近世代数教学ppt课件.pptVIP

近世代数 课程是现代数学的基础 既是中学代数的继续发展 也是高等代数课程的继续和发展 同时它又同拓扑学 实变函数与泛函分析构成现代数学的三大基石 是进入数学王国的必由之路 是数学与应用数学专业学生必修的重要基础课 同学应当具备有初等代数 高等代数的背景 此外还有初等数论等方面的知识背景 近世代数 1 高度的抽象是近世代数的显著特点 它的基本概念 群 环 域 对初学者也是很抽象的概念 因此 在本课程的学习中 大家要多注意实例 以加深对概念的正确理解 近世代数的习题 因抽象也都有一定的难度 但习题也是巩固和加深理解不可缺少的环节 因此 应适当做一些习题 为克服做习题的困难 应注意教材内容和方法以及习题课内容 2 主要参考书1 B L 瓦德瓦尔登著 代数学 卷 科学出版社 1964年版2 N 贾柯勃逊著 抽象代数1 2 3卷 科学出版社 1987年出版3 张禾瑞 高等教育出版 1978年修订本 4 刘绍学著 近世代数基础 高等教育出版社 1999年出版 3 5 石生明著 近世代数初步 高等教育出版社 2002年出版6 近世代数 吴品山 人民教育出版社 1979 7 抽象代数学 谢邦杰 上海科学技术出版社 1982 8 抽象代数基础 刘云英 北京师范大学出版社 1990年 4 近世代数理论的三个来源 代数方程的解 2 Hamilton四元数的发 3 Kummer理想数的发现 5 1 代数方程的解两千多年之前古希腊时代数学家就能够利用开方法解二次方程 ax2 bx c 0 16世纪初欧洲文艺复兴时期之后 求解高次方程成为欧洲代数学研究的一个中心问题 1545年意大利数学家G Cardano 1501 1576 在他的著作 大术 ArsMagna 中给出了三 四次多项式的求根公式 此后的将近三个世纪中人们力图发现五次方程的一般求解方法 但是都失败了 6 直到1824年一位年青的挪威数学家N Abel 1802 1829 才证明五次和五次以上的一般代数方程没有求根公式 但是人们仍然不知道什么条件之下一个已知的多项式能借助加 减 乘 除有理运算以及开方的方法求出它的所有根 什么条件之下不能求根 最终解决这一问题的是一位法国年青数学家E Galois 1811 1832 Galois引入了扩域以及群的概念 并采用了一种全新的理论方法发现了高次代数方程可解的法则 在Galois之后群与域的理论逐渐成为现代化数学研究的重要领域 这是近世代数产生的一个最重要的来源 7 加罗华 阿贝尔 被誉为天才数学家的伽罗瓦 1811 1832 是近世代数的创始人之一 他深入研究了一个方程能用根式求解所必须满足的本质条件 他提出的 伽罗瓦域 伽罗瓦群 和 伽罗瓦理论 都是近世代数所研究的最重要的课题 伽罗瓦群理论被公认为十九世纪最杰出的数学成就之一 他给方程可解性问题提供了全面而透彻的解答 解决了困扰数学家们长达数百年之久的问题 伽罗瓦群论还给出了判断几何图形能否用直尺和圆规作图的一般判别法 圆满解决了三等分任意角或倍立方体的问题都是不可解的 最重要的是 群论开辟了全新的研究领域 以结构研究代替计算 把从偏重计算研究的思维方式转变为用结构观念研究的思维方式 并把数学运算归类 使群论迅速发展成为一门崭新的数学分支 对近世代数的形成和发展产生了巨大影响 同时这种理论对于物理学 化学的发展 甚至对于二十世纪结构主义哲学的产生和发展都发生了巨大的影响 8 2 Hamilton四元数的发现长期以来人们对于虚数的意义存在不同的看法 后来发现可以把复数看成二元数 a b a bi 其中i2 1 二元数按 a b c d a c b d a b c d ad bc ac bd 的法则进行代数运算 二元数具有直观的几何意义 与平面上的点一一对应 