Т(критерий подгрупп)
Н подгр-па G
1.Н замкнуто относит-но опрераций + и *
2.н.э. , где е- н.э. в G
3.
Пр-р: <Z,+> - гр., <H,+> - подгр., где H – мн-во чисел кратных 3.
Опр. Группа
наз-ся симметрической.
Теор Кэли. Всякая конечная группа порядка n изоморфна некоторой подгр. симметрической гр. Sn n-го порядка.
Д-во: Пусть T(G)-совок-ть всех левых трансляций мн-ва G. По теор (предыдущей) есть подгруппа группы SG.
Пусть h- отображение мн-ва G на T(G), определяемое формулой
. H сохр. главные операции группы I.
h-инъект. отобр., т.к. , если h(a)=h(b), то ta=tb, ta(l)=tb(e), где e- единица группы I, ae=be, значит a=b. След-но h- изоморфизм группы I на подгруппу F сим-ой группы SG на мн-во G. Ч.т.д.
Опр. Эл-т aG наз-ся эл-том конечного порядка, если для него найдется нат-е число n такое, что an=e (единичному эл-ту группы). Если для эл-та a гр. G такого нат-го числа n не сущ-ет, то эл-т a наз-ся эл-том бескон-го порядка.
Опр. Порядком эл-та a группы G наз-ся наименьшее нат-е число k такое, что ak=e. Обознач-ся О(а).
Теор. В конечн. гр. <G,·> всякий эл-т имеет конечный порядок.
Теор. Если порядок эл-та а равен k и эл-т b имеет вид as, то порядок эл-та as равен k/НОД(s,k).
Опр. Пусть G=(a). Такая группа наз-ся циклической с порождающим элементом а.
Теор. Любая бесконечная циклическая группа изоморфна группе целых чисел по сложению. Любая конечная циклическая группа порядка n изоморфна группе остатков от деления на n.
Теор. Любая подгруппа циклической группы – циклическая.
Смежные классы группы по подгруппе.
Опр. Дана группа G. Н-подгруппа G, -фиксированный=> левым смежным классом, порожд.эл-ом а наз-ся множ-во ,кот.состоит из
Правм смежным классом, порожд.эл-ом а наз-ся множ-во
Св-ва:
-
Любые два правых смежных класса гр. G по подгр. Н либо совпадают, либо не пересекаются.
-
Пусть K – конечная подгр.гр. G, gG. Тогда число эл-тов смеж-го класса Hg равно числу эл-тов мн-ва H.
Опр Пусть G – конечная гр. Число эл-тов ее основного мн-ва G наз-ся порядком гр. G.
Теор Лагранжа. Порядок подгр. конечной гр. яв-ся делителем порядка гр.
Док-во. Пусть K – подгр. конечной гр. G и H, Hg2, …, Hgk – мн-во всех различных правых смежных классов гр. G по подгр. K. Тогда G=H Hg2 ... Hgk (1), причем любые два смежных класса, входящих в это объед-е, не пересекаются. Поэтому если n – число эл-тов мн-ва G и m – число эл-тов мн-ва H, то, по свойству 4, число эл-тов любого смежного класса Hgi равно m и в силу (1) n=mk.
Сл-е 1. Если G – конечная гр. порядка n и gG, то порядок эл-та g делит n.
Сл-е 2. Любая конечная гр. простого порядка яв-ся циклической.
Опр. Алгебра наз кольцом,е/и вып. след.усл-я:
0) К замкнуто относ-но + и *
-
<K,+> - алгебраическая система – коммутативная или абелева гр:
а) (a,bK)(a+b=b+a) (ab=ba)
б)(a,b,cK) ((a+b)+c=a+(b+c))
в) ( 0K)(aK)(a+0=a)
(1 K)(aK)(a*1=a)
г) (aK)( -aK)(a+(-a)=0) (aK)( K)(a*=1)
2) Операция умнож-я в K ассоциативна, т.е. (a,b,cK)((ab)c=a(bc))
3) Сложение связано двумя законами дистрибутивности:
a, b, cK (a(b+c)=ab+ac) и ((a+b)c=ac+bc)
Пр-ры:Z, 2Z,Q, R, Z[i]={a+bi/a,b Z} – кольца, N – не кольцо.
