近世代数答案(一、二章)
近世代数初步(第二版)课后习题答案(石生明)02

倡 4畅 E 车 F 为域扩张 ,α1 ,α2 ,… ,αt ∈ E ,[ F( αi ) :F] = ni ,i = 1 ,2 ,… ,t ,则
[ F(α1 ,… ,αt ) :F] ≤ n1 n2 … nt .
倡 5畅 F 炒 E 为有限次域扩张 ,则必为代数扩张 .
倡 6畅 F 炒 E 为有限次域扩张 ,则有 α1 ,… ,αt ∈ E ,使得 E = F(α1 ,… ,αt ) .
f2 (α1 ,α2 ,… ,αt ) ≠ 0
案 = 由 F 及 S 的元尽可能地多次作加减乘除所得的元素的集合
答 = 含 F 及 S 的最小的域 .
后 单扩张的构造 :
课 F(α) =
f1 (α) f2 (α)
橙 f1 ( x ) ,f2 ( x ) ∈ F[ x ] ,f2 ( α) ≠ 0
.
若 α 为 F 上代数元 ,f ( x )是以 α 为根的 F 上不可约多项式( α 的极小多项式) , 其次数为 n ,则 F( α)是 F 上 n 维线性空间 ,而 1 ,α ,… ,αn - 1是它的一组基 .
a+ b
,橙 a ,b ∈ R ,
-1 0
以下 2 - 6 题出现的运算是 F2 中元素的运算 . 倡 2畅 计算
倡 3畅 求 倡 4畅 解方程组
111
m 1 0 1 o 1 1 1 1 0 0 1
c 1 0 0 . 0 1 0 1 1 0 1
w 1 1 1 . a 0 0 1 0 1 1 1
.
而( p - i ) ! 及 i ! 中的 素 因 子 皆 小 于 p ,故 p | Cpi .题 设 F 的 特 征 为 p ,故
p -1
∑ Cpi aibp - i = 0 .这证明了
代数学引论近世代数第一章答案精品

代数学引论近世代数第一章答案精品第一章代数基本概念习题解答与提示(P54)1.如果群G中,对任意元素a,b有(ab)2=a2b2,则G为交换群.证明:对任意a,b G,由结合律我们可得到(ab)2=a(ba)b, a2b2=a(ab)b再由已知条件以及消去律得到ba=ab,由此可见群G为交换群.2.如果群G中,每个元素a都适合a2=e, 则G为交换群.证明: [方法1]对任意a,b G,ba=bae=ba(ab)2=ba(ab)(ab)=ba2b(ab)=beb(ab)=b2(ab)=e(ab)=ab 因此G为交换群.[方法2]对任意a,b G,a2b2=e=(ab)2,由上一题的结论可知G为交换群.3. 设G 是一非空的有限集合,其中定义了一个乘法ab,适合条件:(1) a(bc)=(ab)c; (2) 由ab=ac 推出a=c; (3) 由ac=bc 推出a=b;证明G 在该乘法下成一群. 证明:[方法1]设G={a 1,a 2,…,a n },k 是1,2,…,n 中某一个数字,由(2)可知若i j(I,j=1,2,…,n),有a k a i a k a j ------------<1> a i a k a j a k ------------<2>再由乘法的封闭性可知G={a 1,a 2,…,a n }={a k a 1, a k a 2,…, a k a n }------------<3> G={a 1,a 2,…,a n }={a 1a k , a 2a k ,…, a n a k }------------<4> 由<1>和<3>知对任意a t G, 存在a m G,使得a k a m =a t .由<2>和<4>知对任意a t G, 存在a s G,使得a s a k =a t .由下一题的结论可知G 在该乘法下成一群.下面用另一种方法证明,这种方法看起来有些长但思路比较清楚。
近世代数习题解答

近世代数题解第一章基本概念§1. 11.4.5.近世代数题解§1. 2 2.3.近世代数题解§1. 31. 解1)与3)是代数运算,2)不是代数运算.2. 解这实际上就是M中n个元素可重复的全排列数n n.3. 解例如A B=E与A B=AB—A—B.4.5.近世代数题解§1. 41.2.3.解1)略2)例如规定4.5.略近世代数题解§1. 51. 解1)是自同态映射,但非满射和单射;2)是双射,但不是自同构映射3)是自同态映射,但非满射和单射.4)是双射,但非自同构映射.2.略3.4.5.§1. 61.2. 解1)不是.因为不满足对称性;2)不是.因为不满足传递性;3)是等价关系;4)是等价关系.3. 解3)每个元素是一个类,4)整个实数集作成一个类.4.则易知此关系不满足反身性,但是却满足对称性和传递性(若把Q换成实数域的任一子域均可;实际上这个例子只有数0和0符合关系,此外任何二有理数都不符合关系).5.6.证1)略2)7.8.9.10.11.12.第二章群§2. 1 群的定义和初步性质一、主要内容1.群和半群的定义和例子特别是一船线性群、n次单位根群和四元数群等例子.2.群的初步性质1)群中左单位元也是右单位元且惟一;2)群中每个元素的左逆元也是右逆元且惟一:3)半群G是群⇔方程a x=b与y a=b在G中有解(∀a ,b∈G).4)有限半群作成群⇔两个消去律成立.二、释疑解难有资料指出,群有50多种不同的定义方法.但最常用的有以下四种:1)教材中的定义方法.简称为“左左定义法”;2)把左单位元换成有单位元,把左逆元换成右逆元(其余不动〕.简称为“右右定义法”;3)不分左右,把单位元和逆元都规定成双边的,此简称为“双边定义法”;4)半群G再加上方程a x=b与y a=b在G中有解(∀a ,b∈G).此简称为“方程定义法”.“左左定义法”与“右右定义法”无甚差异,不再多说.“双边定\义法”缺点是定义中条件不完全独立,而且在验算一个群的实例时必须验证单位元和逆元都是双边的,多了一层手续(虽然这层手续一般是比较容易的);优点是:①不用再去证明左单位元也是右单位元,左逆元也是右逆元;②从群定义本身的条件直接体现了左与右的对称性.以施行“除法运算”,即“乘法”的逆运算.因此,群的‘方程定义法”直接体现了在群中可以施行“乘法与除法”运算.于是简言之,可以施行乘法与除法运算的半群就是群.为了开阔视野,再给出以下群的另一定义.定义一个半群G如果满足以下条件则称为一个群:对G中任意元素a,在G中都存在元素1-a,对G中任意元素b都有1-a(ab)=(ba)1-a=b.这个定义与前面4种定义的等价性留给读者作为练习.2.在群的“方程定义法”中,要求方程a x=b与y a=b都有解缺一不可.即其中一个方程有解并不能保证另一个方程也有解.4.