# 判断题解答

FFTFF FFTTT FTTFTFFTFF\ FFTTT\ FTTFT

  1. S,〈S,\ast〉是一个含幺半群,如果运算\ast 满足消去律,那么S,〈S,\ast〉是一个群

    参考有限无限环中无零因子,逆元和消去律之间关系
    N,+〈N,+〉是题目的一个反例

    即证如果运算\ast 满足消去律,则S,〈S,\ast〉也满足群的三个性质:

    1. 封闭性:对于任意a,bSa,b\in S,有abSa\ast b\in S
      由于S,〈S,\ast〉是含幺半群,因此满足结合律,即(ab)c=a(bc)(a\ast b)\ast c=a\ast (b\ast c) 对于任意cSc\in S 成立。因此,(ab)S(a\ast b)\in S,即SS 对于\ast 运算是封闭的。
    2. 逆元素存在性:对于任意aSa\in S,存在bSb\in S,使得ab=ba=ea\ast b=b\ast a=e,其中 eeSS 的单位元素。
      由于运算\ast 满足消去律,因此对于任意aSa\in S,方程ax=ea\ast x=e 有唯一解xSx\in S。令b=xb=x,则有ab=ea\ast b=e
      现在我们需要证明ba=eb\ast a=e。假设baeb\ast a\neq e,则根据消去律,我们有:

    a(ba)=(ab)a=ea=ae=aa\ast(b\ast a)=(a\ast b)\ast a=e\ast a=a\ast e=a

    由消去律得:

    a(ba)=ae=aa\ast(b\ast a)=a\ast e=a

    因此,bab\ast a 是方程ax=aa\ast x=a 的另一个解。由于方程ax=aa\ast x=a 只有唯一解 ae=aa\ast e=a,因此ba=ae=ab\ast a=a\ast e=a。因此,bbaa 的逆元素,即存在bSb\in S,使 得ab=ba=ea\ast b=b\ast a=e
    综上所述,若方程ax=ea\ast x=e 有唯一解xSx\in S,对于任意aSa\in S,存在bSb\in S,使 得ab=ba=ea\ast b=b\ast a=e,即S,〈S,\ast〉满足逆元素存在性。
    但可能没有这个解,故不一定有逆元
    3. 结合律:对于任意a,b,cSa,b,c\in S,有(ab)c=a(bc)(a\ast b)\ast c=a\ast (b\ast c)
    由于S,〈S,\ast〉是含幺半群,因此满足结合律。因此,S,〈S,\ast〉也满足结合律。
    综上所述,如果运算\ast 满足消去律,则S,〈S,\ast〉是一个群。

  2. 含幺半群的子半群一定是含幺半群

    整数加法半群的子群偶数加法半群(去 0),没有幺元。

  3. 幺元是群的唯一幂等元

    假设 a 是幂等元,那么对任意群中元素 b,ba=baa, 依照消去率,b = ba; 同理 ab = aab, 因此 b = ab, 依照幺元的概念,a = e; 即群中幂等元是幺元

  4. G,〈G,\ast〉是群,则 G 必有二阶元素

    一个循环群 Z,它包含了所有整数以加法运算为群运算,但是它没有任何二阶元素。因为对于任意一个整数nZn\in Z,如果 n 是一个二阶元素, 则有 n+n=0,这显然是不可能的。

  5. G,〈G,\ast〉是群,G=n,xG,xm=e,mI,mn|G|=n,设x\in G,若x^m=e,m\in I,则m|n

    本题想考察:
    G,〈G, \ast 〉是群。gG\forall g \in G

    1. 若 g 的阶有限,设其为 k,从而gk=eg^k=e。则
      1.mN,gm=e    km\forall m \in N,g^m=e \iff k|m (k 整除 m,即m=nkm=n\ast k)
      2.m,nN,gm=gn    kmn\forall m,n \in N,g^m=g^n \iff k|m-n
    2. 若 g 的阶无限,则m,nN,gm=gn    m=n\forall m,n \in N,g^m=g^n \implies m=n