这是数学家高斯提出的复数几何理论 二元数理论产生的一个直接问题是 是否存在三元数 经过长时间探索 力图寻求三元数的努力失败了 但是爱尔兰数学家W Hamilton 1805 1865 于1843年成功地发现了四元数 四元数系与实数系 复数系一样可以作加减乘除四则运算 但与以前的数系相比 四元数是一个乘法不交换的数系 从这点来说四元数的发现使人们对于数系的代数性质的认识提高了一大步 四元数代数也成为抽象代数研究的一个新的起点 它是近世代数的另一个重要理论来源 9 3 Kummer理想数的发现17世纪初法国数学家费马 P Fermat1601 1665 研究整数方程时发现当n 3时 方程xn yn zn没有正整数解 费马认为他能够证明这个定理 但是其后的三百多年中人们研究发现这是一个非常困难的问题 这一问题被后来的研究者称为费马问题或费马大定理 此定理直到1995年才被英国数学家A Wiles证明 对费马问题的研究在三个半世纪内从未间断过 欧拉 高斯等著名数学家都对此作出过重要贡献 但最重大的一个进展是由E Kummer作出的 10 Kummer的想法是 如果上面的方程有正整数解 假定 是一个n次本原单位根 那么xn yn zn的等式两边可以作因子分解zn x y x y x n 1y 象整数中的因子分解一样 如果等式右边的n个因子两两互素 那么每个因子都应是另外一个 复整数 的n次方幂 进行适当的变换之后有可能得到更小的整数x1 y1 z1使xn yn zn成立 从而导致矛盾 如果上面等式右边的n个因子有公因式 那么同除这个公因式再进行上面同样的讨论 11 Kummer方法的前提是形如a b 的复整数也象整数一样具有唯一的素因子分解 其中a与b是通常整数 并不是对于每个整数n 复整数a b 都具有唯一分解性 Kummer把这种复整数的因子分解称为理想数的分解 用这种方法Kummer证明了n 100时费马大定理成立 理想数的方法不但能用于费马问题研 实际上是代数数论的重要研究内容 其后德国数学家R Dedekind 1831 1916 把理想数的概念推广为一般的理想论 使它成为近世代数的一个重要的研究领域 12 近世代数是在19世纪末至20世纪初发展起来的数学分支 1930年荷兰数学家范德瓦尔登 B LvanderWearden1930 1996 根据该学科领域几位创始人的演讲报告 综合了当时近世代数的研究成果 编著了 近世代数学 ModerneAlgebra 一书 这是该学科领域第一本学术专著 也是第一本近世代数的教科书 13 14 诺特 1882年3月23日生于德国埃尔朗根 1900年入埃朗根大学 1907年在数学家哥尔丹指导下获博士学位 1916年后 她开始由古典代数学向抽象代数学过渡 1920年 她已引入 左模 右模 的概念 1921年写出的 是交换代数发展的里程碑 建立了交换诺特环理论 证明了准素分解定理 1926年发表 给戴德金环一个公理刻画 指出素理想因子唯一分解定理的充分必要条件 诺特的这套理论也就是现代数学中的 环 和 理想 的系统理论 一般认为抽象代数形式的时间就是1926年 从此代数学研究对象从研究代数方程根的计算与分布 进入到研究数字 文字和更一般元素的代数运算规律和各种代数结构 完成了古典代数到抽象代数的本质的转变 诺特当之无愧地被人们誉为抽象代数的奠基人之一 15 第一章基本概念 1集合 2映射与变换 3代数运算 4运算率 5同态与同构 6等价关系与集合的分类 16 1集合 表示一定事物的集体 我们把它们称为集合或集 如 一队 一班 一筐 组成集合的东西叫这个集合的元素 我们常用大写拉丁字母A B C 表示集合 用小写拉丁字母a b c 表示元素 如果a是集合A的元素 就说a属于A 记作 如果a不是集合A的元素 