• Nem Talált Eredményt

Gyakorlat. Határozzuk meg az E(2) csoportban (a sík egybevágósági transzformációinak csoportjában) az elemek rendjeit

In document Bevezetés az algebrába (Pldal 127-130)

3. Izomorfizmus, ciklikus csoportok

4.3.11. Gyakorlat. Határozzuk meg az E(2) csoportban (a sík egybevágósági transzformációinak csoportjában) az elemek rendjeit

Egy permutáció ciklusfelbontása nemcsak az előjel, hanem a rend kiszámításához is komoly segítség. Azonban míg az előjelképzésnél nem volt lényeges, hogy a felbontásban szereplő ciklusok diszjunktak-e, a rend kiszámításánál ez alapvetően fontos.

4.3.12. Állítás. Bontsuk az f permutációt diszjunkt ciklusok szorzatára. Ekkor f rendje a szereplő ciklusok hosszának legkisebb közös többszöröse.

Bizonyítás. Elsőként azt mutatjuk meg, hogy minden k hosszú ciklus rendje k. Ha az f=(x1,...,xk) ciklust ℓ<k-adik hatványra emeljük, akkor f az x1-et xℓ+1-be viszi. Ez nem az x1, és így f még nem az identikus permutáció.

Viszont fk=id, hiszen ekkor a ciklus minden xi eleme egyszer „körbemegy”. Vagyis k a legkisebb pozitív egész, amelyre f-et emelve az identitást kapjuk, és így k az f rendje.

Tekintsük most az f=f1... fm permutációt, ahol az f1,..., fm diszjunkt ciklusok. Azt állítjuk, hogy f=id akkor és csak akkor teljesül, ha minden j-re fj=id. Ez azért igaz, mert ezek a ciklusok diszjunkt halmazokat mozgatnak. Ha például f1 az (x1,...,xk) ciklus, akkor az f2,..., fn permutációk az x1,...,xk mindegyikét fixen hagyják, és ezért f ugyanoda viszi mindegyik xi elemet, mint az f1

. De fj

akkor és csak akkor az identitás, ha fj rendje (vagyis a hossza) osztója ℓ-nek. Tehát f=id akkor és csak akkor, ha mindegyik fj ciklus hossza osztója ℓ-nek. A legkisebb ilyen tulajdonságú pozitív egész pedig e ciklushosszak legkisebb közös többszöröse. □

Ha egy g csoportelem rendje n<∞, akkor az előzőek szerint gn-1=g-1, vagyis g inverze megkapható úgy, hogy a g elemet néhány példányban önmagával összeszorozzuk.

4.3.13. Következmény. Ha G olyan csoport, amelynek minden eleme véges rendű (például G véges csoport), akkor G minden nem üres, szorzásra zárt részhalmaza részcsoport.

Megjegyzés

Egy csoportot torziócsoportnak nevezünk, ha minden elemének véges a rendje. Ebből nem következik, hogy a csoport maga is véges, például az összes komplex egységgyökök végtelen torziócsoportot alkotnak a szorzás műveletére. Egy csoport torziómentes, ha az egységelemen kívül minden elem rendje végtelen. Ilyen például a komplex számok additív csoportja.

4.3.14. Gyakorlat. Legyen G csoport, és g G. Mutassuk meg, hogy a g elem egész kitevőjű hatványai részcsoportot alkotnak G-ben.

4.3.15. Gyakorlat. Mutassuk meg, hogy minden csoporthomomorfizmus tartja az egész kitevős hatványozás műveletét is, vagyis ha ψ: G→ H homomorfizmus, g∈ G, és n egész szám, akkor ψ(gn)=ψ(g)n.

4.3.16. Gyakorlat. Legyen ψ: G→ H csoporthomomorfizmus. Mi a kapcsolat g G és ψ(g) H rendje között?

Igazoljuk, hogy izomorfizmusnál az elemrend nem változik.

Fontos szerepet játszanak azok a csoportok, amelyek „olyan kicsik, hogy” egy elemük hatványaiból állnak.

