Wyk lad 3 Grupy cykliczne

Podobne dokumenty
Wyk lad 2 Podgrupa grupy

Wyk lad 14 Cia la i ich w lasności

Wyk lad 9 Podpierścienie, elementy odwracalne, dzielniki zera

Wyk lad 5 Grupa ilorazowa, iloczyn prosty, homomorfizm

WPPT 2r., sem. letni KOLOKWIUM 1 Wroc law, 19 kwietnia 2011

Wyk lad 4 Warstwy, dzielniki normalne

Wyk lad 12. (ii) najstarszy wspó lczynnik wielomianu f jest elementem odwracalnym w P. Dowód. Niech st(f) = n i niech a bedzie

Przekształcenie całkowe Fouriera

Wyk lad 7 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Wyk lad 9 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Przykładowe zadania z teorii liczb

Wyk lad 1 Podstawowe struktury algebraiczne

Wyk lad 6 Podprzestrzenie przestrzeni liniowych

Rzędy Elementów Grupy Abelowej Andrzej Nowicki 16 września 2015, wersja rz-15

WYK LAD 2: PODSTAWOWE STRUKTURY ALGEBRAICZNE, PIERWIASTKI WIELOMIANÓW, ROZK LAD FUNKCJI WYMIERNEJ NA U LAMKI PROSTE

WYKŁAD nr Ekstrema funkcji jednej zmiennej o ciągłych pochodnych. xˆ ( ) 0

Prostota grup A n. Pokażemy, że grupy A n sa. proste dla n 5. Dowód jest indukcyjny i poprzedzimy go lematem.

Wyk lad 9 Przekszta lcenia liniowe i ich zastosowania

Algebra konspekt wykladu 2009/10 1. du na dzialanie na zbioze G, jeśli dla dowolnych elementów x, y S, x y S. S jest zamkniety ze wzgle

Wyk lad 11 1 Wektory i wartości w lasne

Wielomiany Hermite a i ich własności

Niech X bȩdzie dowolnym zbiorem. Dobry porz adek to relacja P X X (bȩdziemy pisać x y zamiast x, y P ) o w lasnościach:

MODELE MATEMATYCZNE W UBEZPIECZENIACH WYKŁAD 5: RENTY ŻYCIOWE

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA

Matematyka dyskretna

Twierdzenie Eulera. Kongruencje wykład 6. Twierdzenie Eulera

Wyk lad 14 Formy kwadratowe I

Twierdzenie Li-Yorke a Twierdzenie Szarkowskiego

Wyk lad 6 Przyk lady homomorfizmów

ROZDZIAŁ 5. Renty życiowe

Wyk lad 8 macierzy i twierdzenie Kroneckera-Capellego

Dr inż. Robert Wójcik, p. 313, C-3, tel Katedra Informatyki Technicznej (K-9) Wydział Elektroniki (W-4) Politechnika Wrocławska

Wyk lad 3 Wielomiany i u lamki proste

Wyk lad 9 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Dziedziny Euklidesowe

Matematyka dyskretna

Teoria liczb. Magdalena Lemańska. Magdalena Lemańska,

Rozdział 6. Ciągłość. 6.1 Granica funkcji

Wyk lad 11 Przekszta lcenia liniowe a macierze

Rozdzia l 3. Elementy algebry uniwersalnej

KONGRUENCJE. 1. a a (mod m) a b (mod m) b a (mod m) a b (mod m) b c (mod m) a c (mod m) Zatem relacja kongruencji jest relacją równoważności.

Dzia lanie grupy na zbiorze. Twierdzenie Sylowa

Wyk lad 10 Przestrzeń przekszta lceń liniowych

Rozdział 1. Zadania. 1.1 Liczby pierwsze. 1. Wykorzystując sito Eratostenesa wyznaczyć wszystkie liczby pierwsze mniejsze niż 200.