Св-ва колец.
-
Т. к. <K,+> - группа, то в K нулевой эл-т единственный.
-
Для каждого эл-та противоположный тоже единственный.
-
Ур-ние вида a+x=b имеет единственный корень (a, bK). Очевидно, корнем будет x=b+(-a), b+(-a)=b-a – так будем обозначать и наз-ть разностью эл-тов b и a.
-
Операция вычитания связана с операцией умножения двумя законами дистрибутивности: (a-b)c=ac-bc ; c(a-b)=ca-cb.
-
Для любого aK a·0=0 (a·0=a(b-b)=ab-ab=0).
-
a(-b)=-(ab) ( ab+a(-b)=a(b+(-b))=a·0=0 ) ; -a(-b)=ab ( -a(-b)=-(-ab)=ab )
Опр. Непустое подмн-во H кольца K наз-ся подкольцом кольца K, если H яв-ся кольцом относ-но операций, определенных в K.
Пр-р. <Z,+,·> - кольцо. Мн-во четн чисел – подкольцо в кольце Z.
Теор (критерий подкольца). Непустое подмн-во H кольца K яв-ся подкольцом в K, если мн-во H замкнуто относ-но операции вычитания и умножения.
Область целостности.
Опр. Кольцо K наз-ся коммутативным, если операция умнож-я в нем коммутативна, т. е. a,bK (ab=ba).
Опр. Кольцо K наз-ся кольцом с единицей, если K содержит нейтральный эл-т (единичный) относительно операции умножения.
Опр. Эл-т a≠0 из K наз-ся делителем нуля, если в K найдется эл-т b≠0 такой, что ab=0 или ba=0.
Опр. Коммутативное кольцо с единицей, в к-ром нет делителей нуля, наз-ся областью целостности.
Делимость в кольце.
Будем рассматривать коммутативные кольца с единицей.
Опр. Эл-т а из кольца делится на эл-т b из K, если a=bq при нек-ром q из K.
Отнош-е делимости в K обладает всеми св-ми, к-рыми это отнош-е обладает в кольце Z. ( РФ: аа ; любое а1 и а(-1) ; ab и bс, то ac ; ab и cb, то (a±c)b ; ac то abc ; ab то |a|≥|b| ; ab и ba то a=b или a=-b )
Опр. Разделить целое число а на целое число b≠0 с остатком, значит найти целые числа q и r такие, что выполняются условия: a=bq+r; 0≤r<|b|.
Т. Всякое целое число a можно разделить с остатком на целое число b≠0 и притом единственным образом.
Т. В области целостности из равенства ab=ac, где a, b, c принадлежат области целостности K и а≠0, следует b=c.
Док-во. ab=ac, ab-ac=0, a(b-c)=0, b-c=0, b=c.
Опр. Эл-т a’K наз-ся обратным для aK, если aa’=a’a=e.
Опр. Если эл-т aK имеет обратный a’K, то эл-т а наз-ся обратимым в K.
Т. Мн-во K* всех обратимых эл-тов кольца K образует группу относительно операции умножения.
Док-во. Докажем, что <K*,·> - группа.
-
Пусть a, bK*. Докажем, что abK*. Т. к. a, bK*, то a, a-1, b, b-1
abb-1a-1=a(bb-1)a-1=aea-1=aa-1=e, т. е. ab K*.
-
eK*.
-
Умножение в K* ассоциативно: a, b, cK* ((ab)c=a(bc))
-
Если аK*, то для него сущ-ет ему обратный в K*. Т. к. аK*, то для него обратный есть – это а-1K*. Ч. Т. Д.
Опр. К-область целостности. a,b K.Элементы a,b наз-ся ассоциированными, если они отлич-ся на обратимый эл-т
a,b-ассоц
Опр К-область целостности. Ненул эл-т a наз-ся простым, е/и он необратим в К и из рав-ва a=bc следует, что и(или с)обратим
Опр. Эл-т а≠0 из области целостности K наз-ся составным, если он необратим и допускает предстваление в виде: a=bc,где b.c –необратимы и b,с K
Опр. Коммутативное кольцо, в котором не менее двух эл-тов и всякий ненулевой эл-т которого обратим, наз-ся полем.