就说a不属于A 记作 例如 设A是一切偶数所成的集合 那么4 A 而 17 一个集合可能只含有有限多个元素 这样的集合叫做有限集合 如 学校的全体学生的集合 一本书里面的所有汉字的集合等等这些都是有限集合 如果一个集合是由无限多个元素组成的 就叫做无限集合 如 全体自然数的集合 全体实数的集合 不含任何元素的集合叫空集 表示为 18 枚举法 例如 我们把一个含有n个元素的集合的有限集合表示成 前五个正整数的集合就可以记作 19 表示一切大于 1且小于1的实数的所组成的集合 常用的数集 全体整数的集合 表示为Z全体有理数的集合 表示为Q全体实数的集合 表示为R全体复数的集合 表示为C 20 设A B是两个集合 如果A的每一元素都是B的元素 那么就说 是 的子集 记作 或记作 根据这个定义 是 的的子集当且仅当对于每一个元素x 如果 就有 A是B的子集 记作 21 如果集合A与B的由完全相同的元素组成部分的 就说A与B相等 记作 A B 即 以集合A的所有子集为元素的集合 称为A的幂集 记为P A 22 并运算设A B是两个集合 由A的一切元素和B的一切元素所成的集合叫做A与B的并集 简称并 记作 如图1所示 23 交运算由集合A与B的公共元素所组成的集合叫做A与B的交集 简称交 记作 如图2所示 例如 A 1 2 3 4 B 2 3 4 5 则 我们有 24 运算性质 分配律 25 两个集的并与交的概念可以推广到任意n个集合上去 设是给定的集合 由的一切元素所成的集合叫做的并 由的一切公共元素所成的集合叫做的交 的并和交分别记为 和 我们有 26 差运算 设A B是两个集合 令 也就是说 是由一切属于A但不属于B的元素所组成的 称为A与B的差 注意 并没有要求B是A的子集 例如 积运算 设A B是两个集合 令称为A与B的笛卡儿积 简称为积 是一切元素对 a b 所成的集合 其中第一个位置的元素a取自A 第二个位置的元素b取自B 可以定义多个集合的笛卡儿积 27 2映射与变换 定义1设A B是两个非空的集合 A到B的一个映射指的是一个对应法则 通过这个法则 对于集合A中的每一个元素x 有集合B中一个惟一确定的元素y与它对应 用字母f g 表示映射 用记号表示f是A到B的一个映射 如果通过映射f 与A中元素x对应的B中元素是y 那么就写作 这时y叫做x在f之下的象 记作 28 例1设这是A到B的一个映射 例2设A是一切非负数的集合 B是一切实数的集合 对于每一 令与它对应 f不是A到B的映射 因为当时 不能由x唯一确定 29 定义2设f是A到B的一个映射 如果Imf B 那么说称f是A到B上的一个映射 这里也称f是一个满射 设是一个映射 对于 x的像 一切这样的象作成B的一个子集 用表示 叫做A在f之下的象 或者叫做映射f的象 30 定义3设是一个映射 如果对于A中任意两个元素和 只要 就有 那么就称f是A到B的一个单射 或A到B的一一映射 如果既是满射 又是单射 即如果f满足下面两个条件 就称f是A到B的一个双射 或A到B上的一一映射 31 32 33 34 例3令那么 设 都是A到B的映射 如果对于每一 都有 那么就说映射f与g是相等的 记作 35 定义4 设是A到B的一个映射 是B到C的一个映射 那么对于每一个 是C中的一个元素 因此 对于每一 就有C中唯一的确定的元素与它对应 这样就得到A到C的一个映射 这映射是由和所决定的 称为f与g的合成 乘积 记作 于是有 对于一切 f与g的合成可以用下面的图示意 A B C 交换图 36 例5设A 1 2 3 那么 37 映射 有 但是 一般情况下 设A是非空集合称为设A上的恒等映射 设A B是两个非空集合 用和表示A和B的恒等映射 设是A到B的一个映射 显然有 38 例6 