Indukcja. Materiały pomocnicze do wykładu. wykładowca: dr Magdalena Kacprzak

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ BAZY PRZESTRZENI WEKTOROWYCH

Działanie grupy na zbiorze

Relacje Kramersa Kroniga

Geometria Różniczkowa II wykład dziesiąty

Rozdzia l 10. Najważniejsze normalne logiki modalne

1. Zadania z Algebry I

Odwrotne twierdzenie Fermata. Odwrotne twierdzenie Fermata

FUNKCJE LICZBOWE. x 1

Wybrane zagadnienia teorii liczb

13. Cia la. Rozszerzenia cia l.

1 Grupy. 1.1 Grupy. 1.2 Podgrupy. 1.3 Dzielniki normalne. 1.4 Homomorfizmy

25 lutego 2013, godzina 23: 57 strona 1. P. Urzyczyn: Materia ly do wyk ladu z semantyki. Logika Hoare a

Skończone rozszerzenia ciał

1. R jest grupą abelową względem działania + (tzn. działanie jest łączne, przemienne, istnieje element neutralny oraz element odwrotny)

Rozkład figury symetrycznej na dwie przystające

Łatwy dowód poniższej własności pozostawiamy czytelnikowi.

Sumy kolejnych bikwadratów

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Grzegorz Bobiński. Matematyka Dyskretna

Mechanika kwantowa ćwiczenia, 2007/2008, Zestaw II

1 Znaleźć wszystkie możliwe tabelki dzia lań grupowych na zbiorze 4-elementowym.

Cia la i wielomiany Javier de Lucas

Grupy i cia la, liczby zespolone

Zadania z algebry liniowej - sem. I Struktury algebraiczne

Rozdział 5. Szeregi liczbowe. 5.1 Szeregi liczbowe. Definicja sumy częściowej ciągu. Niech dany będzie ciąg liczbowy (a n ) n=1.

Aproksymacja diofantyczna

Wykład 21 Funkcje mierzalne. Kostrukcja i własności całki wzglȩdem miary przeliczalnie addytywnej

Działania Definicja: Działaniem wewnętrznym w niepustym zbiorze G nazywamy funkcję działającą ze zbioru GxG w zbiór G.

g liczb rzeczywistych (a n ) spe lnia warunek

2 Kongruencje 5. 4 Grupy 9. 5 Grupy permutacji Homomorfizmy grup Pierścienie 16

Wykład 1. Wprowadzenie do teorii grafów

Grupy. Permutacje 1. (G2) istnieje element jednostkowy (lub neutralny), tzn. taki element e G, że dla dowolnego a G zachodzi.

Matematyka dyskretna

Harmoniki sferyczne. Dodatek C. C.1 Wprowadzenie. Całka normalizacyjna I p (n)

Zastosowanie teorii liczb w kryptografii na przykładzie szyfru RSA

Grzegorz Bobiński. Matematyka Dyskretna

PODSTAWOWE W LASNOŚCI W ZBIORZE LICZB RZECZYWISTYCH

Zdzisław Dzedzej. Politechnika Gdańska. Gdańsk, 2013

MATEMATYKA W SZKOLE HELIANTUS LICZBY NATURALNE I CA LKOWITE

Indeks odwzorowania zmiennej zespolonej wzgl. krzywej zamknietej

Matematyka dyskretna

PRZYGOTOWAWCZYCH KLASY DRUGIE

OSOBNO ANALITYCZNYCH

Sumy kwadratów kolejnych liczb naturalnych

Pierwiastki pierwotne, logarytmy dyskretne

Kongruencje twierdzenie Wilsona

= b i M i [x], gdy charf = p, to a i jest pierwiastkiem wielomianu x n i

Teoria ciała stałego Cz. I

Obroty w zadaniach geometrycznych

Liczby pierwsze. Kacper Żurek, uczeń w Gimnazjum nr 1 im. Jana Pawła II w Giżycku.

