抽象代数思考题

探讨了抽象代数中的关键概念,包括循环群、同构、理想、交换群、半群和群的极小生成集合。深入分析了这些概念的性质和相互关系,提供了丰富的例证和证明。

抽象代数思考题

Proposition 1 Z,+Proposition 1 ⟨Z,+⟩是循环群.
1|a,a01|a,a≠0,所以Z,+=1,+⟨Z,+⟩=⟨1,+⟩.

Proposition 2 Proposition 2 任意两个同阶循环群一定是同构的.
nn阶循环群生成元为a,那么可以构造同构:

φ:Zn,+nxG,axφ:⟨Zn,+n⟩→⟨G,⋅⟩x↦ax

由同构的等价性质,任意两个同阶循环群是同构的(Z=ZZ∞=Z).

Proposition 3 Proposition 3 任意循环群的子群是循环群。
由命题2,我们直接在Zn,+⟨Zn,+⟩(+nn+n的n略去)上研究循环群的性质.
n=n=∞,则任意集合S={a1,a2,...an}S={a1,a2,...an},一定有S,+=(a1,a2,...an),+⟨S,+⟩=⟨(a1,a2,...an),+⟩,所以ZZ的子群是循环群,记为(a1,a2,...,an)Z.
n<n<∞,设ZnZn子群为mZnmZn,则由n0mZnn≡0∈mZn,得m|[m,n]m|[m,n](m是mZnmZn中最小的元素).易知mZn,+n⟨mZn,+n⟩是循环群m,+n⟨m,+n⟩.
总之ZnZn的子群mZnmZn是循环群.

无零因子有幺元的环是整环.

Proposition 4 Proposition 4 MM是整环,那么当且仅当M[x1,x2,...,xn]是整环.
充分性:MM是整环,于是0,1M分别是零元和幺元,那么对于任意形式多项式函数f(x⃗ )M[x⃗ ],0f(x⃗ )=0,1f(x⃗ )=1f(x→)∈M[x→],0⋅f(x→)=0,1⋅f(x→)=1,所以M[x⃗ ]M[x→]是整环.
必要性M[x⃗ ]M[x→]是整环,那么存在0,1M[x⃗ ]0,1∈M[x→]分别是零元和幺元,对于M0={f0|degf0=0}M0={f0|deg⁡f0=0}来说,其与MM同构,并且M0是整环,所以MM是整环.

Proposition 5 MM是无零因子环,那么当且仅当deg(f×g)=degf+degg,f,gM[x1,x2,...,xn].时M[x1,x2,...,xn]M[x1,x2,...,xn]是整环.
暂略…先看看高代下册再来看这个问题吧_(:3」∠)_.

Ideal 1 Ideal 1 
考虑环X,+,⟨X,+,⋅⟩的加法群X,+⟨X,+⟩的子群H,+⟨H,+⟩.如果GhHGh∈H,那么HHX的理想。看起来和陪集有点像,其实根本不同QAQ…

Proposition 6 Proposition 6 X∘是X上二元运算,且对x,y∀x,y满足(xy)y=y(yx)=x(x∘y)∘y=y∘(y∘x)=x,证明是交换的.
证明:
xy=y(y(xy))=y((x(xy))(xy))=yxx∘y=y∘(y∘(x∘y))=y∘((x∘(x∘y))∘(x∘y))=y∘x.
反思:首先=...=左式=...=右式,如果是抽象集合,中间一定反复利用,…貌似没有其他的证法。

Proposition 7 Proposition 7 XX,X∗是幺半群⟨X,∘⟩所有单位元素组成的集合,证明XX∗对∘是封闭的.
证明:
x,yXx,y∈X∗,则xyx∘y也可逆,所以xyXx∘y∈X∗.
(原题是幺群,但我觉得按它的定义…这里应该是幺半群..)
Proposition 8 Proposition 8 S,+⟨S,+⟩N,+⟨N,+⟩的子半群,满足若a,bSa,b∈S,那么|ab|S|a−b|∈S,证明S是循环群(a0S,S={an0|nN}∃a0∈S,S={a0n|n∈N}?).
证明:
由辗转相除法a,bS(a,b)Sa,b∈S⇒(a,b)∈S,由数学归纳法若给SS中元素任意编号a1,...,an,...,若Pn=(a1,...,an)S,Pn+1=(Pn,an+1)SPn=(a1,...,an)∈S,那么Pn+1=(Pn,an+1)∈S,又P1P⩾1,于是PS,P|ai,aiS∃P∈S,P|ai,ai∈S,于是S={nP|nN}.S={nP|n∈N}.

