数论中群的概念

article/2025/9/14 5:29:55

定义(群)设G为某种元素组成的一个非空集合,若在G内定义一个称为乘法的运算“·”,满足以下条件:
(1)(封闭性)\forall a,b\in G,a\cdot b\in G
(2)(结合性)\forall a,b,c \in G,,有a·(b·c)=(a·b)·c;
(3)在G中有一个元素e,对G中任意元素g,有e·g=g·e=g,元素e称为单位元;

  (4)对G中任一元素g都存在G中的一个元素g',使得g·g'=g'·g=e,g称为可逆元,g'称为g的逆元,记作g^{-1}

则称G关于“·”形成一个群(Group),记作(G,·),通常在不混淆的情况下省略”.”,用G来表示一个群,a·b也简记为ab。

 

关于群的定义,我们特别需要注意以下几点:
(一)群的概念与所采用的表述方式无关,关键在于运算所满足的抽象性质。例如,定义中的乘法运算“·”也可以称为加法运算“十”,只要依据该运算的定义,条件(1),(2),(3),(4)均成立即可。此时,“a·b”相应可记为“a+b”,(3)中的单位元习惯上称为零元,(4)中“g”记为“一g”,称为负元

(二)运算“。”和“十”均是抽象运算,并不只是我们熟知的数之间的乘法和加法。非空集合G中的元素形式多样,可以是数、集合、矩阵等研究对象。 

 

经常看到各种群吓唬我,先把常见的各种群的定义罗列如下:

Abel群交换群:群中的运算满足交换律的群 

半群:非空集合G满足条件(1)和(2),则称G为半群

含幺半群:非空集合G满足条件(1),(2)和(3),则称G为含幺半群

 

举几个栗子:

全体非零实数R*对于通常意义下的乘法形成一个群,因为该乘法满足封闭性和结合性,有单位元1,对任意a\inR*,有a^{-1}=\frac{1}{a}。通常意义下的乘法又满足交换律,故(R*,.)是一个乘法交换群。同样全体非零有理数集Q*,非零复数集C*对于通常意义下的乘法也构成乘法交换群。由于它们的元素个数并非有限,因而它们均是无限群。

有理数集Q,实数集R和复数集C对通常意义下的加法构成了加法交换群,单
|位元为0,每个元素a的逆元为一么。

整数集Z对通常意义下的加法构成加法交换群,单位元为0,每个元素a的逆元为一a。

非零整数集Z^{}*=Z\{0}对通常意义下的乘法,满足封闭性、结合性、交换律,也有单位元1,但不是每个元素都有逆元,因此Z^{}*对通常意义下的乘法不构成一个群。

 

群G中元素的个数称为G的,记作|G|,若|G|<+\infty,则称群G为有限群;若|G|>+\infty,则称群G为无限群。

 

定义:设H为群G的一个非空子集,若H对G的运算“·”也构成群,则称H为群G的子群,记作H≤G。

由子群的定义知,H={e}和H=G都是群G的子群,称之为群G的平凡子群。如果H不是群G的平凡子群,即{e}\subsetH\subsetG,则称H为群G的真子群

再举个栗子:

所有偶数的集合是整数加法群Z的子群。一般的,nZ={nk|k∈Z}是Z的子群。

在通常意义的加法运算下,Z≤Q≤R≤C;在通常意义的乘法运算下,Q*≤R*≤C*。

 

定义:群G由一个元素a生成时,称为循环群(Cyclic Group),记为G=<a>。

举个栗子:

Z_{5}^{*}=<2>=<4>,即为4阶循环群,2和4均为其生成元。事实上,由群Z_{5}^{*}中乘法定义知

2^{1}=2 mod 5=2

2^{2}=4 mod 5=4

2^{3}=8 mod 5=3

2^{4}=16 mod 5=1

即由2可以生成群Z_{5}^{*},同理由4也可以生成群Z_{5}^{*}

定义:设G为群,a\in G,则使a^{n}=e成立的最小正整数n称为元素a的阶,记作ord(a)。如果不存在这样的正整数n,则称元素a为无限阶元。

整数加法群(Z,+)中除了元素0外,其余元素均为无限阶元,因为对任意k\inZ,不存在正整数n可以使得nk=0。

循环群的特性

(1)循环群是Abel群

(2)若G=<a>,则|G|=ord(a)。

举个例子:

Z_{5}^{*}=<2>={2^{1}2^{2}2^{3}2^{4}},|Z_{5}^{*}|=ord(2)=4。

 


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