2.3 循环群和循环子群

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循环群和循环子群

GG 是任意群,xxGG 中的任意元素。形成 GG 的子群 HH 的方法之一是让 HH 成为所有整数(正数、负数和零)次幂的集合 xx(这保证了至少就 xx 而言,在逆元和乘积下的封闭性)。在本节中,我们研究由一个元素生成的群。

定义

如果群 HH 可以由单个元素生成,即存在某个元素 xHx \in H 使得 H={xnnZ}H = \left\{ {{x}^{n} \mid n \in \mathbb{Z}}\right\}(如往常一样,运算是乘法),则称该群是循环群。

在加法表示法中,如果 HH 是循环群当且仅当 H={nxnZ}H = \{ {nx} \mid n \in \mathbb{Z}\} 。在这两种情况下,我们将写作 H=xH = \langle x\rangle 并说 HHxx 生成(且 xxHH 的生成元)。循环群可能有一个以上的生成元。例如,如果 H=xH = \langle x\rangle ,那么 H=x1H = \left\langle {x}^{-1}\right\rangle 也成立,因为 (x1)n=xn{\left( {x}^{-1}\right) }^{n} = {x}^{-n} 且当 nn 遍历所有整数时,n- n 也同样遍历所有整数,因此使得。

{xnnZ}={(x1)nnZ}.\left\{ {{x}^{n} \mid n \in \mathbb{Z}}\right\} = \left\{ {{\left( {x}^{-1}\right) }^{n} \mid n \in \mathbb{Z}}\right\} .

我们将很快展示如何确定给定循环群 HH 的所有生成元。需要注意的是,x\langle x\rangle 的元素是 xx 的幂(或者在加法群中是 xx 的倍数),而不是整数,且并非所有 xx 的幂都是不同的。另外,根据指数法则,循环群是阿贝尔群。

示例

(1) 设 G=D2n=r,srn=s2=1,rs=sr1,n3G = {D}_{2n} = \left\langle {r,s \mid {r}^{n} = {s}^{2} = 1,{rs} = s{r}^{-1}}\right\rangle ,n \geq 3 并且设 HH 是所有 nn 边形的旋转的子群。因此 H=rH = \langle r\rangle 并且 HH 的不同元素是 1,r,r2,,rn11,r,{r}^{2},\ldots ,{r}^{n - 1}(这些是所有不同的 rr 的幂)。特别是 H=n\left| H\right| = n 并且 HH 的生成元 rr 的阶是 nnrr 的幂以周期 nn “循环”(向前和向后),即,

rn=1,rn+1=r,rn+2=r2,{r}^{n} = 1,{r}^{n + 1} = r,{r}^{n + 2} = {r}^{2},\ldots
r1=rn1,r2=rn2, etc. {r}^{-1} = {r}^{n - 1},{r}^{-2} = {r}^{n - 2},\ldots \text{ etc. }

一般地,为了将 rr 的任何幂,比如说 rt{r}^{t},写成 rk{r}^{k} 的形式,对于某些介于 0 和 n1n - 1 之间的 kk,使用除法算法来写

t=nq+k,   where 0k<n,t = {nq} + k,\;\text{ where }0 \leq k < n,

使得

rt=rnq+k=(rn)qrk=1qrk=rk.{r}^{t} = {r}^{{nq} + k} = {\left( {r}^{n}\right) }^{q}{r}^{k} = {1}^{q}{r}^{k} = {r}^{k}.

例如,在 D8,r4=1{D}_{8},{r}^{4} = 1 中,所以 r105=r4(26)+1=r{r}^{105} = {r}^{4\left( {26}\right) + 1} = r 并且 r42=r4(11)+2=r2{r}^{-{42}} = {r}^{4\left( {-{11}}\right) + 2} = {r}^{2}。注意到 D2n{D}_{2n} 本身不是一个循环群,因为它不是阿贝尔群。

