离散数学笔记:代数2_同态映射(1)

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复习:关于映射

映射中,每个象都必然有一个原象

  • 满射:任一象都能找到一个原象。一个象可以有多个原象(即,可以多对一,且象集中不能有剩余的元素);
  • 单射:一个象至多只有一个原象。(若象相同则原象一定相同,若象不同则原象一定不同。象集、原象集都可以有剩下的元素);
  • 双射:单射且满射。原象集、象集中的元素一一对应。

同态映射

同态映射也是一种映射,它是从代数到代数的映射——同态映射建立了代数到代数之间的映射关系。
在这样的关系中,自然也包括了两个代数中的载体间、运算间、常元间的映射关系

对于代数 A=<S,,Δ,k>A = <S, *, Δ, k>A=<S,,Δ,k>A' = <S', *', Δ', k'>,若存在 fSSf:S→S' 使 a,bS∀a,b ∈ S,均满足:

  • f(ab)=f(a)f(b)f(a*b) = f(a) *' f(b)
  • f(Δa)=Δf(a)f(Δa) = Δ'f(a)
  • f(k)=kf(k) = k'

则称: ffAAAA' 的一个同态映射AA 同态于 AA' 记作 AAA~A'

上面这三个条件,简单地说就是【先运算后映射,等于先映射后运算】:f(ab)f(a*b) 是对运算 aba*b 的值进行 f 映射,而 f(a)f(b)f(a) *' f(b) 是对 aba、b 分别映射后的值 f(a)f(b)f(a)、f(b) 进行 *' 运算 。
需要注意的是,映射前元素使用的运算是 AA 中的 Δ*、Δ,而映射后元素使用的运算是 AA' 中的 *'ΔΔ'

同态象

同态象也是一个代数系统,其是以原载体中所有元素的象的集合为载体的代数系统。该代数和原象代数满足前文中所描述的同态映射的关系

ff 是从 A=<S,,Δ,k>A=<S, *, \Delta, k>A=<S,,Δ,k>A'=<S', *', \Delta', k'> 的同态映射,则称 <f(S),,Δ,k><f(S), *', \Delta', k'> 为 A 在 ff 下的同态象。

其中f(S)={xx=f(a),aS}f(S)=\{ x|x=f(a), a\in S \}

同态象 <f(S),,Δ,k><f(S), *', \Delta', k'> ,是代数系统 A=<S,,Δ,k>A'=<S', *', \Delta', k'> 的子代数(该条是一个定理,下面会有证明)

<I,><I, \cdot>II 是整数集合,\cdot 是整数集合上的普通乘法。若只关心运算的结果是正、负还是 0 ,则可以将结果特征用代数系统 <B,><B, \odot> 表示:其中,B=+,,0B = {+, -, 0}BB 上的二元运算,运算表如下图。请构造从 <I,><I, \cdot><B,><B, \odot> 的同态映射(灰色虚线框内为题解及注释 / 解析)

这道题给了我们一个启示:同态,可以将复杂的代数系统简化,从而实现复杂问题的简化 —— 本题就是将无限集合上的运算映射到只有三个元素的载体的运算上。

这里的关键在于怎样构造一个符合需要的映射

同态映射的分类

在开始之前,我们再来复习一下三种映射

映射中,每个象都必然有一个原象

  • 满射:任一象都能找到一个原象。一个象可以有多个原象(即,可以多对一,且象集中不能有剩余的元素);
  • 单射:一个象至多只有一个原象。(若象相同则原象一定相同,若象不同则原象一定不同。象集、原象集都可以有剩下的元素);
  • 双射:单设且满射。原象集、象集中的元素一一对应。

ff 是从 A=<S,,Δ,k>A=<S, *, \Delta, k>A=<S,,Δ,k>A'=<S', *', \Delta', k'> 的一个同态映射。根据同态映射的映射种类不同,同态映射可以分成下面这几种类型:

  • 单一同态: ff 是单射;
  • 满同态: ff 是满射。此情况下,AA' 就是满同态 ff 的一个同态象;
  • 同构: ff 是双射,则 AA 同态于 AA',记作 AAA\cong A'
  • 自同态: A=AA = A' ,则 ffAA 上的自同态;
  • 自同构: A=AA = A'ff 是双射

例:

  1. NN 为自然数集合,++NN 上的普通加法。设 Nk=0,1,,2...,k1N_k={0, 1, ,2 ..., k-1}+k+_kNN 上的模 kk 加运算
    f:NNkf:N\rightarrow N_k 定义为:f(x)=x(mod k)f(x)=x(mod\space k)
    请证明:ff 是从 <N,+,0><N, +, 0><Nk,+k,0><N_k, +_k, 0> 的一个满同态映射(灰色虚线框内为题解及注释 / 解析)
  2. A=abcdA={ a,b,c,d } , AA 上的 ☆ 运算如下表 aaB=0123B={ 0,1,2,3 }BB 上的 * 运算如下表 bb。请构造从 <A,>< A, ☆ ><B,><B, *> 的同构映射(灰色虚线框内为题解及注释 / 解析,其余为题干)

定理

ff 是从 A=<S,,Δ,k>A = <S, *, Δ, k>A=<S,,Δ,k>A' = <S', *', Δ', k'> 的一个同态映射,则 A 的同态象 <f(S),,Δ,k><f(S), *', \Delta', k'>AA' 的子代数