Ilyen például az egész számok ℤ+ csoportja az összeadásra. Mivel a művelet az összeadás, itt hatvány helyett többszörösről kell beszélnünk. Az pedig világos, hogy az 1 szám összes egész számú többszöröse kiadja az összes egész számot.

4.3.17. Definíció. Egy G csoportot ciklikusnak nevezünk, ha egy alkalmas g elemének az egész kitevőjű hatványaiból áll. Az ilyen g elemeket a Ggenerátorelemeinek (ritkán primitív elemeinek) nevezzük. Még máshogy fogalmazva: a g elem generálja a G csoportot.

Minden ciklikus csoport kommutatív, hiszen egy elem hatványai egymással fölcserélhetők. További fontos példa ciklikus csoportra a ℤn+ csoport, ez is nyilván az 1 szám összes többszöröseiből áll. Nemsokára belátjuk első csoportelméleti struktúratételünket, ami azt mondja ki, hogy a felsoroltakon kívül „nincs más” ciklikus csoport.

4.3.18. Gyakorlat. Határozzuk meg a + és a ℤ12+ csoportok összes generátorelemét.

4.3.19. Gyakorlat. Legyen ψ: G→ H szürjektív homomorfizmus. Mutassuk meg, hogy ha G ciklikus csoport, akkor H is az. Adjunk ellenpéldát az állítás megfordítására.

4.3.20. Tétel. Egy csoport akkor és csak akkor ciklikus, ha izomorf a + vagy a ℤn+ csoportok valamelyikével (ahol n≥ 1 egész). Speciálisan minden ciklikus csoport kommutatív.

Bizonyítás. Tegyük föl, hogy G ciklikus csoport, vagyis van olyan g eleme, hogy G a g elem egész kitevős hatványaiból áll. A G csoport műveletét szorzásnak nevezzük, és egymás mellé írással jelöljük majd.

Először azt az esetet vizsgáljuk, amikor g rendje végtelen. Tudjuk, hogy ekkor a gk elemek páronként különbözők, és ezért a ψ: k→ gk leképezés ℤ-ből G-be injektív (azaz különböző elemek képe is különböző).

Mivel G a g hatványaiból áll, ez a leképezés szürjektív is, vagyis kölcsönösen egyértelmű. A művelettartás a hatványozás azonosságaiból következik: a 2.2.20. Gyakorlat szerint

Tehát G izomorf a ℤ+ csoporttal.

Ha a g elem rendje véges, mondjuk n, akkor azt mutatjuk meg, hogy G a n+ csoporttal izomorf. Most is a ψ(k)=gk leképezést tekintjük. Az elemrendről tanultak miatt ez kölcsönösen egyértelmű ℤn és G között (hiszen g összes hatványa éppen g0,g1,...,gn-1). A művelettartáshoz azt kell megmutatni, hogy

Ez teljesül: gkg=gk+ℓ, a k+ℓ és k+nℓ számok különbsége a +n művelet definíciója szerint osztható n-nel, és így az n rendű g elem megfelelő két hatványa tényleg megegyezik.

Beláttuk tehát, hogy minden ciklikus csoport izomorf a ℤ+, illetve a ℤn+ csoportok valamelyikével. Még azt kell megmutatni, hogy megfordítva, ha egy G csoport izomorf a ℤ+, illetve a ℤn+ csoportok valamelyikével, akkor ciklikus. Azt már tudjuk, hogy ℤ+ és ℤn+ ciklikus csoportok. Ezért a 4.3.19. Gyakorlat miatt G is ciklikus. □ 4.3.21. Kérdés. Ciklikus-e a 17× csoport?

Némi keresgélés után rájöhetünk arra, hogy igen: ez a csoport a 3 hatványaiból áll. Általában is igaz az, hogy ha p prímszám, akkor a p× csoport ciklikus. Ez nevezetes számelméleti tétel, amit ott úgy szokás fogalmazni, hogy

„létezik primitív gyök modulo p”.

