任何域的有限乘法子群都是循环群,这个命题怎么证明?

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2021-12-21 · 工具人爱聊生活,专注于分享生活
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证明如下:

设这个有限乘法子群为G, 设a是G中阶数最大的一个元素,并设a的阶数为r, 记A=<a>。

假设r<|G|。

因为G是个有限阿贝尔群,所以G中任意元素的阶数都能整除阶数最大的元素的阶数。

所以任给c∈G\A, 设c的阶数为n, 则n|r, 设r=kn。

因为c与1,a^k,a^{2k},...,a^{(n-1)k}都为x^n=1的根,而该方程在此域中的根不会超过n个,所以c必定等于1,a^k,a^{2k},...,a^{(n-1)k}中的一个,与c∈G\A矛盾。

综上所述,G为循环群。

子群的基本性质

H是群G的子群当且仅当其为非空集且在乘积和逆运算下为封闭的。(封闭条件是指:任两个在H内的元素a和b,ab和a−1都为在H中。这两个条件可以结合成一个等价的条件:任两个在H内的a和b,ab−1也会在H内。)

在H是有限的情状下,则H是一个子群当且仅当H在乘积下为封闭的。(在此一情形下,每一个H的元素a都会产生一个H的有限循环子群,且a的逆元素会是a−1 = an − 1,其中n为a的目。)

上述的条件可以用同态来叙述;亦即,H为群G的子群当且仅当H为G的子集且存在一个由H映射到G的内含同态(即对每个a,i(a) = a)。

子群的单位元亦是群的单位元:若G是个有单位元素eG的群,且H为具有单位元素eH之G的子群,则eH = eG。

一个子群内的一元素之逆元素为群内的此元素的逆元素:若H是群G的子群,且a和b为会使得ab=ba=eH之H内的元素,则ab = ba = eG。

子群A和B的交集亦为一个子群。但其联集亦为一个子群当且仅当A或B包含着另外一个,像是2和3是在2Z与3Z的联集中,但其总和5则不是。

若S是G的子集,则存在一个包括S的最小子群,其可以由取得所有包括S的子群之交集来找出;此一最小子群被标记为且称为由S产生的子群。G内的一个元素在内当且仅当其为S内之元素的有限乘积且其逆元。

群G内的每一个元素a都会产生一个循环子群。若同构于某一正整数n之Z/nZ,则n会是最小个会使得an = e的正整数,且n被称为是a的“目”。若同构于Z,则a会被称有“无限目”。

任一给定的群之子群都会形成一个在内含下的完全格,称之为子群格。(其最大下界为一般的集合论交集,而其一群子群的最小上界所此些子群之集合论联集“所产生”的子群。)若e为G的单位元素,则其当然群{e}会是群G的最小子群,而其最大子群则会是群G本身。

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