(2) 设 H=ZH = \mathbb{Z} ,在操作 + 下。因此 H=1H = \langle 1\rangle (这里的 1 是整数 1,HH 的单位元是 0),并且 HH 中的每个元素都可以唯一地写成 n1n \cdot 1 的形式,对于某些 nZn \in \mathbb{Z} 。与前面的例子不同,生成元的倍数都是不同的,我们需要取生成元的正倍数、负倍数和零倍数来得到 HH 的所有元素。在这个例子中 H\left| H\right| 和生成元 1 的阶都是 \infty 。还应注意 H=1H = \langle - 1\rangle ,因为每个整数 xx 都可以(唯一地)写成 (x)(1)\left( {-x}\right) \left( {-1}\right) 的形式。

在进一步讨论循环群之前,我们证明在前面两个例子中观察到的有限循环群和无限循环群的性质是通用的。这个命题也验证了关于元素“阶”的术语使用和符号 || 的使用与集合阶的概念是一致的。

命题 2

如果 H=xH = \langle x\rangle ,那么 H=x\left| H\right| = \left| x\right| (如果等式的一边是无限的,那么另一边也是无限的)。更具体地说

(1) 如果 H=n<\left| H\right| = n < \infty ,那么 xn=1{x}^{n} = 11,x,x2,,xn11,x,{x}^{2},\ldots ,{x}^{n - 1}HH 的所有不同元素,

(2) 如果 H=\left| H\right| = \infty ,那么对于所有 n0n \neq 0xn1{x}^{n} \neq 1 ,对于所有 aba \neq bZ\mathbb{Z} 中。

证明:设 x=n\left| x\right| = n 并首先考虑 n<n < \infty 的情况。元素 1,x,x2,,xn11,x,{x}^{2},\ldots ,{x}^{n - 1} 是不同的,因为如果 xa=xb{x}^{a} = {x}^{b} ,假设 0a<b<n0 \leq a < b < n ,那么 xba=x0=1{x}^{b - a} = {x}^{0} = 1 ,这与 nnxx 给出单位元的 smallest positive power 相矛盾。因此 HH 至少有 nn 个元素,接下来需要证明这些就是所有元素。如我们在例 1 中所做的那样,如果 xt{x}^{t}xx 的任意次幂,使用除法算法可以写成 t=nq+kt = {nq} + k ,其中 0k<n0 \leq k < n ,所以

xt=xnq+k=(xn)qxk=1qxk=xk{1,x,x2,,xn1},{x}^{t} = {x}^{{nq} + k} = {\left( {x}^{n}\right) }^{q}{x}^{k} = {1}^{q}{x}^{k} = {x}^{k} \in \left\{ {1,x,{x}^{2},\ldots ,{x}^{n - 1}}\right\} ,

如所期望的。

接下来假设 x=\left| x\right| = \infty ,因此 xx 的任意正次幂都不是单位元。如果 xa=xb{x}^{a} = {x}^{b} ,对于某些 aabb ,假设 a<ba < b ,那么 xba=1{x}^{b - a} = 1 ,这是一个矛盾。 xx 的不同次幂是 HH 的不同元素,所以 H=\left| H\right| = \infty 。这完成了命题的证明。

注意,命题的证明给出了将有限循环群中生成元的任意次幂减少到“最小余数”次幂的方法。生成元的一个循环群 nn 的不同次幂的计算是通过 Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} 的算术运算来完成的,并非巧合。接下来的定理 4 证明了这两个群是同构的。

首先我们需要一个简单的命题。

命题 3

GG 为一个任意群, xGx \in G 并且设 m,nZm,n \in \mathbb{Z} 。如果 xn=1{x}^{n} = 1 并且 xm=1{x}^{m} = 1 ,那么 xd=1{x}^{d} = 1 ,其中 d=(m,n)d = \left( {m,n}\right) 。特别地,如果对于某个 mZm \in \mathbb{Z}xm=1{x}^{m} = 1 ,那么 x\left| x\right| 整除 mm

证明:根据欧几里得算法,存在整数 rrss 使得 d=mr+nsd = {mr} + {ns},其中 ddmmnn 的最大公约数。因此

xd=xmr+ns=(xm)r(xn)s=1r1s=1.{x}^{d} = {x}^{{mr} + {ns}} = {\left( {x}^{m}\right) }^{r}{\left( {x}^{n}\right) }^{s} = {1}^{r}{1}^{s} = 1.

