a set and an operation, there are four things that must be checked to show that this is a group:
-
Closure
-
Associativity
-
existence of an Identity
-
existence of Inverses
群可以被视为一个拥有封闭性,满足结合律且有单位元和逆元的二元运算的集合(G,∗),阿贝尔群满足交换律。
证明
Uniqueness of the Identity
群的单位元是唯一存在的:
假设群内存在两个单位元e和f,则存在如下关系:e为单位元,则根据定义可知:e∗f=ff为单位元,则根据定义可知:e∗f=e则可知:e=e∗f=f
Uniqueness of the Inverses
群内元素的逆元是唯一存在的:
假设群内元素g存在两个逆元g∗h=gh∗(g∗h)(h∗g)∗he∗hhh和k,则存在如下关系:∗k=e=h∗(g∗k)=(h∗g)∗k=e∗k=k
Properties of Inverses
∀g,h∈G,(g−1)−1=g,e−1=e,(gh)−1=h−1g−1
证明一:假设m为g的逆元,则(g−1)−1=m−1=g
证明二:e∗e=e,则根据定义可知e=e−1
证明三:群满足封闭性,则h−1g−1∈G,h−1g−1∗gh=h−1(g−1g)h=h−1eh=h−1h=e,即为h−1g−1=(gh)−1
群的例子
加法群
The integers under addition
Closure: ∀z1,z2∈Z,∃z1+z2∈z
两个整数的和必然是一个整数,则(Z,+)满足封闭性
Associativity: addition is associative
加法必然满足结合律,则(Z,+)满足结合律
Identity: ∀z∈Z,∃0∈Z,s.t.0+z=z+0=z
唯一存在单位元0,则(Z,+)存在单位元
Inverses: ∀z∈Z,∃(−z)∈Z,s.t.z+(−z)=(−z)+z=0
每个元素存在唯一的逆元,则(Z,+)存在逆元
Commutativity: addition is commutative
加法必然满足交换律,则(Z,+)是阿贝尔群
The real numbers under addition
证明类似于整数,(R,+)是一个阿贝尔群,该定义可推广至Rn上:n− dimensional Euclidean space Rn with vector addition
乘法群
Non-zero real numbers under multiplication
(R∖{0},×) 是一个阿贝尔群,因为它满足群的基本属性且存在交换律:
-
Closure: ∀r1,r2∈R∖{0},∃r1×r2∈R∖{0}
-
Associativity、Commutativity: the real numbers’ multiplication is associative and commutative also.
-
Identity: ∀r∈R∖{0},∃1∈R∖{0},s.t.r×1=1×r=r
-
Inverses: ∀r∈R∖{0},∃r1∈R∖{0},s.t.r×r1=r1×r=1
记(R∖{0},×)为R∗
Non-zero complex numbers under multiplication
证明思路同R∗类似,单位元为1。记(C∖{0},×)为C∗,该群为阿贝尔群
Complex numbers absolute value one under multiplication
假设存在两个模为1的复数a+bi和c+di,则可得如下关系:
(a+bi)(c+di)(ac−bd)2+(ad+bc)2=(ac−bd)+(ad+bc)i=a2c2−2abcd+b2d2+a2d2+2abcd+b2c2=a2c2+b2d2+a2d2+b2c2=a2(c2+d2)+b2(c2+d2)=a2+b2=1
集合满足在乘法下的封闭性,其单位元为1,该群被记作为S1,是一个阿贝尔群。
其他常用群
General Linear Group 一般线性群
n阶可逆矩阵(n≥2),在矩阵乘法下构成一般线性群(General Linear Group),记作GL(n;R)。
GL(n;R)不是阿贝尔群(即不具备交换性),这是由矩阵乘法的性质决定的。该群的单位元为n阶单位矩阵E。
Symmetric Group 置换群
定义集合G为集合1,2,3,…,n上双射(既单射 one-to-one 又满射 onto )的集合,且定义合成映射(g∘h)(x)=g(h(x)),则称(G,∘)为置换群,记作Sn。
Sn有n!个元素,其单位元为Identity Map ( 1 to 1, 2 to 2, n to n)
Integers mod n
集合0,1,2,…,n−1在加法取模n下是一个阿贝尔群,记作Zn:
集合内任意两个元素a,b相加后取模n:
单位元为0,逆元为n−a
子群、群同态
子群 Subgroups
定义
A subgroup of a group G is a subset H of G with some properties:
-
封闭性(Closure): ∀h1,h2∈H,∃h1h2∈H
-
单位元(Identity): The identity is an element of H
-
逆元(Inverses): ∀h∈H,∃h−1∈H
Trivial Subgroups 平凡子群
每个群G至少存在两个子群:1.它自身G;2.仅由单位元构成的子群{e},称为平凡子群。
Special Linear Group 特殊线性群
行列式为1的n阶矩阵是一般线性群的一个子群,称为实数上的特殊线性群SL(n;R)
群中心和直乘
Center
The center of a group G is the set of all g∈G such that ∀h∈G,gh=hg
群的中心也是一个群,任何群G的中心都是它自身的子群G
Direct Product
给定群G和H,令g∈G,h∈H,则定义群G和H的笛卡尔积如下:
(g1,h1)(g2,h2)=(g1g2,h1h2)
称该操作为在G和H上的直乘,记作G×H,直乘的结果是一个群,它的单位元素为(e1,e2),其中e1和e2分别为G和H的单位元素。
同态、同构、核
同态 Homomorpohism
从群G到H的映射Φ:G→H若满足∀g1,g2∈G,Φ(g1g2)=Φ(g1)Φ(g2),则称这个映射Φ是从群G到H的群同态。
群G和H的单位元为e1和e2,映射Φ:G→H,则:1.Φ(e1)=Φ(e2)2.Φ(g−1)=Φ(g)−1
核 Kernel
映射Φ:G→H是一个由群G到H的同态,群H的单位元为e,则同态的核定义如下:
kerΦ={g∣g∈G,Φ(g)=e}
从群G到H的同态的核kelΦ是群G的一个子群
同构 Isomorphism
若映射Φ是双射的 (one-to-one and onto),则称其为同构。
若一个群和它自身是同构的,则称其为自同构(Automorphism)。
若存在一个从群G到H的同构,则称G和H是同构的,记作G≅H