Statystyka A. Arkadiusz Kasprzyk. 18 listopada jednowymiarowej zmiennej losowej

Matematyka dyskretna

Liczby naturalne i ca lkowite

Zadanie 2. Obliczyć rangę dowolnego elementu zbioru uporządkowanego N 0 N 0, gdy porządek jest zdefiniowany następująco: (a, b) (c, d) (a c b d)

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Transkrypt:

Wyk la 3 Grupy cykliczne Definicja 3.1. Niech a bezie elementem grupy (G,, e). Jeżeli istnieje liczba naturalna k taka, że a k = e, to najmniejsza taka liczbe naturalna k nazywamy rzeem elementu a. W przeciwnym przypaku (tzn. gy a n e la każego n N) mówimy, że rza elementu a jest równy (nieskończoność). Rza elementu a oznaczamy przez. Przyk la 3.2. Zauważmy, że o( 1) = 2 w grupie R, gyż w tym przypaku e = 1 oraz 1 1 i ( 1) 2 = 1. Natomiast w grupie R + mamy, że o( 1) =, bo wówczas e = 0 oraz la każego n N jest n ( 1) = n 0. Uwaga 3.3. Przyk la 3.2 pokazuje, że należy być barzo ostrożnym przy wyznaczaniu rzeu elementu grupy. Przee wszystkim musimy rozumieć nature zia lania grupowego oraz wiezieć jak wyglaa element neutralny tej grupy. Uwaga 3.4. Ze Stwierzeń 2.16 i 2.17 wynika o razu, że la owolnego elementu a skończonego rz eu grupy G zachozi wzór: = a. W szczególności z Twierzenia 2.9 mamy, że rza owolnego elementu grupy skończonej jest zielnikiem jej rzeu. Stwierzenie 3.5. Niech a b ezie elementem skończonego rz eu grupy (G,, e). Wtey la owolnego ca lkowitego k: a k = e k. Dowó. Jeśli k, to istnieje s Z takie, że k = s. Zatem a k = a s = (a ) s = e s = e. Na owrót, za lóżmy, że a k = e. Wtey istnieja q, r Z takie, że k = q + r i 0 r <. Sta e = a k = a q +r = a q a r = e a r = a r, czyli a r = e. Ale r <, wiec r N, czyli r = 0. Zatem k = q i k. Stwierzenie 3.6. Jeżeli a i b sa elementami skończonych wzglenie pierwszych rzeów grupy G oraz a b = b a, to o(ab) = o(b). Dowó. Oznaczmy: n =, m = o(b). Wtey m, n N, (m, n) = 1 oraz a n = e i b m = e. Z Twierzenia 1.14, (ab) k = a k b k la każego k Z. W szczególności (ab) mn = a mn b mn = e e = e, ska l = o(ab) mn. Ale e = (ab) l = a l b l, wiec e = (a l b l ) n = = a ln b ln = eb ln = b ln, czyli b ln = e. Zatem ze Stwierzenia 3.5, m ln. Ale (m, n) = 1, wiec z zasaniczego twierzenia arytmetyki, m l. Analogicznie pokazujemy, że n l. 1

Ponieważ m l i n l oraz (m, n) = 1, wiec mn l, czyli mn l. Ale wcześniej pokazaliśmy, że l mn, wiec ostatecznie l = mn, czyli o(ab) = o(b). Stwierzenie 3.7. Jeżeli a jest elementem nieskończonego rz eu grupy (G,, e), to la owolnych liczb ca lkowitych k i l: a k = a l k = l. W szczególności grupa a jest nieskończona. Ponato grupa a posiaa ok lanie wa generatory: a i a 1. Dowó. Za lóżmy, że istnieja różne liczby ca lkowite k, l takie, że a k = a l. Bez zmniejszania ogólności możemy zak laać, że k > l. Wtey k l N i a k l = e, co przeczy temu, że =. Implikacja owrotna jest oczywista. Ponieważ a = (a 1 ) 1 a 1, wiec a a 1. Ale a 1 a, wiec a 1 = a, czyli a 1 jest generatorem grupy a. Ponato z pierwszej cześci owou a 1 a. Niech teraz b a bezie generatorem grupy a. Wtey istnieje liczba ca lkowita k taka, że b = a k oraz a a k. Zatem istnieje l Z takie, że a = (a k ) l = a kl. Zatem z pierwszej cześci owou kl = 1, ska k = 1 lub k = 1 oraz b = a lub b = a 1. Lemat 3.8. Niech a b ezie elementem skończonego rz eu grupy G. Wówczas la owolnej liczby ca lkowitej k: a k = a (,k). Dowó. Oznaczmy = (, k). Wtey k, wiec k = l la pewnego l Z, ska a k = (a ) l a. Zatem a k a. Ponato z elementarnej teorii liczb wiemy, że istnieja liczby ca lkowite x, y takie, że = x + ky. Sta a = a x+ky = a x a ky = = e a ky = (a k ) y a k. Zatem a a k i ostatecznie a = a k. Twierzenie 3.9. Niech a b ezie elementem skończonego rz eu grupy (G,, e). Wtey: (i) la owolnego naturalnego zielnika liczby zachozi wzór: o(a ) =, (ii) la owolnej liczby ca lkowitej k zachozi wzór: o(a k ) = (,k). Dowó. (i) Zauważmy, że N i (a ) = a = a = e. Zatem k = o(a ). Ale e = (a ) k = a k, wiec ze Stwierzenia 3.5 mamy, że k. Zatem k, czyli k i ostatecznie k =. (ii) Z Lematu 3.8 mamy, że a k = a (,k). Ale = (, k) jest naturalnym zielnikiem, wiec z (i) oraz z Uwagi 3.4 uzyskujemy, że = o(a (,k) ) = (,k) a (,k) = a k = o(a k ). 2