这证明了第一个断言。

如果 xm=1{x}^{m} = 1,设 n=xn = \left| x\right|。如果 m=0m = 0,显然 nmn \mid m,所以我们可假设 m0m \neq 0。由于 xx 的某个非零幂是单位元,n<n < \infty。设 d=(m,n)d = \left( {m,n}\right),因此根据前一个结果 xd=1{x}^{d} = 1。由于 0<dn0 < d \leq nnn 是使单位元最小的 xx 的正幂,我们必须有 d=nd = n,即 nmn \mid m,如所断言。

定理4

任何两个相同阶的循环群都是同构的。更具体地,

(1) 如果 nZ+n \in {\mathbb{Z}}^{ + }x\langle x\rangle 以及 y\langle y\rangle 都是阶为 nn 的循环群,那么映射

φ:xy\varphi : \langle x\rangle \rightarrow \langle y\rangle
xkyk{x}^{k} \mapsto {y}^{k}

是良定义的且是一个同构

(2) 如果 x\langle x\rangle 是一个无限循环群,那么映射

φ:Zx\varphi : \mathbb{Z} \rightarrow \langle x\rangle
kxkk \mapsto {x}^{k}

是良定义的且是一个同构。

证明:假设 x\langle x\rangley\langle y\rangle 都是阶为 nn 的循环群。设 φ:xy\varphi : \langle x\rangle \rightarrow \langle y\rangleφ(xk)=yk\varphi \left( {x}^{k}\right) = {y}^{k} 定义;我们首先必须证明 φ\varphi 是良定义的,即

if xr=xs,then φ(xr)=φ(xs).\text{if}\ {x}^{r} = {x}^{s}\text{,then}\ \varphi \left( {x}^{r}\right) = \varphi \left( {x}^{s}\right) \text{.}

由于 xrs=1{x}^{r - s} = 1,命题3意味着 nrsn \mid r - s。写 r=tn+sr = {tn} + s 使得

φ(xr)=φ(xtn+s)\varphi \left( {x}^{r}\right) = \varphi \left( {x}^{{tn} + s}\right)
=ytn+s= {y}^{{tn} + s}
=(yn)tys= {\left( {y}^{n}\right) }^{t}{y}^{s}
=ys=φ(xs).= {y}^{s} = \varphi \left( {x}^{s}\right) \text{.}

这证明了 φ\varphi 是良定义的。由指数法则直接得出 φ(xaxb)=\varphi \left( {{x}^{a}{x}^{b}}\right) = φ(xa)φ(xb)\varphi \left( {x}^{a}\right) \varphi \left( {x}^{b}\right)(请验证这一点),即 φ\varphi 是一个同态。由于 y\langle y\rangle 中的元素 yk{y}^{k}xk{x}^{k}φ\varphi 下的像,这个映射是满射。由于这两个群都有相同的有限阶数,从一个到另一个的任何满射都是双射,所以 φ\varphi 是一个同构(或者,φ\varphi 有一个明显的双边逆元)。

如果 x\langle x\rangle 是一个无限循环群,设 φ:Zx\varphi : \mathbb{Z} \rightarrow \langle x\rangleφ(k)=xk\varphi \left( k\right) = {x}^{k} 定义。注意这个映射已经是良定义的,因为域中元素的表示没有歧义。由于(根据命题2)xaxb{x}^{a} \neq {x}^{b} ,对于所有不同的 a,bZa,b \in \mathbb{Z}φ\varphi 是单射。由循环群的定义,φ\varphi 是满射。如上所述,指数法则确保 φ\varphi 是一个同态,因此 φ\varphi 是一个同构,从而完成了证明。

我们选择使用旋转群 r\langle r\rangle 作为阶数为 nn 的有限循环群的典型例子(而不是同构的群 Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} ),因为我们通常会乘法地书写我们的循环群:

记号:对于每个 nZ+n \in {\mathbb{Z}}^{ + } ,设 Zn{Z}_{n} 是阶数为 nn 的循环群(乘法地书写)。

在同构意义下,Zn{Z}_{n} 是唯一的阶为 nn 的循环群,并且 ZnZ/nZ{Z}_{n} \cong \mathbb{Z}/n\mathbb{Z} 。当我们发现使用加法记号更方便时,我们将使用后一个群作为阶为 nn 的循环群同构类的代表。我们有时会说“设 x\langle x\rangle 为无限循环群”(乘法表示),然而我们总是使用 Z\mathbb{Z} (加法表示)来代表无限循环群。

