代数学基础
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1 预备知识
1.1 集合与映射
1.1.1 集合初步
A⊆B/B⊇A:∀a∈A,a∈B
A⊂B ,则 A⊆B 且 A=B
A 中元素有限,则记 A 的阶 ∣A∣=cardA 为 A 中元素的个数
1.1.2 集合运算
∪: 并集
⊔: 不交并集
A=(A∖B)⊔(A∩B)
A⊆U
Ac:=∁UA
1.1.3 容斥原理
∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣
Ai⊆U,i∈I⇒i∈I⋂Aic=(i∈I⋃Ai)c
1.1.4 笛卡尔积
defA×B={(a,b)∣a∈A,b∈B}
1.1.5 常用符号
Z+,N,Z,Q,R
F[X] 表示 F(F 为 Z,Q,R… 中的一个) 上的多项式(一元)的集合
1.1.6 映射
定义:
- f:A→B,a↦b=f(a)
- also A→fB
- f(a)=b,则 a 称为 b 的一个原相
复合
- 定义 (f∘g)(x)=f(g(x))
- 性质 (f∘g)∘h=f∘(g∘h)
单射,满射,双射
- 若 a=b 则 f(a)=f(b), 则 f 是单射
- 若 ∀b∈B,∃a∈A 使得 f(a)=b,则 f 是满射
- 若 f 又单又满,则 f 称为一一映射
1.1.7 二元运算
f:S×S→S,(a,b)↦p 为 S 上的二元运算
性质
- 交换律 f(a,b)=f(b,a)
- 结合律 f(f(a,b),c)=f(a,f(b,c))
例子
- 记 ∑A 表示 A→A 的所有映射的集合,则映射的复合构成 ∑A 上的二元运算
∑A×∑A→∑A,(ax,ay)↦b=ax∘ay
- 记 SA 表示 A→A 的所有映射的集合,则映射的复合构成 SA 上的二元运算
SA⊆∑A
1.1.8 等价关系
defA∼B
性质
- 自反性 a∼a
- 对称性 a∼b⇒b∼a
- 传递性 a∼b,b∼c⇒a∼c
等价类
- [a]={b∈A∣a∼b}
- [a]∩[b]={[a]=[b]∅if a∼botherwise
分拆
- A/∼:={[a]∣a∈A}
- A=[a]∈A/∼⨆[a]
- 此时 A/∼ 称为 A 的一个分拆。
- 这说明,集合 A 上的等价分拆与定义在 A 上的等价关系一一对应
函数
- b=b′⇔f−1(b)∩f−1(b′)=∅
- f−1(b)=∅ 当且仅当 b∈/f(A)
- 定义 A=b∈f(A)⨆f−1(b) 为 f 的原像
- 这个分拆决定的等价关系是:a∼a′⇔f(a)=f(a′)
1.2 求和&求积 符号
i=1∑nai=a1+a2+⋯+an
i=1∏nai=a1a2⋯an
i∈I∑ai 和 i∈I∏ai 亦可
性质
- i∈I∑x=x∣I∣
- i∈I∏x=x∣I∣
- I=I1⊔I2⇒i∈I∑ai=i∈I1∑ai+i∈I2∑ai,i∈I∏ai=i∈I1∏ai⋅i∈I2∏ai
1.2.1 容斥原理
∣A1∪A2∪⋯∪An∣=j=1∑n(−1)j−1{i1,⋯,ij}∈{1,⋯,n}∑∣Ai1∩⋯∩Aij∣
1.2.2 牛顿二项式定理
(x+y)n=k=0∑n(kn)xkyn−k
令 i=1∑kai=Sk 以及 S0=0
1.3 复数
c∈C:c=x+yi
Rec=x,Imc=y
加减乘除,结合律交换律
纯虚数 ={yi∣y∈N,y=0}
x+yi=r(cosθ+isinθ),r=x2+y2,tanθ=xy
r1eiθ1⋅r2eiθ2=r1r2ei(θ1+θ2)
ωnk=ei⋅n2kπ 为 n 次单位根
{z∈C∣zn=1}={ei⋅n2kπ∣k=0,2,3,⋯,n−1}
2 群环域
2.1 基本定义
2.1.1 知识梳理
- f:S×S→S 称为 S 上的二元运算
- 映射 f:A→B 决定的分拆 A=b∈f(A)⨆f−1(b),其中 f−1(b) 为 b 的原像集
- 满足以下三个条件为群(满足
(1)
为半群,满足(1)(2)
为含幺半群)
- (1) 结合律:∀a,b,c∈G,(a∘b)∘c=a∘(b∘c)
- (2) 幺元:∃1∈G,1∘a=a∘1=a
- (3) 逆元:∀a∈G,∃a−1∈G 使得 a∘a−1=a−1∘a=1
- Abel 群(交换群):满足交换律 a∘b=b∘a 的群 G 称为 Abel 群