    若考察定理 7,n 应为 g 的阶而不是群的阶

    或拉格朗日定理:群内元素的阶一定整除群的阶
    参考上述定义可知题目为错

  6. Nm,+m,×m〈N_m,+_m,\times_m〉, 当 m 为合数时,Nm,+m,×m〈N_m,+_m,\times_m〉是整环

    m 为素数才是

  7. 循环群的子代数系统一定是循环群

    子代数系统不行,Z,+N,+〈Z,+〉\to 〈N,+〉

    若是子群,则可证
    证明如下:假设 H 不是循环群,但是 G 的子群。有gkiH,gki<gd>,ki=qd+rg^{ki}\in H,g^{ki}\notin <g^d>,ki=qd +r
    由群元素的可逆,运算封闭可知:
    gqdH,q,r是整数,0<r<dg^{qd}\in H,q,r是整数,0<r< d
    gqdgki=grHg^{-qd}g^{ki}=g^r\in H
    d=min{k1,k2...km},r<dd=min\{k_1,k_2...k_m\},r<d, 故而矛盾,假设不成立

  8. G={1,3,4,5,9}G=\{1,3,4,5,9\}, 则G,×11〈G, \times_{11} 〉是群

    检验其 4 要素,均满足,是群

  9. G,〈G,\ast〉是群,|G|=6, 则它一定没有四阶子群

    根据 Lagrange 定理,群 G 的任何子群的阶数必须是 G 阶数的约数。

  10. 没有非平凡子群的有限群一定是循环群

    等价于不是循环群就有非平凡子群
    假设 G 是非循环群,aG,集合G={...,a1,e,a1,a2...}\forall a \in G,集合G'=\{...,a^{-1},e,a^1,a^2...\} 在 G 的运算下成群。则GG' 是 G 的真子群,则 G 有非平凡子群

  11. 循环群有且只有两个生成元

    ak=al,ak是生成元,则另一个也是a^k=a^l,a^k是生成元,则另一个也是

  12. 除环是含幺的无零因子环

    每个非零元都有 (乘法) 逆元的含幺环称为除环。
    除环要成为整环,差乘法交换律;整环要成为除环,差 (非零元) 有乘法逆元 ;

  13. 循环群设N,+4〈N,+_4〉与设{11ii},×〈\{1,-1,i,-i\},\times〉同构

    f:N1,1,i,if:N→{1,-1,i,-i} 为一个双射。由于ff 是双射,所以f(0)=1f(0)=1。因为ff 是同映射所以对于任意的a,bNa,b∈N,都有f(a+b)=f(a)×f(b)f(a+b)=f(a)×f(b)。因此,我们可以得到:
    f(0+0)=f(0)×f(0)f(0+0)=f(0)×f(0)
    f(0+1)=f(0)×f(1)f(0+1)=f(0)×f(1)
    f(0+2)=f(0)×f(2)f(0+2)=f(0)×f(2)
    f(0+3)=f(0)×f(3)f(0+3)=f(0)×f(3)
    由于f(0)=1f(0)=1,所以我们可以得到:
    f(1)=±i,f(2)=±1,f(3)=±if(1)=±i,f(2)=±1,f(3)=±i
    因此,我们可以得到:

    N=4=1+i,i,1i,i=1i,i,1+i,i=4N=〈4〉=〈1+i,i,-1-i,-i〉=〈-1-i,-i,1+i,i〉=〈-4〉

    因此,循环群设N,+4〈N,+_4〉与设11ii,×〈{1,-1,i,-i},\times〉同构

  14. 整环一定是域

    整环是交换含幺的无零因子环,它与域概念仅差每个非零元都有 (乘法) 逆元。但在有限环的情况下,无零因子    \iff 每个非零元都有乘法逆元。

  15. F,,〈F, \oplus , \otimes〉是域,R,,〈R, \oplus , \otimes〉F,,〈F, \oplus , \otimes〉的子环,则R,,〈R, \oplus ,\otimes〉是整环

    关于\oplus 交换,关于\otimes 含幺,无零因子,由定义易知,子环不一定含幺,则错

# 第二题解答

(10%)设 a 是 10 阶群的生成元,则a3,a4a^3,a^4 是几阶元素?

