Перейти к содержимому
Topos Uranos

Краткое содержание

Этот урок завершает раздел о матрицах и алгебраических структурах. Он собирает в дедуктивную цепь то, чего достигли семь его уроков: произведение матриц, рождённое композицией линейных замен; полное решение линейных систем методом Гаусса-Жордана и теорему Кронекера-Капелли (теорему Руше-Фробениуса); определитель как ориентированную площадь и как критерий единственности; обратную матрицу и условия, равносильные обратимости; прочтение матриц как преобразований плоскости; копию комплексных чисел внутри матриц; и понятия группы, кольца в алгебраическом смысле, поля и изоморфизма, которые дают имя общему во всех этих вычислениях. Урок объясняет, как раздел опирается на результаты предыдущих разделов и курса «Алгебра и геометрия I», что было принято без доказательства и как он готовит последующий раздел, об аналитической геометрии в пространстве, и курс «Математический анализ I». В конце даны десять задач повышенной трудности, более сложных, чем задачи уроков, которые сочетают несколько уроков.

Цели обучения

  1. Восстановить цепь определений и теорем раздела, от произведения матриц до изоморфизмов, объясняя, какой результат на какой опирается.
  2. Связать результаты раздела с результатами предыдущих разделов и курса I, в особенности с линейными системами, векторами, поворотом осей, тригонометрической формой и арифметикой остатков, отличить доказанное от принятого и предвидеть их применение в геометрии пространства.
  3. Решать задачи, сочетающие определители, обратные матрицы, преобразования, матрицы комплексных чисел и алгебраические структуры, выбирая в каждом случае подходящий инструмент.
  4. Переносить задачу из одной структуры в другую с помощью соответствия, сохраняющего операции, и использовать инварианты изоморфизма, чтобы решить, являются ли две группы одной и той же.

Чего достиг раздел

Алгебра матриц и линейные системы

Отправной точкой было наблюдение о линейных заменах переменных. В уроке о матрицах и операциях над матрицами таблица составной замены получалась умножением строки на столбец таблиц двух замен, и это правило было принято за определение произведения. Из него вытекли ассоциативность, через перестановку порядка двух суммирований, дистрибутивность и нейтральность единичной матрицы; а в обратную сторону выяснилось, что произведение не коммутативно, что оно допускает делители нуля и что существуют ненулевые матрицы, некоторая степень которых нулевая. Транспонирование меняет порядок множителей на обратный, (AB)T=BTAT(AB)^{\mathsf{T}} = B^{\mathsf{T}} A^{\mathsf{T}}, а след не различает порядка, tr⁡(AB)=tr⁡(BA)\operatorname{tr}(AB) = \operatorname{tr}(BA), откуда уравнение AB−BA=IAB - BA = I не имеет решения ни в каком порядке.

С помощью произведения всякая линейная система записалась одним уравнением AX=BAX = B. Урок о линейных системах и методе Гаусса-Жордана доказал, что элементарные преобразования строк сохраняют решения и что всякая матрица приводится к приведённому ступенчатому виду; доказал, индукцией по числу столбцов, что этот вид единствен, откуда ранг не зависит от хода исключения, и доказал теорему Кронекера-Капелли: система совместна тогда и только тогда, когда rg⁡(A)=rg⁡(M)\operatorname{rg}(A) = \operatorname{rg}(M), и в этом случае её решения зависят от n−rn - r свободных параметров. Отсюда следовало, что линейная система никогда не имеет ровно двух решений и что однородная система, в которой уравнений меньше, чем неизвестных, имеет нетривиальные решения.

