代数系统的一般性质.ppt

第五章代数系统 二元运算及其性质代数系统及其子代数和积代数代数系统的同态和同构半群与群环与域格与布尔代数 集合上的运算 其运算结果都是在原来的集合R中 具有这种特征的运算是封闭的 简称闭运算 对于集合A 一个从An到B的映射 称为集合A上的一个n元运算 如果B A 则称该n元运算是封闭的 5 1二元运算及其性质 定义5 1设S为集合 函数f S S S称为S上的一个二元运算 简称为二元运算 f N N N f x y普通的减法不是自然数集合上的二元运算 因为两个自然数相减可能得负数 而负数不属于N 这时也称集合N对减法运算不封闭 1 自然数集合N上的乘法是N上的二元运算 但除法不是 2 整数集合Z上的加法 减法和乘法是Z上的二元运算 而除法不是 3 非零实数集R 上的乘法和除法都是R 上的二元运算 而加法 减法不是 4 设Mn R 表示所有n阶实矩阵的集合 n 2 即则矩阵加法和乘法都是Mn R 上的二元运算 5 S为任意集合 则 为S的幂集P S 上的二元运算 6 S为集合 是S上的所有函数的集合 则合成运算 是上的二元运算 算符 通常用 等符号表示二元运算 称为算符 设f S S S是S上的二元运算 对任意的x y S 如x与y的运算结果是z 即f z 可利用算符 简记为x y z N元运算 定义5 2设S为集合 n为正整数 则函数称为S上的一个n元运算 简称为n元运算 例如 求一个数的相反数是实数集R上的一元运算 求一个数的倒数是非零实数集R 上的一元运算 在幂集合P S 上 如果规定全集为S 那么求集合的绝对补运算可以看作是P S 上的一元运算 在空间直角坐标系中求某一点 x y z 的坐标在x轴上的投影可以看作是实数集R上的三元运算f x 因为参加运算的是有序的3个实数 而结果也是实数 使用算符表示n元运算若f b 则可记为 a1 a2 an b前缀表示法 a b一元运算 a1 a2 b二元运算 a1 a2 a3 b三元运算 如果集合S是有穷集 S上的一元和二元运算也可以用运算表给出 表5 1和5 2是一元和二元运算表的一般形式 例5 2设S 1 2 给出P S 上的运算 和 的运算表 其中全集为S 解所求的运算表如表5 3 表5 4所示 例5 3设S 1 2 3 4 定义S上二元运算如下 x y xy mod5 x y S 二元运算的性质 定义5 3设 为S上的二元运算 如果对任意的x y S都有x y y x则称运算 在S上是可交换的 或者说 在S上适合交换律 例如 实数集上的加法和乘法都是可交换的 但减法不可交换 在幂集P S 上的 都是可交换的 但相对补不是可交换的 定义5 4设 为S上的二元运算 如果对任意的x y z S都有 x y z x y z 则称运算 在S上是可结合的 或者说 在S上适合结合律 普通的加法和乘法在N Z Q R上都是可结合的 在幂集P S 上也是可结合的 矩阵加法和乘法在Mn R 上是可结合的 其中矩阵加法还是可交换的 但矩阵乘法不是可交换的 定义5 5设 为S上的二元运算 如果对任意的x S都有x x x则称该运算 适合幂等律 也可以说S中的全体元素都是幂等元 例如 幂集P S 上 和 适合幂等律 但对称差不适合幂等律 除非P S 是运算 的幂等元 定义5 6设 和 是S上的两个二元运算 如果对任意的x y z S有x y z x y x z y z x y x z x 则称运算 对 是可分配的 也称 对 适合分配律 例如 在实数集上普通乘法对加法是可分配的 在n阶实矩阵的集合Mn R 上矩阵乘法对矩阵加法是可分配的 而在幂集P S 上 和 是互相可分配的 定义5 7设 和 是S上的两个可交换的二元运算 如果对任意的x y S都有x x y x x x y x 则称 和 满足吸收律 例如 在幂集P S 上 和 是满足吸收律的 左幺元 右幺元 幺元 定义5 8设 为S上的二元运算 如果存在元素el 或er S使得对任何x S 都有el x x 或x er x 则称el 或er 是S中关于运算 的一个左幺元 或右幺元 若e S关于 既是左幺元 又是右幺元 则称e为S上关于运算 的幺元 谁是幺元 自然数集合上的加法运算的幺元是谁 自然数集合上的乘法运算的幺元是谁 在Mn R 上 矩阵加法的幺元是谁 在Mn R 上 矩阵乘法的幺元是谁 在幂集P S 上 运算的幺元是谁 在幂集P S 上 运算的幺元是谁 R 是非零实数集 任意的a b R 有a b a 运算 的幺元是谁 左幺元 右幺元 幺元 定理5 1设 为S上的二元运算 el er分别为运算 的左幺元和右幺元 则有el er e 