cinta作业6
作者：互联网
1. 设 G \mathbb{G} G是群， H \mathbb{H} H是 G \mathbb{G} G的子群。任取 g 1 , g 2 ∈ G g_{1},g_{2}\in\mathbb{G} g1,g2∈G，则 g 1 H = g 2 H g_{1}\mathbb{H}=g_{2}\mathbb{H} g1H=g2H当且仅当 g 1 − 1 g 2 ∈ H g_{1}^{-1}g_{2}\in\mathbb{H} g1−1g2∈H
充分性证明：
∃ h 1 , h 2 ∈ H \exists h_{1},h_{2}\in\mathbb{H} ∃h1,h2∈H，使得 g 1 h 1 = g 2 h 2 g_{1}h_{1}=g_{2}h_{2} g1h1=g2h2，则有 h 1 = g 1 − 1 g 2 h 2 h_{1}=g_{1}^{-1}g_{2}h_{2} h1=g1−1g2h2， 最终可得 h 1 h 2 − 1 = g 1 − 1 g 2 h_{1}h_{2}^{-1}=g_{1}^{-1}g_{2} h1h2−1=g1−1g2，而 h 1 h 2 − 1 h_{1}h_{2}^{-1} h1h2−1由于封闭性，一定属于群 H \mathbb{H} H ，故 g 1 − 1 g 2 ∈ H g_{1}^{-1}g_{2}\in\mathbb{H} g1−1g2∈H，证毕
必要性证明：
由于 g 1 − 1 g 2 ∈ H g_{1}^{-1}g_{2}\in\mathbb{H} g1−1g2∈H，则 ∃ h ∈ H \exists h\in\mathbb{H} ∃h∈H，使得 g 1 − 1 g 2 = h g_{1}^{-1}g_{2}=h g1−1g2=h，则有 g 2 = g 1 h g_{2}=g_{1}h g2=g1h，即 g 2 ∈ g 1 H g_{2}\in g_{1}\mathbb{H} g2∈g1H，又由陪集性质可得 g 1 H = g 2 H g_{1}\mathbb{H}=g_{2}\mathbb{H} g1H=g2H，证毕
2. 如果 G \mathbb{G} G是群， H \mathbb{H} H是 G \mathbb{G} G的子群，且 [ G : H ] = 2 [\mathbb{G}:\mathbb{H}]=2 [G:H]=2，证明对任意 g ∈ G g\in\mathbb{G} g∈G， g H = H g g\mathbb{H}=\mathbb{H}g gH=Hg
- 若 g ∈ H g\in\mathbb{H} g∈H，由于封闭性， g H = H g = H g\mathbb{H}=\mathbb{H}g=\mathbb{H} gH=Hg=H，证毕
- 若
g
∉
H
g\notin\mathbb{H}
g∈/H，由于陪集性质，
g
H
≠
H
g\mathbb{H}\neq\mathbb{H}
gH=H，
H
g
≠
H
\mathbb{H}g\neq\mathbb{H}
Hg=H
又因为 [ G : H ] = 2 [\mathbb{G}:\mathbb{H}]=2 [G:H]=2，即群 G \mathbb{G} G 被子群 H \mathbb{H} H 的两个陪集划分，其中一个陪集是 H \mathbb{H} H 本身，另一个陪集记为 H ′ \mathbb{H'} H′ 。
而又因为作为陪集的 g H , H g g\mathbb{H},\mathbb{H}g gH,Hg都是不等于 H \mathbb{H} H的，则 g H , H g g\mathbb{H},\mathbb{H}g gH,Hg一定都等于 H ′ \mathbb{H'} H′ ，即 g H = H g = H ′ g\mathbb{H}=\mathbb{H}g=\mathbb{H'} gH=Hg=H′，证毕
3. 如果群 H \mathbb{H} H是群 G \mathbb{G} G的真子群，证明 ∣ H ∣ ≤ ∣ G ∣ / 2 |\mathbb{H}| \leq|\mathbb{G}|/2 ∣H∣≤∣G∣/2
