习题四群与子群

第二章群论复习题一、填空题1、集合A 的元间的关系～叫做等价关系，如果～适合下列三个条件： 。

2、设～是集合A 的元间的一个等价关系，它决定A 的一个分类：[][]b a ,是两个等价类。

则[][]⇔=b a 。

3、设G 是一个n 阶交换群，a 是G 的一个m （n m ≤）阶元，则商群()a G 的阶等于 。

4、设G =()a 是12阶循环群，则G 的生成元是 。

5、3S 的子群()()(){}132,123,1=H 的一切右陪集 。

6、设H 是群G 的子群，G b a ∈,，则⇔=Hb Ha 。

7、设G =()a 是循环群，则G 与模n 的剩余类加群同构的充要条件是 。

8、设G =)(a 是10阶循环群，则G 的子群的个数为_________.9、在5次对称群5S 中，.______)15423(_____,)125)(13(1==-10、设G =)(a 是15阶循环群，则G 的子群的个数为_________.11、整数加群Z 是一个循环群，它有且仅有两个生成元是______和_____.二、判断题1、（ ）若B A ,都是群G 的子群，则B A 也是G 的子群。

2、（ ）交换群的子群是循环群。

3、（ ）循环群的同态象是循环群。

4、（ ）一个阶是11的群只有两个子群。

5、（ ）有单位元且满足消去律的有限半群是群。

6、（ ）交换群的子群是不变子群。

7、（ ）全体整数的集合对于普通减法构成一个群8、（ ）群G 的指数是2的子群一定是不变子群。

三、计算题1：将置换(456)(567)(761)σ=写成不相交循环置换的乘积，并求σ的阶； 2：求三次对称群3S 的所有子群。

3：计算置换1211n n n σ⎛⎫= ⎪-⎝⎭的奇偶性。

4、求解模20剩余类20Z 的所有子群。

四、证明题1：令G 是实数对(,),0a b a ≠的集合，在G 上定义(,)(,)(,)a b c d ac ad bc =+，证明G 是群2：设(),,,,1a b ax b G f x a b c d R c d cx d ⎧⎫+⎪⎪==∈=⎨⎬+⎪⎪⎩⎭，证明G 关于变换的乘法构成群。

§3.2 正规子群与商群对一般的群G 及N G ≤，左、右陪集不一定相等，即一般aN Na ≠， （见上一章例子，3,{(1),(12)}G S N ==，(13)(13)N N ≠）。

但对某些群G 及其子群N G ≤，总有性质：,a G aN Na ∀∈=。

例如，取3,G S = 3{(1),(123),(132)},N A G ==≤ 则当a 取3(1),(123),(132)A ∈时，总有aN Na =。

而当a 取(12),(13),(23)时， (12){(12),(23),(13)}(12)N N ==，(13){(13),(23),(12)}(13)N N ==，(23){(23),(13),(12)}(23)N N ==，所以3a G S ∀∈=，都有aN Na =。

再比如，交换群的子群总满足上述性质。

设G 是群，N G ≤，若,a G aN Na ∀∈=有，则 称N 是G 的正规子群（Normal subgroup ），记作N G 。

由前面，3A 是3S 的正规子群：33.A S交换群的子群都是正规子群； ()C G G 。

{}e 和G 总是G 的正规子群，称为平凡正规子群，其余的正规子 群称为非平凡正规子群。

定理1. 设N G ≤，则 1,NG a G aNa N -⇔∀∈⊆有； ⇔,,a G x N ∀∈∀∈ 都有1.axa N -∈例1 证明n n A S 。

例2. 设(){|(),||0}n n G GL R A A M R A =∈≠且，(){|||1}n N SL R A A R A =∈=，且， 证明：N G 。

证明：,X G A N ∀∈∀∈，则111||||||||||||||||1,X AX X A X X A X A ---==== 从而，1X AX N -∈，所以N G 。

例3 证明：{}44(1),(12)(34),(13)(24),(14)(23)K S =。

《群论》部分习题解答版权所有人：Wu TS,2006年4月第一章.预备知识(Chapter1.Preliminary) 4.(Page28)Let S be the set of all n×n symmetric real matrices and in S we define a binary relation∼in the followingA∼B if and only if there exists an invertible matrix C such that B=C AC,where C is the transpose matrix of C.Prove that∼defines an equivalent relation in pute|S/∼|.解答：（1）直接验证∼是S的一个等价关系。

（2）根据线性代数理论，对于任意实对称矩阵A,存在可逆矩阵Q 使得Q AQ是对角矩阵diag{1,1,···,−1,···,−1,0,···,0},简记为Q AQ=E r000−E s0000=Dr,s,其中r+s=r(A).根据惯性定理，其中的r也是由A唯一确定的。

因此，两个n阶实对称矩阵A与B合同的充分必要条件是r(A)=r(B)且正惯性指数相同。

所以我们得到S/∼={D r,s|0≤r,s and r+s≤n},其中，D r,s={P D r,s P|P∈GL n(R)}.下面计算|S/∼|.(1)满足r=0的D r,s共有n+1个，它们分别是D0,0,D0,1,D0,2,···,D0,n.(2)满足r=1的D r,s共有n个，它们分别是D1,0,D1,1,D1,2,···,D1,n−1.···(n+1)满足r=n的D r,s共有1个，即为D n,0.因此，|S/∼|=n+1j=1j=(n+1)(n+2)2.1第二章.群论(Chapter2.Group Theory)1.(Page49)Prove that both G1={(a ij)n×n|a ij∈Z,det(A)=1}and G2= {(a ij)n×n|a ij∈Q,det(A)=1}are groups under the matrix multiplication.证明:只证明G1是子群。