Twierzenie 3.10. Za lóżmy, że a jest skończona grupa cykliczna rzeu n. Niech bezie zielnikiem naturalnym liczby n. Wtey w grupie a istnieje ok lanie ϕ() elementów rzeu i sa one postaci a n k, gzie k {1,..., } oraz (k, ) = 1. Dowó. Niech k {1,..., } bezie takie, że (k, ) = 1. Wtey ( n k, n) = ( n k, n ) = n (k, ) = n 1 = n. Zatem z Twierzenia 3.9, o(a n k ) = n n =. Niech teraz b a bezie elementem rzeu. Wtey istnieje liczba naturalna m n taka, że b = a m oraz z Twierzenia 3.9, = o(a m ) = n, sk a (m,n) (m, n) = n. Ale (m, n) m, wiec istnieje k N takie, że m = n k. Ponato n = (m, n) = ( n k, n ) = n (k, ), wiec (k, ) = 1. Ale m n, wiec n k n, sk a k. Jeśli k, l {1,..., }, (k, ) = (l, ) = 1 oraz a n k = a n l, to a n (k l) = e, wiec ze Stwierzenia 3.5, n n (k l), sk a k l. Ale k, l {1,..., }, wiec k = l. Wniosek 3.11. Skończona grupa cykliczna a rzeu n posiaa ok lanie ϕ(n) generatorów i sa one postaci: a k, gzie k {1,..., n} oraz (k, n) = 1. Dowó. Element b a jest generatorem grupy a wtey i tylko wtey, gy o(b) = n. Zatem z Twierzenia 3.10 grupa a posiaa ok lanie ϕ(n) generatorów i sa one postaci: a n n k = a k, gzie k {1,..., n} oraz (k, n) = 1. Twierzenie 3.12. Każa pogrupa grupy cyklicznej jest grupa cykliczna. Dowó. Niech (G,, e) bezie grupa cykliczna o generatorze a i niech H bezie owolna jej pogrupa. Jeśli H ={e}, to H = e, czyli grupa H jest cykliczna. Za lóżmy wiec alej, że H {e}. Wtey istnieje k Z takie, że e a k H. Sta k 0 i a k = (a k ) 1 H. Zatem k N lub k N i z zasay minimum istnieje najmniejsza liczba naturalna m taka, że a m H. Wtey a m H. Weźmy owolne h H. Istnieje s Z takie, że h = a s. Ale s = qm + r la pewnych q, r Z, 0 r < m, wiec a s = a qm+r = a qm a r = (a m ) q a r, ska a r = a s (a m ) q H, czyli a r H. Ponato 0 r < m, wiec z minimalności m, r N, czyli r = 0. Zatem h = (a m ) q a m, czyli H a m i ostatecznie H = a m. Twierzenie 3.13. Grupa cykliczna nieskończona a posiaa nieskończenie wiele pogrup i sa one postaci: a n, gzie n = 0, 1,... Dowó. Z Twierzenia 3.12 wynika, że każa pogrupa H grupy a jest postaci H = a k la pewnego k Z. Ale a k = (a k ) 1 a k, wiec a k a k oraz a k a k, bo a k a k, wiec a k = a k, czyli H = a n la pewnego n = 0, 1,... Niech m, n {0, 1,...} be a takie, że a m = a n. Wtey a m a n, wiec istnieje k Z takie, że a m = (a n ) k = a nk. Zatem ze Stwierzenia 3.7, m = nk, czyli n m. Analogicznie pokazujemy, że m n. Sta m n i n m oraz n, m {0, 1,...}, wiec m = n. Przyka 3.14. Ponieważ Z + = 1 i o(1) =, wiec z Twierzenia 3.13 wynika, że wszystkimi pogrupami grupy Z + sa: n = {n k : k Z} la n = 0, 1,... Zauważmy, 3