Определитель и обратная матрица

Однако для квадратных систем важно решать вопрос о единственности, не проходя всего исключения. Урок об определителях, их свойствах и правиле Крамера истолковал определитель второго порядка как ориентированную площадь, определил его рекуррентно для любого порядка, доказал индукцией по порядку его шесть свойств и применил их для вычисления определителя приведением. Если это так, то каждое элементарное преобразование умножает определитель на ненулевое число, и отсюда следовало, что det⁡A≠0\det A \neq 0 тогда и только тогда, когда rg⁡(A)=n\operatorname{rg}(A) = n. Теорема о произведении, det⁡(AB)=det⁡Adet⁡B\det(AB) = \det A \det B, была доказана там для второго порядка прямым вычислением, а правило Крамера, доказанное для любого порядка с помощью алгебраических дополнений одного столбца, выразило каждое неизвестное как частное определителей.

Урок об обратной матрице завершил этот круг вопросов. Он доказал, что обратная матрица единственна, что она существует тогда и только тогда, когда определитель не равен нулю, и что она есть присоединённая матрица, делённая на определитель; что обращение произведения меняет порядок множителей на обратный; и что каждое элементарное преобразование есть умножение на элементарную матрицу, откуда метод Гаусса-Жордана превращает (A,I)\left( A, I \right) в (I,A−1)\left( I, A^{-1} \right) без вычисления определителей. Всё это было собрано в одной теореме о равносильных условиях, которая связывает четыре предыдущих урока; из неё было выведено, что достаточно проверить одно из двух произведений определения, а с помощью элементарных матриц для любого порядка была доказана теорема об определителе произведения:

∃A−1↔det⁡A≠0↔rg⁡(A)=n↔(AX=0→X=0)\exists A^{-1} \leftrightarrow \det A \neq 0 \leftrightarrow \operatorname{rg}(A) = n \leftrightarrow \left( AX = 0 \rightarrow X = 0 \right)

Геометрия матриц

Урок о матрицах как преобразованиях плоскости придал этому исчислению геометрический смысл. По теореме о столбцах матрицы второго порядка суть в точности линейные преобразования плоскости, и каждое из них определяется образами двух базисных векторов; по этому принципу были получены матрицы поворотов, проекций, отражений, гомотетий и сдвигов. Композиция преобразований оказалась умножением их матриц, откуда RαRβ=Rα+βR_\alpha R_\beta = R_{\alpha + \beta} и SαSβ=R2(α−β)S_\alpha S_\beta = R_{2(\alpha - \beta)}; определитель оказался коэффициентом, на который умножаются площади, со знаком минус, если ориентация меняется; а поворот осей в уравнении второй степени записался как переход от MM к RθTMRθR_\theta^{\mathsf{T}} M R_\theta, со следом и определителем в качестве инвариантов.

Урок о комплексных числах как матрицах применил это прочтение к умножению на комплексное число. Соответствие M(a+bi)=aI+bJM(a + bi) = aI + bJ инъективно и сохраняет сумму и произведение; в нём квадрат модуля есть определитель, сопряжённое число есть транспонированная матрица, обратное число есть обратная матрица, а тригонометрическая форма есть поворот, за которым следует гомотетия, M(z)=rRθM(z) = r R_\theta. Отсюда следовало, что формулы Эйлера и Муавра суть правило композиции поворотов, что матрицы комплексных чисел суть в точности те, которые коммутируют с JJ, и что кватернионы Гамильтона тоже допускают представление матрицами, произведение которых уже не коммутативно.

Структуры

Наконец, урок об алгебраических структурах: группах, кольцах и полях выделил общее. Группа есть множество с ассоциативной операцией, с нейтральным элементом и с обратными; во всякой группе нейтральный элемент и обратные единственны, выполняется сокращение и (ab)−1=b−1a−1(ab)^{-1} = b^{-1} a^{-1}, без использования коммутативности. Циклические подгруппы и смежные классы привели к теореме Лагранжа: порядок подгруппы делит порядок группы. Кольца в алгебраическом смысле и поля добавили вторую операцию, и на основе теоремы об обратимых остатках из урока курса I о сравнениях было доказано, что Zn\mathbb{Z}_n есть поле тогда и только тогда, когда nn простое. Наконец, изоморфизмы уточнили мысль о том, что две системы с одинаковой таблицей операций суть одна и та же система.