关于结合律若代数运算不是普通的运算(例如,数的普通加法与乘法,多项式的普通加法与乘法以及矩阵、变换和线性变换的普通加法或乘法),则在一般情况下,验算结合律是否成立比较麻烦.因此在代数系统有限的情况下,有不少根据乘法表来研究检验结合律是否成立的方法.但无论哪种方法,一般都不是太简单.5.关于消去律.根据教材推论2,对有限半群是否作成群只用看消去律是否成立.而消去律是否成立,从乘法表很容易看出,因为只要乘法表中每行和每列中的元素互异即可.6.在群定义中是否可要求有“左”单位元而每个元素有“右”逆元呢?答不可以,例如上面例2就可以说明这个问题,因为e1是左单位元,而e1与e2都有右逆元且均为e1.但G并不是群.7.群与对称的关系.1)世界万物,形态各异.但其中有无数大量事物部具有这样或那样的对称性.而在这些具有对称性的万事万物中,左右对称又是最为常见的.由群的定义本身可知,从代数运算到结合律,特别是左、右单位元和左、右逆元,均体现出左右对称的本质属性.2)几何对称.设有某一几何图形,如果我们已经找到了它的全部对称变换(即平常的反射、旋转、反演和平移变换的统称),则此对称变换的全体关于变换的乘法作成一个群,称为该图形的完全对称群.这个图形的对称性和它的完全对称群是密切相关的.凡对称图形(即经过对称变换保持不变的图形、亦即完成这种变换前后的图形重合),总存在若干个非恒等对称变换和恒等变换一起构成该图形的完全对称群.反之,如果一个图形存在着非平凡的对称变换,则该图形就是对称图形.不是对称的图形,就不能有非恒等的对称变换.显然,一个图形的对称程度越高,则该图形的对称变换就越多.也就是说它的完全对称群的阶数就越高,即图形对称程度的高低与其对称群的阶数密切相关.因此;这就启发人们用群去刽面对称图形及其性质,用群的理论去研究对称.所以人们就把群论说成是研究对称的数学理论.显然,每个n元多项式都有一个确定的n次置换群:例如n元多项式例6 任何n元对称多项式的置换群都是n次对称群.很显然,一个多元多项式的置换群的阶数越高,这个多元多项式的对称性越强.反之亦然.因此,我们通常所熟知的多元对称多项式是对称性最强的多项式.三、习题2.1解答1.略2.3.4.5.6.§2. 2 群中元素的阶一、主要内容1.群中元素的阶的定义及例子.周期群、无扭群与混合群的定义及例子.特别,有限群必为周期群,但反之不成立.2.在群中若a=n,则4.若G是交换群,又G中元素有最大阶m,则G中每个元素的阶都是m的因子.二、释疑解难在群中,由元素a与b的阶一般决定不了乘积ab的阶,这由教材中所举的各种例子已经说明了这一点.对此应十分注意.但是,在一定条件下可以由阶a与b决定阶ab,这就是教材中朗定理4:4.一个群中是否有最大阶元?有限群中元素的阶均有限,当然有最大阶元.无限群中若元素的阶有无限的(如正有理数乘群或整数加群),则当然无最大阶元,若无限群中所有元素的阶均有限(即无限周期群),则可能无最大阶元,如教材中的例4:下面再举两个(一个可换,另一个不可换)无限群有最大阶元的例子.5.利用元素的阶对群进行分类,是研究群的重要方法之一.例如,利用元素的阶我们可以把群分成三类,即周期群、无扭群与混合群.而在周期群中又可分出p—群p是素数),从而有2—群、3—群、5—群等等.再由教材§3. 9知,每个有限交换群(一种特殊的周期群)都可惟一地分解为素幂阶循环p—群的直积,从而也可见研究p—群的重要意义.三、习题2.2解答1.2.3.4.5.推回去即得.6.§2. 3 子群一、主要内容1.子群的定义和例子.特别是,特殊线性群(行列式等于l的方阵)是一般线性群(行列式不等于零的方阵)的子群.4.群的中心元和中心的定义.二、释疑解难1.关于真子群的定义.教材把非平凡的子群叫做真子群.也有的书把非G的于群叫做群G的真子群.不同的定义在讨论子群时各有利弊.好在差异不大,看参考书时应予留意.2.如果H与G是两个群,且H⊆G,那么能不能说H就是G的子群?答:不能.因为子群必须是对原群的代数运算作成的群.例如,设G是有理数加群,而H 是正有理数乘群,二者都是群,且H⊆G但是不能说H是G的子群.答:不能这样认为.举例如下.例2设G是四元数群.则显然是G的两个子群且易知反之亦然.三、习题2.3解答1.证赂.2.证必要性显然,下证充分性.设子集H对群G的乘法封闭,则对H中任意元素a和任意正整数m都有a m∈H.由于H 中每个元素的阶都有限,设a =n ,则3.对非交换群一放不成立.例如,有理数域Q 上全体2阶可逆方阵作成的乘群中,易知⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1021a , ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=1031b的阶有限,都是2,但易知其乘积⎪⎪⎭⎫⎝⎛=1011ab的阶却无限.即其全体有限阶元素对乘法不封闭,故不能作成子群.4.证 由高等代数知,与所有n 阶可逆方阵可换的方阵为全体纯量方阵,由此即得证. 5.证 因为(m ,n )=1,故存在整数s ,t 使 ms 十n t =1. 由此可得6.7.§2. 4 循 环 群一、主要内容1.生成系和循环群的定义.2.循环群中元素的表示方法和生成元的状况.3.循环群在同构意义下只有两类:整数加群和n 次单位根乘群,其中n =1,2,3,…. 4.循环群的子群的状况.无限循环群有无限多个子群.n 阶循环群a 有T (n )(n 的正出数个数)个子群,且对n 的每个正因数k ,a 有且仅有一个k 阶子群kn a.二、释疑解难1.我们说循环群是一类完全弄清楚了的群,主要是指以下三个方面:1)循环群的元素表示形式和运算方法完全确定.其生成元的状况也完全清楚(无限循环群有ϕ个生成元而且a k是生成元⇔(k n)=1);两个生成元,n阶循环群a有)(n2)循环群的子群的状况完全清楚;3)在同构意义下循环群只有两类:一类是无限循环群,都与整数加群同构;另一类是n(n =1,2,…)阶循环群,都与n次单位根乘群同构.2.循环群不仅是一类完全弄清楚了的群,而且是一类比较简单又与其他一些群类有广泛联系的群类.例如由下一章§9可知,有限交换群可分解为一些素幂阶循环群的直积.更一般地,任何一个具有有限生成系的交换群都可分解成循环群的直积.由于循环群已完全在我们掌握之中,所以这种群(具有有限生成系的交换群)也是一类研究清楚了的群类.它在各种应用中有着非常重要的作用.例如在组合拓扑学中它就是一个主要的工具.三、习题§2. 4解答1.2.3.4.5.6.7.§2. 5 变换群一、主要内容1.变换群、双射变换群(特别是集合M上的对称群和n次对称群)和非双射变换群的定义及例子.2.