第十章 群、环和域简介10.1 群1． 判断以下集合对于所给的运算来说哪些作成群,哪些不作成群： (1) 某一数域F 上全体n n ⨯矩阵的加法； (2) 全体正整数对于数的乘法；(3) {}2xx Z ∈对于数的乘法；(4){}01x R x ∈<≤对于数的乘法；(5) {}1,1-对于数的乘法． 解：(1) 设数域F 上全体n n ⨯矩阵的集合为()n M F ，对于矩阵的加法来说()n M F 作成一个加群．因为对任意,,()n A B C M F ∈，有1°()A B C ++=()A B C ++(加法结合律)2°()n M F 中存在零矩阵O ，使得对任意的A ∈()n M F ，有A O O A A +=+=3°对于A ∈()n M F ，有A -∈()n M F ．使得()()A A A A O +-=-+=4°对于,A B ∈()n M F ，有A B B A +=+． (2) 全体正整数对于数的乘法不作成群．因为对于数的乘法来说，单位元是1，但是对于正整数a =2来说不存在正整数b 使得a ×b =1．(3) 集合{}2x M x Z =∈对于数的乘法作成阿贝尔群．因为1°对于12x ，22x，32x ∈M ，123,,x x x Z ∈，有312(22)2x x x ⨯⨯=1232x x x ++=3122(22)x x x ⨯⨯2°在M 中有021=，使得2x M ∈，有022x ⨯=022x ⨯=2x ．3°对于2x M ∈，存在2xM -∈使得22x x -⨯=22x x -⨯=02=14°对于2,2x y M ∈，有22x y =2x y +=22y x．(4) 集合{}101M x R x =∈<≤对于数的乘法来说不作成群．因为1M 中的单位元是1，而对于12a =不存在1b M ∈，使得1a b ⨯=．(5) 集合{}1,1G =-对于数的乘法作成群〔阿贝尔群〕．因为对于G 任三个元素来说，结合律显然成立．再者G 有单位元1．对于G 中元素来说1(1)⨯-=(1)1-⨯=1-，并且1的逆元是1，1-的逆元是1-．2． 证明群中的指数规那么〔1〕、〔2〕．证明：设G 是一个群，a G ∈，那么1a G -∈，对于,m n ∈Z,如果0(0)m n <<或，设m m '=-， ()n n '=-或，并且注意当0n <时，对于a G ∈，有1()n na a '-=．于是1°当0,0m n >>时，mnm na a aa aa ==m n a +；2°当0,0m n >=时，0mmn a a aa a ==m a e =m a =m n a +，当0,0m n =>时，同理可证．；3°当0,0m n ><时，11n mm na a aa a a '--==111,,()(()),m n m n n mm n m n m n a a m n a a a a m n '-+'''------+'⎧=≥⎨'===<⎩； 4°当0,0m n <<时，1111m n m n a a a a a a ''----==1()m n a ''-+=11(())m n a --+=m na +．所以对任意,m n ∈Z ,a G ∈都有m na a =m n a +,即〔1〕式成立．其次我们先证对于任意的m ∈Z ，a G ∈，都有1()m a -=1()ma -．∵1()m m a a -=1()m a a -=0()m a =m e =e再由定义1()m m a a -=e ，根据G 中每一个元素的逆元的唯一性，∴1()m a -=1()ma -．以下证明等式〔2〕成立．1°当0,0m n >>时，()m n a =()()()nmmma a a a a a =mn a2°当0,0m n ><时，()m n a =1[()]m n a '-=1[()]m n a '-=1()mn a '-=11[()]mn a --=mn a当0,0m n <>时，()m n a =1[()]m n a '-=1()m n a '-=11[()]mn a --=mn a ．3°当0,0m n <<时，()m n a =1[()]m n a '-=11{[()]}m n a ''--=()m n a ''=m n a ''=mn a ．综上所述所证，群G 中指数规那么〔1〕、〔2〕成立． 3． 设{,,}G a b c =，G 的乘法由下面的表给出：ab c a a b c b b c a c cab证明G 对于所给的乘法作成一个群．证明：根据G 的乘法表可知ab b ba ==，ac c ca ==，bc a cb ==，所以G 的乘法是可换的，以下证明G 对于乘法作成一个群．1°结合律成立．由于G 对于所给的乘法是可换的，对于结合律我们只要验证也容易验证以下的情况即可．()()ab c a bc =；()()aa b a ab =；()()aa c a ac =； ()()bb a b ba =；()()bb c b bc =；()()cc a c ca =； ()()cc b c cb =．其它情况由G 的乘法可换性，立即可以证得．2°G 中有单位元a ，使得对于G 中任意元素,,a b c ，都有aa a =，ab ba b ==，ac ca c ==3°G 中每一个元素都有逆元，a 的逆元是a ，〔因为aa a =〕，而b 的逆元是c ，c 的逆元是b ，〔因为bc cb a ==〕．所以G 对于所给的乘法作成一个〔可换〕群．4． 证明，一个群G 是阿贝尔群的充要条件是：对任意的,a b G ∈和任意的整数n ，都有()n n n ab a b =． 证明：必要性，群G 对乘法运算可换，且对结合律成立．设,a b G ∈，而n 是任意的整数，因为G 对指数规那么〔1〕、〔2〕成立．故有()n ab =()()()ab ab ab =abab ab =22a b ab ab =…=n n a b ．充分性，设,a b G ∈，而n 是整数，有()n n n ab a b =，令2n =，那么有222()ab a b =，即()()ab ab =()a ba b =()()aa bb =()a ab b ，所以()a ba b =()a ab b ，在此等式两边左乘1a -以并右乘以1b -，得11()()()a a ba bb --=11()()()a a ab bb --，所以 ()e ba e =()e ab e ，即 ba =ab ． 所以G 是一个阿贝尔群．5． 证明，群G 的两个子群的交还是G 的一个子群． 证明：设1H ，2H 是群G 的两个子群，那么12H H ≠∅〔至少有一个单位元e 〕．1°对于12,a b H H ∈那么1,a b H ∈且2,a b H ∈，因为1H ，2H 是子群，所以1ab H ∈且2ab H ∈，所以12ab H H ∈；2°设12c H H ∈，那么1c H ∈且2c H ∈因为1H ，2H 是子群，所以11c H -∈且12c H -∈，所以112c H H -∈，所以，由子群的定义可知，12H H 是G 的一个子群．6． 证明，n 维欧氏空间V 的全体正交变换作成V 上一般线性群()GL V 的一个子群，这个群称为V 上的正交群，用记号()O V 表示．