Proposition 9 Proposition 9 S1,S2S1,S2是交换半群XX的子半群,证明S1S2={s1s2|s1S1,s2S2}也是XX的子半群.
证明:
a1b1,a2b2S1S2,那么a1b1a2b2=(a1a2)(b1b2)S1S2a1b1a2b2=(a1a2)(b1b2)∈S1S2.
Proposition 10 Proposition 10 将下列概念由群推广到半群:
1.由一个群的子集生成的子群;
2.循环群;
3.群的极小生成集合;
4.有限生成的群.

1.考虑类似矩阵的P,⟨P,⋅⟩,若S={s1,s2,...,sn}S={s1,s2,...,sn},则{sa11sa22...sann|a1,a2,...,anN,a1+a2++an>0}{s1a1s2a2...snan|a1,a2,...,an∈N,a1+a2+⋯+an>0}.
事实上这样的子群应该是交换的,证明从略。
2.只由一个单元素子集生成的半群
3.若G=S,G=⟨S,⋅⟩,且SS,GS,∀S′⊂S,G≠⟨S′,⋅⟩SSG的极小生成集合.
4.若|S|<|S|<∞,称GG是有限生成的.
举例:一切无限维矩阵组成的集合M[K],不是有限生成的.其是半群,因为A(BC)=(AB)CA(BC)=(AB)C.
Proposition 11 Proposition 11 G,⟨G,⋅⟩是交换半群,且有相消律成立,记Q[G]={(p,q)|p,qG}Q[G]={(p,q)|p,q∈G},若ad=bc,(a,b)=(c,d)ad=bc,则(a,b)=(c,d),证明Q[G],,(a,b)(c,d):=(ac,bd)⟨Q[G],∘⟩,(a,b)∘(c,d):=(ac,bd)是交换群.
证明:
结合律:
((a,b)(c,d))(e,f)=(ac,bd)(e,f)=(ace,bdf)((a,b)∘(c,d))∘(e,f)=(ac,bd)∘(e,f)=(ace,bdf)
(a,b)((c,d)(e,f))=(a,b)(ce,df)=(ace,bdf)(a,b)∘((c,d)∘(e,f))=(a,b)∘(ce,df)=(ace,bdf)
所以结合律成立.
幺元:
(1,1)(a,b)=(a,b)(1,1)∘(a,b)=(a,b),故(1,1)(1,1)是幺元,
进而r(1,1)(a,b)=(a,b)r(1,1)(a,b)=(a,b),故(r,r),rN+(r,r),r∈N+是幺元.
逆元:
(a,b)(b,a)=(ab,ba)=(ab,ab)=ab(1,1)=(1,1)(a,b)∘(b,a)=(ab,ba)=(ab,ab)=ab(1,1)=(1,1),故(a,b)(a,b)的逆元是(b,a)(b,a).
交换律:
(a,b)(c,d)=(ac,bd)=(ca,db)=(c,d)(a,b)(a,b)∘(c,d)=(ac,bd)=(ca,db)=(c,d)∘(a,b).
Proposition 12 Proposition 12 一个有限半群如果是交换的,且有相消律成立,那么它是交换群.如果它不是交换的呢?
gb=gcb=cgb=gc⇒b=c那么对于所有的gGg∈G,必须有逆元存在,假设不存在,首先设|G|=n|G|=n,则xeG,gxe∀x≠e∈G,gx≠e,设gg=ag,g=egg=a≠g,否则g=e,设ga=bgga=b≠g,否则a=ga=g,设gb=cggb=c≠g,否则b=gb=g,…,这样的乘法可以无限做下去,但是由于GG是有限半群,这是不可能的,那么必然有gl=g,1en,于是gl1=egl−1=e,l=1,g=e,l=2g1=gl2l=1,则g=e,l=2,则g−1=gl−2.于是所有元素都有逆元.
在上面所证中只会有一个元素满足gg=g=ge(e)gg=g=ge(e是待定的幺元).

如果不是交换的.
若是左可约的,那么存在左逆元,若是右可约的那么存在右逆元.若既是左可约的又是右可约的,它才是群?
Proposition 13 Proposition 13 群的极小生成集合是唯一的吗?举例说明。
可能大概不是唯一的QAQ…极大线性无关组怎么可能是唯一的。

Proposition 14 Proposition 14  证明如果一个群没有真子群,那么它一定是循环群.
H<GH<G,那么GHHhG−H不能由H中任意元素h表示,自然gGH,ghkg′∈G−H,g≠hk,反之亦然.从而它不是循环群.我们能够从这样的陪集分解获得启示.
现在看它的逆否命题:
若它不是循环群,则gg,g,g′≠g,⟨g′,⋅⟩是它的子群,gg,g∉⟨g′,⋅⟩,所以它是真子群。

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