变换群是双射变换群的充要条件;双射变换群与抽象群的关系.1)集合M上的变换群G是双射变换群 G含有M的单或满)射变换;2)任何一个群都同一个(双射)变换群同构.3.有限集及无限集上非双射变换群的例子(例2和例3).二、释疑解难1.一般近世代数书中所说的“变换群”,都是由双射变换(关于变换乘法)所作成的群,即本教材所说的“双射变换群”.而本教材所说的“变换群”则是由一个集合上的一些变换(不一定是双射变换)作成的群.通过教材§5定理2和推论1可知,实际上变换群可分成两类:一类是双射变换群(全由双射变换作成的群,即通常近世代数书中所说的“变换群”),另一类是非双射变换群(全由非双射变换作成的群).在学习本书时应留意这种差异.2.本节教材定理2(若集合M上的变换群G含有M的单射或满射变换.则G必为M上的一个双射变换群,即G中的变换必全是双射变换)比有些书上相应的定理(若集合M上由变换作成的群G含有M的恒等变换,则G中的变换必全为双射变换)大为推广.因为后者要求G包含恒等变换(一个特殊的双射变换),而前者仅要求G包含一个单(或满)射变换即可.因此,后音只是前者(本节教材定理2)的一个推论,一种很特殊的情况.两相比较,差异较大.这种差异也说明,M上的任何一个非双射变换群不仅不能包含恒等变换,而且连M的任何单射或满射变换也不能包含.另外,在这里顺便指出,集合M上的任何双射变换群G的单位元必是M的恒等变换.3.集合M 上的全体变换作成的集合T (M ),对于变换的乘法作成一个有单位元的半群.在半群的讨论中,这是一类重要的半群.并且本节习题中第4题还指出,当M >1时T (M )只能作成半群,而不能作成群.三、习题§2. 5解答1. 解 作成有单位元半群,τ是单位元.但不作成群,因为σ无逆元.2.3. 解 G 作成群:因为易知4.5.§2. 6 置 换 群一、主要内容1.任何(非循环)置换都可表为不相连循环之积,任何置换都可表为若干个对换之积,且对换个数的奇阴偶性不变.从而有奇、偶置换的概念,且全体n 次置换中奇、偶置换个数相等,各为2!n 个(n >1).2.k —循环的奇偶性、阶和逆元的确定方法,以及不相连循环乘积的奇偶性、阶和逆元的确定方法.1)k—循环与A有相反奇偶性.2)k—循环的阶为k.又(i1,i2…i k)-1=(i k,…,i2,i1 ).3)若σ分解为不相连循环之积.则其分解中奇循环个数为奇时σ为奇置换,否则σ为偶置换.σ的阶为各因子的阶的最小公倍.其逆元可由k—循环的逆元来确定.3.由置换σ,τ求置换στσ-1的方法.n次对称群s n的中心.4.传递群的定义、例子和简单性质.二、释疑解难1.研究置换群的重要意义和作用.除了教材中已经指出的(置换群是最早研究的一类群,而且每个有限的抽象群都同一个置换群同构)以外,研究置换群的重要意义和作用至少还有以下几方面:1) 置换群是一种具体的群,从置换乘法到判断置换的奇偶性以及求置换的阶和逆置换,都很具体和简单.同时它也是元素不是数的一种非交换群.在群的讨论中举例时也经常用到这种群.2) 在置换群的研究中,有一些特殊的研究对象是别的群所没有的.如置换中的不动点理论以及传递性和本原性理论等等.3) 置换群中有一些特殊的子群也是一般抽象群所没有的.例如,交代群、传递群、稳定子群和本原群等等.就教材所讲过的交代群和传递群的重要性便可以知道,介绍置换群是多么的重要.2.用循环与对换之积来表出置换的优越性.首先,书写大为简化,便于运算。
近世代数习题解答

近世代数习题解答第二章 群论1 群论1. 全体整数的集合对于普通减法来说是不是一个群?证 不是一个群,因为不适合结合律.2. 举一个有两个元的群的例子.证 }1,1{-=G 对于普通乘法来说是一个群.3. 证明, 我们也可以用条件1,2以及下面的条件 ''5,4来作群的定义:'4. G 至少存在一个右单位元e ,能让a ae = 对于G 的任何元a 都成立'5. 对于G 的每一个元a ,在G 里至少存在一个右逆元,1-a 能让 e aa =-1证 (1) 一个右逆元一定是一个左逆元,意思是由e aa =-1得e a a =-1因为由'4G 有元'a 能使e a a =-'1 所以))(()('111a a a a e a a ---=e a a a e a a aa a ====----'1'1'11][)]([ 即 e a a =-1(2) 一个右恒等元e 一定也是一个左恒等元,意即 由 a ae = 得 a ea = a ae a a a a aa ea ====--)()(11即 a ea =这样就得到群的第二定义. (3) 证 b ax =可解 取b a x 1-=b be b aa b a a ===--)()(11这就得到群的第一定义.反过来有群的定义得到''5,4是不困难的.2 单位元,逆元,消去律1. 若群G 的每一个元都适合方程e x =2,那么G 就是交换群.证 由条件知G 中的任一元等于它的逆元,因此对G b a ∈,有ba a b ab ab ===---111)(.2. 在一个有限群里阶大于2的元的个数是偶数.证 (1) 先证a 的阶是n 则1-a 的阶也是n .e e a a e a n nn===⇒=---111)()(若有n m 〈 使e a m =-)(1 即 e a m =-1)(因而 1-=e a m e a m =∴ 这与a 的阶是n 矛盾.a 的阶等于1-a 的阶 (2)a 的阶大于2, 则1-≠a a 若 e a a a =⇒=-21 这与a 的阶大于2矛盾(3) b a ≠ 则 11--≠b a总起来可知阶大于2的元a 与1-a 双双出现,因此有限群里阶大于2的元的个数一定是偶数3. 假定G 是个数一个阶是偶数的有限群,在G 里阶等于2的元的个数一定是奇数.证 根据上题知,有限群G 里的元大于2的个数是偶数;因此阶2≤的元的个数仍是偶数,但阶是1的元只有单位元,所以阶 2≤的元的个数一定是奇数.4. 一个有限群的每一个元的阶都是有限的.证 G a ∈故 G a a a a nm∈ ,,,,,,2由于G 是有限群,所以这些元中至少有两个元相等: nma a = )(n m 〈 故 e amn =-m n -是整数,因而a 的阶不超过它.4 群的同态假定在两个群G 和-G 的一个同态映射之下,-→a a ,a 和-a 的阶是不是一定相同? 证 不一定相同 例如 }231,231,1{i i G +-+-= }1{=-G对普通乘法-G G ,都作成群,且1)(=x φ(这里x 是G 的任意元,1是-G 的元)由 φ可知 G ∽-G 但231,231i i --+-的阶都是3.