证明：一般线性群()GL V 是指n 维欧氏空间V 上全体可逆线性变换的集合对V 上的线性变换与线性变换的乘法来说作成的群．因为正交变换是可逆的线性变换，且单位变换也是正交变换．所以()O V 是()GL V 的非空子集．任意两个正交变换的乘积也是正交变换，即乘法封闭． 正交变换的逆变换也是正交变换．所以，n 维欧氏空间V 的全体正交变换的集合()O V 是一般线性群()GL V 的一个子群．7． 令a 是群G 中的一个元素，令{}n a a n 〈〉=∈，证明a 〈〉是G 的一个子群，称为由a生成的循环子群．特别，如果a 〈〉=G ，就称G 是由a 生成的循环子群．试各举出一个无限循环子群和有限循环子群的例子．证明：显然a a ∈〈〉，故a 〈〉非空，设,n m a a a ∈〈〉，,n m Z ∈，那么n m n ma a a a +=∈〈〉；设na ∈a 〈〉，那么11()()n n n a a a a ---==∈〈〉，所以a 〈〉是G 的一个子群．例1：设G Z =，运算是加法运算，那么1G =〈〉是无限循环群． 例2：设{}70,1,2,3,4,5,6G Z ==运算是剩余类的“加法〞，那么1G =〈〉是由1生成的有限循环群，它只有7个元素．8． 令σ=1212n n i ii ⎛⎫ ⎪⎝⎭，设()A Mn F ∈，定义 ()A σ=111222121212n n n i i i n i i i n i i i n a a a a a a a a a ⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭就是对A 的行作置换σ所得的矩阵，令n ∑={}()n I S σσ∈，其中I 是n n ⨯单位矩阵，证明n∑作成(,)GL n F 的一个与n S 同构的子群． 证明：首先注意以下的几个事实： 1°设1(1,0,,0)ε=，2(0,1,,0)ε=，……，(0,0,,1)n ε=，由矩阵的乘法可知i jεε'=1,,0,i j i j=⎧⎨≠⎩〔,1,2,,i j n =〕2°集合n ∑={}()n I S σσ∈中的任一元素()I σ都是由n 阶单位矩阵I 的各行所给的假设干次的置换而得到，所以，每一个()I σ的每一行和每一列都是只有一个位置上的元素为1，其余位置上的元素全为0，并且||1I =．而()I σ都是由I 的各行经过对换而得到的所以|()|I σ=1±．3°容易计算，集合n∑={}()n I S σσ∈共有!n 个不同的元素，不妨设为：n∑={}12!,,,n I I I ；所以n ∑是群(,)GL n F 的一个非空子集．现在证明n ∑与n S 同构，由于n S 是一个群，所以n S 是(,)GL n F 的一个子群．(1) 集合n∑对(,)GL n F 的运算〔即矩阵乘法〕是封闭的．设1212n n i i i σ⎛⎫=⎪⎝⎭，1212n n j j j τ⎛⎫=⎪⎝⎭∈nS ，那么()I σ和()I τ是n ∑的两个元素〔矩阵〕．因为I 的第1，2，…，n 行分别是n 维向量1ε，2ε，…，n ε，所以()I σ的第1，2，…，n 行分别是n 维向量1i ε，2i ε，…，niε，而()I τ的第1，2，…，n 行分别是n 维向量1jε，2jε，…，njε，由上述的事实2°可知()I τ的各列也是由一些单位向量所组成．设其在第1，2，…，n 列分别是n 维向量1k ε，2k ε，…，nkε，此处1k ，2k ，…，n k 是1，2，…，n 的某一个排列．设()I σ()I τ=A 〔A 是n n ⨯矩阵〕由矩阵的乘法可知A 的第s 行的各个元素分别是1si kεε'，2si kεε'，…，sni kεε'，由上述事实1°可知，这n 个数中只有一个t s k i =时才等于１，其余各数均为0，〔因为s i 是1，2，…，n 的某一个排列〕，这样矩阵A 的第s 行只有一个位置的元素是1，而其余位置的元素均为0，并且当s i 不同时，1的位置不同，令s =1，2，…，n 可知矩阵A 的各行各列的元素都只有一个位置的1，而其余位置的元素均为0，并且||A =|()()|I I στ=1±，所以nA ∈∑，即()I σ()I τn ∈∑．(2) 存在着n ∑到n S 的一个同构映射f ． 如上所述，n ∑={}12!,,,n I I I ，设i I 是n ∑的任意一个矩阵，用i I 右乘n ∑的各个元素，得1i I I ，2i I I ，…，!i n I I ，因为n ∑对乘法是封闭的，所以它们仍是n ∑中!n 个不同的元素〔因为假设i k I I =i i I I ，由i I 的可逆性那么有k I =i I 〕，这样我们得到一个n ∑元素之间的一个置换，i I τ=12!12!n i i n i I I I I I I I I I ⎛⎫⎪⎝⎭，所以我们定义n ∑到n S 的一个映射:ii I f I τ→．a ） f 是n ∑到n S 的一个双射． 它显然是满射，现证是单射．设,i j nI I ∈∑，且i jI I ≠，那么i I τ=12!12!n i i n i I I I I I I I I I ⎛⎫⎪⎝⎭≠j I τ=12!12!n j j n j I I I I I I I I I ⎛⎫⎪ ⎪⎝⎭，因为假设i t I I =j tI I ，t =1，2，…，n ，由n ∑中元素的可逆性，那么有i I =jI 这与i jI I ≠矛盾，所以f 是n ∑到n S 的一个一一映射；b ） f 是n ∑到n S 的一个同构映射，设,i j n I I ∈∑，依f 的对应法那么()i f I =i I τ，()j f I =j I τ，设i j kI I I =，那么有：()i j f I I =()k f I =k I τ=12!12!n k k n k I I I I I I I I I ⎛⎫⎪⎝⎭=12!12!n i j j i j n i I I I I I I I I I I I I ⎛⎫⎪ ⎪⎝⎭=i j I I τ=()i f I ()j f I所以f 是n ∑到n S 的一个同构映射．所以n ∑和n S 同构，又由于n S 是群，因而n ∑也是群．且n ∑⊆(,)GL n F ． 9． 设G 是一个群，a G ∈，映射:a x ax λ，x G ∈叫做G 的一个左平移．证明：(1) 左平移是G 到自身的一个双射；(2) 设,a b G ∈，定义a b a b λλλλ=〔映射的合成〕，那么G 的全体左平移{}a a G λ∈对于这样的定义的乘法作成一个群G '；(3) G G '≅． 证明：(1) :a xax λ，x G ∈是G 到G 的一个双射．首先a λ是一个满射，因为对于任意的y G ∈，总存在一个1x a y G -=∈，使得ax y =，其次a λ的一个单射，因为12,x x G ∈，并且12x x ≠那么12ax ax ≠．(2) G '是一个群．因为G '对映射的乘法是封闭的，且G '对映射的乘法满足结合律．另外，设e 是G 的单位元，那么e λ是G '的单位元，对于a G λ'∈都有a λe λ=e λa λ=a λ．