如前所述,一个给定的循环群可能有多个生成元。下面两个命题精确地确定了哪些 xx 的幂生成群 x\langle x\rangle

命题 5

GG 为一个群,xGx \in G 并且 aZ{0}a \in \mathbb{Z} - \{ 0\}

(1) 如果 x=\left| x\right| = \infty ,那么 xa=\left| {x}^{a}\right| = \infty

(2) 如果 x=n<\left| x\right| = n < \infty ,那么 xa=n(n,a)\left| {x}^{a}\right| = \dfrac{n}{\left( n,a\right) }

(3) 特别地,如果 x=n<\left| x\right| = n < \infty 并且 aa 是一个正整数,且能整除 nn ,那么

xa=na\left| {x}^{a}\right| = \dfrac{n}{a}

证明:(1) 通过反证法假设 x=\left| x\right| = \inftyxa=m<\left| {x}^{a}\right| = m < \infty 。根据阶的定义

1=(xa)m=xam.1 = {\left( {x}^{a}\right) }^{m} = {x}^{am}.

同时,

xam=(xam)1=11=1.{x}^{-{am}} = {\left( {x}^{am}\right) }^{-1} = {1}^{-1} = 1.

现在在 am{am}am- {am} 中有一个是正数(因为 aamm 都不是 0),所以 xx 的某个正幂是单位元。这与假设 x=\left| x\right| = \infty 相矛盾,所以假设 xa<\left| {x}^{a}\right| < \infty 必须是错误的,即 (1) 成立。

(2) 在 (2) 的记号下,设

y=xa,  (n,a)=d and write n=db,a=dc,y = {x}^{a},\;\left( {n,a}\right) = d\text{ and write }n = {db},a = {dc},

对于适合的 b,cZb,c \in \mathbb{Z} ,有 b>0b > 0 。因为 ddnnaa 的最大公约数,整数 bbcc 是互质的:

(b,c)=1.\left( {b,c}\right) = 1\text{.}

为了证明 (2),我们必须证明 y=b\left| y\right| = b 。首先注意

yb=xab=xdcb=(xdb)c=(xn)c=1c=1{y}^{b} = {x}^{ab} = {x}^{dcb} = {\left( {x}^{db}\right) }^{c} = {\left( {x}^{n}\right) }^{c} = {1}^{c} = 1

因此,根据命题3应用于 y\langle y\rangle ,我们可以看到 y\left| y\right| 整除 bb 。令 k=yk = \left| y\right| 。那么

xak=yk=1{x}^{ak} = {y}^{k} = 1

因此,根据命题3应用于 x,nak,i.e.,dbdck\langle x\rangle ,n\left| {{ak}\text{,i.e.,}{db}}\right| {dck} 。所以 bckb \mid {ck} 。由于 bbcc 没有公共因子,bb 必须整除 kk 。由于 bbkk 是互质的正整数,b=kb = k ,这证明了(2)。

(3)这是(2)的一个特例,记录下来供将来参考。

命题6

H=xH = \langle x\rangle

(1)假设 x=\left| x\right| = \infty 。那么 H=xaH = \left\langle {x}^{a}\right\rangle 当且仅当 a=±1a = \pm 1

(2)假设 x=n<\left| x\right| = n < \infty 。那么 H=xaH = \left\langle {x}^{a}\right\rangle 当且仅当 (a,n)=1\left( {a,n}\right) = 1 。特别是,HH 的生成元个数是 φ(n)\varphi \left( n\right) (其中 φ\varphi 是欧拉函数)。

证明:我们将(1)留作练习。在(2)中,如果 x=n<\left| x\right| = n < \infty ,命题2说明 xa{x}^{a} 生成 HH 的一个阶为 xa\left| {x}^{a}\right| 的子群。这个子群等于 HH 当且仅当 xa=x\left| {x}^{a}\right| = \left| x\right| 。根据命题5,

xa=xif and only ifn(a,n)=n,  i.e. if and only if(a,n)=1.\left| {x}^{a}\right| = \left| x\right| \text{if and only if}\frac{n}{\left( a,n\right) } = n\text{,}\;\text{i.e. if and only if}\left( {a,n}\right) = 1\text{.}