而1的阶是1.5 变换群1. 假定τ是集合的一个非一一变换,τ会不会有一个左逆元1-τ,使得εττ=-1?证 我们的回答是回有的},3,2,1{ =A1τ: 1→1 2τ 1→12→1 2→3 3→2 3→4 4→3 4→5 … …τ显然是一个非一一变换但 εττ=-12. 假定A 是所有实数作成的集合.证明.所有A 的可以写成b a b ax x ,,+→是有理数,0≠a 形式的变换作成一个变换群.这个群是不是一个交换群? 证 (1) :τ b ax x +→ :λ d cx x +→:τλ d cb cax d b ax c x ++=++→)( d cb ca +,是有理数 0≠ca 是关闭的.(2) 显然时候结合律(3) 1=a 0=b 则 :ε x x → (4) :τ b ax + )(1:1ab x a x -+→-τ而 εττ=-1所以构成变换群.又 1τ: 1+→x x :2τ x x 2→ :21ττ )1(2+→x x :12ττ 12+→x x 故1221ττττ≠因而不是交换群.3. 假定S 是一个集合A 的所有变换作成的集合,我们暂时仍用旧符号τ:)('a a a τ=→ 来说明一个变换τ.证明,我们可以用21ττ:)()]([2121a a a ττττ=→来规定一个S 的乘法,这个乘法也适合结合律,并且对于这个乘法来说ε还是S 的单位元. 证 :1τ )(1a a τ→:2τ )(2a a τ→那么:21ττ )()]([2121a a a ττττ=→ 显然也是A 的一个变换. 现在证这个乘法适合结合律:)]()[(:)(321321a a ττττττ→)]]([[321a τττ= =→)]([:)(321321a a ττττττ)]]([[321a τττ 故 )()(321321ττττττ= 再证ε还是S 的单位元 :ε )(a a a ε=→ :ετ )()]([a a a ττε=→τ:τε )()]([a a a τετ=→ ∴ τεετ=4. 证明一个变换群的单位元一定是恒等变换。
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i目录第1章集合与运算 (1)1.集合 (1)2.运算 (1)第2章群 (4)1.群的定义 (4)2.子群 (7)3.置换群 (9)4.陪集和商群 (11)5.同构与同态 (14)6.循环群 (17)1集合1第1章集合与运算1.集合本节无习题2.运算1.设f 是有限集A 的变换。
证明f 是单射当且仅当f 是满射。
因为f 是单射,所以()f A A =且()f A A ⊆,又因集合A 是有限集,所以()f A A =,由此得出f 是满射。
若f 是满射,则()f A A =,因为集合A 是有限集,所以f 是单射。
2.设f 是有限维线性空间V 上的线性变换。
证明f 是单射当且仅当f 是满射。
在n 维线性空间V 中任选一组基底{}1,,n E e e = ,则对任意一个向量x V ∈,有唯一的坐标1,,n ξξ 使得1n i i i x e ξ==∑。
只需讨论f 对基底的作用,因为()()()11n ni i i i i i f x f e f e ξξ====∑∑。
设()f E F =,若F n <,总可从V 中另外选出n F -个线性无关的向量,使得它们与F 中的向量一起,组成线性空间V 的一组基底F ',此时有F n '=,F F '⊆。
f 是从E 到F '的映射,重复类似上一题目的讨论即可。
3.设A 和B 均是有限集,A m =,B n =。
问从A 到B 有多少个映射?有多少个单射?A 有多少个二元运算?由基本计数法则,从A 到B 的映射的个数有m n 个。
若m n >,则不存在从A 到B 的单射。
如果m n ,从A 到B 的单射有第1章集合与运算2()!!!n n m m n m ⎛⎫= ⎪-⎝⎭个。
2A A m ⨯=,集合A 上的二元运算即从A A ⨯到A 的映射,有2m m 个。
4.考虑()n M R 上的相抵关系 :A B 当且仅当存在n 阶可逆矩阵P 和Q 使得=B PAQ 。
近世代数习题解答2

近世代数习题解答2近世代数习题解答第二章群论1 群论1. 全体整数的集合对于普通减法来说是不是一个群?证不是一个群,因为不适合结合律.2. 举一个有两个元的群的例子.证 }1,1{-=G 对于普通乘法来说是一个群.3. 证明, 我们也可以用条件1,2以及下面的条件''5,4来作群的定义:'4. G 至少存在一个右单位元e ,能让a ae = 对于G 的任何元a 都成立'5. 对于G 的每一个元a ,在G 里至少存在一个右逆元,1-a 能让 e aa =-1证 (1) 一个右逆元一定是一个左逆元,意思是由e aa =-1 得e a a =-1 因为由'4G 有元'a 能使e a a =-'1所以))(()('111a a a a e a a ---=e a a a e a a aa a ====----'1'1'11][)]([即 e a a =-1(2) 一个右恒等元e 一定也是一个左恒等元,意即由 a ae = 得 a ea =a ae a a a a aa ea ====--)()(11即 a ea =这样就得到群的第二定义.(3) 证 b ax =可解取b a x 1-=b be b aa b a a ===--)()(11这就得到群的第一定义.反过来有群的定义得到''5,4是不困难的.2 单位元,逆元,消去律1. 若群G 的每一个元都适合方程e x =2,那么G 就是交换群.证由条件知G 中的任一元等于它的逆元,因此对G b a ∈,有ba a b ab ab ===---111)(.2. 在一个有限群里阶大于2的元的个数是偶数.证(1) 先证a 的阶是n 则1-a 的阶也是n .e e a a e a n n n ===?=---111)()(若有n m ? 使e a m =-)(1 即 e a m =-1)(因而 1-=e a m e a m =∴ 这与a 的阶是n 矛盾.a Θ的阶等于1-a 的阶 (2) a 的阶大于2, 则1-≠a a 若e a a a =?=-21 这与a 的阶大于2矛盾(3) b a ≠ 则 11--≠b a总起来可知阶大于2的元a 与1-a 双双出现,因此有限群里阶大于2的元的个数一定是偶数3. 假定G 是个数一个阶是偶数的有限群,在G 里阶等于2的元的个数一定是奇数.证根据上题知,有限群G 里的元大于2的个数是偶数;因此阶2≤的元的个数仍是偶数,但阶是1的元只有单位元,所以阶2≤的元的个数一定是奇数.4. 一个有限群的每一个元的阶都是有限的.证G a ∈故G a a a a n m ∈K K K ,,,,,,2由于G 是有限群,所以这些元中至少有两个元相等:n m a a = )(n m ? 故 e a m n =-m n -是整数,因而a 的阶不超过它.4 群的同态假定在两个群G 和-G 的一个同态映射之下,-→a a ,a 和-a 的阶是不是一定相同? 证不一定相同例如 }231,231,1{i i G +-+-= }1{=-G 对普通乘法-G G ,都作成群,且1)(=x φ(这里x 是G 的任意元,1是-G 的元)由φ可知G ∽-G但 231,231i i --+-的阶都是3. 而1的阶是1.。