最后，设a G λ'∈，因为a G ∈，1a G -∈，所以存在一个映射1a G λ-'∈，使a λ1a λ-＝1a λ-a λ=e λ，即G '中每一个元素a λ都有逆元1aλ-，所以G '是一个群．(3) G G '≅，作G 到G 的一个映射f ：a a λ．容易证明f 是双射．且假设,a b G ∈，()f ab =ab λ=a λb λ=a b λλ=()f a ()f b ．所以f 是G 到G 的一个同构映射，即G G '≅．10． 找出三次对称群3S 的一切子群．〔注意：要求证明你找出3S 的子群已经穷尽了的一切子群〕解：三次对称群3S ={}(1),(12),(13),(23),(123),(132)共六个元素．现在设H 是3S 的一个非空子集，如果H 要做3S 的子群，那么H 必须对3S 的运算是封闭的；同时H 有(1)作为单位元，并且假设a H ∈那么1a H -∈，而(1,2)的逆元是(1,2)，(1,3)的逆元是(1,3)，(2,3)的逆元是(2,3)，(1,2,3)的逆元是(1,3,2)．在3S 的一切非空子集中，可能构成3S 的子群的非空子集只有以下情况：1H ={}(1),2H =3S ,3H ={}(1),(12),4H ={}(1),(13),5H ={}(1),(23),6H ={}(1),(123),(132),7H ={}(1),(12),(123),(132),8H ={}(1),(13),(123),(132),9H ={}(1),(23),(123),(132),10H ={}(1),(12),(13),(123),(132),11H ={}(1),(12),(23),(123),(132), 12H ={}(1),(13),(23),(123),(132),13H ={}(1),(12),(13),14H ={}(1),(12),(23),15H ={}(1),(23),(13),16H ={}(1),(12),(13),(23),经检验，除1H ,2H ,3H ,4H ,5H ,6H ,可构成3S 的子群外，其余的子集都对乘法不封闭，所以不构成3S 的子群．10.2 剩余类加群1． 写出6Z 的加法表．解：略．2． 证明：n Z 是循环群，并与n 次单位根群n U 同构．证明：设{},n Z +是模n 的剩余类加群，其元素有n 个：0,1,2,,,,1k n -，因为1111k k =+++=，这就是说n Z 中任意元k 皆是1的倍数，所以n Z 可由1生成，即n Z =1〈〉，故n Z 是循环群．又设n U 是n 次单位根群，那么n U 是n 阶群，以ε表示n U 的一个单位原根，那么n U ε=〈〉={}0121,,,,n εεεε-，作n Z 到n U 的一个映射:k f k ε，那么f 显然是n Z 到n U 的一个双射．并且对于,n k l Z ∈都有()()()f k l f k f l +=+．1°假设k l n +<，那么()()f k l f k l +=+=k l ε+=k lεε=()()f k f l ；2°假设k l n +≥，那么(0)k l n s s n +=+≤≤，故有()()f k l f k l +=+=()f s =s ε=1s ε=n s εε=n s ε+=()()f k f l ．所以f 是n Z 到n U 的一个同构映射，即n Z 与n U 同构． 3． 找到6Z 的所有子群． 解：{}60,1,2,3,4,5Z =，依习题10.1习题10的方法，在加群6Z 中，0是单位元，1与5互为逆元，2与4互为逆元，3与3互为逆元．所以，可能构成6Z 的子群的集合有以下几个：{}10H =，2H =6Z ，{}30,3H =，{}40,2,4H =，{}50,2,3,4H =，{}60,1,5H =，{}70,1,3,5H =，经检验，1H ，2H ，3H ，4H 是6Z 的子群，其余子集均对运算不封闭，不能构成子群．因此，6Z 的一切子群有{}10H =，2H =6Z ，{}30,3H =，{}40,2,4H =．4． 证明，每一个有限群含有一个子群与某一个n Z 同构．证明：设G 是n 元有限群，e 是G 的单位元，a e ≠是G 中任意的元，作元素a 的非负整数幂：e =012,,,,,,,n k a a a a a ,因为G 是群，故上列这些元均是G 中的元素，又因为G是n 阶群，故上列元必有相同的．设s ka a =,且s k ≠，不妨设k s >，而k s m -=，所以0k s a a -==e ,即m a e =．我们把满足这一条件的最小正整数m 称为元a 的阶，显然，假设a的周期为m ，那么m n ≤，〔否那么G 有多于n 个元素，这与G 是n 阶群〕．令{}2,,,m H a a a e ==，因为m n ≤，所以H 是群G 的非空子集，现证H 是G 的子群，且m H Z ≅．1°H 是G 的子群．首先H 的元互不相同．因为假设1,l t m ≤≤，且l t ≠那么l ta a ≠，〔假设l ta a =，设l t >，那么l t a e -=，而l t m -<．这与m 是a 的阶矛盾〕．同时，H 对G 的乘法封闭．设,i j a a H ∈那么有i j i j a a a +=，假设i j m +≤，那么i j i j a a a H +=∈，假设i j m +>，那么i j m p +=+，0p m <≤，那么i j i j a a a +=m pp aa +==H ∈，其次H 有单位元m a e =，最后设k a H ∈，那么1k m ≤≤．那么必有正整数m k -，使得m ka H -∈，这时k m k m a a a e -==．所以H 中任意一元k a H ∈都有逆元m k a H -∈．2°m H Z ≅．为了方便我们记0m a e a ==．作H 到n Z 的一个映射:k f ka ，显然f 是双射．设,m k l Z ∈，假设k l m +≤，那么 ()()()()k l k lf k l f k l a a a f k f l ++=+===，假设k l m +>那么设(0)k l m r r m +=+<<，那么()()()r rf k l f k l f r a e a +=+===()()m r k l a a a f k f l +===所以f 是H 到n Z 的一个同构映射，即m H Z ≅．5． 设G 、H 是群，在{}(,),G H g h g G h H ⨯=∈∈中定义乘法：(,)(,)(,)g h g h gg hh ''''=，(,),(,)g h g h G H ''∈⨯．证明，G H ⨯按照这样的乘法来说作成一个群．证明：因为{}(,),G H g h g G h H ⨯=∈∈，G 、H 是两个群．1°G H ⨯对乘法封闭．设(,),(,)g h g h G H ''∈⨯，因G 、H 是群，故gg G '∈，hh H '∈，故(,)(,)(,)g h g h gg hh ''''=G H ∈⨯2°G H ⨯的乘法适合结合律，设11(,)g h G H ∈⨯，22(,)g h G H ∈⨯，33(,)g h G H ∈⨯，那么123g g g G ∈，123h h h H ∈，又G 、H 是群,故123g g g G ∈，123h h h H ∈适合结合律．