由于 φ(n)\varphi \left( n\right) 是定义上的使得 (a,n)=1\left( {a,n}\right) = 1a{1,2,,n}a \in \{ 1,2,\ldots ,n\} 的个数,这就是 HH 的生成元的个数。

示例

命题6确切地指出了哪些模 nn 的同余类生成 Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} :即,当且仅当 (a,n)=1\left( {a,n}\right) = 1 时,aˉ\bar{a} 生成 Z/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} 。例如,1,5,7\overline{1},\overline{5},\overline{7}11\overline{11}Z/12Z\mathbb{Z}/{12}\mathbb{Z} 的生成元。

本节最后的定理给出了循环群完整的子群结构。

定理 7

H=xH = \langle x\rangle 为一个循环群。

(1) HH 的每一个子群都是循环群。更确切地说,如果 KHK \leq H ,那么要么 K={1}K = \{ 1\} 要么 K=xdK = \left\langle {x}^{d}\right\rangle ,其中 dd 是满足 xdK{x}^{d} \in K 的最小正整数。

(2) 如果 H=\left| H\right| = \infty ,那么对于任意不同的非负整数 aab,b, ,有 xaxb\left\langle {x}^{a}\right\rangle \neq\left\langle {x}^{b}\right\rangle 。进一步地,对于每个整数 m,xm=xmm,\left\langle {x}^{m}\right\rangle = \left\langle {x}^{\left| m\right| }\right\rangle ,其中 m\left| m\right| 表示 mm 的绝对值,使得 HH 的非平凡子群与整数 1,2,3,1,2,3,\ldots 之间存在双射对应。

(3) 如果 H=n<\left| H\right| = n < \infty ,那么对于每个能整除 nn 的正整数 aa ,存在一个唯一的 HH 阶子群。这个子群是循环群 xd\left\langle {x}^{d}\right\rangle ,其中 d=nad = \dfrac{n}{a} 。进一步地,对于每个整数 m,xm=x(n,m)m,\left\langle {x}^{m}\right\rangle = \left\langle {x}^{\left( n,m\right) }\right\rangle ,使得 HH 的子群与 nn 的正因子之间存在双射对应。

证明: (1) 设 KHK \leq H 。如果 K={1}K = \{ 1\} ,那么该子群命题成立,所以我们假设 K{1}K \neq \{ 1\} 。因此存在某个 a0a \neq 0 使得 xaK{x}^{a} \in K 。如果 a<0a < 0 ,那么由于 KK 是一个群,也有 xa=(xa)1K{x}^{-a} = {\left( {x}^{a}\right) }^{-1} \in K 。因此 KK 总是包含 xx 的某个正幂。设

P={bbZ+and xbK}.\mathcal{P} = \left\{ {b \mid b \in {\mathbb{Z}}^{ + }\text{and }{x}^{b} \in K}\right\} .

由此,P\mathcal{P} 是一个非空的正整数集合。根据良序原理(第0.2节)P\mathcal{P} 有一个最小元素——称之为 dd 。由于 KK 是一个子群且 xdK{x}^{d} \in KxdK\left\langle {x}^{d}\right\rangle \leq K 。因为 KKHH 的子群,KK 的任何元素都可以表示为 xa{x}^{a} 的形式,其中 aa 是某个整数。根据除法算法,可以写成

a=qd+r  0r<d.a = {qd} + r\;0 \leq r < d.

那么 xr=x(aqd)=xa(xd)q{x}^{r} = {x}^{\left( a - qd\right) } = {x}^{a}{\left( {x}^{d}\right) }^{-q}KK 的一个元素,因为 xa{x}^{a}xd{x}^{d} 都是 KK 的元素。根据 dd 的最小性,可以得出 r=0r = 0 ,即 a=qda = {qd} ,因此 xa=(xd)qxd{x}^{a} = {\left( {x}^{d}\right) }^{q} \in \left\langle {x}^{d}\right\rangle 。这给出了反向包含 KxdK \leq \left\langle {x}^{d}\right\rangle ,从而证明了(1)。