że pogrupa n jest nam obrze znana już o szko ly postawowej, gyż jej elementami sa wszystkie ca lkowite wielokrotności liczby n. Ponato ze Stwierzenia 3.7 wynika, że grupa Z + posiaa ok lanie wa generatory: 1 i 1. Twierzenie 3.15. Wszystkimi pogrupami skończonej grupy cyklicznej a sa pogrupy postaci a, gzie przebiega wszystkie zielniki naturalne liczby. W szczególności liczba wszystkich pogrup grupy a jest równa liczbie wszystkich zielników naturalnych liczby. Dowó. Jeśli a 1 = a 2 la pewnych zielników naturalnych 1, 2 liczby, n to z Twierzenia 3.9 i z Uwagi 3.4: 1 = o(a 1 ) = a 1 = a 2 = o(a 2 ) = n 2, czyli 1 = 2. Niech H bezie owolna pogrupa grupy a. Wtey z Twierzenia 3 istnieje k Z takie, że H = a k. Ale z Lematu 3.8, a k = a (,k) i (, k) jest zielnikiem naturalnym liczby, wiec twierzenie zosta lo uowonione. Uwaga 3.16. Z Twierzenia 3.15 wynika, że istnieje wzajemnie jenoznaczna opowieniość pomiezy zbiorem wszystkich pogrup skończonej grupy cyklicznej a i zbiorem wszystkich zielników naturalnych liczby. W szczególności wynika sta, że la każej liczby naturalnej zielacej rza skończonej grupy cyklicznej a istnieje ok lanie jena pogrupa rzeu grupy a. Stwierzenie 3.17. Jeżeli liczba naturalna n posiaa co najmniej wa różne, nieparzyste zielniki pierwsze, to grupa Z n nie jest cykliczna. Dowó. Z za lożenia istnieja różne, nieparzyste liczby pierwsze p, q oraz liczby naturalne α, β, m takie, że n = p α q β m oraz m nie jest pozielne ani przez p ani przez q. Z chińskiego twierzenia o resztach wynika zatem, że istnieja a, b Z n takie, że a 1 (mo p α ), a 1 (mo q β m) oraz b 1 (mo p α m) i b 1 (mo q β ). Ponieważ liczby p i q sa nieparzyste, wiec a 1 i b 1. Gyby a = b, to 1 1 (mo p α ), ska p α 2 i mamy sprzeczność. Zatem a b i wobec tego {1, a} = {1, b}. Ponato a 2 1 (mo p α ) i a 2 1 (mo q β m), wiec a 2 1 (mo n), ska a n a = 1, czyli = 2 w grupie Z n, ska a = {1, a}. Poobnie pokazujemy, że b = {1, b}. Zatem grupa Z n posiaa wie różne pogrupy rzeu 2, wic z Uwagi 3.16 ta grupa nie jest cykliczna. Uwaga 3.18. Z elementarnej teorii liczb wiaomo, że jeśli n = p α 1 1... p αs s, gzie p 1,..., p s sa różnymi liczbami pierwszymi oraz α 1,..., α s sa nieujemnymi liczbami ca lkowitymi, to liczba wszystkich zielników naturalnych liczby n jest równa Θ(n) = (α 1 + 1)... (α s + 1). Ponato ϕ(n) = ϕ(p α 1 1 )... ϕ(p αs s ) i la liczb pierwszych p oraz α N, ϕ(p α ) = p α p α 1. Przyk la 3.19. Niech n N, n > 1. Wtey Z + n = 1 oraz o(1) = n. Zatem z Wniosku 3.11 grupa Z + n posiaa ok lanie ϕ(n) generatorów i sa nimi liczby naturalne 4

