群的定义

定义

A group is a set GG, together with a map of G×GG\times G into G (denoted g1g2g_1 * g_2) with some basic properties

群的基本属性

封闭性 Closure

g1,g2Gs.t.g1g2G\forall g_1, g_2\in G\quad s.t.\quad g_1 * g_2\in G

G×GG\times GGG的映射称为群的积(Product)

结合律 Associativity

g1,g2Gs.t.g1(g2g3)=(g1g2)g3\forall g_1, g_2\in G\quad s.t.\quad g_1*(g_2*g_3) = (g_1*g_2)*g_3

单位元 Identity Element

gG,eG,s.t.ge=eg=g\forall g\in G,\quad \exists e\in G,\quad s.t.\quad g*e=e*g=g

单位元ee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

gG,hG,s.t.gh=hg=e\forall g\in G, \quad \exists h\in G, \quad s.t. \quad 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hhgg的逆元(Inverse Element),每个元素的逆元唯一存在。记群内元素gg的逆元为g1g^{-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,)(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ef,则存在如下关系:e为单位元,则根据定义可知:ef=ff为单位元,则根据定义可知:ef=e则可知:e=ef=f\begin{aligned} &假设群内存在两个单位元e和f,则存在如下关系:\\ &\qquad e为单位元,则根据定义可知:e*f=f\\ &\qquad f为单位元,则根据定义可知:e*f=e\\ &\qquad 则可知:e=e*f=f \end{aligned}

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hk,则存在如下关系:gh=gk=eh(gh)=h(gk)(hg)h=(hg)keh=ekh=k\begin{aligned} 假设群内元素g存在两个逆元&h和k,则存在如下关系:\\ g*h=g&*k=e\\ h*(g*h)&=h*(g*k)\\ (h*g)*h&=(h*g)*k\\ e*h&=e*k\\ h&=k\\ \end{aligned}

Properties of Inverses

g,hG,(g1)1=g,e1=e,(gh)1=h1g1\forall g,h\in G,\quad (g^{-1})^{-1}=g,\quad e^{-1}=e,\quad (gh)^{-1}=h^{-1}g^{-1}

证明一:假设mmgg的逆元,则(g1)1=m1=g(g^{-1})^{-1}=m^{-1}=g

证明二:ee=ee*e=e,则根据定义可知e=e1e=e^{-1}

证明三:群满足封闭性,则h1g1Gh^{-1}g^{-1}\in Gh1g1gh=h1(g1g)h=h1eh=h1h=eh^{-1}g^{-1}*gh=h^{-1}(g^{-1}g)h=h^{-1}eh=h^{-1}h=e,即为h1g1=(gh)1h^{-1}g^{-1}=(gh)^{-1}

群的例子

加法群

The integers under addition

Closure: z1,z2Z,z1+z2z\forall z_1,z_2\in \mathbb{Z},\exists z_1+z_2\in\mathbb{z}

两个整数的和必然是一个整数,则(Z,+)(\mathbb{Z},+)满足封闭性

Associativity: addition is associative

加法必然满足结合律,则(Z,+)(\mathbb{Z},+)满足结合律

Identity: zZ,0Z,s.t.0+z=z+0=z\forall z\in\mathbb{Z},\exists 0\in\mathbb{Z},\quad s.t.\quad 0+z=z+0=z

唯一存在单位元0,则(Z,+)(\mathbb{Z},+)存在单位元

Inverses: zZ,(z)Z,s.t.z+(z)=(z)+z=0\forall z\in\mathbb{Z},\exists(-z)\in\mathbb{Z},\quad s.t.\quad z+(-z)=(-z)+z=0

每个元素存在唯一的逆元,则(Z,+)(\mathbb{Z},+)存在逆元

Commutativity: addition is commutative

加法必然满足交换律,则(Z,+)(\mathbb{Z},+)阿贝尔群

The real numbers under addition

证明类似于整数,(R,+)(\mathbb{R},+)是一个阿贝尔群,该定义可推广至Rn\mathbb{R}^n上:nn- dimensional Euclidean space Rn\mathbb{R}^n with vector addition

乘法群

Non-zero real numbers under multiplication

(R{0},×)(\mathbb{R}\setminus\{0\}, \times) 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,r2R{0},r1×r2R{0}\forall r_1,r_2\in \mathbb{R}\setminus\{0\},\exists r_1\times r_2 \in \mathbb{R}\setminus\{0\}

  • Associativity、Commutativity: the real numbers’ multiplication is associative and commutative also.