解答

10 阶,5 阶,310=30,45=203\ast 10=30,4\ast 5=20

# 第三题解答

(20%)设G,〈G,\ast〉是交换群,e 是\ast 的幺元,S,〈S,\ast〉G,〈G,\ast〉的子群,定义 G 上的二元关系 R 如下:

x,yG,(x,y)R    (aS)(xa=a1y)\forall x,y\in G,(x,y)\in R \iff (\exists a\in S)(x\ast a=a^{-1}\ast y)

  1. 证明:R 是 G 上的等价关系
  2. G,=(N6,+6),S=([0]6,[3]6)〈G,\ast〉=(N_6,+_6),S=([0]_6,[3]_6),求出所有等价类
解答

(1) 要证明 R 是 G 上的等价关系,需要证明 R 满足自反性、对称性和传递性。
自反性:对于任意xGx\in G,由于eSe\in Sxe=e1x=xx\ast e=e^{-1}\ast x=x,所以(x,x)R(x,x)\in R。因此,R 满足自反性。
对称性:对于任意x,yGx,y\in G,若(x,y)R(x,y)\in R,则存在aSa\in S 使得xa=a1yx\ast a=a^{-1}\ast y。由于 G 是交换群,所以a1y=ya1a^{-1}\ast y=y\ast a^{-1}。又因为 S 是 G 的子群,所以 a1Sa^{-1}\in S。因此,(y,x)R(y,x)\in R。所以 R 满足对称性。
传递性:对于任意x,y,zGx,y,z\in G,若(x,y)R,(y,z)R(x,y)\in R,(y,z)\in R,则存在a,bSa,b\in S 使得 xa=a1y,yb=b1zx\ast a=a^{-1}\ast y,y\ast b=b^{-1}\ast z。将两式相乘得到

(xa)(yb)=(a1y)(b1z)(x\ast a)\ast (y\ast b)=(a^{-1}\ast y)\ast (b^{-1}\ast z)

由于 G 是交换群,所以

x(ab)=(a1b1)zx\ast (a\ast b)=(a^{-1}\ast b^{-1})\ast z

又因为 S 是 G 的子群,所以ab,b1a1Sa\ast b,b^{-1}\ast a^{-1}\in S。因此,

x(ab)=(b1a1)zx\ast (a\ast b)=(b^{-1}\ast a^{-1})\ast z

(x,z)R(x,z)\in R。所以 R 满足传递性。
综上所述,R 满足自反性、对称性和传递性,因此 R 是 G 上的等价关系。

(2) 由交换与群定义可知,xaa=yx\ast a \ast a=y (交换右半式,右乘 a)
[0]6+[0]6+[0]6=[0]6,[0]6+[3]6+[3]6=[0]6,{[0]6,[0]6}[0]_6+[0]_6+[0]_6=[0]_6,[0]_6+[3]_6+[3]_6=[0]_6,则\{[0]_6,[0]_6\} 是个等价 类,由于是类,去重有:{[0]6}\{[0]_6\}
[1]6+[0]6+[0]6=[1]6,[1]6+[3]6+[3]6=[1]6,{[1]6,[1]6}[1]_6+[0]_6+[0]_6=[1]_6,[1]_6+[3]_6+[3]_6=[1]_6,则\{[1]_6,[1]_6\} 是个等价 类,由于是类,去重有:{[1]6}\{[1]_6\}
以此类推,6 个等价类,为N6N_6 的 6 个元素单独成类

# 第四题解答

(20%)已知S1,,〈S_1, \oplus , \otimes〉S2,,〈S_2, \oplus , \otimes〉是环R,,〈R, \oplus , \otimes〉的两个子环

  1. S1S2,,〈S_1\cap S_2, \oplus , \otimes〉R,,〈R, \oplus , \otimes〉的子环吗,给出理由
  2. 如果S1,,〈S_1, \oplus , \otimes〉S2,,〈S_2, \oplus , \otimes〉都是无零因子环,
    那么S1S2,,〈S_1\cup S_2, \oplus , \otimes〉一定是无零因子环吗,给出理由
解答