Итак, раздел образует цепь: композиция мотивирует произведение; произведение позволяет записать системы как уравнения AX=BAX = B; исключение решает их, а ранг их классифицирует; определитель решает вопрос о единственности, а обратная матрица выражает решение; композиция преобразований возвращает произведению его геометрический смысл; комплексные числа появляются как семейство преобразований, замкнутое относительно сложения и композиции; а понятие группы показывает, что единственность обратной матрицы, единственность обратного числа и единственность поворота, отменяющего другой, суть одна теорема. Рисунок ниже собирает четыре участка в единую цепь. Каждый узел столбца есть определение или теорема, пронумерованные в логическом порядке и соединённые дугой с предыдущими звеньями, которые использует их доказательство; вокруг расположены опоры, то есть принципы и средства, к которым цепь обращается снова и снова, каждая соединена сплошной линией со звеньями, которые на неё опираются, и пунктирной со звеном, где она устанавливается, кроме тех, что принимаются без доказательства или происходят из предыдущих разделов или из курса I: они изображены пустыми кружками. Нажатие на опору выделяет все звенья, которые её используют, а каждое звено ведёт к уроку, где оно доказывается.

Опоры цепи

  • AИндукция. Если свойство выполняется для первого случая и переходит от каждого случая к очередному, то оно выполняется во всех случаях; доказанная в разделе 1 курса I, индукция служит здесь для двойных сумм, исключения, степеней и поворотов. В этом разделе принимается без доказательства.
  • BАссоциативность произведения. Равенство (AB)C=A(BC)(AB)C = A(BC) выполняется всякий раз, когда произведения определены, так что произведение нескольких матриц можно группировать как угодно, не меняя порядка множителей. Устанавливается в: 2. Свойства произведения.
  • CТеорема о столбцах. Всякое линейное преобразование плоскости есть преобразование единственной матрицы, столбцы которой суть образы e⃗1\vec{e}_1 и e⃗2\vec{e}_2. Устанавливается в: 16. Столбцы матрицы.
  • DФормулы сложения. Синус и косинус суммы, разности и двойного угла, доказанные в разделе 2, посвящённом аналитической тригонометрии. В этом разделе принимается без доказательства.
  • EВекторы на плоскости. Расстояние от точки до прямой, ортогональная проекция и признак параллельности, доказанные в разделе 4 курса I, посвящённом аналитической геометрии на плоскости. В этом разделе принимается без доказательства.
  • FПлощадь параллелограмма. Площадь параллелограмма равна произведению основания на соответствующую высоту; это принимается, как в элементарной геометрии, в доказательстве теоремы об ориентированной площади. В этом разделе принимается без доказательства.
  • GОстатки и сравнения. Деление с остатком, сравнение по модулю nn, его согласованность со сложением и умножением, классы вычетов и теорема об обратимых остатках, согласно которой aa имеет обратный по модулю nn тогда и только тогда, когда НОД⁡(a,n)=1\operatorname{\text{НОД}}(a, n) = 1, доказанные в разделе 1 курса I, в уроках о делимости и о сравнениях. В этом разделе принимается без доказательства.
  1. Участок 1 Алгебра матриц и линейные системы

    • Определить произведение матриц исходя из композиции линейных замен и записать всякую линейную систему как уравнение AX=BAX = B.
    • Доказать ассоциативность, дистрибутивность и нейтральность единичной матрицы и понять, что произведение не коммутативно и допускает делители нуля.
    • Доказать, что транспонирование меняет порядок множителей на обратный и что след не различает порядка.
    • Доказать, что приведённый ступенчатый вид единствен, и определить с его помощью ранг.
    • Решать всякую линейную систему методом Гаусса-Жордана и классифицировать её по теореме Кронекера-Капелли.
    1. Произведение матриц. Элемент (i,j)(i, j) матрицы ABAB есть сумма произведений элементов строки ii матрицы AA на элементы столбца jj матрицы BB; так получается таблица композиции двух линейных замен, и всякая линейная система записывается как AX=BAX = B.

      Доказывается в уроке: Матрицы и операции над матрицами.

