抽象代数笔记
rogeryoungh
2023 12 13
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第一章 初等数论 1
1.1 整除 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 整数公理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 公因数与公倍数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 带余除法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
第二章 5
2.1 置换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
i
第一章 初等数论
注意我们的理论基础是整数,尽量通过分类讨论的方式得到结论。而且也要把握脉络,抓住重点,
要迷失于无谓的细节中。
自然数 N 、正整数 N
+
和整数 Z 我们是熟知的。
1.1 整除
1.1.1 整数公理
整数的公理
我们熟知一些整数的代数算律
结合律:(a + b) + c = (a + b) + c
交换律:a + b = b + a
消去律:
定义 1.1.1
对于整数
a, b
,其中
a
̸
= 0
,若存在整数
c
,它使得
b = ac
b 叫做 a 的倍数,a 叫做 b 的因数,记作 a | b
有时也称作 a 能整除 b,或 b 能被 a 整除,或 a 能除尽 b,或 b 能被 a 除尽。
a 不能整除 b,我们就记作 a b
引理 1.1.2
如果对于整数 a, b 满足 a | b,则有
(a) | b, a | (b), (a) | (b), |a| | |b|
这个比较显然,由定义知存在 c 使得 b = ac,再构造验证即可。
引理 1.1.3
对于整数 a, b, c a | b, b | c,则有 a | c
证明 因为 a | b, b | c,故存在整数 d, e 使得 b = ad, c = be
1
因此存在整数 f = de 使得 c = af = ade,故 a | c
引理 1.1.4
对于整数 a, b |a| | |b|,若 |a| < |b| 则有 a = 0
证明 因为 |a| | |b|,则存在整数 c 使得 |a| = |b|c。那么有
0 |a| = |b|c < |b|
0 c < 1,又 c 为整数,故 c = a = 0
定理 1.1.5
对于整数 a, b,若 b ̸= 0 则一定存在唯一一对 q, r 使得
a = bq + r, 0 r < |b|
证明 先证明存在性。
1)若恰 b | a,则必存在 c 使得 a = bc,此时有 q = c, r = 0
2)否则一定存在 n 使得 n|b| < a < (n + 1)|b|,即存在 0 < r < |b| 使得 a = |b|n + r
b > 0 时,令 q = n;当 b < 0 时,令 q = n 则有
a = bq + r, 0 r < |b|
再证明唯一性。设存在两对 q
1
, r
1
q
2
, r
2
使得
a = bq
1
+ r
1
= bq
2
+ r
2
, 0 r
1
, r
2
< |b|
相减有
a a = b(q
1
q
2
) + r
1
r
2
= 0
r
1
r
2
= b(q
1
q
2
),因此有 b | (r
1
r
2
)。而 |r
1
r
2
| < |b|,又引理知有 |r
1
r
2
| = 0。故
r
1
= r
2
, q
1
= r
2
即两对相同。
定义 1.1.6 素数
设整数 p ̸= 0, ±1,若它除了 ±1, ±p 外没有其他的因数,则称 p 是素数;否则称 p 是合数。
我们讲到素数时,一般指正的。把素数的集合记作 P
定理 1.1.7
a 是合数,则必存在素数 p 使得 p | a
此时称该素数为 a 的素因数。
2
定理 1.1.8
设整数 a 2,那么 a 一定可以分解为素数的乘积,即
a = p
1
p
2
· · · p
s
其中 p
j
P
OI 中,经常会求符合命题 P (k) k 有多少个,此时我们有记 [P (k)]当命题成立时其值为 1
命题为假时值为 0
1.1.2 公因数与公倍数
定义 1.1.9 公因数
a
1
, a
2
是两个整数, d | a
1
d | a
2
,则 d a
1
, a
2
的公因数。一般的,若对于一组整数
a
1
, · · · , a
k
,有 d | a
i
,则称 d a
1
, · · · , a
k
的公因数。
a
1
, a
2
的正的公因数中最大的,称作最大公因数,记作 (a
1
, a
2
) gcd(a
1
, a
2
)
由定义易知,若 (a
1
, a
2
) = d,则 (a
1
/d, a
2
/d) = 1
定义 1.1.10 互素
(a
1
, a
2
) = 1,则称 a
1
, a
2
是互素的。
类似的,对于多个数也类似的有最大公因数和互素等概念。
定义 1.1.11 公倍数
a
1
, a
2
是两个整数, a
1
| l a
2
| l,则 l a
1
, a
2
的公倍数。般的,若对于一组整
a
1
, · · · , a
k
,有 a
j
| l,则称 l a
1
, · · · , a
k
的公倍数。
a
1
, a
2
的正的公倍数中最小的,称作最小公因数,记作 [a
1
, a
2
] lcm(a
1
, a
2
)
由定义易知,对于 m > 0 [ma
1
, ma
2
] = m[a
1
, a
2
]
1.1.3 带余除法
定理 1.1.12
设整数 a, b a ̸= 0,则一定存在唯一的一对整数 q, r 使得
b = qa + r, 0 r < |a|
更一般的,对于任意的
d
总存在一对
q, r
使得
b = qa + r, d r < |a| + d
d = 0 时,称 r 为最小非负余数,d = 1 时称 r 为最小正余数。计算机一般是 d = 0
3
引理 1.1.13
a > 0,则任意整数被 a 除后所得的最小非负余数只可能是 0, · · · , a 1 中的一个。
于是我们可以按余数对整数进行分类。
4
第二章 群
2.1 置换
为方便起见,本节简记集合 {1, · · · , n} N
+
n
定义 2.1.1
X 是一个集合, X 中的一个表是指函数 f : N
+
n
X。若 X 中的表 f 是双射,则称 f X
的一个排列。
因此,X 排列是 X 的所有元素组成的一个无重复的 n 元组。显然 n 元集恰有 n
n
个表和 n! 个排
列。
定义 2.1.2 置换
X 是一个集合(可能是无限集)X 的一个置换是指双射 α : X X
给定一个有限集 X|X| = n,设 ϕ : N
+
n
X 是一个排列,若 f : N
+
n
X X 的一个排列,
f ϕ
1
: X X X 的一个置换。反之, α : X X X 的一个置换, α ϕ : N
+
n
X X
一个排列。
即排列和置换只是描述同一事物的两种不同方法,使用置换而不是排列,其好处是置换可做合成运算。
X = N
+
n
,则我们可以使用一个二行记号来表示置换 α
α =
(
1 2 · · · j · · · n
α(1) α(2) · · · α(j) · · · α(n)
)
其底行是排列 α(1), α(2), · · · , α(n)
定义 2.1.3 对称群
集合 X 的所有置换构成的族,记为 S
X
,称为 X 上的对称群。当 X = N
+
n
时,S
X
通常记为 S
n
并称为 n 次对称群。
注意到,有些置换是交换的,有些置换又不是交换的。
5