Фактор-группы. Cмежные классы
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования
Математический факультет
Кафедра алгебры и методики преподавания математики
Курсовая работа
СОДЕРЖАНИЕ
Ведение
1.Основные определения и теоремы
2.Смежные классы
2.1. Правые и левые смежные классы
2.2 Двойные смежные классы
3. Нормальные подгруппы и фактор-группы
3.1 Нормальные подгруппы
3.2 Фактор-группы
Заключение
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
Первый значительный вклад в теорию групп внес Эварист Галуа (1811–1832) при исследовании вопроса о разрешимости в радикалах алгебраических уравнений. Именно Галуа впервые ввел понятие группы и попытался выяснить, как они устроены. До него группы в виде подстановок корней уравнения возникли также в работах Лагранжа (1771), Роффини (1799) и Абеля (1825).
В 1830–1832 годах Галуа пришел к понятиям нормальной подгруппы, разрешимой группы, простой группы. С тех пор многие ученые математики занимались исследованиями в вопросах связанными с группами, вводили новые понятия, строили свои догадки, формулировали и доказывали теоремы.
Теория групп – один из центральных разделов современной алгебры, в настоящее время активно разрабатываемый в Беларуси в научных школах Минска, Гомеля, Витебска, Новополоцка, Мозыря.
Понятие группы приобретает в настоящее время все большее господство над самыми различными разделами математики и ее приложений и наряду с понятием функции относится к самым фундаментальным понятиям всей математики.
Понятие группы не труднее понятия функции; его можно освоить на самых первых ступенях математического образования, тем более что сделать это можно на материале элементарной математики. Вместе с тем знакомство с этой теорией кажется одним из самых естественных способов ознакомления с современной математикой вообще.
Моя цель состоит в том, чтобы разобраться с начальными понятиями, связанными с группами: фактор-группы, смежные классы, доказать наиболее важные теоремы, следствия, выделить некоторые свойства.
1.ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ТЕОРЕМЫ
Рассмотрим некоторое непустое множество G, на котором определена бинарная алгебраическая операция.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ 1.1. Пара (G,*) называется группой, если:
1) операция ассоциативна, т.е. для любых a, b, c G выполняется
a*(b*c)=(a*b)*c;
2) в G существует нейтральный элемент относительно, т.е. для любого a G найдется такой элемент e ,что выполняется
a*e=e*a=a
3) для любого элемента G существует симметричный элемент относительно, т.е. для любых a, b G выполняется
a*b=b*a=e;
ОПРЕДЕЛЕНИЕ 1.2. Подмножество H группы G называется подгруппой, если H-группа относительно той же операции, которая определена на G.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ 1.3. Зафиксируем в группе G элемент a. Пересечение всех подгрупп группы G, содержащих элемент а, называется циклической подгруппой, порожденной элементом а, и обозначается а.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ 1.4. Если G совпадает с одной из своих циклических подгрупп, то G называют циклической группой.
ТЕОРЕМА 1.1. Пусть элемент аG имеет конечный порядок k.
Тогда
а ={e, a,
a,
… , a
}
Кроме того, а=
e в точности тогда, когда k делит m.
ТЕОРЕМА 1.2. Все подгруппы бесконечной
циклической группы G = а
исчерпываются единичной подгруппой
E={e} и бесконечными подгруппами
а
для каждого натурального m.
ТЕОРЕМА 1.3.Все подгруппы конечной
циклической группы а
порядка n исчерпываются циклическими
подгруппами а
порядка n/m для каждого натурального m,
делящего n.
ТЕОРЕМА 1.4. Непустое подмножество H
группы G будет подгруппой
тогда и только тогда, когда hh
H
и h
H.
2. СМЕЖНЫЕ КЛАССЫ
2.1 Правые и левые смежные классы
Пусть G – группа, H – ее подгруппа и gG.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2.1.1. Правым смежным классом группы G по подгруппе H называется множество Hg= {hg | hH} всех элементов группы G вида hg , где h “пробегает” все элементы подгруппы H.
Аналогично определяется левый смежный класс gH={gh | hH}.
ЛЕММА 2.1.1. Пусть G – группа, H – подгруппа. Тогда справедливы утверждения:
1) H=He;
2) gHg для каждого gG;
3) если a H, то Ha=H; если b Ha , то Hb=Ha;
4) Ha=Hb тогда
и только тогда, когда abH;
5) два смежных класса либо совпадают, либо их пересечение пусто;
6) если H – конечная подгруппа, то | Hg | = | H | для всех gG.
Доказательство
Первые три свойства вытекают из определения правого смежного класса
(4) Если Ha = Hb,
то ea = hb, hH
и ab=
hH.