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近世代数习题解答第二章 群论1 群论1. 全部整数的集合关于一般减法来讲是不是一个群?证 不是一个群,因为不适合结合律.2. 举一个有两个元的群的例子.证 }1,1{-=G 关于一般乘法来讲是一个群.3. 证明, 咱们也能够用条件1,2和下面的条件 ''5,4来作群的概念:'4. G 至少存在一个右单位元e ,能让a ae = 关于G 的任何元a 都成立'5. 关于G 的每一个元a ,在G 里至少存在一个右逆元,1-a 能让 e aa =-1证 (1) 一个右逆元必然是一个左逆元,意思是由e aa=-1得e a a =-1因为由'4G 有元'a 能使e a a =-'1因此))(()('111a a a a e a a ---=e a a a e a a aa a ====----'1'1'11][)]([ 即 e a a =-1(2) 一个右恒等元e 必然也是一个左恒等元,意即 由 a ae = 得 a ea = a ae a a a a aa ea ====--)()(11即 a ea =如此就取得群的第二概念. (3) 证 b ax =可解 取b a x 1-=b be b aa b a a ===--)()(11这就取得群的第一概念.反过来有群的概念取得''5,4是不困难的.2 单位元,逆元,消去律1. 假设群G 的每一个元都适合方程e x =2,那么G 确实是互换群. 证 由条件知G 中的任一元等于它的逆元,因此对G b a ∈,有ba a b ab ab ===---111)(.2. 在一个有限群里阶大于2的元的个数是偶数.证 (1) 先证a 的阶是n 则1-a 的阶也是n .e e a a e a n nn===⇒=---111)()(假设有n m 〈 使e a m =-)(1 即 e a m =-1)(因此 1-=e a m e a m =∴ 这与a 的阶是n 矛盾.a 的阶等于1-a 的阶 (2) a 的阶大于2, 那么1-≠a a 假设 e a a a =⇒=-21 这与a 的阶大于2矛盾(3) b a ≠ 那么 11--≠b a总起来可知阶大于2的元a 与1-a 双双显现,因此有限群里阶大于2的元的个数必然是偶数3. 假定G 是个数一个阶是偶数的有限群,在G 里阶等于2的元的个数必然是奇数.证 依照上题知,有限群G 里的元大于2的个数是偶数;因此阶2≤的元的个数仍是偶数,但阶是1的元只有单位元,因此阶 2≤的元的个数必然是奇数.4. 一个有限群的每一个元的阶都是有限的.证 G a ∈故 G a a a a nm∈ ,,,,,,2由于G 是有限群,因此这些元中至少有两个元相等: nma a = )(n m 〈 故 e amn =-m n -是整数,因此a 的阶不超过它.4 群的同态假定在两个群G 和-G 的一个同态映射之下,-→a a ,a 和-a 的阶是不是必然相同? 证 不必然相同 例如 }231,231,1{i i G +-+-= }1{=-G对一般乘法-G G ,都作成群,且1)(=x φ(那个地址x 是G 的任意元,1是-G 的元)由 φ可知 G ∽-G 但231,231i i --+-的阶都是3. 而1的阶是1.5 变换群1. 假定τ是集合的一个非一一变换,τ会可不能有一个左逆元1-τ,使得εττ=-1?证 咱们的回答是回有的},3,2,1{ =A1τ: 1→1 2τ 1→12→1 2→3 3→2 3→4 4→3 4→5 … …τ显然是一个非一一变换但 εττ=-12. 假定A 是所有实数作成的集合.证明.所有A 的能够写成b a b ax x ,,+→是有理数,0≠a 形式的变换作成一个变换群.那个群是不是一个互换群? 证 (1) :τ b ax x +→:λ d cx x +→:τλ d cb cax d b ax c x ++=++→)( d cb ca +,是有理数 0≠ca 是关闭的.(2) 显然时候结合律(3) 1=a 0=b 那么 :ε x x → (4) :τ b ax + )(1:1ab x a x -+→-τ而 εττ=-1因此组成变换群.又 1τ: 1+→x x :2τ x x 2→ :21ττ )1(2+→x x :12ττ 12+→x x 故1221ττττ≠因此不是互换群.3. 假定S 是一个集合A 的所有变换作成的集合,咱们临时仍用旧符号τ:)('a a a τ=→来讲明一个变换τ.证明,咱们能够用21ττ: )()]([2121a a a ττττ=→来规定一个S 的乘法,那个乘法也适合结合律,而且关于那个乘法来讲ε仍是S 的单位元. 证 :1τ )(1a a τ→ :2τ )(2a a τ→那么:21ττ )()]([2121a a a ττττ=→ 显然也是A 的一个变换. 此刻证那个乘法适合结合律:)]()[(:)(321321a a ττττττ→)]]([[321a τττ= =→)]([:)(321321a a ττττττ)]]([[321a τττ 故 )()(321321ττττττ= 再证ε仍是S 的单位元 :ε )(a a a ε=→ :ετ )()]([a a a ττε=→τ:τε )()]([a a a τετ=→∴ τεετ=4. 证明一个变换群的单位元必然是恒等变换。
近世代数ch2(1-6节)习题参考答案

第二章前6节习题解答 P35 §11.全体整数集合对于普通减法来说是不是一个群?解 ∵减法不满足结合律,∴全体整数对于减法不构成群。
2.举出一个有两个元的群例子。
解 }11{-,对于普通乘法构成一个群。
]}1[]0{[,对于运算][][][j i j i +=+构成群。
]}2[]1{[,对于运算][]][[ij j i =构成群。
它们都是两个元的群。