Опр. Подполем поля F наз-ся подкольцо поля F, в к-ром всякий ненулевой эл-т обратим.
Св-ва поля: Пусть F=<F,+,-,*,1> - поле. Тогда для любых эл-тов a,b,c поля :
1. если ab=1,то a<>0 и b=a-1; 2. если ac=bc и c<>0, то a=b; 3. если ab=0,то a=0 или b=0; 4. если a<>0 и b<>0, то ab<>0; 5. a/b=c/d т. и т.т., когда ad=bc, b<>0 и d<>0;
6. a/b+-c/d=(ad+-bc)/(bd);
7. a/b*c/d=(ac)/(bd); 8.
a/b+(-a)/b=0 и –(a/b)=(-a)/b;
9. если a<>0 и b<>0, то
(a/b)-1=b/a
10. ac/bc= a/b
М6,7 - 6. Кольцо мн-нов от одной переменной.
Опр. Выражение вида наз-ся многочленом с коэф-ми из К (кольцо), ai из K.
Опр. Два многочлена наз-ся равными, если они имеют одинаковые соотв-е коэф-ты.
Если в записи
аn<>0, то многочлен f имеет степень n.
Операции
Если f(x)= a0+a1x+a2x2+…+anxn, g(x)=b0+b1x+b2x2+…+bkxk,то f+g=(a0+b0)+…+(ap+bp)xp, где p=max(n,k). Произведением многочленов f и g назыв. сумма всевозмож. произведений U и V,где U-любой член f,V-любой член g.
Теор: Относительно операций + *- многочлены с коэф-ми из К образуют кольцо. Обознач К[x].
Теор: (Схема Горнера) Пусть f(x) мн-н из K[x], тогда для любого х0К мн-н f(x) можно единственным образом представить в виде f(x)=g(x)(x-x0)+c (*), где
Опр.: Эл-т х0кольца К называется корнем f(x) из K[x], если f(x0)=0
Теор (Безу) мн-н f(x) делится на (х-х0) в кольце K[x] , т.и.т.т.к. х0явл-ся его корнем.
док-во: => f(x) делится на (х-х0), тогда f(x)=h(x)(x-х0), след-но, х0 – корень. <= пусть f(x0)=0. f(x) делится с остатком на h(x) (по т. горнера) Тогда f(x)=h(x)(x-a). Чтд
теор. Число корней не нулевого мн-на не превосходит его степени.
Теор (о делении с остатком) пусть Р- произв-е поле, f(x) и g(x) мн-ны Р[x], причем g(x)0, тогда ! пара мн-нов g(x) и r(x) Р[x], такая что
1. f(x)= g(x)q+ r(x)
2. deg r(x) < deg g(x)
Док-во: Пусть f(x)= , g(x)=, причем а0≠0 и b0≠0, если n<m. то можем взять g(x)=0, а r(x)=f(x), тогда f(x)=0*q+r(x). Пусть n>=m. Тогда введем новый мн-н
f1 (x)= f(x)-с0xn-m*g(x), с0=а0/b0
Deg f1 (x) <n-1. Пусть f1(x) имеет стандартный вид f1 (x)=. Положим f2(x)= f(x)-с1xn-m-1*g(x), где с1=а0/b0 тогда deg f2(x) <=n-2
Продолжая этот процесс, получим послед-ть мн-нов f1(x),.., fn(x), причем deg fk(x)<=n-k. Последним получим мн-н
fn-m-1(x), степень кот-го <степени мн-на g(x)
fn-m-1(x)=. Отсюда f(x)= + fn-m-1(x), получаем g(x)= единс-ть: Предположим противное f(x)=q1 g(x)+r1=q2 g(x)+r2, deg r2 < deg g(x), deg r1 < g(x). Рассмотрим разность (q1-q2) g(x)=r2-r1, если q1 ≠q2 deg(q1-q2)g>= deg g(x), но степень r2-r1 , deg g(x) противоречие q1=q2 r1=r2
НОД мн-нов над полем
если мн-н D обладает св-ми:
-
D яв-ся делителем каждого из мн-нов f1(x) … fn(x) т.е.их общим делителем.