我们将(2)的证明留作练习(推理过程与(3)的证明相似且更简单)。

(3)假设 H=n<\left| H\right| = n < \inftyana \mid n 。设 d=nad = \frac{n}{a} 并应用命题5(3)得到 xd\left\langle {x}^{d}\right\rangle 是阶为 aa 的子群,从而证明了存在一个阶为 aa 的子群。为了证明唯一性,假设 KKHH 中任意一个阶为 aa 的子群。根据部分(1),我们有

K=xbK = \left\langle {x}^{b}\right\rangle

其中 bb 是使得 xbK{x}^{b} \in K 的最小正整数。根据命题5

nd=a=K=xb=n(n,b),\frac{n}{d} = a = \left| K\right| = \left| {x}^{b}\right| = \frac{n}{\left( n,b\right) },

所以 d=(n,b)d = \left( {n,b}\right) 。特别地,dbd \mid b 。由于 bbd,xbxdd,{x}^{b} \in \left\langle {x}^{d}\right\rangle 的倍数,因此

K=xbxd.K = \left\langle {x}^{b}\right\rangle \leq \left\langle {x}^{d}\right\rangle .

由于 xd=a=K\left| \left\langle {x}^{d}\right\rangle \right| = a = \left| K\right| ,我们有 K=xdK = \left\langle {x}^{d}\right\rangle

(3)的最终断言来自于观察 xm\left\langle {x}^{m}\right\ranglex(n,m)\left\langle {x}^{\left( n,m\right) }\right\rangle 的子群(请验证这一点),并且根据命题5(2)和命题2,它们具有相同的阶。因为(n,m)无疑是 nn 的一个因数,这表明 HH 的每个子群都源自 nn 的一个因数,从而完成了证明。

示例

(1) 我们可以使用命题6和定理7来列出任意给定 nnZ/nZ\mathbb{Z}/n\mathbb{Z} 的所有子群。例如,Z/12Z\mathbb{Z}/{12}\mathbb{Z} 的子群有

(a) Z/12Z=1ˉ=5ˉ=7ˉ=11\mathbb{Z}/{12}\mathbb{Z} = \langle \bar{1}\rangle = \langle \bar{5}\rangle = \langle \bar{7}\rangle = \langle \overline{11}\rangle (阶数为12)

(b) 2ˉ=10\langle \bar{2}\rangle = \langle \overline{10}\rangle (阶数为6)

(c) 3=9\langle \overline{3}\rangle = \langle \overline{9}\rangle (阶数为4)

(d) 4ˉ=8ˉ\langle \bar{4}\rangle = \langle \bar{8}\rangle (阶数为3)

(e) 6\langle \overline{6}\rangle (阶数为2)

(f) 0\langle \overline{0}\rangle (阶数为1)。

它们之间的包含关系如下:

aˉbˉ   if and only if (b,12)(a,12),  1a,b12.\langle \bar{a}\rangle \leq \langle \bar{b}\rangle \;\text{ if and only if }\left( {b,{12}}\right) \mid \left( {a,{12}}\right) ,\;1 \leq a,b \leq {12}.

(2) 我们还可以将本节的结果与前一节的结果结合起来。例如,我们可以通过构造 CG(x){C}_{G}\left( {\langle x\rangle }\right)NG(x){N}_{G}\left( {\langle x\rangle }\right) 来得到群 GG 的子群,对于每个 xGx \in G 。可以验证,如果 GG 中的元素 ggxx 可交换,那么 ggxx 的所有幂也可交换,因此

CG(x)=CG(x){C}_{G}\left( {\langle x\rangle }\right) = {C}_{G}\left( x\right)

如第2节练习6所述, xNG(x)\langle x\rangle \leq {N}_{G}\left( {\langle x\rangle }\right) 但等式不一定成立。例如,如果 G=Q8G = {Q}_{8}x=ix = i

CG(i)={±1,±i}=i and NG(i)=Q8.{C}_{G}\left( {\langle i\rangle }\right) = \{ \pm 1, \pm i\} = \langle i\rangle \text{ and }{N}_{G}\left( {\langle i\rangle }\right) = {Q}_{8}.

注意,我们已经观察到上述两个等式中的第一个,而第二个等式最容易通过使用随后的练习24的结果来计算。