    2. Свойства произведения. Благодаря перестановке порядка двух суммирований произведение матриц ассоциативно и дистрибутивно относительно сложения, а единичные матрицы являются для него нейтральными; напротив, оно не коммутативно и допускает делители нуля и нильпотентные матрицы. Кроме того, (AB)T=BTAT(AB)^{\mathsf{T}} = B^{\mathsf{T}} A^{\mathsf{T}} и tr⁡(AB)=tr⁡(BA)\operatorname{tr}(AB) = \operatorname{tr}(BA), откуда уравнение AB−BA=IAB - BA = I не имеет решения.

      Использует: 1. Произведение матриц. Опирается на: A (Индукция). Доказывается в уроке: Матрицы и операции над матрицами.

    3. Метод Гаусса-Жордана. Элементарные преобразования строк превращают систему в равносильную, и всякая матрица приводится ими за конечное число преобразований к приведённому ступенчатому виду.

      Использует: 1. Произведение матриц. Опирается на: A (Индукция). Доказывается в уроке: Линейные системы и метод Гаусса-Жордана.

    4. Единственность приведённого вида. Два приведённых ступенчатых вида, к которым приходят от одной и той же матрицы, равны, потому что их однородные системы имеют одни и те же решения; поэтому ранг, число ненулевых строк любого ступенчатого вида, не зависит от выбранных преобразований.

      Использует: 3. Метод Гаусса-Жордана. Опирается на: A (Индукция). Доказывается в уроке: Линейные системы и метод Гаусса-Жордана.

    5. Кронекер-Капелли. Система AX=BAX = B с расширенной матрицей MM и nn неизвестными совместна тогда и только тогда, когда rg⁡(A)=rg⁡(M)\operatorname{rg}(A) = \operatorname{rg}(M), и тогда она определённая, если ранг равен nn, и зависит от n−rn - r свободных параметров, если r<nr < n; в частности, система AX=0AX = 0 имеет нетривиальные решения тогда и только тогда, когда rg⁡(A)<n\operatorname{rg}(A) < n.

      Использует: 3. Метод Гаусса-Жордана, 4. Единственность приведённого вида. Доказывается в уроке: Линейные системы и метод Гаусса-Жордана.

  2. Участок 2 Определитель и обратная матрица

    • Истолковать определитель второго порядка как ориентированную площадь и определить его рекуррентно для любого порядка.
    • Доказать индукцией по порядку свойства определителя, вычислять его приведением и решать с его помощью вопрос о единственности решений.
    • Охарактеризовать обратимые матрицы и вычислять обратную матрицу через присоединённую и методом Гаусса-Жордана.
    • Собрать в одной теореме условия, равносильные обратимости, и вывести из неё одностороннюю обратную матрицу и теорему об определителе произведения.
    1. Ориентированная площадь. Абсолютная величина определителя матрицы со столбцами u⃗\vec{u} и v⃗\vec{v} есть площадь параллелограмма, который они задают, а его знак показывает, происходит ли поворот от u⃗\vec{u} к v⃗\vec{v} против часовой стрелки или по часовой стрелке.

      Опирается на: E (Векторы на плоскости), D (Формулы сложения), F (Площадь параллелограмма). Доказывается в уроке: Определители: свойства и правило Крамера.

    2. Свойства определителя. Индукцией по порядку, исходя из разложения по первой строке, получается, что определитель линеен по каждой строке, меняет знак при перестановке двух строк, обращается в нуль, если одна строка нулевая или две строки равны, не меняется при прибавлении к строке кратного другой и при транспонировании, равен произведению элементов диагонали для треугольной матрицы и раскладывается по любой строке или столбцу.

      Опирается на: A (Индукция). Доказывается в уроке: Определители: свойства и правило Крамера.

    3. Определитель и ранг. Квадратная матрица порядка nn имеет ненулевой определитель, то есть невырождена, тогда и только тогда, когда её ранг равен nn; поэтому система AX=0AX = 0 имеет ненулевые решения тогда и только тогда, когда матрица AA вырождена, то есть когда det⁡A=0\det A = 0.

