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

AB/BA:aA,aBA\subseteq B/B\supseteq A:\forall a\in A,a\in B

ABA\subset B ,则 ABA\subseteq BABA\not=B

AA 中元素有限,则记 AA 的阶 A=cardA|A|=\operatorname{card}AAA 中元素的个数

1.1.2 集合运算

:\cup: 并集
:\sqcup: 不交并集

A=(AB)(AB)A=(A\setminus B)\sqcup(A\cap B)

AUA\subseteq U
Ac:=UAA^c:=\complement_UA

1.1.3 容斥原理

AB=A+BAB|A\cup B|=|A|+|B|-|A\cap B|

AiU,iIiIAic=(iIAi)cA_i\subseteq U,i\in I\Rightarrow\bigcap\limits_{i\in I}A_i^c=(\bigcup\limits_{i\in I}A_i)^c

1.1.4 笛卡尔积

defA×B={(a,b)aA,bB}\operatorname{def}A\times B=\{(a,b)\mid a\in A,b\in B\}

1.1.5 常用符号

Z+,N,Z,Q,R\mathbb{Z_+,N,Z,Q,R}
F[X]F[X] 表示 F(FF(FZ,Q,R\mathbb{Z,Q,R\dots} 中的一个)) 上的多项式(一元)的集合

1.1.6 映射

定义:

复合

  1. 定义 (fg)(x)=f(g(x))(f\circ g)(x)=f(g(x))
  2. 性质 (fg)h=f(gh)(f\circ g)\circ h=f\circ(g\circ h)

单射,满射,双射

  1. aba\not ={b}f(a)f(b)f(a)\not ={f(b)}, 则 ff 是单射
  2. bB,aA\forall b\in B,\exists a\in A 使得 f(a)=bf(a)=b,则 ff 是满射
  3. ff 又单又满,则 ff 称为一一映射

1.1.7 二元运算

f:S×SS,(a,b)pf:S\times S\rightarrow S,(a,b)\mapsto pSS 上的二元运算

性质

  1. 交换律 f(a,b)=f(b,a)f(a,b)=f(b,a)
  2. 结合律 f(f(a,b),c)=f(a,f(b,c))f(f(a,b),c)=f(a,f(b,c))

例子

  1. A\sum_A 表示 AAA\rightarrow A 的所有映射的集合,则映射的复合构成 A\sum_A 上的二元运算
    A×AA,(ax,ay)b=axay\sum_A\times\sum_A\rightarrow\sum_A,(a_x,a_y)\mapsto b=a_x\circ a_y
  2. SAS_A 表示 AAA\rightarrow A 的所有映射的集合,则映射的复合构成 SAS_A 上的二元运算
    SAAS_A\subseteq\sum_A

1.1.8 等价关系

defAB\operatorname{def} A\sim B

性质

  1. 自反性 aaa\sim a
  2. 对称性 abbaa\sim b\Rightarrow b\sim a
  3. 传递性 ab,bcaca\sim b,b\sim c\Rightarrow a\sim c

等价类

分拆

函数

1.2 求和&求积 符号

i=1nai=a1+a2++an\sum\limits_{i=1}^{n}a_i=a_1+a_2+\cdots+a_n
i=1nai=a1a2an\prod\limits_{i=1}^{n}a_i=a_1a_2\cdots a_n

iIai\sum\limits_{i\in I}a_iiIai\prod\limits_{i\in I}a_i 亦可

性质

  1. iIx=xI\sum\limits_{i\in I}x=x|I|
  2. iIx=xI\prod\limits_{i\in I}x=x^{|I|}
  3. I=I1I2iIai=iI1ai+iI2ai,iIai=iI1aiiI2aiI=I_1\sqcup I_2\Rightarrow\sum\limits_{i\in I}a_i=\sum\limits_{i\in I_1}a_i+\sum\limits_{i\in I_2}a_i,\prod\limits_{i\in I}a_i=\prod\limits_{i\in I_1}a_i\cdot\prod\limits_{i\in I_2}a_i

1.2.1 容斥原理

A1A2An=j=1n(1)j1{i1,,ij}{1,,n}Ai1Aij|A_1\cup A_2\cup\cdots\cup A_n|=\sum_{j=1}^{n}(-1)^{j-1}\sum_{\{i_1,\cdots,i_j\}\in\{1,\cdots,n\}}|A_{i_1}\cap\cdots\cap A_{i_j}|

1.2.2 牛顿二项式定理

(x+y)n=k=0n(nk)xkynk(x+y)^n=\sum\limits_{k=0}^{n}\binom{n}{k}x^ky^{n-k}

1.2.3 阿贝尔变换 (Abel transformation / 分部求和)

i=1kai=Sk\sum\limits_{i=1}^{k}a_i=S_k 以及 S0=0S_0=0

1.3 复数

cC:c=x+yic\in\mathbb C:c=x+yi

Rec=x,Imc=y\verb|Re|c=x,\verb|Im|c=y

加减乘除,结合律交换律

纯虚数 ={yiyN,y0}=\{yi\mid y\in\mathbb N,y\not=0\}

x+yi=r(cosθ+isinθ),r=x2+y2,tanθ=yxx+yi=r(\cos\theta+i\sin\theta),r=\sqrt{x^2+y^2},\tan\theta=\frac{y}{x}

r1eiθ1r2eiθ2=r1r2ei(θ1+θ2)r_1e^{i\theta_1}\cdot r_2e^{i\theta_2}=r_1r_2e^{i(\theta_1+\theta_2)}