且e为S上关于运算 的唯一的幺元 证明el el er el er er所以 el er把el er记作e 假设S中存在幺元e 则有e e e e所以 e是S中关于运算 的唯一的幺元 左零元 右零元 零元 定义5 9设 为S上的二元运算 若存在元素 l 或 r S使得对任意的x S有 l x l 或x r r 则称 l 或 r 是S上关于运算 的左零元 或右零元 若 S关于运算 既是左零元 又是右零元 则称 为S上关于运算 的零元 自然数集N上普通乘法的零元是谁 普通加法零元是谁 Mn R 上矩阵乘法的零元 矩阵加法零元 在幂集P S 上 运算的零元是 运算的零元是 R 是非零实数集 任意的a b R 有a b a 运算 的零元 定理5 2设 为S上的二元运算 l r分别为运算 的左零元和右零元 则有 l r 且 为S上关于运算 的唯一的零元 定理 设是一个代数系统 且集合A中元素的个数大于1 如果该代数系统中存在幺元e和零元 则 e 证明 用反证法 设 e 那么对于任意x A 必有x e x x e于是 A中所有元素都是相同的 这与A中含有多个元素相矛盾 左逆元 右逆元 逆元 定义5 10设 为S上的二元运算 e S为运算 的幺元 对于任意的x S 如果存在yl S 或yr S 使得yl x e 或x yr e 则称yl 或yr 是x的左 或右 逆元 若y S既是x的左逆元 又是x的右逆元 则称y是x的逆元 自然数集关于加法运算的逆元 整数集关于加法运算的逆元 Mn R 上矩阵乘法的逆元 在幂集P S 上 运算的逆元 定理5 3设 为S上可结合的二元运算 e为该运算的幺元 对于x S如果存在左逆元yl和右逆元yr 则有yl yr y 且y是x的唯一的逆元 证明 yl yl e yl x yr yl x yr e yr yr 令yl yr y 假设y S是x的逆元 则有y y e y x y y x y e y y 由这个定理可知 对于可结合的二元运算来说 元素x的逆元如果存在则是唯一的 通常把这个唯一的逆元记作 定义5 11设 为S上的二元运算 如果对任意的x y z S满足以下条件 1 若x y x z且x不是零元 则y z 2 若y x z x且x不是零元 则y z就称运算 满足消去律整数集合上加法 乘法 幂集P S 上 运算 运算满足消去律吗 运算满足消去律吗 是一个代数系统 是A上的一个二元运算 那么该运算的有些性质可以从运算表中直接看出 即 1 运算 具有封闭性 当且仅当运算表中每个元素都属于A 2 运算 具有可交换性 当且仅当运算表关于主对角线是对称的 3 运算 具有等幂性 当且仅当运算表的主对角线上每一个元素与它所在行 列 的表头元素相同 4 A关于 有零元 当且仅当该元素所对应的行和列中的元素都与该元素相同 5 A中关于 有幺元 当且仅当该元素所对应的行和列依次与运算表的行和列相一致 6 设A中有幺元 a和b互逆 当且仅当位于a所在行 b所在列的元素以及b所在行 a所在列的元素都是幺元 设 是字母的有穷集 称为字母表 中的有限个字母组成的序列称为 上的串 对任何串 串中字母的个数叫做串的长度 记作 长度是0的串叫做空串 记作 对任给的自然数k 令 k 特别有 规定 上的二元运算 如下 对任意 a1a2 am b1b2 bn a1a2 amb1b2 bn 运算 把串 接在串 的后面 称之为连接运算 它是 上的二元运算 对任意 有 即连接运算满足结合律 但不满是交换律 它的幺元是空串 上的一元运算 求一个串的反串 记作 对于任意 a1a2 an 有 an a2a1对任意串 如果 则称该串是一个回文 例如 1 100001 10101都是 0 1 上的回文 对给定的 的任何子集都称为 上的一个语言 记作L L 因为P 是 的所有子集的集合 它恰好表示了 上所有语言的集合 例如 0 1 那么都是 上的语言 其中L3是回文语言 如果对于某个L P 有L L 则称L为 上的镜象语言 易见回文语言一定是镜象语言 但镜象语言不一定是回文语言 例如 语言 01 10 是镜象语言但不是回文语言 5 2代数系统及其子代数和积代数 定义5 12非空集合S和S上的k个运算f1 f2 fk 其中fi为ni元运算 i 1 2 k 组成的系统称为一个代数系统 简称代数 记作 例如 都是代数系统 其中 为普通加法 为普通乘法 是代数系统 其中 和 分别表示矩阵加法和矩阵乘法 也是代数系统 它包含两个二元运算和一个一元运算 是代数系统 其中 代数常数 二元运算的幺元或零元 对系统性质起着重要的作用 称之为系统的特异元素 或代数常数 子代数系统 子代数 定义5 13设V 是代数系统 