      Использует: 3. Метод Гаусса-Жордана, 4. Единственность приведённого вида, 5. Кронекер-Капелли, 7. Свойства определителя. Доказывается в уроке: Определители: свойства и правило Крамера.

    4. Правило Крамера. Если D=det⁡A≠0D = \det A \neq 0, то система AX=BAX = B из nn уравнений с nn неизвестными имеет единственное решение, xk=DkDx_k = \frac{D_k}{D}, где DkD_k получается заменой столбца kk столбцом свободных членов; это доказывается для любого порядка с помощью алгебраических дополнений столбца kk.

      Использует: 2. Свойства произведения, 5. Кронекер-Капелли, 7. Свойства определителя, 8. Определитель и ранг. Доказывается в уроке: Определители: свойства и правило Крамера.

    5. Единственность обратной матрицы. Квадратная матрица имеет не более одной обратной: если AB=BA=IAB = BA = I и AD=DA=IAD = DA = I, то B=DB = D.

      Опирается на: B (Ассоциативность произведения). Доказывается в уроке: Обратная матрица.

    6. Определитель и обратимость. Квадратная матрица AA обратима тогда и только тогда, когда det⁡A≠0\det A \neq 0, то есть когда она невырождена, и тогда её обратная есть присоединённая матрица, делённая на определитель; необходимость получается через ранг, без использования определителя произведения, а достаточность через лемму о чужих алгебраических дополнениях.

      Использует: 5. Кронекер-Капелли, 7. Свойства определителя, 8. Определитель и ранг. Опирается на: B (Ассоциативность произведения). Доказывается в уроке: Обратная матрица.

    7. Свойства обратной матрицы. Если AA и BB обратимы, то обратимы также ABAB, ATA^{\mathsf{T}}, cAcA при c≠0c \neq 0 и AmA^m, и в частности (AB)−1=B−1A−1(AB)^{-1} = B^{-1} A^{-1}.

      Использует: 2. Свойства произведения, 10. Единственность обратной матрицы. Опирается на: B (Ассоциативность произведения), A (Индукция). Доказывается в уроке: Обратная матрица.

    8. Обратная матрица методом Гаусса-Жордана. Каждое элементарное преобразование есть умножение на обратимую элементарную матрицу; если приведённый ступенчатый вид матрицы AA есть II, то преобразования превращают (A,I)\left( A, I \right) в (I,A−1)\left( I, A^{-1} \right) и AA есть произведение элементарных матриц, а если нет, то AA необратима.

      Использует: 3. Метод Гаусса-Жордана, 4. Единственность приведённого вида, 12. Свойства обратной матрицы. Опирается на: B (Ассоциативность произведения). Доказывается в уроке: Обратная матрица.

    9. Критерии обратимости и односторонняя обратная. Для квадратной матрицы AA порядка nn равносильны такие условия: она обратима; det⁡A≠0\det A \neq 0; каждая система AX=DAX = D имеет единственное решение; система AX=0AX = 0 имеет только тривиальное решение; rg⁡(A)=n\operatorname{rg}(A) = n; её приведённый ступенчатый вид есть единичная матрица. Отсюда следует, что если AB=IAB = I или BA=IBA = I, то B=A−1B = A^{-1}.

      Использует: 5. Кронекер-Капелли, 4. Единственность приведённого вида, 11. Определитель и обратимость, 13. Обратная матрица методом Гаусса-Жордана. Опирается на: B (Ассоциативность произведения). Доказывается в уроке: Обратная матрица.

    10. Определитель произведения. Для всех квадратных матриц AA и BB одного порядка выполняется det⁡(AB)=det⁡Adet⁡B\det(AB) = \det A \det B: это доказывается с помощью элементарных матриц, если AA обратима, и через ранг, если нет.

      Использует: 7. Свойства определителя, 8. Определитель и ранг, 13. Обратная матрица методом Гаусса-Жордана, 14. Критерии обратимости и односторонняя обратная. Опирается на: A (Индукция). Доказывается в уроке: Обратная матрица.