Обратно, если ab
H,
то aHb
и Ha=Hb по
утверждению 3.
(5) Пусть Ha
Hb ≠
и c
Ha
Hb. Тогда c=a=
b
и ab
=
H.
Теперь Ha=Hb
по утверждению 4).
(6) Для каждого gG отображение φ: h→hg есть биекция множеств H и Hg. Поэтому | H | = | Hg |
Ч.т.д.
Из свойств 2) и 5) следует, что каждый элемент группы G содержится точно в одном правом смежном классе по подгруппе H. Это свойство позволяет ввести следующее определение.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2.1.2. Пусть
H подгруппа группы G.
Подмножество T элементов
группы G называется правой
трансверсалью подгруппы H
в группе G , если T
содержит точно один элемент из каждого
правого смежного класса группы G
по подгруппе H .Итак, если
T = {
| aI}
–правая трансверсаль подгруппы H
в группе G, то G
=
,
H
при
.
Таким образом, справедлива теорема.
ТЕОРЕМА 2.1.1. Если H – подгруппа группы G, то G является подгруппой непересекающихся правых смежных классов по подгруппе H.
Если G – конечная группа, то число различных правых смежных классов по подгруппе H также будет конечно, оно называется индексом подгруппы H в группе G и обозначается через |G : H|. Ясно, что индекс подгруппы H в конечной группе G совпадает с числом элементов в правой трансверсали T подгруппы H, т.е.
|G : H|=|T|=|G|/|H|
ТЕОРЕМА 2.1.2. (Лагранжа) Если H-подгруппа конечной группы G, то | G | = | H || G : H |. В частности, порядок конечной группы делится на порядок каждой своей подгруппы.
Доказательство.
Пусть индекс H в группе G равен n . По теореме 2.1.1. имеем разложение
G=HgHg
Hg
,
Hg
Hg
при i ≠ j.
Так как
| Hg|
= |H| для всех i,
то | G | = | H
|| G : H |
СЛЕДСТВИЕ 2.1.1. Порядок каждого элемента конечной группы делит порядок всей группы.
Доказательство
Порядок элемента a совпадает с порядком циклической подгруппы а, порожденный этим элементом, см. теорему 1.1. Поэтому, | а | = | a | делит | G |.
Аналогично определяется левая трансверсаль
подгруппы H в группе G.
Если L={ l
| a
J } – левая трансверсаль
подгруппы H в группе G,
то
G=l
H,
l
H
l
H=
при
.
Ясно, что индекс подгруппы H в конечной группе G совпадает с числом элементов в левой трансверсали L подгруппы H, т.е. | G : H |=| L |. Для левой трансверсали справедлив аналог теоремы 2.1.1 .Поэтому из теоремы Лагранжа имеем
СЛЕДСТВИЕ 2.1.2. Число левых и число правых смежных классов конечной группы G по подгруппе H совпадают.
ТЕОРЕМА 2.1.3. В группе простого порядка нет неотрицательных подгрупп. В частности, группа простого порядка циклическая.
Доказательство.
Пусть G – конечная группа простого порядка p. Если H – подгруппа группы G, то по теореме Лагранжа | H | делит | G |. Поэтому либо | H |=1 и H – единичная подгруппа, либо | H |= p и H совпадает с группой G. Выберем неединичный элемент а в группе G и рассмотрим циклическую подгруппу а, порожденную этим элементом. Так как a ≠ e ,то а ≠ E, поэтому а = G и G – циклическая группа.
ТЕОРЕМА 2.1.4. Пусть H ≤ K ≤ G и G – конечная группа. Если T – правая трансверсаль подгруппы H в группе K, а S – правая трансверсаль подгруппы K в группе G, то TS – правая трансверсаль подгруппы H в группе G. В частности, | G : H | = | G : K || K : H |.
Доказательство
Пусть
T={t,
… ,t
},
S={s
,
… , s
}
Тогда
K=Ht.
. .
Ht
,
Ht
Ht
,
i ≠j;
G=Ks.
. .
Ks
,
Ks
Ks
,
i ≠j.
Теперь
G =( Ht.
. .
Ht
)s
.
. .
( Ht
.
. .
Ht
)s
.