R,,〈R, \oplus , \otimes〉是代数系统,\oplus 和\otimes 是 R 上的两个二元运算,若R,〈R, \oplus〉是交换群,R,〈R, \otimes〉是半群,\otimes 对 \oplus 满足分配率,则是环
(1) 首先,由于S1S2S_1\cap S_2S1S_1S2S_2 的交集,所以它包含在这两个子环中。因 此,它也包含在环 R 中。
其次,我们需要证明对于任意x,yS1S2x,y\in S_1\cap S_2,xyx\oplus y,xyx\otimes y,x-x 都 属于S1S2S_1\cap S_2. 由于x,yS1S2x,y\in S_1\cap S_2, 所以x,yS1x,y\in S_1x,yS2x,y\in S_2. 因为S1S_1S2S_2 都是子环,所以xyx\oplus y,xyx\otimes y,x-x 都属于S1S_1, 同时也都属于S2S_2. 因此,根据交集的定义,我们可以得出结论:对于任意x,yS1S2x,y\in S_1\cap S_2, xyx\oplus y,xyx\otimes y,x-x 都属于S1S2S_1\cap S_2.
综上所述,我们证明了S1S2,,〈S_1\cap S_2, \oplus , \otimes〉是一个子环。

(2) 不一定。设R=ZR=\mathbb{Z}=+6\oplus = +_6,=×6\otimes = \times_6. 设 S1=2ZS_1=2\mathbb{Z}S2=3ZS_2=3\mathbb{Z}。那么,虽然这两个子环都没有零因子,但是它们 的并集却有零因子:6。

# 整体试卷

# 判断题 50%

1,判断题 10%

  1. S,〈S,\ast〉是一个含幺半群,如果运算\ast 满足消去律,那么S,〈S,\ast〉是一个群
  2. 含幺半群的子半群一定是含幺半群
  3. 幺元是群的唯一幂等元
  4. G,〈G,\ast〉是群,则 G 必有二阶元素
  5. G,〈G,\ast〉是群,G=n,xG,xm=e,mI,mn|G|=n,设x\in G,若x^m=e,m\in I,则m|n
  6. Nm,+m,×m〈N_m,+_m,\times_m〉, 当 m 为合数时,Nm,+m,×m〈N_m,+_m,\times_m〉是整环
  7. 循环群的子代数系统一定是循环群
    8.G={1,3,4,5,9}G=\{1,3,4,5,9\}, 则G,×11〈G, \times_{11} 〉是群
  8. G,〈G,\ast〉是群,|G|=6, 则它一定没有四阶子群
  9. 没有非平凡子群的有限群一定是循环群
  10. 循环群有且只有两个生成元
  11. 除环是含幺的无零因子环
  12. 循环群设N,+4〈N,+_4〉与设{11ii},×〈\{1,-1,i,-i\},\times〉同构
  13. 整环一定是域
  14. F,,〈F, \oplus , \otimes〉是域,R,,〈R, \oplus , \otimes〉F,,〈F, \oplus , \otimes〉的子环,则R,,〈R, \oplus ,\otimes〉是整环

解答题
2,(10%)设 a 是 10 阶群的生成元,则a3,a4a^3,a^4 是几阶元素?

3,(20%)设G,〈G,\ast〉是交换群,e 是\ast 的幺元,S,〈S,\ast〉G,〈G,\ast〉的子群,定义 G 上的二元关系 R 如下:

x,yG,(x,y)R    (aS)(xa=a1y)\forall x,y\in G,(x,y)\in R \iff (\exists a\in S)(x\ast a=a^{-1}\ast y)

(1) 证明:R 是 G 上的等价关系
(2) 设G,=(N6,+6),S=([0]6,[3]6)〈G,\ast〉=(N_6,+_6),S=([0]_6,[3]_6),求出所有等价类

4,(20%)已知S1,,〈S_1, \oplus , \otimes〉S2,,〈S_2, \oplus , \otimes〉是环R,,〈R, \oplus , \otimes〉的两个子环
(1)S1S2,,〈S_1\cap S_2, \oplus , \otimes〉R,,〈R, \oplus , \otimes〉的子环吗,给出理由
(2) 如果S1,,〈S_1, \oplus , \otimes〉S2,,〈S_2, \oplus , \otimes〉都是无零因子环,那么S1S2,,〈S_1\cup S_2, \oplus , \otimes〉一定是无零因子环吗,给出理由

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