因此112233(,)[(,)(,)]g h g h g h=112323(,)(,)g h g g h h =123123(,)g g g h h h =121233(,)(,)g g h h g h =112233[(,)(,)](,)g h g h g h3°G H ⨯中有单位元12(,)e e ，其中设1e ，2e 分别是G 、H 的单位元．因为对于(,)g h G H ∈⨯，12(,)e e (,)g h •=12(,)e g e h =(,)g h ，12(,)(,)g h e e =12(,)ge he =(,)g h ．4°G H ⨯中每个元(,)g h 都有逆元11(,)g h --，其中1g -，1h -分别是g G ∈，h H ∈的逆元．因为(,)g h 11(,)g h --=11(,)gg hh --= 12(,)e e ，11(,)g h --(,)g h =11(,)g g h h --=12(,)e e 综上所证，{}(,),G H g h g G h H ⨯=∈∈对所定义的乘法(,)(,)(,)g h g h gg hh ''''=作成一个群．6． 写出22Z Z ⨯和23Z Z ⨯，证明，23Z Z ⨯6Z ≅ 证明：{}20,1Z =，{}30,1,2Z =，{}60,1,2,3,4,5Z =，22Z Z ⨯={}(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)，23Z Z ⨯={}(0,0),(0,1),(0,2),(1,0),(1,1),(1,2)．以下证明23Z Z ⨯6Z ≅，因为6Z 是一个6阶循环群，而元素1的阶是6，故1可作为6Z 的生成元，在23Z Z ⨯中(1,1)的阶也是6，故(1,1)可以作为23Z Z ⨯的生成元，即23Z Z ⨯=(1,1)〈〉．所以23Z Z ⨯是6阶循环群．作6Z 到23Z Z ⨯的映射：:1(1,1)0,1,2,3,4,5f k k k =，那么在f 下，我们有:f 1(1,1)，2(0,2)，3(1,0)，4(0,1)，5(1,2)，60(0,0)=，显然f 是双射．再对f 的(66)2⨯÷=16种情况逐一验证，知f 是一个同态映射，因而f 是6Z 到23Z Z ⨯同构映射，即23Z Z ⨯6Z ≅．7． 任何一个四阶循环群或者与4Z 同构，或者与22Z Z ⨯同构． 证明：设G 是任一四阶群，以下分两种情况讨论：(1) 假设G 是任一四阶循环群，那么{}023,,,G a a e a a a =〈〉==，而{}40,1,2,3Z =．做4Z 到G 的映射:0,1,2,3kf ka k =，显然f 是双射，现设0,3k l ≤≤，假设3k l +≤，那么()f k l +=()f k l +=k l a +=k l a a =()f k ()f l ，假设4k l +≥，那么4(04)k l r r +=+≤<，那么 ()f k l +=()f k l +=()f r =r a =r e a =4r a a =4r a +=k l a +=k la a =()f k ()f l ．所以f是同构映射，即4G Z ≅(2) 假设{},,,G e a b c =不是循环群，那么G 作为一个群，其乘法表为e a b c e e a b c a a e c b b b c e a c c b a e显然，{},,,G e a b c =非循环群，G 的非单位元的阶都是2，即2a e =，2b e =，2c e =，而22Z Z ⨯={}(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)，由2Z的运算性质可知，22Z Z ⨯的每个非单位元的阶也都是2．做G 到22Z Z ⨯的映射:(0,0)e ϕ，(0,1)a ，(1,0)b ，(1,1)c ，容易看出，映射ϕ是双射，再对ϕ的(44)2⨯÷=8种情况逐一验证，知ϕ是一个同态映射，所以映射ϕ是同构映射，即22G Z Z ≅⨯．10.3 环和域1． 证明，在一个交换环R 里，二项式定理()n a b +=11222n n n n n n a C a b C a b b --++++对于任意的,a b R ∈和正整数n 成立．证明：设,a b R ∈，我们对于正整数n 用数学归纳法来证明1°当n=1时，1()a b +=a b +，命题成立；2°当n=2时，2()a b +=()()a b a b ++=22a ab ab b +++=222a ab b ++,命题成立；3°假定当n=k 时，命题成立，即有()k a b +=11222k k k k k k a C a b C a b b --++++成立，对于n=k+1时，我们有：1()k a b ++=()()k a b a b ++=11222()()k k k k k k a C a b C a b b a b --+++++=11212()k k k k k k a C a b C a b ab +-++++1122231()k k k k k k a b C a b C a b b --++++++=11212111()k k k k k k a C a b C ab b +-+++++++,故结论成立．2． 设R 是一个环，并且对于加法来说R 作成一个循环群，证明R 是一个交换环． 证明：由题设存在元a 生成，使得{}R a na n Z =〈〉=∈．设12,a a R ∈，那么11a n a =，22a n a =，12,n n Z ∈，有12a a =1()n a 2()n a =212n n a ，21a a =2()n a 1()n a =212n n a所以12a a =21a a ，即R 对乘法满足交换律，故R 是一个交换环．3． 证明，对于有单位元的环来说，加法适合交换律是环定义里其它条件是结果．〔提示：用两种方式展示()(11)a b ++〕证明：R 是一个有单位元1环，那么由环定义中条件〔3〕可知()(11)a b ++=()1()1a b a b +++=a b a b +++=()a b a b+++，而()(11)a b ++=(11)(11)a b +++=a ab b+++=()a a b b+++，因此()a b a b +++=()a a b b +++，所以 b a +=a b +．4． 写出2Z 和7Z 的加法和乘法表． 解：略．5． 设R 是一个只有有限多个元的交换环，且R 没有零因子，证明R 是一个域． 证明：因为R 是一个只有有限多个元素的交换环，故可设12,,,n a a a R ∈是R 的全部非零元，这意味着这n 个元互不相同．设i a 是{}12,,,n G a a a =中之一，以i a 乘以{}12,,,n G a a a =的所有元得12,,,i i i n a a a a a a ，由于R 没有零因子，故这n 个元素仍是R 的非零元，且各不相同〔因为假设()i s i k a a a a s k =≠，由于R 没有零因子，故消去律成立，得到s k a a =与{}12,,,n G a a a =元素各不相同矛盾〕，所以12,,,i i i n a a a a a a 除去次序不同和12,,,n a a a 必完全相同．