(2.1.1)
Предположим, что Hts
Ht
s
для некоторых натуральных a,b,c
и d. Тогда
ts
(t
s
)
= t
s
s
t
H
≤ K,
поэтому
ss
t
Kt
= K, K s
=Ks
Но s
и s
–
элементы из правой трансверсали подгруппы
K в группе G,
поэтому s
=
s
и b = d. Теперь
ts
(t
s
)
= t
t
H,
H t
=Ht
и a = c. Таким образом, формула (2.1.1.) является разложением группы G по подгруппе H и TS – правая трансверсаль подгруппы H в группе G. Так как индекс подгруппы совпадает с числом элементов в правой трансверсали этой подгруппы, то
|G : H |=| TS |=| T | | S |=| K : H || G : K |
Отметим, что теорема Лагранжа вытекает из теоремы 2.1.4. при H=E.
2.3. Двойные смежные классы
Пусть H и K – подгруппы группы G и g G. Множество
HgK ={ hgk | h H, k K}
называется двойным смежным классом группы G по подгруппам H и K
ЛЕММА 2.3.1. Пусть H и K –подгруппы группы G. Тогда справедливы следующие утверждения:
1) Каждый элемент g G содержится в единственном двойном смежном классе HgK;
2) Два двойных смежных класса по H и K либо совпадают, либо их пересечение пусто;
3) Группа G есть объединение непересекающихся двойных смежных классов по подгруппам H и K;
4) Каждый двойной смежный класс по H и K есть объединение правых смежных классов по H и левых смежных классов по K;
5) Если группа G конечна, то двойной смежный класс HgK содержит
| K: H
K | правых смежных классов
по H и | H : H
K
|
левых смежных классов по К.
Доказательство.
(1)Так как каждая подгруппа содержит единичный элемент, то
g=ege HgK
Допустим, что gHxK. Тогда g=hxk для некоторых hH, kK и
HgK=H(hxk)K=HxK.
(2) и (3) следуют из (1)
(4)Так как
HgK=
=
,
то утверждение (4) доказано.
Подсчитаем число правых смежных классов
в разложении HgK=
по подгруппе H. Допустим,
что Hgk
=Hgk
.
Тогда
Hg kk
= Hg и k
k
g
Hg
K=H
K
Справедливо и обратное, т.е. если kk
H
K,
то
kk
g
Hg,
g k
k
Hg,
g k
Hgk
и Hg k=
Hgk
.
Поэтому, в двойном смежном классе HgK
правых смежных классов по H
столько, сколько их в группе K
по подгруппе H
K.
Аналогично,
Hgk=
и h
gK=h
gK
тогда и только тогда, когда hh
H
K
.
Поэтому, в произведении HgK
левых смежных классов по K
будет точно столько, каков индекс
|H : H
K
|
Произведение подгрупп. При g = e двойной смежный класс HgK=HK={hk | hH , kK} превращается в произведение подгрупп H и K . В общем случае HK не является подгруппой.
Пример:
Найдем разложение симметрической группы
S
в левые смежные классы по подгруппе
.
Для этого найдем все левые смежные классы группы
S={,(12),(13),(23),(123),(132)}
по подгруппе H=
={,(12)}
H = {, (12)} = {, (12)} = H,
(12)H = (12) {, (12)} = {(12), } = H,
(13)H = (13) {, (12)} = {(13), (123)},
(23)H = (23) {, (12)} = {(23), (132)},
(123)H = (123){,(12)} = {(123),(13)} = (13)H,
(132)H = (132){,(12)} = {(132),(23)} = (23)
Искомое разложение принимает вид
S=H
(13)
H
(23)
H.
3. НОРМАЛЬНЫЕ ПОДГРУППЫ И ФАКТОР-ГРУППЫ
3.1 Нормальные подгруппы
Подгруппа H называется
нормальной подгруппой группы G,
если xH=Hx
для всех xG.
Запись H
G читается так: “H
– нормальная подгруппа группы G”.
Равенство xH=Hx
означает, что для любого элемента h
H
существует элемент h
H такой, что xh
=
h
x.
ТЕОРЕМА 3.1.1.(Критерий нормальной подгруппы) Для подгруппы H группы G следующие утверждения эквивалентны:
1) H – нормальная подгруппа группы G;
2) Подгруппа H вместе с
каждым своим элементом содержит все
ему сопряженные элементы, т.е. hH
для всех hH
и всех xG;
3) Подгруппа H совпадает
с каждой своей сопряженной подгруппой,
т.е. H=H
для всех xG.
Доказательство.
Доказательство проведем по схеме (1)
(2)
(3)
(4)
(1)
(2). Пусть H
G,
т.е. xH=Hx
для всех xG.
Если h — произвольный элемент из H, то
hx
Hx = xH. Поэтому существует элемент h
H
такой, что hx = x h
.Теперь
x
hx
= h
H.
(2)
(3). Пусть выполняются требование 2). Тогда
H
= {h
| h
H}
H для всех x
G.