3. 设G 是一个非空集合,”“ 是一个运算。
若①”“ 运算封闭;②结合律成立;③G 中存在右单位元R e :G a ∈∀,有a ae R =;④G a ∈∀,G a R ∈∃-1,有R R e aa =-1。
则G 是一个群。
证(仿照群第二定义的证明)先证R R R e a a aa ==--11。
∵G a R ∈-1,∴G a ∈∃',使R R e a a =-'1,∴R R R R R R R R R R R e a a a e a a aa a a a a a e a a a a ======--------''')()')(()(11111111,R R e a a =⇒-1。
∴R R R e a a aa ==--11。
再证a ae a e R R ==,即R e 是单位元。
G a ∈∀,已证R R R e a a aa ==--11,∴a a e a ae a a a a aa a e R R R R R =⇒====--)()(11。
∴a ae a e R R ==。
即R e 就是单位元e 。
再由e a a aa R R ==--11得到1-Ra 就是1-a 。
这说明:G 中有单位元, G a ∈∀都有逆元1-a 。
∴G 是一个群。
P38 §21. 若群G 的每一个元都适合方程e x =2,那么G 是可交换的。
证∵ 12,-=⇒=∈∀x x e x G x 。
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Chapter 11、proof Let A,B,C be sets .Suppose that x ∈B,we get x ∈A ∩B orx A B A ∈- ,andx A C∈ or x A C A ∈- sinceA B A C= andA B A C= .so x ∈C andB C⊆.Similarly ,we haveC B⊆and soB=C .2、proof ① First,consider()x A B A ∈- .Then x A ∈ or x B ∈,butx A ∉.This implies if x is not an element of A ,then x B ∈.Hence x A B∈ and ()A B A - ⊆A B .Conversely, ifx A B∈ ,then by definition , x A ∈ or x B ∈.This generates two cases: (a1) If x A ∈,clearly()x A B A ∈- ;(b2) Ifx B ∈,then either x A ∈ or not . i.e.,either x B ∈andx A ∈or x B ∈but x A ∉, in either case, we have()x A B A ∈- .Hence A B ⊆()A B A - .Therefore()A B A - =A B . ② Suppose that()x A B C ∈- .Then x A ∈but x B ∉ and x C∉.Sox A ∈-B and x A C ∈- and ()()x A B A C ∈--bydefinition .Hence()A B C - ⊆()()A B A C -- .Converssely, Assume that()()x A B A C ∈-- ,then x A ∈-Bandx A C∈-,and we have ,x A ∈but x B ∉ andx C ∉.Hence x B C ∉ , x A ∈, i.e., ()x A B C ∈- .Therefore ()()A B A C -- ⊆()A B C - and,so ()A B C - =()()A B A C --3.(a) surjective (b) bijective (c) bijective4.proof if f: X →Y and g: Y →Z are functions,then their composite denoted by g ︒f, is the function X →Z given by g ︒f: X →g(f(x))(i) suppose that (g ︒f)(a)= (g ︒f)(b), where a,b ∈X. we haveg(f(a))=g(f(b)) by definition, and f(a)=f(b) since g is injective, similarly, a=b for f is injective. Therefore, g ︒f is injective. (ii) For each Z ∈Z, there is y ∈Y with g(y)=z since g is surjective,and for each y ∈ Y , there exists a ∈ x with f(a)=y since f is surjective. So for∀z ∈Z, there is a ∈ x with(g ︒f)(a)=g(f(a))=g(y)=z. which implies g ︒f is surgective.5. proof clearly,α:R →R is a function. Suppose thatα(a)=α(b)where a, b ∈R are distinct. Then 332211aba b =++, cross multiplyingyields332323a ab b a b+=+, which simplifies to33a b= and hence a b =,so α is injective. for ∀given y ∈R,321xyx =+from,we getequation 320x yx y --=, which can be solved for x, i.e .for each y ∈R,there is at least x ∈x such that 321xyx =+.whic impliesαissurjective. Thereforeαis bijective.6、(a) R is reflexive, symmetric, transitive. (b) R is reflexive, not symmetric, transitive. (c ) R is reflexive, symmetric, transitive. (d) R is