因此，对于这个i a ，必有一个k 存在〔1k n ≤≤〕使i k i a a a =〔因为如果不是这样，那么12,,,i i i n a a a a a a 中没有一个等于i a ，这与12,,,i i i n a a a a a a 与12,,,n a a a 完全相同矛盾〕，因为R 是一个交换环，所以k i i k i a a a a a ==．1°以下我们证明k a 是单位元．设．j a是G 的任一元，由以上证明知12,,,i i i n a a a a a a 除去次序不同和12,,,n a a a 必完全相同，所以必有i s a a =j a ，k j a a =k a ()i s a a =i s a a =j a ,再由R是一个交换环，知j k ja a a =，所以k a 是G 的单位元，记为k e a =是G 的单位元．2°以下证明G 中的元素都有逆元，为此我们对G 重新排序记为{}121,,,,n G e a a a -=，设r a 是G 任意元，以r a 乘以{}121,,,,n G e a a a -=中每一个元，得121,,,,r r r r n a e a a a a a a -，那么由以上证明知121,,,,r r r r n a e a a a a a a -除去次序不同和12,,,n a a a 必完全相同，因而必有r t t r a a e a a ==．所以G 是一个可换群，所以R 是一个域．6． 设R 是一个环,a R ∈，如果存在一个正整数n ，使得0na =，就说a 是一个幂零元．证明，在一个交换环里，两个幂零元的和还是幂零元．证明：设,a b R ∈是两个幂零元，那么有n,m 是正整数，使得0n a =，0ma =，由本习题1，在交换环中二项式定理成立，故有()n m a b ++=11222n m n m n m n m n m n m a C a b C ab b ++-+-+++++++因为00n k n k k a a a a +===,00s m s m sb b b b +===,所以()n ma b ++=0，所以a b +是幂零元．7． 证明，在一个环R 中，以下两个条件等价： （i ） R 没有非零的幂零元；（ii ）如果a R ∈，且20a =那么0a =．证明：设〔ⅰ〕成立我们证明〔ⅱ〕成立．因为20a =，但是R 中没有非零幂零元，所以0a =．反之，设〔ⅱ〕成立我们证明〔ⅰ〕成立．设a R ∈是任一幂零元，那么存在一个正整数n,使得0na =，以下证明0a =，假设0a ≠，由〔ⅱ〕成立，那么有20a ≠〔否那么由假设20a =那么0a =，矛盾〕，同理22()0a ≠，即40a ≠，如此继续下去，那么有20ka ≠，1,2,k =，而当2k n >时，由有220kknn a aa -==，矛盾．所以，假设不成立，即〔ⅰ〕成立．8． 设R 与R '是环，:f R R '→是一个同态映射，证明， （i ） {}Im()()()f f R f a a R ==∈是R '的一个子环； （ii ）{}()()0I Ker f a R f a ==∈=是R 的一个子环，并且对任意的r R ∈，a I ∈都有ra I ∈，如果R 与R '都有单位元，能不能断定(1)R f 是R '的单位元1R '？当f 是满射时，(1)R f 是R '的单位元1R '？证明：(i) 因为R 与R '是环，:f R R '→是一个同态映射，所以(0)0f '=〔此处0是R 的零元，0'是R '的零元〕，所以0Im()f '∈，又Im()()f f R R '=⊆，即Im()f 是R '的非空子集．所以对于(),()Im()f a f b f ∈，,a b R ∈，有()()()f a f b f a b -=-∈ Im()f ．〔因为R 是环，,a b R ∈，所以a b R -∈〕，并且()()()Im()f a f b f ab f =∈．所以{}Im()()()f f R f a a R ==∈是R '的一个子环；(ii) 因为R 与R '是环，:f R R '→是一个同态映射，所以(0)0f R ''=∈，所以()Ker f ≠∅，设,()a b Ker f ∈，那么()()0f a f b '==，于是()()()000f a b f a f b '''-=-=-=，所以()a b Ker f -∈，且()()()000f ab f a f b '''===，故()ab Ker f ∈，因此，{}()()0I Ker f a R f a ==∈=是R 的一个子环．对于r R ∈，a I ∈()Ker f =，那么()()()()00f ra f r f a f r ''===，所以ra I ∈ ()Ker f =．如果R 与R '都有单位元，:f R R'→是一个同态映射，那么(1)R f 不一定是R '的单位元1R '，例如{}20,1R Z ==，{}20,1R Z '==，作R R '→的映射:00,10f ，那么显然:f R R '→是一个同态映射，但(1)0f =不是R '的单位元．如果f 是满射，(1)R f 是R '的单位元1R '．9． 设F 和F '是域，:f F F '→是同态映射，证明，或者()0f F =，或者f 是个单射，〔提示：利用第8题〔ⅱ〕证明()Ker f 或者等于零，或者等于F 〕．证明：因为F 和F '是域，:f F F '→是同态映射，所以F 和F '是环，由上题〔ⅱ〕知{}()()0Ker f a R f a =∈=是F 的一个子环〔域〕，以下分两种情况讨论：（i ） 假设{}()0Ker f =，那么对于任意的,()a b Ker f ∈，有()()0f a f b '==，于是 ()()()000f a b f a f b '''-=-=-=，所以()a b Ker f -∈，但{}()0Ker f =，所以a b =，所以f 是个单射；（ii ）假设{}()0Ker f ≠，那么()Ker f 必有非零元素，设()a Ker f ∈并且0a ≠，又因为F 是域，所以a 在F 中必有逆元1a F -∈，由上题〔ⅱ〕知1()a a Ker f -∈，即1()e a a Ker f -=∈，设x 是F 中任意元素，再由〔ⅱ〕的结果可知：()xe x Ker f =∈，所以()F Ker f ⊆，而()Ker f F ⊆，所以()Ker f F =，当()Ker f F =时，Im()()0f f F ==．10． 证明，2阶实矩阵2()M R 的子集F =,a b a b R b a ⎧⎫⎛⎫⎪⎪∈⎨⎬ ⎪-⎪⎪⎝⎭⎩⎭作成一个与复数域同构的域．证明：首先证明F 是环2()M R 的一个子域．