4.3.22. Tétel. Legyen T véges test. Ekkor T multiplikatív csoportja ciklikus. Speciálisan ha p prímszám, akkor a p× csoport ciklikus, és így izomorf a ℤp-1+ csoporttal.

Erre a tételre két bizonyítást is adunk a későbbiekben (4.4.33. Feladat, illetve 4.9.36. Feladat). A k számot akkor nevezzük primitív gyöknek mod n, ha generálja a ℤn× csoportot.

Megjegyzés

Mi egy ilyen izomorfia haszna? Tegyük föl, hogy az x6≡ 9 (17) kongruenciát akarjuk megoldani. A 17×

csoport ciklikus, tehát izomorf a ℤ16+ csoporttal, amiben már könnyebb számolni. Az izomorfizmusnál a g∈ ℤ16-nak a 3g∈ ℤ17, az összeadásnak a szorzás felel meg. A 9∈ ℤ17 inverz képe 2, mert 32=9. Ezért ha y jelöli az x inverz képét ennél az izomorfizmusnál, azaz 3y≡ x (17), akkor az eredeti kongruenciának a 6y≡ 2 (16) lineáris kongruencia felel meg. Például az y=11 megoldáshoz az x=311=7 tartozik. A ℤp× csoport ciklikus mivolta teszi lehetővé az úgynevezett binom kongruenciák megoldását a számelméletben.

4.3.23. Lemma. Legyen G csoport, és g egy d<∞ rendű eleme. Ekkor g hatványainak rendje d-nek osztója, és g-nek pontosan θ(d) darab d rendű hatványa van (itt θ az Euler-függvény).

Bizonyítás. A hatvány rendjének képlete szerint

Ez tényleg osztója d-nek, és pontosan akkor lesz d, ha (d,k)=1. Mivel g rendje d, a k kitevő a 0,1,..., d-1 értékeket veheti fel. A keresett d rendű elemek száma tehát azon 0≤ k< d egészek számával egyenlő, amelyek d-hez relatív prímek, azaz θ(d). □

4.3.24. Állítás. Legyen G véges ciklikus csoport. Ha a d pozitív egész osztója G rendjének, akkor G-nek pontosan d darab olyan g eleme van, melyre gd=1, és ezek ciklikus részcsoportot alkotnak. A G csoportnak pontosan θ(d) darab d rendű eleme van, amelyek egymás hatványai. Ha d nem osztója G rendjének, akkor G-ben nincs d rendű elem.

Bizonyítás. Legyen |G|=n. Mivel G ciklikus, egy g G elemének a hatványaiból áll. Így a g elemnek n különböző hatványa van, tehát a rendje n.

Tegyük föl, hogy dn. A gk elem d-edik hatványa akkor 1, ha gkd=1, vagyis ha nkd, ami azzal ekvivalens, hogy (n/d) ∣ k. Ha h=gn/d, akkor ezek az elemek

Tehát azok az elemek, amelyek d-edik hatványa 1, tényleg egy d rendű ciklikus részcsoportot alkotnak. Az előző lemma miatt így G-ben θ(d) darab d rendű elem van (hiszen ha egy elem rendje d, akkor a d-edik hatványa 1, vagyis szerepel a felsoroltak között).

Ha h1 egy másik d rendű eleme G-nek, akkor az előző lemma miatt ennek is θ(d) darab d rendű hatványa van, vagyis G összes d rendű eleme hatványa lesz. Ezért a d rendű elemek tényleg egymás hatványai. Végül ha d nem osztója n-nek, akkor G-ben az előző lemma miatt nincs d rendű elem. □

4.3.25. Gyakorlat. Mutassuk meg, hogy a komplex n-edik egységgyökök csoportot alkotnak a szorzásra, és ez ciklikus csoport. Vezessük le az előző állításból, hogy a primitív n-edik egységgyökök száma θ(n).

In document Bevezetés az algebrába (Pldal 127-130)

Outline

KAPCSOLÓDÓ DOKUMENTUMOK