В частности, Hx
H, т.е. xHx
H. Теперь
H
xHx
=H
и H = H
для всех x
G.
(3)
(1). Если H
=
H для всех x
G, то x
Hx
= H и Hx = xH для всех x
G,
т.е. H – нормальная подгруппа группы G.
Ч.т.д.
СЛЕДСТВИЕ 3.1.1.
Если
HG
и h
H,
то h
H. Обратно, если h
H для всех h
H,
то H
G.
Понятие
"нормальная подгруппа" можно
рассматривать не только по отношению
ко всей группе, но и относительно
подгрупп. Если H
K
G, то подгруппа H будет нормальной в K,
если xH = Hx для всех x
K.
Простая группа. В каждой группе G тривиальные подгруппы (единичная подгруппа E и сама группа G) являются нормальными подгруппами. Если в неединичной группе G нет других нормальных подгрупп, то группа G называется простой. Единичную группу E считают непростой группой.
ТЕОРЕМА 3.1.2. Абелева простая группа является циклической группой простого порядка. Обратно, каждая группа простого порядка будет простой абелевой группой.
3.2 Фактор-группы
Пусть
H — нормальная подгруппа группы G.
Обозначим через
совокупность
всех левых смежных классов группы G по
подгруппе H, т.е.
=
={xH | x
G}. Положим
(xH)(yH) = xyH. (3.2.1)
Проверим,
что это равенство задает алгебраическую
операцию на множестве
.
Если xH = x
H,
yH = y
H
для некоторых x
,
y
G, то x
= xh, y
= =yg, h и g
H. Поэтому
(xH)(y
H)
= x
y
H
= (xh)(yg)H = xy(y
hy)gH
= xyH,
т.к.
yhy
H
по теореме 3.1.1. Таким образом, равенство
(3.2.1) не зависит от выбора представителей
смежных классов и каждой паре xH, yH
ставится в соответствие единственный
элемент xyH.
Ясно,
что предложенная операция (3.2.1) определена
на
и ассоциативна. Элемент eH = H будет
единичным, а элемент a
H
— обратным к элементу aH. Таким образом,
доказана следующая.
ТЕОРЕМА
3.2.1. Совокупность
= {xH | x
G} всех левых смежных классов группы G
по нормальной подгруппе H с операцией
(xH)(yH) = xyH
образует
группу с единичным элементом eH = H и
обратным элементом (aH)
= a
H.
Группа
называется фактор-группой группы G по
подгруппе H и обозначается через G/H.
Если H не будет нормальной подгруппой, то равенство (3.2.1.) не будет задавать алгебраическую операцию, и совокупность левых смежных классов не будет группой.
Очевидно, что если группа G конечна, то фактор-группа группы G по любой нормальной подгруппе H также будет конечной группой порядка, равного индексу подгруппы H в группе G, т.е.
|G/H |=| G : H |=| G | / | H |
ЛЕММА 3.2.1. Если фактор-группа G/Z(G) циклическая, то группа G абелева.
Доказательство.
Пусть
G/Z(G) =
gZ(G)
циклическая группа и a, b — произвольные
элементы группы G. Тогдаa
= gz
,
b
= g
z
,
z
,
z
Z(G),
k,
l
Z
и
ab
= gz
g
z
= g
g
z
z
= g
g
z
z
= g
z
g
z
= ba
ТЕОРЕМА
3.2.2. Все фактор-группы бесконечной
циклической группы
а
исчерпываются бесконечной циклической
группой
а
/ E
а
и конечными циклическими группами
aа
порядка m для каждого натурального числа
m.
Доказательство.
По
теореме 1.2 все подгруппы бесконечной
циклической группы A = а
исчерпываются единичной подгруппой E
и бесконечными циклическими подгруппами
M =
а,
m
N. Так как каждая циклическая группа
абелева, то в ней любая подгруппа
нормальна.
Фактор-группа
A/E очевидно будет бесконечной циклической
группой, изоморфной A. Так как A = {a
| k
Z}, то фактор-группа A/M состоит из смежных
классов a
M,
k
Z. Если два смежных класса совпадут a
M
= a
M,
то a
M
и s - t кратно m. Отсюда следует, что смежные
классы M, aM, a
M,
. , a
M
попарно различны. Кроме того, для любого
a
M
A/M имеем:
t
= mq
+ r,
0 ≤ r
< m
и aM
= a
a
M
= a
M.
Таким образом,
A/M
= {M, aM, aM,
. . . , a
M}
= aM,
т.е. фактор-группа A/M будет конечной циклической группой порядка m.