- 对称群(置换群):记 MA={f∣f:A→A}(自己到自己的映射组成的集合),SA 为其中一一对应的映射组成的集合。那么在映射复合 ∘ 意义下, MA 是含幺半群但不是群,SA 是群,SA 被称为对称群(置换群)
- 子群:如果 H⊆G,且 H 关于群 G 的运算成群,则称:H 为 G 的子群,记作 H≤G
- H≤g⇔∀a,b∈H,ab−1∈H
证明:正方向显然。反方向:
- 取 b=a 则 ab−1=1∈H(有幺元)
- 取 a=1 则 ab−1=b−1∈H(有逆元)
- 取 b=y−1 则 ab−1=ay∈H(乘积在 H 中)
- 群的直积
G=G1×G2
令 (a1,b1)∘(a2,b2)=(a1a2,b1b2)
则 G 关于 ∘ 成群,为 G1,G2 的直积
- R 为环,当且仅当 R 为 + Abel 群和 × 幺半群,且 R 中存在分配率 λ(a+b)=λa+λb,(a+b)λ=aλ+bλ
若 R 同时有乘法交换律,则称 R 为交换环
- 若环 R 满足 R−{0} 为 × Abel 群则为域
- 环 R 上的单位群 R×={g∣g 有乘法逆元 }
- Gauss 整数环 Z[i]={a+bi∣a,b∈Z}
Gauss 数域 Q[i]={a+bi∣a,b∈Q}
- 四元数 H={(a−bba)∣a,b∈C} 在矩阵加乘法下构成环,且 H×=H−{0} 为乘法群
- 环 R 为域 ⇔ 单位群 R×=R−{0} 且为 Abel 群
3 整数理论
1.基本事实:非空正整数集合总有最小元
2.传递性:a∣b,b∣c⇒a∣c
3.线性组合性:a∣b,a∣c⇒a∣nb+mc
3.1 整除
3.1.1 带余除法
Def. 如果存在 c∈Z 使 a=bc 则称 b 整除 a,记作 b∣a
a,b∈Z,b=0, 则 ∃q,r∈Z 使得 a=bq+r,0≤r<∣b∣ 且 q,r 唯一
- 存在性:I={a−bk∣k∈Z}
k=−2b∣a∣
a−kb=a+2b2∣a∣≥b2∣a∣≥0
∴I∩N=∅
则 0≤r=min(I∩N)<∣b∣
否则,r≥∣b∣ 则 r−∣b∣≥0 矛盾
- 唯一性:若 a=q1b+r1=q2b+r2 则 (q1−q2)b=r1−r2⇒b∣(r1−r2)
∴−∣b∣<r1−r2<∣b∣⇒r1=r2⇒q1=q2
3.1.2 最大公因子
d=(a,b) 当且仅当
- d∣a,d∣b
- 若 d′∣a,d′∣b 则 d′≤d
a,b 互质当且仅当 (a,b)=1
性质:
- (±a,±b)=(a,b)
- (a,b)=(b,a)
- a=0 则 (a,a)=(a,0)=∣a∣
- (a,b)=(a+by,b)=(a,b+ax)
I={ax+by∣x,y∈Z},dZ={dz∣z∈Z}
证明 I=dZ:
- 设 d1 为 I 中最小元素,则 d∣d1,d≤d1 ,若 d1∣a ,设 a=qd1+r,则 r=a−qd1=a(1−qx)+b(−qy)∈I,矛盾,所以 d1∣(a,b) ,则 d1≤d ,故 d1=d
- dZ⊆I,I⊆dZ
性质:
- d∣a,d∣b⇒d∣(a,b)
- m>0 则 m(a,b)=(ma,mb)
- (a,b)=d 则 (da,db)=1
- (a,m)=(b,m)=1 则 (ab,m)=1
- c∣ab,(c,b)=1⇒c∣a
3.1.3 辗转相除
Θ(logmax{a,b}) 时间内求出 gcd
3.1.4 lcm
- [a,b]⋅(a,b)=∣ab∣
- a∣[a,b],b∣[a,b]
- [a,b]=[b,a]
- [ma,mb]=∣m∣[a,b]
3.2 素数,算数基本定理
素数:d∣p 当且仅当 d=1/d=p
算数基本定理:每个不等于 1 的正整数都可以分解为有限个素数的积,且唯一
也可表示为 n=sgn(n)⋅p∈primes∏pvp(n)(且分解唯一),这称为 n 的因式分解
4 整数的同余理论
4.1 同余式
4.1.1 定义
a≡b(modm) 等价于 m∣(a−b)
4.1.2 性质
- {a≡b(modm)c≡d(modm)⇒{a±c≡b±d(modm)ac≡bd(modm)
- a≡bmodmi⇒a≡bmod([m1,⋯,mn])
- ax≡bmodm 有解当且仅当 (a,m)∣b
4.1.3 同余类
- [r]=mZ+r
- Z/mZ={[0],[1],⋯,[m−1]}
- [a]+[b]=[a+b],[a][b]=[ab]
- Z/mZ 在上述加法和乘法意义下构成 m 元交换环
- Fp=Z/pZ 称为 p 元素数域
f:Z/nmZ→(Z/nZ,Z/mZ)
a↦(amodn,amodm)