  3. Участок 3 Геометрия матриц

    • Отождествить матрицы второго порядка с линейными преобразованиями плоскости и получить матрицы поворотов, проекций и отражений.
    • Перевести композицию преобразований в произведение матриц, а определитель в коэффициент изменения площадей.
    • Записать поворот осей в матричной форме, со следом и определителем в качестве инвариантов.
    • Представлять комплексные числа матрицами, с модулем, сопряжённым, обратным и тригонометрической формой.
    1. Столбцы матрицы. Всякое преобразование, заданное матрицей, линейно, и всякое линейное преобразование плоскости есть преобразование единственной матрицы, той, столбцами которой служат T(e⃗1)T(\vec{e}_1) и T(e⃗2)T(\vec{e}_2).

      Использует: 2. Свойства произведения. Доказывается в уроке: Матрицы как преобразования плоскости.

    2. Повороты, проекции и отражения. Поворот на угол θ\theta вокруг начала координат, проекция на прямую, проходящую через начало координат, и отражение относительно неё суть линейные преобразования с матрицами RθR_\theta, PαP_\alpha и SαS_\alpha.

      Опирается на: C (Теорема о столбцах), D (Формулы сложения), E (Векторы на плоскости). Доказывается в уроке: Матрицы как преобразования плоскости.

    3. Композиция и произведение. Если TT есть преобразование с матрицей AA, а UU преобразование с матрицей BB, то композиция T∘UT \circ U есть преобразование с матрицей ABAB.

      Опирается на: B (Ассоциативность произведения), C (Теорема о столбцах). Доказывается в уроке: Матрицы как преобразования плоскости.

    4. Композиция поворотов и отражений. Выполняются равенства RαRβ=Rα+βR_\alpha R_\beta = R_{\alpha + \beta}, Rθ−1=RθTR_\theta^{-1} = R_\theta^{\mathsf{T}}, Rθn=RnθR_\theta^n = R_{n\theta} и SαSβ=R2(α−β)S_\alpha S_\beta = R_{2(\alpha - \beta)}.

      Использует: 17. Повороты, проекции и отражения, 18. Композиция и произведение. Опирается на: D (Формулы сложения), A (Индукция). Доказывается в уроке: Матрицы как преобразования плоскости.

    5. Определитель как коэффициент изменения площади. Преобразование с матрицей AA переводит единичный квадрат в параллелограмм, построенный на её столбцах, и умножает площади на ∣det⁡A∣\abs{\det A}, что для общих областей принимается без доказательства; оно сохраняет ориентацию, если det⁡A>0\det A > 0, и меняет её, если det⁡A<0\det A < 0.

      Использует: 6. Ориентированная площадь. Опирается на: C (Теорема о столбцах). Доказывается в уроке: Матрицы как преобразования плоскости.

    6. Обратимые преобразования. Преобразование с матрицей AA биективно тогда и только тогда, когда det⁡A≠0\det A \neq 0, и тогда обратное к нему есть преобразование с матрицей A−1A^{-1}; если det⁡A=0\det A = 0, его образ содержится в прямой, проходящей через начало координат.

      Использует: 11. Определитель и обратимость, 18. Композиция и произведение. Опирается на: E (Векторы на плоскости). Доказывается в уроке: Матрицы как преобразования плоскости.

    7. Поворот осей в матричной форме. При повороте осей на угол θ\theta симметрическая матрица MM квадратичной формы переходит в RθTMRθR_\theta^{\mathsf{T}} M R_\theta, у которой тот же след и тот же определитель, что у MM.

      Использует: 2. Свойства произведения, 7. Свойства определителя, 15. Определитель произведения, 19. Композиция поворотов и отражений. Доказывается в уроке: Матрицы как преобразования плоскости.

    8. Комплексные числа как матрицы. Соответствие M(a+bi)=aI+bJM(a + bi) = aI + bJ инъективно и сохраняет сумму и произведение, а JJ, матрица числа ii, есть поворот на четверть оборота, квадрат которого равен −I-I.