-
D делится на всякий ОД мн-нов f1(x) … fn(x) наз-ся НОД мн-нов f1(x) … fn(x)
Теор НОД ! и можно представить его в виде D= u1*f1(x)+ … +unfn(x), где ui Р[x]
Опр Представление к-либо мн-на в этом виде наз-ся его линейным представлением.
Зам: НОД мн-нов f1(x) … fn(x) м.б. определен как их общий делитель наиб-й степени
Алгоритм Евклида:
НОД двух мн-нов f (x) и g(x) Р[x] можно найти при помощи алгоритма Евклида
f=gq1+r1, g=q2r1+r2…. rn-2=qnrn-1+rn,
rn-1=qn+1rn
Причем degrn<degr2 <.. <deg g последний ненулевой остаток rn это и есть НОД мн-нов g и f. НОД неск-х мн-нов м.б. найден индуктивным способом. Делители мн-на НОД(f1(x) … fn(x)) это в точности делители мн-нов f1(x) … fn(x)
Линейное представ-е НОД мн-нов
Пусть D НОД мн-нов f и g P[x], тогда всякий h кратный D можно представить в виде uf+vg,где u и vP[x], это наз-ся линейным представлением числа. 2 способа представления:
1.При помощи алгоритма Евклида (Каждое последующее равенство подставляем в предыдущее).
2.Метод неопр-х коэф-в: т.к. h кратно D, то h=h1 D=h1uf+h1vg. Запишем искомые мн-ны u и v в общем виде с неопр-ми коэф-ми. Тогда приравнивая коэф-ты при одинаковых степенях х в рав-ве, получим сис-му ЛУ для применения этого метода необх-мо знать оценки степеней u и v. чтобы знать, в каком виде их запомнить.
Взаимно-простые мн-ны:
Опр. Мн-ны f1(x) … fn(x) называются взаимнопростыми, если выполняется НОД(f1(x) … fn(x))=1
Теор Мн-ны f1(x) … fn(x) P[x] взаимопросты↔ такие мн-ены P[x], что 1 линейно выражается через f1(x) … fn(x)т.е. 1=
Док-во: пусть f1(x) … fn(x) взаимнопросты . тогда НОД(f1(x) … fn(x))=1 =1
обратно: Пусть выполняется условие =1, тогда всякий делитель f1(x) … fn(x) будет делить левую часть равенства. делить ед-цу он ассоциирован с 1 яв-ся эл-том Р. чтд.
Любой мн-н м.б. представлен в виде = h, если f1(x) … fn(x) взаимопросты.
НОК мн-нов:
НОК мн-нов f1(x) … fn(x) наз-ся мн-н h облад-ий свойствами:
1.мн-н h делится на мн-ны f1(x) … fn(x), т.е. яв-ся их общим кратным.
2. h делит любое общее кратное мн-нов f1(x) … fn(x)
Теор НОК !
Теор Для двух мн-нов f и g НОК(f,g) и НОД(f,g) связаны соотношением НОК(f,g)* НОД(f,g)=с f g, где с –некоторый эл-т P[x].
Разложение мн-нов на неприводимые множители:
Опр: Ненулевой эл-т наз-ся простым, если он не обратим и не м.б. разложен в произведение двух необратимых эл-тов. Простые эл-ты кольца P[x], наз-ся неприводимыми мн-нами. (это такой мн-н. положит-е степени к-го м.б. представлены в виде двух мн-нов меньшей степени.)
Пр-ры: ax+b, a<>0 не приводим над любым полем.
2. x2-2=(x-√2)(x+√2) не приводим над U, но приводим над R.
Теор: Всякий мн-н fP[x], не явл. эл-том поля Р, м.б.разложен в произведение неприводимых множителей f=р1р2.. рn, причем если f= q1q2.. ql,-другое разложение на неприводимые множители, то m=l и
М6,7 - 7. Элементы теории срав-ий
Опр. Пусть m N, m>1, a,bZ. Число a сравнимо с числом b по модулю m, если (a-b)m a≡b(mod m) (a-b)m.
Т (признак сравнимости): Целые числа a и b сравнимы по модулю m они при дел-ии на m дают одинаковые остатки. a≡b(mod m) rest (a,m)= rest(b,m)
Опр.Два целых числа a и b наз. срав-ми по мод. M, если при дел-ии на m они дают один-е остатки.