ωnk=ei2kπn\omega_n^k=e^{i\cdot\frac{2k\pi}{n}}nn 次单位根

{zCzn=1}={ei2kπnk=0,2,3,,n1}\{z\in\mathbb C\mid z^n=1\}=\{e^{i\cdot\frac{2k\pi}{n}}\mid k=0 ,2,3,\cdots,n-1\}

2 群环域

2.1 基本定义

2.1.1 知识梳理

  1. f:S×SSf:S\times S\rightarrow S 称为 SS 上的二元运算
  2. 映射 f:ABf:A\rightarrow B 决定的分拆 A=bf(A)f1(b)A=\bigsqcup\limits_{b\in f(A)}f^{-1}(b),其中 f1(b)f^{-1}(b)bb 的原像集
  3. 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)
  4. Abel 群(交换群):满足交换律 ab=baa\circ b=b\circ a 的群 GG 称为 Abel 群
  5. 对称群(置换群):记 MA={ff:AA}M_A=\{f\mid f:A\rightarrow A\}(自己到自己的映射组成的集合),SAS_A 为其中一一对应的映射组成的集合。那么在映射复合 \circ 意义下, MAM_A 是含幺半群但不是群,SAS_A 是群,SAS_A 被称为对称群(置换群)
  6. 子群:如果 HGH\subseteq G,且 HH 关于群 GG 的运算成群,则称:HHGG 的子群,记作 HGH\le G
  7. Hga,bH,ab1HH\le g\Leftrightarrow\forall a,b\in H, ab^{-1}\in H
    证明:正方向显然。反方向:
    1. b=ab=aab1=1Hab^{-1}=1\in H(有幺元)
    2. a=1a=1ab1=b1Hab^{-1}=b^{-1}\in H(有逆元)
    3. b=y1b=y^{-1}ab1=ayHab^{-1}=ay\in H(乘积在 HH 中)
  8. 群的直积 G=G1×G2G=G_1\times G_2
    (a1,b1)(a2,b2)=(a1a2,b1b2)(a_1,b_1)\circ(a_2,b_2)=(a_1 a_2,b_1 b_2)
    GG 关于 \circ 成群,为 G1,G2G_1,G_2 的直积
  9. RR 为环,当且仅当 RR++ Abel 群和 ×\times 幺半群,且 RR 中存在分配率 λ(a+b)=λa+λb,(a+b)λ=aλ+bλ\lambda(a+b)=\lambda a+\lambda b,(a+b)\lambda=a\lambda+b\lambda
    RR 同时有乘法交换律,则称 RR 为交换环
  10. 若环 RR 满足 R{0}R-\{0\}×\times Abel 群则为域
  11. RR 上的单位群 R×={ggR^{\times}=\{g\mid g 有乘法逆元 }\}
  12. Gauss 整数环 Z[i]={a+bia,bZ}\mathbb Z[i]=\{a+bi\mid a,b\in\mathbb Z\}
    Gauss 数域 Q[i]={a+bia,bQ}\mathbb Q[i]=\{a+bi\mid a,b\in\mathbb Q\}
  13. 四元数 H={(abba)a,bC}\mathbb H=\left\{\left(\begin{matrix}a&b\\-b&a\end{matrix}\right)\mid a,b\in\mathbb C\right\} 在矩阵加乘法下构成环,且 H×=H{0}\mathbb H^{\times}=\mathbb H-\{0\} 为乘法群
  14. R\mathbb R 为域 \Leftrightarrow 单位群 R×=R{0}\mathbb R^{\times}=\mathbb 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1. 基本事实:\boxed{非空正整数集合总有最小元} 2.传递性:ab,bcac2. 传递性:\boxed{a|b,b|c\Rightarrow a|c}
3.线性组合性:ab,acanb+mc3. 线性组合性:\boxed{a|b,a|c\Rightarrow a|nb+mc}

3.1 整除

3.1.1 带余除法

Def.\operatorname{Def.} 如果存在 cZc\in Z 使 a=bca=bc 则称 bb 整除 aa,记作 bab|a

a,bZ,b0,a,b\in\mathbb Z,b\not=0,q,rZ\exists q,r\in\mathbb Z 使得 a=bq+r,0r<ba=bq+r,0\le r<|b|q,rq,r 唯一

