摘要
本课是关于矩阵与代数结构的单元的最后一课,它用少数几个定义概括数、矩阵、对称与除法余数的共同之处。它定义二元运算及其性质,并由此定义群:整数与加法、非零复数、单位根、平面的旋转、可逆矩阵、正三角形的六个对称,以及除以 的余数。它不用交换律证明单位元与逆元的唯一性、消去律以及乘积的逆元法则;研究子群与元素的阶,并用陪集证明拉格朗日定理。随后它定义环与域,证明除以 的余数构成域当且仅当 是素数,并把同构作为说明两个结构是同一个结构的精确方式。最后给出代数与几何两门课程以及其后内容的一幅地图。
学习目标
- 识别二元运算及其性质,判断一个带有运算的集合是否为群,并构造有限群的运算表。
- 不用交换律证明群的初等性质:单位元与逆元的唯一性、消去律以及乘积的逆元。
- 计算元素的阶,求子群,并把拉格朗日定理应用于有限群。
- 区分环与域,用除以 的余数进行运算,在其中解方程,并判断两个结构是否同构。
二元运算
在本课程和课程 代数与几何 I 中,我们对自然数、整数、有理数、实数和复数做过加法和乘法;做过函数的复合、矩阵的乘法,也把平面的旋转一个接一个地施行。这些运算中的每一个都取一个集合中的两个对象,返回同一集合中的第三个对象,而且对它们我们一次又一次地证明了相似的性质。本课把这些性质单独提出来,研究由它们能推出什么,而不论对象的本性如何。
集合 上的二元运算是一条规则,它给 中元素的每个有序对( 与 )指定 中唯一的一个元素,记作 ,或简记为 。结果属于 这一点,说成 对该运算封闭。
这里的点不一定表示数的乘积:它是运算的一般名称,在各种情形下可以是加法、乘法、复合或其他任何运算。当运算是加法时,按照习惯使用符号 。我们关心的性质有四个。若 对所有的 、、(属于 )成立,则称运算是结合的;若 对所有的 与 成立,则称运算是交换的。元素 (属于 )称为单位元,如果 对任意 成立;而在有单位元时,元素 称为 的逆元,如果 。
这四个性质没有一个是自动成立的。减法是 上的二元运算,但它既不结合也不交换,而且没有单位元:数 满足 ,却不满足 。除法不是 上的二元运算,因为它不给由 和 组成的数对指定任何结果。 上的加法是结合的和交换的,但没有单位元,因为在课程 I 中自然数从 开始。函数的复合是结合的而不是交换的,这在课程 I 中关于函数的运算的课里已经证明;同阶方阵的乘法也是如此,它在关于矩阵及其运算的课里研究过,其单位元是单位矩阵 。
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