  • Identity: rR{0},1R{0},s.t.r×1=1×r=r\forall r\in \mathbb{R}\setminus\{0\},\exists 1\in\mathbb{R}\setminus\{0\},\quad s.t.\quad r\times 1=1\times r= r

  • Inverses: rR{0},1rR{0},s.t.r×1r=1r×r=1\forall r\in \mathbb{R}\setminus\{0\},\exists \frac{1}{r}\in\mathbb{R}\setminus\{0\},\quad s.t.\quad r\times \frac{1}{r}=\frac{1}{r}\times r= 1

(R{0},×)(\mathbb{R}\setminus\{0\}, \times)R\mathbb{R}^*

Non-zero complex numbers under multiplication

证明思路同R\mathbb{R}^*类似,单位元为1。记(C{0},×)(\mathbb{C}\setminus\{0\}, \times)C\mathbb{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+bia+bic+dic+di,则可得如下关系:

(a+bi)(c+di)=(acbd)+(ad+bc)i(acbd)2+(ad+bc)2=a2c22abcd+b2d2+a2d2+2abcd+b2c2=a2c2+b2d2+a2d2+b2c2=a2(c2+d2)+b2(c2+d2)=a2+b2=1\begin{aligned} (a+bi)(c+di)&=(ac-bd)+(ad+bc)i\\ (ac-bd)^2+(ad+bc)^2&=a^2c^2-2abcd+b^2d^2+a^2d^2+2abcd+b^2c^2\\ &=a^2c^2+b^2d^2+a^2d^2+b^2c^2\\ &=a^2(c^2+d^2)+b^2(c^2+d^2)\\ &=a^2+b^2\\ &=1 \end{aligned}

集合满足在乘法下的封闭性,其单位元为1,该群被记作为S1S^1,是一个阿贝尔群。

其他常用群

General Linear Group 一般线性群

nn阶可逆矩阵(n2)(n\ge2),在矩阵乘法下构成一般线性群(General Linear Group),记作GL(n;R)\mathrm{GL}(n;\mathbb{R})

GL(n;R)\mathrm{GL}(n;\mathbb{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nn阶单位矩阵EE

Symmetric Group 置换群

定义集合G为集合1,2,3,,n{1, 2, 3,\dots,n}双射(既单射 one-to-one 又满射 onto )的集合,且定义合成映射(gh)(x)=g(h(x))(g\circ h)(x)=g(h(x)),则称(G,)(G,\circ)为置换群,记作SnS_n

SnS_nn!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,,n1{0, 1, 2, \dots, n-1}在加法取模n下是一个阿贝尔群,记作Zn\mathbb{Z}_n:

集合内任意两个元素a,ba,b相加后取模n:

  • a+bna+b\ge n则取模n后属于集合(a+b)modnZn(a+b) mod n \in \mathbb{Z}_n

  • a+b<na+b< n则取模n等于其本身,a+bZna+b \in \mathbb{Z}_n

  • 综上,集合满足封闭性

单位元为0,逆元为nan-a

子群、群同态

子群 Subgroups

定义

A subgroup of a group GG is a subset HH of GG with some properties:

  • 封闭性(Closure): h1,h2H,h1h2H\forall h_1,h_2\in H, \quad\exists\quad h_1h_2\in H

  • 单位元(Identity): The identity is an element of HH

  • 逆元(Inverses): hH,h1H\forall h\in H,\quad\exists\quad h^{-1}\in H

Trivial Subgroups 平凡子群

每个群GG至少存在两个子群:1.它自身GG;2.仅由单位元构成的子群{e}\{e\},称为平凡子群。

Special Linear Group 特殊线性群

行列式为1的nn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)\mathrm{SL}(n;\mathbb{R})

群中心和直乘

Center

The center of a group GG is the set of all gGg\in G such that hG,gh=hg\forall h\in G,\quad gh=hg

群的中心也是一个群,任何群GG的中心都是它自身的子群GG

Direct Product

给定群GGHH,令gGg\in GhHh\in H,则定义群GGHH的笛卡尔积如下:

(g1,h1)(g2,h2)=(g1g2,h1h2)(g_1,h_1)(g_2, h_2)=(g_1g_2,h_1h_2)

称该操作为在GGHH上的直乘,记作G×HG\times H,直乘的结果是一个群,它的单位元素为(e1,e2)(e_1,e_2),其中e1e_1e2e_2分别为GGHH的单位元素。

同态、同构、核

同态 Homomorpohism

从群GGHH的映射Φ:GH\Phi:\:G\:\to \:H若满足g1,g2G,Φ(g1g2)=Φ(g1)Φ(g2)\forall g_1,g_2\in G,\:\Phi(g_1g_2)=\Phi(g_1)\Phi(g_2),则称这个映射Φ\Phi是从群GGHH的群同态。

GH的单位元为e1e2,映射Φ:GH,:1.Φ(e1)=Φ(e2)2.Φ(g1)=Φ(g)1\begin{aligned} &群G和H的单位元为e_1和e_2,映射\Phi:G\:\to\:H,则:\\ &\qquad\qquad 1.\Phi(e_1)=\Phi(e_2)\\ &\qquad\qquad 2.\Phi(g^{-1})=\Phi(g)^{-1}\\ \end{aligned}

核 Kernel

映射Φ:GH\Phi:\:G\to\:H是一个由群GGHH的同态,群HH的单位元为ee,则同态的核定义如下:

kerΦ={ggG,Φ(g)=e}\mathrm{ker}\:\Phi=\{g\:|\:g\in G,\Phi(g)=e\}

从群GGHH的同态的核kelΦ\mathrm{kel}\:\Phi是群GG的一个子群

同构 Isomorphism

若映射Φ\Phi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GGHH的同构,则称GGHH是同构的,记作GHG\cong H