设a b A b a ⎛⎫= ⎪-⎝⎭，c d B d c ⎛⎫=⎪-⎝⎭是F 任意两个元素，其中a,b,c,d R ∈,那么a b cd A B b a d c ⎛⎫⎛⎫-=- ⎪⎪--⎝⎭⎝⎭=a c b d b d a c --⎛⎫ ⎪-+-⎝⎭F ∈,又当0B ≠时，c,d 不全为零，那么22cd B c d dc ==+-0≠，所以1B -存在，且11cd B d c B --⎛⎫= ⎪⎝⎭，所以1B F -∈，于是11a b c d AB b a d c B--⎛⎫⎛⎫=⎪⎪-⎝⎭⎝⎭=1ac bd bc ad ad bc ac bd B+-⎛⎫ ⎪-+⎝⎭F ∈,所以F 是环2()M R 的一个子域，现在作复数域{}2,,1C a bi a b R i =+∈=-到F 的一个映射:a b f a bib a ⎛⎫+ ⎪-⎝⎭，显然，f 是C 到F 的一个双射．现在设()a b f a bi b a ⎛⎫+= ⎪-⎝⎭，()cd f c di dc ⎛⎫+=⎪-⎝⎭，那么[()()]f a bi c di +++=[()()]f a c b d i +++=()a cb d b d ac ++⎛⎫ ⎪-++⎝⎭a b c d b a d c ⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭=()()f a bi f c di +++． 又[()()]f a bi c di ++=[()()]f ac bd ad bc i -++=ac bd bc ad ad bc ac bd +-⎛⎫ ⎪-+⎝⎭ =a b c d b a d c ⎛⎫⎛⎫⎪⎪--⎝⎭⎝⎭．所以f 是C 到F 的同构映射，即F 作成一个与C 同构的域．11． 令Q 是有理数域，R 是一个环，而f ，g 都是Q 到环R 的环同态，证明，假设对任意整数n ，都有()()f n g n =那么f g =．证明：由，来证明11()()f g nn =，假设11()()f g n n ≠，那么 11()()()()f n f g n g n n ≠这与(1)(1)f g =，所以假设不成立，有11()()f g n n =．再证明f g =．对于任意有理数mQn ∈，我们有 11()()()()()()m mf f m fg m g g n n n n ===，所以f g =．12． 证明，一切形如,,a bi c di a b R c di a bi ++⎛⎫∈ ⎪-+-⎝⎭的二阶复矩阵所成的集合作成一个环K ，这个环的每一个非零元素都有逆元，K 是不是域？证明：1°集合K 对于矩阵的加法和乘法都是封闭的． 设11111111a b i c d i A c d i a b i ++⎛⎫= ⎪-+-⎝⎭，22222222a b i c d i B c d i a b i ++⎛⎫= ⎪-+-⎝⎭K ∈， 那么1212121212121212()()()()()()()()a a b b i c c d d i A B c c d d i a a b b i ++++++⎛⎫+= ⎪-++++-+⎝⎭K ∈，记11111111a b i c d i A c d i a b i ++⎛⎫= ⎪-+-⎝⎭=αββα⎛⎫⎪-⎝⎭，22222222a b i c d i B c d i a b i ++⎛⎫= ⎪-+-⎝⎭=ξηηξ⎛⎫⎪-⎝⎭，那么AB αβξηβαηξ⎛⎫⎛⎫=⎪⎪--⎝⎭⎝⎭=αξβηαηβξβξαηβηαξ⎛⎫-+⎪---+⎝⎭=()αξβηαηβξαηβξαξβη⎛⎫-+ ⎪ ⎪-+-⎝⎭K ∈； 2°零矩阵00000000i i O i i ++⎛⎫= ⎪-+-⎝⎭K ∈，且A O O A A +=+=； 3°设11111111a b i c d i A c d i a b i ++⎛⎫= ⎪-+-⎝⎭=αββα⎛⎫⎪-⎝⎭K ∈，那么有逆元A -=αββα--⎛⎫ ⎪-⎝⎭K∈，且()()A A A A O +-=-+=，4°所以K 作成一个环．且K 有单位元I ．设A =αββα⎛⎫ ⎪-⎝⎭是任何一个非零元，那么A=αββα-=ααββ+=22αβ+0≠．从而1A -=1Aαββα-⎛⎫ ⎪⎝⎭存在，但矩阵乘法不满足交换律，故K 不是域．13． 在15Z 中，找出适合方程21x =的一切元素．解：在15Z ={}0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14中，211(mod15)=，24161(mod15)==， 2111211(mod15)==，2141961(mod15)==．故在15Z 中， 适合方程21x =的元有1,4,11,14．14． 证明，一个特征为0的域一定含有一个与有理数域同构的子域；一个特征为0p >的域一定含有一个与pZ 同构的子域．证明：(i)设F 是特征为0的域，那么F 含有单位元e ，所以对于任意整数n 来说，都有ne F ∈，令1{|}F ne n Z =∈,因为当且仅当0n =时,0ne =，所以,:n Z nne σ∀∈是Z 到1F 的双射,且显然是同构映射,令12{()()|,,0}F me ne m n Z n -=∈≠,那么12F F F ⊆⊆.对mQ n ∀∈,规定1:()()m me ne nτ-,那么τ是Q 到2F 的双射,且1212,m m Q n n ∀∈,1212()m m n n τ+=121212()m n n m n n τ+=1121212()()m n n m e n n e -+111122()()()()m e n e m e n e --=+=11()m n τ+22()mn τ11212121212121112112212()()()()()()()()()()m m m mm m e n n e n n n n m m m e n e m e n e n n ττττ---====所以2Q F ≅,所以2F 是域,且是F 的子域.(ii)设F 是一个特征为p >0的域, e 是F 的单位元,令1{0F =,,2,,(1)},ppe e e p e i Z =-∀∈,规定:iie σ,且是p Z 到的一个双射. ,p i j Z ∀∈且,0,,0j i kp r r p ij lp s s p +=+≤<=+≤<,故,i j r ij s +==那么()()()i j r re kpe re i j e ie je σσ+==+=+=+()()()()ij s se lpe se ije ie je σσ===+==.所以,σ是pZ 到1F 的同构映射.因为p 是素数,pZ 是域,所以1F 是的一个F 与pZ 同构的子域.15. 令2F Z =是仅含两个元素的域.[]F x 是F 上一元多项式环.(i)证明,21x x ++是[]F x 中唯一的二次不可约多项式.(ii)找出[]F x 中一切三次不可约多项式.解: (i)在[]F x 中二次多项式有222,1,x x x x ++,21x x ++,其中前三个多项式可约.因为0,1不是21x x ++的根,所以21x x ++是[]F x 中唯一的二次不可约.(ii) []F x 中三次多项式有3323332,,,1,x x x x x x x x x +++++,323321,1,1x x x x x x x +++++++.其中不可约多项式只有321x x ++和31x x ++。