reflexive, symmetric, transitive.7、proof (1) For every a ∈R-{0},we have 20aa a =>, and so,aR a(2) If aRb , where ,{0}a b R ∈-, i.e.,0,ab > then0ba >, i.e., bRa ,(3) If ,aR b bR c , where ,,a b c ∈{0}R -, i.e.0,ab >0bc >, then 0ac >.i.e.,aRc .Therefore, therelation ~ is an equivalence relation .8、 There are 1,3,5,15 equivalence relations on a set S with 1,2,3 or 4elements, separately.9、 We can list the elements of the residue classes of modulo 3: [0]={…,-9,-6,-3,0,6,9,…} [1]={…,-8,-5,-2,1,4,7,10,…} [2]={…,-7,-4,-1,2,5,8,11,…}Chapter 21、proof i)ii )For every x,y,z ∈G ,(x*y)*z=(xy-x-y+2)*z=(xy-x-y+2)z-z-(xy-x-y+2)+2=xyz-xz-yz+z-xy+x+yx*(y*z)=x*(yz-y-z+2)=x(yz-y-z+2)-x-(yz-y-z+2)+2=xyz-xy-xz+x-yz+y +zwe have (x*y)*z=x*(y*z). And so the associative law holds.3、Solution Straightforward calculation shows that 46A IB ==.()nAB I ≠, since 1()01nn AB I -⎛⎫=≠⎪⎝⎭(0)n ≠.4、proof Suppose222()ab a b = for all ,a b G ∈,then 2()ab =()()ab ab =22a b =()()aa bb ,i.e., abab aabb =. Applying left cancellation , this becomesbab abb =,and by right cancellation, this reduces to ba ab =.5、proof For every a G ∈, there is a ,1a G -∈ such that 1a a e -=(identity)So 11()naba aba--=1aba- (1)aba-1aba-=1n ab a-。
6、proof Firstly ,the identity element belongs to N since it is equal tone e =,(e is an identity of G ). The product of any two elements of N is an element of N , since G is abelianAnd ()n n na b ab =.Also the inverse of an element of N is an element of N .Since 11()()nna a --=For some positive integer. Thus N is a subgroup of G .7、Proof Clearly ,10cos 0sin 001sin 0cos 0e H -⎡⎤⎡⎤==∈⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦. For every 1111cos sin sin cos θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎣⎦, 2222cos sin sin cos θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎣⎦H∈,we have1111cos sin sin cos θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎣⎦2222cos sin sin cos θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎣⎦= 12121212cos()sin()sin()cos()θθθθθθθθ+-+⎡⎤⎢⎥++⎣⎦H ∈ ,and the inverse ofcos sin sin cos θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎣⎦is cos()sin()sin()cos()θθθθ---⎡⎤⎢⎥--⎣⎦H ∈Thus H is a subgroup of G .8、Proof Firstly ,the identity element1001e ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦∈K For every 2ab ba ⎡⎤⎢⎥-⎣⎦,2cd d c ⎡⎤⎢⎥-⎣⎦∈k,2222()2ab c d ac bd ad bc k b a d c ad bc ac bd -+⎡⎤⎡⎤⎡⎤=∈⎢⎥⎢⎥⎢⎥---+-⎣⎦⎣⎦⎣⎦, And the inverse of 2a b b a ⎡⎤⎢⎥-⎣⎦ is 22122a b k ba a b⎡⎤∈⎢⎥+⎣⎦, so k is a subgroup of 2()G L R .9. Hint: Theorem 2.4.6.10 .Proof For every a ∈G , we have ax=xa since G is abelian. For a subgroup H, naturally, Ha=aH and H is normal.11.o(0)=1, (1)6,(2)3,(3)2,(4)3,(5) 6.o o o o o =====12. Solution AU positive divisors of 6 are 1,2,3,6, so the subgroup of6Z are :<1>=6Z ={0,1,2,3,4.5}, <2>=26Z ={0,2,4}, <3>=36Z ={0,3}, <6>=66Z ={0}.13. Yes. 14. need not. 15. H={mz/z ∈Z},where m is integer . 