      Использует: 1. Произведение матриц, 17. Повороты, проекции и отражения. Доказывается в уроке: Комплексные числа как матрицы.

    9. Модуль, сопряжённое и обратное. Определитель матрицы M(z)M(z) равен ∣z∣2\abs{z}^2, матрица сопряжённого числа есть транспонированная к M(z)M(z) и, если z≠0z \neq 0, матрица числа z−1z^{-1} есть обратная к M(z)M(z).

      Использует: 10. Единственность обратной матрицы, 20. Определитель как коэффициент изменения площади, 23. Комплексные числа как матрицы. Доказывается в уроке: Комплексные числа как матрицы.

    10. Тригонометрическая форма и Муавр. Если z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)z = r\left( \cos \theta + i \sin \theta \right), то M(z)=rRθM(z) = r R_\theta, поворот, за которым следует гомотетия; а из Rθn=RnθR_\theta^n = R_{n\theta} вытекает формула Муавра для любого целого показателя.

      Использует: 19. Композиция поворотов и отражений, 23. Комплексные числа как матрицы, 24. Модуль, сопряжённое и обратное. Опирается на: A (Индукция). Доказывается в уроке: Комплексные числа как матрицы.

  4. Участок 4 Структуры

    • Определить группы и доказать их элементарные свойства без использования коммутативности.
    • Изучить циклические подгруппы и доказать теорему Лагранжа.
    • Определить кольца в алгебраическом смысле и поля и решить, когда остатки Zn\mathbb{Z}_n образуют поле.
    • Уточнить с помощью изоморфизмов, когда две группы суть одна и та же структура.
    1. Свойства групп. Во всякой группе нейтральный элемент и обратный к каждому элементу единственны, выполняется сокращение с каждой стороны и (ab)−1=b−1a−1(ab)^{-1} = b^{-1} a^{-1}, без использования коммутативности.

      Доказывается в уроке: Алгебраические структуры: группы, кольца и поля.

    2. Циклическая подгруппа. В конечной группе всякий элемент gg имеет порядок kk, равенство gm=eg^m = e выполняется тогда и только тогда, когда kk делит mm, и степени e,g,…,gk−1e, g, \ldots, g^{k - 1} образуют подгруппу из kk элементов.

      Использует: 26. Свойства групп. Опирается на: G (Остатки и сравнения). Доказывается в уроке: Алгебраические структуры: группы, кольца и поля.

    3. Теорема Лагранжа. Порядок подгруппы конечной группы делит порядок группы, потому что группа разбивается на непересекающиеся смежные классы, в каждом из которых столько же элементов, сколько в подгруппе.

      Использует: 26. Свойства групп. Доказывается в уроке: Алгебраические структуры: группы, кольца и поля.

    4. Остатки образуют поле. При n≥2n \geq 2 остатки Zn\mathbb{Z}_n образуют поле, если nn простое, потому что по теореме об обратимых остатках всякий ненулевой остаток имеет обратный; если nn составное, у них есть делители нуля, и поля они не образуют.

      Опирается на: G (Остатки и сравнения). Доказывается в уроке: Алгебраические структуры: группы, кольца и поля.

    5. Что сохраняет изоморфизм. Изоморфизм групп переводит нейтральный элемент в нейтральный, обратный к каждому элементу в обратный к его образу и каждый элемент в элемент того же порядка, и сохраняет коммутативность.

      Использует: 26. Свойства групп, 27. Циклическая подгруппа. Опирается на: A (Индукция). Доказывается в уроке: Алгебраические структуры: группы, кольца и поля.

К геометрии пространства. Цепь здесь не обрывается: в последующем разделе определитель третьего порядка даёт векторное произведение, смешанное произведение и объём параллелепипеда, а ранг и обратная матрица решают вопрос о пересечениях прямых и плоскостей и вычисляют их, так что алгебра этого раздела становится инструментом геометрии пространства.