f是集合A到B的一个双射的充要条件是存在B到A的一个映射g 使得 且映射g是由f唯一确定的 称为f的逆映射 表示为 证 必要性 因为f是满射 所以对于B中每一个y 有 使得 又因为f是单射 所以这个x是由y唯一确定的 即如果还有使得 那么 则g是B到A的一个映射 我们规定 39 任意而 我们有 任 而 那么故 所以 充分性 任意 令 由于 所以 即f是满射 40 设而 由于 所以 这说证明了f是单射 因此 f是A到B的双射 最后 令和都具有性质 41 有 所以g是由f唯一确定的 设f是A到B的一个映射 我们把满足例6条件的映射叫做f的逆映射 一个映射不一定有逆映射 然而如果映射有逆映射的话 逆映射是由f唯一确定的 以后把f的逆映射记作 有 因此 也是一个双射 并且f就是的逆映射 即 42 证 任意 取 因为 所以 且 所以 且有 f满 43 设而 那么 由此 所以f是单射 于是由例6 f有逆映射 易验证 44 定义5 集合X到自身的映射 叫做集合X的一个变换 单射变换 满射变换 双射变换 恒等变换 45 46 47 3 代数运算 48 一般映射的描述 作为运算的记号 简记 49 例 A 所有正整数 下列运算是不是A的代数运算 A Z A Q A R 50 例4 A a b c 规定A的两个不同的代数运算 51 T M 表示非空集合M的全体变换作成的集合 S M 表示非空集合M的全体双射变换作成的集合 显然变换的合成 乘法 是T M 和S M 的一个代数运算 52 对有限集合的代数运算 常直观地列成一个表 乘法表 53 S M 的乘法表 54 一 结合率 4 运算律 55 56 假如用一个加括号的步骤 当然也会得到一个结果 加括号的步骤自然不止一种 但因为是一个有限整数 这种步骤的个数总是一个有限整数 假定它是 我们把由这个步骤所得的结果用 来表示 这样得来的N个 当然未必相等 但是它们也可能都相等 我们规定 57 假如对于的个固定的元来说 所有的都相等 我们就唯一的结果 用来表示 问题 什么条件下 所有的都相等 定理 假如一个集合的代数运算适合结合律 那么对于的任意个元来说 所有的都相等 因此符号也就总有意义 58 证明对n用数学归纳法 第二型 I n 2 3 定理是对的 II 假定个数 定理是对的 在这个假定之下 如果我们能够证明 对于一个任意的来说 一个固定的结果 定理也就证明了 这一个是经过一种加括号的步骤所得来的结果 这个步骤的最后一步总是对两个元进行运算 这里 是前面的若干个 假定是个元 经过一个加括号的步骤所得的结果 是其余的个元 经过一个加括号的步骤所得的结果 因为 59 和都 由归纳法的假定 情况1假定 那么上式就是要证明的 情况2假定 那么即 式仍然成立 证完 结合律成立 保证了可以应用个符号 结合律的重要也就在此 60 二 交换率 61 62 三 分配率 63 64 65 66 5同态与同构 如何比较两个代数系统 回忆两个三角形全等的定义 经过运动 顶点可以重合 这里涉及两个步骤 第一 点间有一个对应 映射 第二 对应后可以重合 我们比较两个代数系统和 第一 我们需要一个映射 第二 这个映射还能够使 运算重合 或曰 保持运算 具体的说 假如和是的两个元 那么和都有意义 都是的元 保持运算即下面等式成立 67 上面的等式即 换一种表示 假定在之下的像 68 所有整数 的代数运算是普通加法 的代数运算是普通乘法 定义1一个到的映射称为对于代数运算和的同态映射 假如 都有 定义与例子 69 例1证明 是的任一元 是一个到的同态映射 证明 例2 若是偶数 若是奇数证明 是一个到的满射的同态映射 证明 显然 是到的满射 对于的任意两个整数和来说 分三种情况 1 若 都是偶数 那么也是偶数 所以 2 若 都是奇数 3 