68、设G 是一个群，H 是G 的一个子群，a 是G 中的一个n 阶元素。

证明：存在最小正整数m 使H a m ∈且m |n 。

证：由于|a|=n ，故.a H e n ∈=从而存在最小正整数m 使H a m ∈。

又令r,+=mq n m ≤≤r 0，则由于,G H ≤和H a m ∈，得.)()(H a a a a a q m q m n mq n r ∈=•==−−−但m 是使H a m ∈的最小正整数，故必r=0,从而m |n 。

75、设H ，K 是群G 的两个子群。

证明：.KH HK G HK =⇔≤证：设,KH HK =则任取,HK x ∈令),(,H h K k kh x ∈∈=由于,,G K G H ≤≤故,,11K k H h ∈∈−−从而.)(1111HK k h kh x ∈==−−−−又由于,,K KK H HH ==故,))(()()())((HK KK HH K HK H K KH H HK HK ====即HK 中任二元素之积仍属于HK 。

故.G HK ≤反之，设.G HK ≤任取,HK x ∈则,1HK x ∈−令),(,1K k H h hk x ∈∈=−于是,)(111KH h k hk x ∈==−−−故.KH HK ⊆同理可证,HK KH ⊆因此，。

KH HK =57、证明：交换群中所有有限价元素作成子群。

对非交换群如何？证：设H 是由交换群G 中所有有限阶元作成的集合。

显然,H e ∈故H 非空。

又若,,H b a ∈设|a|＝m ，|b|=n 。

因G 可交换，故,)a (,m e b n =】【从而。

H ab ∈又因|1−a |=|a|,故.1H a ∈−因此，.G H ≤对非交换群一般不成立。

例如，Q 上全体2阶可逆方阵八成的乘群中，易知⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=1021a ，⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=1031b 的阶有限，都是２，但易知其乘积b a 的阶却无限。

近世代数复习思考题一、基本概念与基本常识的记忆（一）填空题1.剩余类加群Z 12有_________个生成元.2、设群G 的元a 的阶是n ，则a k 的阶是________.3. 6阶循环群有_________个子群.4、设群G 中元素a 的阶为m ，如果e an =，那么m 与n 存在整除关系为———。

5. 模8的剩余类环Z 8的子环有_________个.6.整数环Z 的理想有_________个.7、n 次对称群Sn 的阶是——————。

8、9-置换⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛728169345987654321分解为互不相交的循环之积是————。

9.剩余类环Z 6的子环S={［0］,［2］,［4］}，则S 的单位元是____________. 10. 24Z 中的所有可逆元是：__________________________.11、凯莱定理的内容是：任一个子群都同一个________同构。

12. 设()G a =为循环群，那么（1）若a 的阶为无限，则G 同构于___________，（2）若a 的阶为n ，则G 同构于____________。

13. 在整数环Z 中，23+=__________________；14、n 次对称群S n 的阶是_____.15. 设12,A A 为群G 的子群，则21A A 是群G 的子群的充分必要条件为___________。

16、除环的理想共有____________个。

17. 剩余类环Z 5的零因子个数等于__________.18、在整数环Z 中，由｛2，3｝生成的理想是_________.19. 剩余类环Z 7的可逆元有__________个.20、设Z 11是整数模11的剩余类环，则Z 11的特征是_________.21. 整环I={所有复数a+bi(a,b 是整数)}，则I 的单位是__________.22. 剩余类环Z n 是域⇔n 是_________.23、设Z 7 ={0，1，2，3，4，5，6}是整数模7的剩余类环，在Z 7 [x]中, (5x-4)(3x+2)=________.24. 设G 为群，a G ∈，若12a =，则8a =_______________。