След. Всякое целое число сравнимо по мод. m с остатком от дел-ия этого числа на m, т.е. если a=mq+r, где , то a=r(mod m)
Св-ва (несвязанные с модулем):
1)Отношение срав-ия на Z явл. oтношением эквив-ти (очевидно).
2)Верные срав-я по одному и тому же модулю можно почленно складывать и вычитать.
3)Срав-ия по одному и тому же модулю можно почленно умножать.
Сл-е: а) к обеим частям верного срав-ия можно прибавлять любое целое число
б) члены срав-ия можно переносить из одной части в другую с противоположным знаком
в) обе части срав-ия можно возводить в любую натуральную степень
г) обе части срав-ия можно умножать на любое целое число
д) пусть f(x) – мн-н с целыми коэфф. f(x)=a0+a1x1+…+anxn, где aiZ,i=0,…,n Если c≡d(mod m), то f(c)≡f(d)(mod m).
Св-ва (связанные с модулем)
1)Если два числа сравнимы по mod m, то они срав-мы по любому делителю этого модуля.
2)Обе части срав-ия и mod можно сократить на их общий множитель.
3)Обе части срав-ия и mod можно умножить на любое целое число >1.
4)Обе части срав-ия можно разделить на число, вз-о простое с mod, если это число делит каждую из частей срав-ия.
Отнош-е сравн-ти на Z явл. отнош-м эквив-ти. Мн Z при этом разбивается на непустые, непересек-ся классы эквив-ти, к-ые в объединении состав. всё мн-во целых чисел. Это классы сравнимых между собой чисел по данному модулю.
ОПР. Классы эквивал. по отношению сравн-ти наз-т классами вычетов. Эл-ты этих классов наз-т вычетами.
Обознач: aZ, - класс вычетов, порождённый элем-м а. ={xZ /x≡a (mod m)}.
Т: Сущ-ет ровно m различных классов вычетов по mod m.
Все классы по модулю m обознач (, ,… , ). Мн-во всех классов вычетов по модулю m обознач Zm ={,, … , } – фактор – мн-во.
Опр Суммой кл выч и называется класс, порождённый эл-м .
+=, анал-но произведение.
Т: <Zm ,+,*> - кольцо
Рас-м Zm =={,,… , }. Выберем по одному эл-ту из каждого класса вычетов. Получим полную систему вычетов (ПСВ).
ОПР. ПСВ по mod m наз-ся совок-ть чисел, взятых в точности по одному из каждого класса вычетов по данному mod. Из опр. ═> а)ПСВm содержит ровно m эл-ов.б) т.к. каждый класс – бескон-е мн-во, то ясно, что ПСВ бесконечно много, среди них выдел. нес-ко особых, н-р, Z5 , , …,
ПСВ5 – 5, 1, 42, 3, -1
Т: Любая совок-ть m - различных чисел образует ПСВm тогда и только тогда, когда они попарно несрав-мы.
Т: Пусть НОД(a,m)=1,a,bZ. x1,x2, …, xm – ПСВ. Док-ть: ax1+b, ax2+b, …, axm+b – ПСВ.
Согласно предыдущей теореме достаточно доказать, что данные числа попарно несравнимы (МПО).
Приведённые системы вычетов – особое подмн-во ПСВ.
ОПР. Пусть Zm =={,,… , }, Zm. НОД класса и mod m наз-т НОД представителя этого класса и модуля: НОД(,m)=НОД(a,m)
ОПР.Кл выч наз-т взаимно простым с модулем m, если НОД(,m)=1.
Если из каждого класса вычетов, взаимно простого с модулем, взять в точности по одному элементу, то получ. Приведенную СВ.
ОПР. Привед.СВ назыв. совок-ть чисел, взятых в точности по одному из каждого класса, вз-о простого с модулем, и попарно несравнимых.
Пр-р. Z5 ={, , …, } НОД(, )=НОД(0,5)=5 ПрСВ наим. полож. 1,2,3,4. ПрСВ абсол. Наим. 1,2,-2,-1.
Т. Пусть в Zm имеется ровно к-классов взаим. простых с mod m , тогда любая совок-ть к-чисел попарно несравнимых по mod m и взаим. простых с mod m явл. ПрСВ.