若和奇偶性相反 70 例3 是的任一元 固然是一个到的映射 但不是同态映射 因为 对于任意的和来说 71 定义和是两个代数系统 如果存在一个到的同态满射 就称和同态 记号 72 定理1假定 对于代数运算和来说 到同态 那么 1 若适合结合律 也适合结合律 2 若适合交换律 也适合交换律 73 于是 证明我们用来表示到的同态满射 1 假定是的任意三个元 由于是同态满射 我们在里至少找得出三个元 来 使得在之下 2 证明类似 注 这种通过同态映射过渡的方法在证明具有一般性 74 定理2假定 都是集合的代数运算 都是集合的代数运算 并且存在一个到的满射 使得与对于代数运算来说同态 对于代数运算来说也同态 那么 1 若适合第一分配律 也适合第一分配律 2 若适合第二分配律 也适合第二分配律 证明 注 由的性质可以推出具有同样的性质 反过来不成立 75 定义 同构映射 定义和是两个代数系统 如果存在一个到的同构映射 就称和同构 记号 自同态 自同构的概念可以自然的给出 76 同构的代数系统意味什么 77 在A的运算表 进行变换 变成了什么 它们可以统一成为一个运算表 78 79 矛盾 80 小结 现在我们看两个任意的 对于代数运算和来说是同构的集合和 我们可以假定 并且在与间的同构映射之下 由于同构映射的性质 我们知道 抽象地来看 与这两个代数系统 没有任何区别 只有命名上的不同而已 81 6等价关系与集合的分类 82 83 84 85 86 87 88 89 第二章群 1群的定义和初步性质 2群中元素的阶 3子群 4循环群 5变换群 6置换群 7陪集 指数和Lagrange定理 90 1群的定义和初步性质 定义 第一定义 称G关于该运算作成一个群 91 定义 第二定义 称G关于该运算作成一个群 92 定义 第三定义 称G关于该运算作成一个群 93 94 95 定义 96 定义 一个群叫做有限群 假如这个群的元的个数是一个有限数 不然的话 这个群叫做无限群 定义 一个群叫做交换群 Abel群 假如对于的任何两个元 都成立 97 例1 例3 98 例5 例6 99 100 推论1群中消去律成立若 那么 若 那么 101 102 103 104 1群中元素的阶 105 定义1 群的一个元素 使得 的最小的正整数叫做的阶 若是这样的一个不存在 我们说 是无限阶的 106 3 群的阶和元素的阶不是一回事 2 107 例1 例2 108 109 110 111 112 113 114 反例P43 115 116 117 3 子群 讨论子对象是一个常用的代数方法 我们看一个群 假如由里取出一个非空子集来 那么利用的乘法可以把的两个元相乘 对于这个乘法来说 很可能也作成一个群 定义1一个群的一个非空子集叫做的一个子群 假如对于的乘法来说作成一个群 用符号表示 群 则至少有两个子群 只包含单位元的子集 平凡子群 118 定理2 一个群的一个非空子集作成的一个子群的充分而且必要条件是 119 证明充分性 1 由于 是闭的 2 结合律在中成立 在中自然成立 3 因为至少有一个元 由 也有元 所以由 4 由 对于的任意元来说 有元 使得 必要性显然成立 120 定理3 一个群的一个非空子集作成的一个子群的充要条件是 证明I 我们先证明 和 成立 就也成立 假定 属于 由 由 II 现在我们反过来证明 由 可以得到 和 假定 由 于是 成立 121 假定 由刚证明的 由 即 i 成立 例1 一个群的一个非空有限子集作成的一个子群的充要条件是 122 123 124 125 容易证明 126 证明 设H是G的子群 那么 另一方面 所以 而 所以 反过来 构成的一个子群 127 推论2 一个群的一个不空子集作成的一个子群的充分而且必要条件是 推论2 一个群的一个非空