B S且B 如果B对f1 f2 fk都是封闭的 且B和S含有相同的代数常数 则称是V的子代数系统 简称子代数 例如 是的子代数 因为N对加法封闭 且它们都具有相同的代数常数0 不是的子代数 因为代数常数0不出现在N 0 中 平凡的子代数 真子代数 对任何代数系统V 其子代数定存在 最大的子代数就是V本身 如果令V中所有的代数常数构成的集合是B 且B对V中所有的运算都是封闭的 那么 B就构成了V的最小的子代数 这种最大与最小的子代数称为V的平凡的子代数 如果V的子代数V 满足B S 则称V 是V的真子代数 例5 5设V 令 nZ nz z Z n为自然数那么 证明 nZ是V的子代数 证明 任取nZ中的两个元素nz1和nz2 nz1 nz2 Z 则有nz1 nz2 n z1 z2 nZ 即nZ对 运算是封闭的 并且0 n 0 nZ 所以 nN是的子代数 当n 1时 nZ就是V本身 当n 0时 0Z 0 是V的最小的子代数 而其他的子代数都是V的非平凡的真子代数 积代数 定义5 14设V1 V2 是代数系统 和 为二元运算 V1和V2的积代数V1 V2是含有一个二元运算 的代数系统 即V1 V2 其中S S1 S2 且对任意的 S1 S2有 设V1 V2 其中 和 分别表示整数加法和矩阵乘法 那么V1 V2是V1 V2 对任意的 如果原来的两个代数系统分别含有代数常数 比如说V1的代数常数为a1 V2的代数常数为a2 就是积代数V1 V2中的代数常数 例如 V1 V2 那么积代数V1 V2的代数常数就是 这时有V1 V2 3个代数系统的积代数 例如 V 那么有V V V 并且对任意的 Z Z Z有 如果V1和V2中的二元运算都是可交换的 可结合的或幂等的 则积代数中相应的二元运算也是可交换的 可结合的或幂等的 如果e1 e2分别为V1和V2的幺元 那么就是积代数V1 V2的幺元 如果x1在V1中的逆元为x1 1 x2在V2中的逆元为x2 1 那么在积代数V1 V2中 的逆元就是 5 3代数系统的同态与同构 定义5 15设V1 V2 是代数系统 和 是二元运算 如果存在映射 S1 S2满足对任意的x y S1有 x y x y 则称 是V1到V2的同态映射 简称同态 例如 V1 V2 其中 为普通加法 为模n加法 即 x y Zn有x y x y modn 这里Zn 0 1 n 1 令 Z Zn x x modn 则 是V1到V2的同态 因为对任意x y Z有 x y x y modn x modn y modn x y 又比如令 R R x ex 那么 是到的同态 因为对任意x y R 下式成立 x y ex y ex ey x y 同态象 同构 定义5 16设 是V1 到V2 的同态 则称是V1在 下的同态象 定义5 17设 是V1 到V2 的同态 如果 是满射的 则称 为V1到V2的满同态 记作 如果 是单射的 则称 为V1到V2的单同态 如果 是双射的 则称 为V1到V2的同构 记作 例5 6 1 V 给定a z 令 a z z a x ax x z 那么易证 任取z1 z2 z有 a z1 z2 a z1 z2 az1 az2 a z1 a z2 所以 a是V到自身的同态 这时也称为V的自同态 当a 0时 有 z Z 0 z 0 称 0为零同态 其同态象为 当a 1时 有 z Z 1 z z为Z的恒等映射 显然是双射 其同态象就是 这时 1是V的自同构 同理可证 1也是V的自同构 当a 1且a 0时 z Z有 a z az 易证 a是单射的 这时 a为V的单自同态 其同态象是是的真子集 2 令V1 V2 定义 N如下 易证 是V1到V2的映射 且满足 1 2 有 1 2 1 2 1 2 1 2 所以 为V1到V2的同态 且是满同态 其同态象就是V2 如果 中只含有一个字母 比如说a 那么 an n N 这时 是双射的 就是V1到V2的同构了 一般的代数系统的同态 定义5 15的同态概念可以推广到一般的代数系统中去 设V1 V2 是代数系统 其中 都是二元运算 如果 S1 S2满足以下条件 x y S1有 1 x y x y 2 x y x y 则称 是V1到V2的同态映射 简称同态 例如 V1 V2 其中 为普通的加法和乘法 为模n加法 为模n乘法 即对任意x y Zn有x y xy modn 令 Z Zn x x modn 那么易证 x y x y modn x modn y modn x y x y xy modn x modn y modn x y 所以 是V1到V2的同态 且是满同态 具有一元运算的代数系统中的同态 设V1 V2 是代数系统