Т: Если НОД(a,m)=1 и x1,x2, …, xm – Пр.СВ, то ax1, ax2, …, axm – Пр.СВ.
Дост-но д-ть, что числа ax1, ax2, …, axm – попарно несравнимы и взаим. простых с mod m.
Функция Эйлера.
Пусть m- произ. натур. число. Поставим в соот. числу m кол-во N чисел, не превосход. m и взаим. простых с ним (ф-ция Эйлера фи(n)).
Т.о. задана ф-я Эйлера: φ:N→N.
Пр: N, φ(8)=4, 7 N, φ(7)=6.
Пред-е: кол-во эл-ов в любой Пр.СВ по mod m= φ(m)
Лемма : а)Если p- простое, то φ(p)=p-1. б) φ(pk)= pk-1 (p-1)
ОПР. Ф-я назыв. мультипликативной, если cохран. oперацию умнож. f(a*b)=f(a)*f(b), если (a,b)=1.
Функция Эйлера – мультипликатив.
Т.Эйлера: Если числа (a,m)=1, то aφ(m) ≡1(mod m)
Д-во: Рассм. Пр.СВ по mod m наим. полож. Пусть Пр.СВ (наим. полож) состоит из чисел x1,x2, …, xφ(m).
Построим ещё одну Пр.СВ, домножив xi на a: ax1, ax2, …, axφ(m) . Заменим каждый вычет наим. положительным. Пусть, нп, , где xi΄ – наим. полож. вычет соот. класса.
Перемножим почленно все равные системы (*): (**) aφ(m) *x1*x2*…* xφ(m) ≡x1΄ *x2΄ *…* xφ(m)΄ (mod m).
Заметим, что x1΄ ,x2΄ , …, xφ(m)΄ - Пр.СВ (наим. полож), т.е. множество { x1,x2, …, xφ(m) } совпадает со множеством { x1΄ ,x2΄ ,…, xφ(m)΄ } => x1*x2* …* xφ(m) = x1΄ *x2΄ *…*xφ(m)΄.
Покажем, что (x1*x2* …* xφ(m),m)=1.
МОП. Имеем, (x1,m)=1 (x2,m)=1… (xφ(m) ,m)=1.,т.к. xi Пр.СВm => (x1*x2* …* xφ(m),m)=1.
Пусть (x1*x2* …* xφ(m),m)=d≠1>1 =>сущ-ет p- простой делитель d => dp => (x1*x2* …* xφ(m) ) p и mp
=> В каждом из случаев получено противоречие с тем, что взаимно xi и m взаимно просты, а из пр-ля мы получили, что (xi ,m)=p .
Разделим обе части (**) на x1*x2* …* xφ(m), которое взаимно просто с mod m => aφ(m) ≡1(mod m).
След: (теорема Ферма)
а) Если p- простoе (p,a)=1 , то
ap-1≡1(mod p)
Т.к. (p,a)=1 по т Эйлера по опр. ф-ии Э. => ap-1≡1(mod p)
б) Если p-простое и aZ - произв., то
Срав-ия с одной переменной.
ОПР. Срав-ие вида (1), где не сравнимо с 0 по mod m наз. срав-ием степени n, x – символ, oбознач переменную.
Реш-м срав-ия (1) наз. класс , все эл-ты кот-го удовл-ют данному срав-ию.
Опр: Сравн-м 1-ой степени с 1 неизвест наз-ся срав-е вида ax≡b(mod m), где а≡0(mod m)
Два срав-ия равносильны, если совпадают мн-ва чисел, удов-ие каждому из них. Из опр. следует, что алгебр-е срав-ие вида ax≡b(mod m) назыв. срав-ием первой степени, если a не сравнимо с 0 по mod m.
Т: Если a и m - взаимно просты, то срав-ие ax≡b(mod m) имеет ед. решение.
Если НОД( a,m)=d>1и b не делится на d, то срав-ие ax≡b(mod m) не имеет решений.
Пр-р: 5х≡2(mod 6). (5,6)=1
x≡a5φ(6)-1 φ(6)=φ(2)φ(3)=2. x≡2*5=10≡4(mod 6).