k n wzglenie pierwsze z n. Ponato pogrupy grupy Z + n sa postaci: {0} oraz = {0,, 2,..., ( n 1) }, gzie < n jest zielnikiem naturalnym liczby n. Zatem grupa Z + n posiaa ok lanie Θ(n) wszystkich pogrup. Lemat 3.20. Niech a bezie elementem maksymalnego rzeu w skończonej grupie abelowej A. Wówczas o(b) la każego b A. Dowó. Za lóżmy, że istnieje b A takie, że o(b) nie zieli. Wtey istnieje liczba pierwsza p oraz liczby naturalne m, n niepozielne przez p i nieujemne liczby ca lkowite α, β takie, że α < β oraz = p α m i o(b) = p β n. Niech x = a pα i y = b n. Wtey z Twierzenia 3.9, o(x) = m oraz o(y) = p β. Ale (m, p β ) = 1, gyż p nie zieli m, wiec ze Stwierzenia 3.6, o(xy) = p β m > p α m = i mamy sprzeczność. Twierzenie 3.21. Jeżeli A jest skończona grupa abelowa i la każej liczby naturalnej zielacej A istnieje ok lanie jena pogrupa rzeu grupy A, to grupa A jest cykliczna. Dowó. Za lóżmy, że przy tych za lożeniach grupa A nie jest cykliczna. Niech a bezie elementem maksymalnego rzeu w grupie A. Wtey a = A, wiec istnieje b A takie, że b a. Z Lematu 3.20, o(b). Zatem z Twierzenia 3.15 istnieje w grupie a pogrupa H rzeu o(b). Ale b = o(b), wiec na mocy za lożenia b = H, ska b H a, czyli b a i mamy sprzeczność. Zatem grupa A jest cykliczna. Wniosek 3.22. Dla każej liczby pierwszej p grupa Z p jest cykliczna. Dowó. Ponieważ p jest liczba pierwsza, wiec Z p = {1, 2,..., p 1}, czyli Z p = p 1. Ponato grupa Z p jest abelowa. Niech a Z p bezie elementem maksymalnego rzeu r. Wtey z Uwagi 3.4, r p 1, wiec r p 1. Ponato z Lematu 3.20 mamy, że o(b) r la każego b Z p. Zatem b r = 1 la każego r Z p. Wobec tego kongruencja x r 1 0(mo p) ma co najmniej p 1 rozwiazań. Ale z twierzenia Lagrange a o liczbie pierwiastków kongruencji moulo liczba pierwsza wynika, że liczba rozwiazań tej kongruencji jest r. Zatem p 1 r i ostatecznie r = p 1. Wobec tego a = Z p, czyli a jest generatorem grupy Z p i ta grupa jest cykliczna. Zagaka 1. Dla jakich liczb naturalnych k jest cykliczna grupa Z 2 k? Zagaka 2. skończona? Zagaka 3. rza? Czy każa grupa posiaajaca jeynie skończona liczbe pogrup jest Czy istnieje grupa nieskończona, której każy element ma skończony Zagaka 4. Uowonij, że jeśli liczba naturalna n jest pozielna przez 4 i zieli sie przez pewna nieparzysta liczbe pierwsza, to grupa Z n nie jest cykliczna. Zagaka 5. Uowonij, że jeżeli skończona grupa G ma rza parzysty, to w G istnieje 5

element rz eu 2. Zagaka 6. Niech (A, +, 0) bezie grupa abelowa i a 1, a 2,..., a n A. Uowonij, że a 1, a 2,..., a n = {k 1 a 1 + k 2 a 2 +... + k n a n k 1, k 2,..., k n Z}. Zagaka 7. Uowonij, że każa skończenie generowana pogrupa grupy Q + jest cykliczna. Uzasanij też, że grupa Q + nie jest skończenie generowana. 6