根据拉格朗日定理，
∣
G
∣
/
∣
H
∣
=
k
|\mathbb{G}|/|\mathbb{H}|=k
∣G∣/∣H∣=k，
k
k
k为正整数
又因为群
H
\mathbb{H}
H是群
G
\mathbb{G}
G的真子群，则
k
≠
1
k\neq1
k=1，故有
∣
G
∣
/
∣
H
∣
=
k
≥
2
|\mathbb{G}|/|\mathbb{H}|=k\geq2
∣G∣/∣H∣=k≥2 成立，转化后可得
∣
H
∣
≤
∣
G
∣
/
2
|\mathbb{H}| \leq|\mathbb{G}|/2
∣H∣≤∣G∣/2，证毕
4. 设群 G \mathbb{G} G是阶为 p q pq pq的群，其中 p p p和 q q q是素数。证明 G \mathbb{G} G的任意真子群是循环群
因为 p , q p,q p,q 均是素数，能整除 p q pq pq 的只有 1 , p , q , p q 1,p,q,pq 1,p,q,pq，则根据拉格朗日定理，则其真子群的阶有 1 , p , q 1,p,q 1,p,q
- 真子群阶为 1 1 1 时，即为平凡子群，显然是循环群
- 真子群阶为 p , q p,q p,q 时，根据拉格朗日定理推论，素数阶数的有限群一定是循环群
5. 用群论证明费马小定理和欧拉定理
费马小定理
构造在模数为素数 p p p 下的整数乘法群 Z p ∗ \mathbb{Z}_{p}^{*} Zp∗ ，其阶数为 p − 1 p-1 p−1
任取元素 a ∈ Z p ∗ a\in\mathbb{Z}_{p}^{*} a∈Zp∗，根据拉格朗日定理，则有 o r d ( a ) ∣ p − 1 ord(a)\mid p-1 ord(a)∣p−1 ，即 p − 1 = k ∗ o r d ( a ) p-1=k*ord(a) p−1=k∗ord(a)， k k k为正整数，则 a p − 1 {a}^{p-1} ap−1 m o d mod mod p = a k ∗ o r d ( a ) p={a}^{k*ord(a)} p=ak∗ord(a) m o d mod mod p = 1 k m o d p={1}^{k} mod p=1kmod p = 1 p=1 p=1，故得到费马小定理： a p − 1 ≡ 1 a^{p-1}\equiv 1 ap−1≡1 ( m o d mod mod p p p)
欧拉定理
构造在模数为 n n n 下的整数乘法群 Z n ∗ \mathbb{Z}_{n}^{*} Zn∗ ， Z n ∗ = { a ∈ [ 1 … n − 1 ] 且 g c d ( a , n ) = 1 } \mathbb{Z}_{n}^{*}=\left \{ a\in[1…n-1]且gcd(a,n)=1\right \} Zn∗={a∈[1…n−1]且gcd(a,n)=1}，其阶数为欧拉函数值 ϕ ( n ) \phi(n) ϕ(n)
任取元素 a ∈ Z n ∗ a\in\mathbb{Z}_{n}^{*} a∈Zn∗，根据拉格朗日定理，则有 o r d ( a ) ∣ ϕ ( n ) ord(a)\mid \phi(n) ord(a)∣ϕ(n) ，即 ϕ ( n ) = k ∗ o r d ( a ) \phi(n)=k*ord(a) ϕ(n)=k∗ord(a)， k k k为正整数，则 a ϕ ( n ) {a}^{\phi(n)} aϕ(n) m o d mod mod n = a k ∗ o r d ( a ) n={a}^{k*ord(a)} n=ak∗ord(a) m o d mod mod n = 1 k m o d n={1}^{k} mod n=1kmod n = 1 n=1 n=1，故得到欧拉定理： a ϕ ( n ) ≡ 1 a^{\phi(n)}\equiv 1 aϕ(n)≡1 ( m o d mod mod n n n)
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