二、群

    [群的定义与例子]  设G不是空集(见第二十一章,§1,一),对G给定一个代数运算,若在之下,满足下列四个条件,则称G为一个群:

(i) G在之下是封闭的,即对每一对元素,则有唯一确定的元素,且.

(ii) G在之下是可结合的,即对任意,有
                   

(iii) 在G中有一元素e,对任一,满足
                   

(iv) 对任一,都有一个,满足
                   

条件(iii)中的e称为单位元或恒等元;条件(iv)中的称为的逆元.

注意,定义中条件(iii)可改为:有一个左单位元e(或右单位元),使(或),对任意成立. 因为由此推出. 因此,群中单位元是唯一的. 定义中条件(iv)可改为:每个元有左(或右)逆元,使(或)成立. 因为由此推出,从而也成立. 因此,群中每个元的逆元是唯一的.

若一个群G的乘法可交换,则称G为交换群或阿贝耳群. 特别在加法之下,交换群称为加法群. 在加法群时,改为,逆元改为负元-,单位元称为零元,记作0.

例1            整数集N组成一个加法群;有理数集、实数集、复数集各组成一个加法群.

例2            非零的实数集对于乘法组成一个群. 正的实数集对于乘法也组成一个群.

例3            一切元在数域F中的n阶可逆矩阵对于矩阵的乘法组成一个群,记作.

例4            设Ω是一个平面图形,是平面上一切使Ω不动的正交变换所组成的集,则组成一个群. 通称为图形Ω的对称群.

例5            一切n次置换的集合组成一个群,称为置换群,记作.

事实上,若任取两个n次置换:

                    

可改写为:


                            


对置换和,规定置换


                           


和它们对应,即为和的乘积,记作
                              
在这个乘法之下,不难推出满足群中规定的条件,因而组成一个群.

例6  非空集S到自身的一切可逆变换(见第二十一章,§1,二)对于变换的乘法组成一个群,称为集S的全变换群,记作. 的子群称为S上的变换群.

[群的基本性质]

    1o   在群中,对任意元a,b,方程


                              


各有解. 即.
    2o  消去律成立. 即若,则.
    3o  群中一般结合律成立. 即


                         


    4o  交换群中一般交换律成立. 即


                         


式中是的任一排列.

[子群]  设群G的非空子集H对于G的运算也组成一个群,则称H为G的一个子群.

群G的非空子集H是子群的充分必要条件是:若,则.

任意个子群的交集(见第二十一章,§1,三)是一个子群.

[循环群]  一个元a的一切乘幂的全体组成一个群,称为循环群. 循环群是交换群.

    若序列中没有两个元素相等的,则称G为无限循环群. 若有相等的元素,即

                          

可推出G为n个元的集,即


                           


这时称G为有限循环群,n称为G的阶,即n为使的最小正整数.

循环群的子群还是循环群.

[不变子群·陪集·商群]  设H为群G的一个子群,若对每个元, 有


                               


(这里表示g与H中一切元素的乘积,例如),即,则称H为G的一个不变子群(或正规子群). 和分别称为G对H含元素g的左陪集和右陪集. 因此含同一元素的不变子群的左陪集和右陪集是重合的.

把陪集看作元素时,一切陪集构成一个群,称为G对H的商群,记作G/H.

拉格朗日定理  有限群G的子群的阶是群G的阶的一个因数.

G的不变子群H的商群的阶为的阶被的阶除所得的商.

交换群的一切子群都是不变子群.

若群G除自身外,无任何其他不变子群,则称G为单群.

[同构与自同构]  设两个群,若使中任意两元a,b的乘积与中相应元的乘积对应,而且只与这个乘积对应,即

                     

具有这个性质的到上的一对一的对应,称为一个同构,又称与是同构的,记作. 群G到自身的同构称为自同构.

同构有以下性质:

1o在同构之下,一个群的单位元、逆元、子群分别对应到另一个群的单位元、逆元、子群.

2o同构是一个等价关系,即

 (i) 反身性  ;

 (ii) 对称性  若,则;

 (iii) 传递性  若,,则.

 3o凯莱定理  任一群G都同构于它的元素集的某一变换群.     

[同态与自同态]  有两个群,,与一个映射:. 设,若满足

                          

则称为一个同态. 为的一个同态象,记作~. 群到自身的同态称自同态.

    同态有以下性质:

1o一对一的同态就是同构.

2o在同态之下,单位元映到单位元,逆元映到逆元.

3o假定f是群G到的一个同态,则G中对应于的单位元的一切元素所成的集N是G的一个不变子群. N称为同态f的核,记作.

4o假定群G,同态,则G中对应于的任一固定元素的一切元素所成的集是G对同态核N的一个陪集.

5o同态基本定理  假定G,同态,群G对N的陪集与的元素之间的一一对应是与商群G/N之间的一个同构. 它表明G的同态象与对应的商群G/N同构.