  1. 存在性:I={abkkZ}I=\{a-bk\mid k\in\mathbb Z\}
    k=2bak=-2b|a|
    akb=a+2b2ab2a0a-kb=a+2b^2|a|\ge b^2|a|\ge 0
    IN\therefore I\cap\mathbb N\not=\varnothing
    0r=min(IN)<b0\le r=\min(I\cap\mathbb N)<|b|
    否则,rbr\ge|b|rb0r-|b|\ge0 矛盾
  2. 唯一性:若 a=q1b+r1=q2b+r2a=q_1b+r_1=q_2b+r_2(q1q2)b=r1r2b(r1r2)(q_1-q_2)b=r_1-r_2\Rightarrow b|(r_1-r_2)
    b<r1r2<br1=r2q1=q2\therefore-|b|<r_1-r_2<|b|\Rightarrow r_1=r_2\Rightarrow q_1=q_2

3.1.2 最大公因子

d=(a,b)d=(a,b) 当且仅当

  1. da,dbd|a,d|b
  2. da,dbd'|a,d'|bddd'\le d

a,ba,b 互质当且仅当 (a,b)=1(a,b)=1

性质:

  1. (±a,±b)=(a,b)(\pm a,\pm b)=(a,b)
  2. (a,b)=(b,a)(a,b)=(b,a)
  3. a0a\not=0(a,a)=(a,0)=a(a,a)=(a,0)=|a|
  4. (a,b)=(a+by,b)=(a,b+ax)(a,b)=(a+by,b)=(a,b+ax)

I={ax+byx,yZ},dZ={dzzZ}I=\{ax+by\mid x,y\in\mathbb Z\},d\mathbb Z=\{dz\mid z\in\mathbb Z\} 证明 I=dZI=d\mathbb Z

  1. d1d_1II 中最小元素,则 dd1d|d_1dd1d\le d_1 ,若 d1∤ad_1\not|a ,设 a=qd1+ra=qd_1+r,则 r=aqd1=a(1qx)+b(qy)Ir=a-qd_1=a(1-qx)+b(-qy)\in I,矛盾,所以 d1(a,b)d_1|(a,b) ,则 d1dd_1\le d ,故 d1=dd_1=d
  2. dZI,IdZd\mathbb Z\subseteq I,I\subseteq d\mathbb Z

性质:

  1. da,dbd(a,b)d|a,d|b\Rightarrow d|(a,b)
  2. m>0m>0m(a,b)=(ma,mb)m(a,b)=(ma,mb)
  3. (a,b)=d(a,b)=d(ad,bd)=1\left(\frac{a}{d},\frac{b}{d}\right)=1
  4. (a,m)=(b,m)=1(a,m)=(b,m)=1(ab,m)=1(ab,m) = 1
  5. cab,(c,b)=1cac|ab,(c,b)=1\Rightarrow c|a

3.1.3 辗转相除

Θ(logmax{a,b})\Theta(\log \max\{a,b\}) 时间内求出 gcd\gcd

3.1.4 lcm

  1. [a,b](a,b)=ab[a, b]\cdot(a,b)=|ab|
  2. a[a,b],b[a,b]a|[a,b],b|[a,b]
  3. [a,b]=[b,a][a,b]=[b,a]
  4. [ma,mb]=m[a,b][ma,mb]=|m|[a,b]

3.2 素数,算数基本定理

素数:dpd|p 当且仅当 d=1/d=pd=1/d=p

算数基本定理:每个不等于 11 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)pprimespvp(n)n=\operatorname{sgn}(n)\cdot\prod\limits_{p\in\operatorname{primes}}p^{v_p(n)}(且分解唯一),这称为 nn 的因式分解

4 整数的同余理论

4.1 同余式

4.1.1 定义

ab(modm)a\equiv b\pmod m 等价于 m(ab)m\mid(a-b)

4.1.2 性质

  1. {ab(modm)cd(modm){a±cb±d(modm)acbd(modm)\begin{cases}a\equiv b\pmod m\\c\equiv d\pmod m\end{cases}\Rightarrow \begin{cases}a\pm c\equiv b\pm d\pmod m\\ac\equiv bd\pmod m\end{cases}
  2. abmodmiabmod([m1,,mn])a\equiv b\bmod m_i\Rightarrow a\equiv b\bmod([m_1,\cdots,m_n])
  3. axbmodmax\equiv b\bmod m 有解当且仅当 (a,m)b(a,m)\mid b

4.1.3 同余类

  1. [r]=mZ+r[r]=m\mathbb Z+r
  2. Z/mZ={[0],[1],,[m1]}\mathbb Z/m\mathbb Z=\{[0],[1],\cdots,[m-1]\}
  3. [a]+[b]=[a+b],[a][b]=[ab][a]+[b]=[a+b],[a][b]=[ab]
  4. Z/mZ\mathbb Z/m\mathbb Z 在上述加法和乘法意义下构成 mm 元交换环
  5. Fp=Z/pZF_p=\mathbb Z/p\mathbb Z 称为 pp 元素数域

f:Z/nmZ(Z/nZ,Z/mZ)f:\mathbb Z/nm\mathbb Z\to(\mathbb Z/n\mathbb Z,\mathbb Z/m\mathbb Z)
a(amodn,amodm)a\mapsto(a\bmod n,a\bmod m)