16.Answers may vary.17. proof suppose that o(ab)=r, then ()rnrnrnrna ab ab e === since o(b)=n, and we have m/r n. From gcd(m,n)=1, so m/r. Similary n/r, and mn/r since gcd(m,n)=1. On the other hand,()mnmn mnab a be e e ==⋅= and so r/mn ,Hence r=mn.19、(14)(265),odd. 20、5! 21、3023、Proof firstly, we will prove H a =H iffa ∈H. If H a =H, thena =e a ∈Ha=H .i.e. a ∈H. Conversely , If a ∈H,H is a subgroup of thegroup G , then1a-∈H and H a ⊆H ⋅H=H. Also H=H a 1a -=(H a )1a-⊆H a .Suppose .So H a =H. Hence H a =H iff a ∈H.Suppose that H a =H a , then H a 1b-=Hb 1b -=H. anda 1b-∈H. from theabove proof .Ifa 1b-∈H, then H a 1b-=H and so H a =Hb.24、Proof First, a 1a -=e ∈H, then a ~a .If a ~b ,then a 1b-∈H and H a = Hb by 23.So Hb 1a -=H andb 1a-∈H.we get b ~a .If a ~b, b ~c, thena 1b-∈H, b 1c-∈H, anda 1c-=(a1b-)b 1c-∈H, soa ~c. therefore a ~biffa 1b-∈H defines an equivalence relation.26、proof Firstly Let 1:aH Haϕ-→.IfaH bH=,then1a b H-∈ by exeraise23,and11111()()HaHa bb H a b b-----==, this shows that ϕ is a mapping fromaHto1H a-.Secondly , LetaH ,/bH G H∈,if ()()aH bH ϕϕ=, i.e.,1H a-=1H b -, then1b a -H∈, and sobH=aH by exercivse 23. ϕ is injective.For∀1H a -∈\H G, we haveaH/G H∈ and ()aH ϕ=1H a -. So ϕ is surjective from/G Hto \H G. Where {}/|G H gH g G =∈,}{\|H G Hg g G =∈. 28. proof For a H∀∈, ifa ∈H, Then aH H Ha ==. Ifa H∉, thenaHandHare distinct cosets., and G H aH= since]:2G H ⎡=⎣, similarly , G H Ha= , sinceaH H =∅, we haveaH G H Ha⊆= andaH Ha⊆. Similarly ,H a⊆aH. So aH=H a , and H is a normal subgroup of G .29. Hint : computation by the definition of left coset and right coset . 32. proof Let :a f G G→1x axa-→Clearly , af is a mapping from G to G .For x G∀∈. There exist 1a xa -G∈ such that11()()a f a xa a a xa x--== andsoaf is surjective .(3)If x1a-=ay1a-,where x、y∈G, then x=y by the cancellation law, and fa is injective.(4)For∀x、y∈G, we have a f (xy)=axy1a-=ax(1a-a)y1a-=(ax1a-)(ay1a-)=a f(x)a f(y) so a f is a homomorphism from G to G.Therefore fa is an automorphism of G.33、Proof (1)For∀x∈G, we have ex= xe, and e∈Z(G).So Z(G)≠φ. (2)If a,b∈Z(G),then for∀x∈G,(ab0x=a(bx)=(ax)b=(xa)b=x(ab).and so ab∈Z(G).(3)If a∈Z(G),then ax=xa for ∀x∈G and 1a-(ax) 1a-,i.e. , x1a-=1a-x, so1a-∈Z(G).Hence Z(G) is an abelian subgroup of group G., and Z(G) is a normal subgroup of G Since a Z(G)={x∈Z(G)}={xa | x∈Z(G)} Z(G)a, ∀a∈G.36、Proof (1)For ∀1010001a b⎛⎫⎪⎪⎪⎝⎭,1010001c d⎛⎫⎪⎪⎪⎝⎭∈G,then1010001a b⎛⎫⎪⎪⎪⎝⎭1010001c d⎛⎫⎪⎪⎪⎝⎭=1010001a cb d++⎛⎫⎪⎪⎪⎝⎭∈G . G is closed.(2)Clearly,the associative law holds.(3)The identity element is100 010 001⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭.(4)For ∀1010001a bG⎛⎫⎪∈⎪⎪⎝⎭, we get11010001a b-⎛⎫⎪⎪⎪⎝⎭1010001a b--⎛⎫⎪=⎪⎪⎝⎭, so G is a subgroup ofG L R(3,)。