ТЕОРЕМА
3.2.3. Все фактор-группы конечной циклической
группы a
порядка n исчерпываются конечными
циклическими группами aа
порядка m для каждого натурального m,
делящего n.
Доказательство.
По
теореме 1.3, все подгруппы конечной
циклической группы A = a
порядка n исчерпываются циклическими
подгруппами M =
а
порядка n/m для каждого натурального m,
делящего n. Легко проверить, что
A/M
= aM
= {aM, aM,
. . . , a
M,M},
т.е.
A/M=aа
будет циклической группой порядка m.
Условимся через S(G,H) обозначать совокупность всех подгрупп группы G, содержащих подгруппу H. В частности, S(G,E)=S(G) — совокупность всех подгрупп группы G, а S(G,G) = {G}.
ТЕОРЕМА 3.2.4.(Теорема о соответствии)
Пусть H — нормальная подгруппа группы G. Тогда:
1)
если U — подгруппа группы G и H ≤ U, то
= U/H — подгруппа фактор-группы
=
G/H;
2)
каждая подгруппа фактор-группы
= G/H имеет вид
= V/H, где V— подгруппа группы G и H V
;
3)
отображение
: U →
является биекцией множества S(G,H) на
множество S(
);
4) если N S(G,H), то N — нормальная подгруппа группы G тогда и только тогда, когда N/H – нормальная подгруппа фактор-группы G/H.
Доказательство.
(1)
Пусть U
S(G,H) и пусть
={uH | u
U} — совокупность смежных классов группы
U по своей нормальной подгруппе H. Если
u
H,
u
H
,
то u
,
u
U, а так как U — подгруппа, то u
u
U и u
U. Поэтому,
(uH)(u
H)
= u
u
H
,
(u
H)
=
u
H
и
по критерию подгруппы (теорема 1.4)
совокупность
–
подгруппа группы
.
(2)
Пусть
— произвольная подгруппа из
.
Тогда
состоит
из некоторых смежных классов группы G
по подгруппе H. Обозначим через V множество
всех тех элементов группы G, из которых
состоят смежные классы, принадлежащие
, т.е. V = {x
G | xH
}. Если v
,
v
V, то v
H,
v
H
, а так как
— подгруппа, то
(vH)(
v
H)
= v
v
H
и (v
H)
= v
H
Следовательно,
v
v
V и v
V , т.е. V — подгруппа группы G. Ясно, что
H ≤ Vэ
(3)
Отображение
: U →
будет сюръекцией на основании утверждения
(2). Докажем, что
– инъекция. Пусть U и V — подгруппы,
содержащие H, и предположим, что подгруппы
= {uH | u
U} и
= { vH | v
V } совпадают. Тогда для любого элемента
u
U существует элемент v
V такой, что uH = vH. Поэтому v
u
H ≤ V ∩ U. Теперь u
V и U ≤ V . Аналогично проверяется обратное
включение. Следовательно U = V и
— инъекция.
(4)
Если N
G,
N
S(G,H),
то
(gH)
(nH)(gH) = g
ngH
N/H
для
всех g
G, n
N. Поэтому
= N/H
.
Обратно, если
,
то
gngH
= (gH)
(nH)(gH)
и
gngH
N,
значит N
G.
Пример:
Найдем все фактор-группы группы S.
Среди
подгрупп группы S
со своими сопряженными совпадают
следующие подгруппы: E,
S
,
H=
(см. пример выше). По теореме 4.1. эти три
подгруппы нормальны в S
.
Ясно, что S
/
S
–
единичная группа, а S
/
E
изоморфна S
.Порядок
подгруппы H=
равен 3, а порядок S
/
H
равен 2. Поэтому S
/
H
– циклическая группа порядка 2.Смежные
классы S
по H
исчерпываются классами H
и (12)H.
Таким образом, группа S
имеет три фактор-группы: S
/
H
S
,
S
/
S
E,
S
/
H={H,(12)H}=
.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теория групп является одним из самых важных разделов математики, а понятия фактор-группы и смежных классов – всего лишь маленькая частичка этого огромного айсберга знаний. В мире все еще существуют нерешенные проблемы теории групп, разбираясь же в самых простых определениях и теоремах можно прийти к чему-то большему. Возможно, в недалеком будущем именно мне удастся разрешить эти вопросы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Александров, П.С. Введение в теорию групп /П.С. Александров –М.:Наука, 1980.
2. Богопольский, О.В. Введение в теорию групп /О.В. Богопольский – М.: Институт компьютерных исследований, 2002.
3. Монахов, В.С. Введение в теорию конечных групп и их классов /В.С.Монахов – Мн.:Вышэйшая школа, 2006.