This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
2Z, s(rc, z/) = x + ( - y) = s -
y.
De asemenea, scăderea este operaţie algebrică şi pe
{ f \ f : M —> M}
a tuturor funcţiilor de la M la M definim următoarea operaţie algebrică. Dacă f, g e cf(M), atunci funcţia h : M M, definită prin A(«) =
g(f(x))t
se numeşte compunerea lui g cu f şi se notează g o /*, sau uneori, chiar 0/.
24
î n cele ce urmează apar numeroase exemple de operaţii algebrice. Deoarece nu vom lucra şi cu alte tipuri de operaţii, vom spune, uneori, simplu, operaţie în loc de operaţie algebrică. Vom nota pentru orice operaţie algebrică u : M x M -> M elementul u(x, y) corespunzător perechii (x, y) prin x * y, sau, după caz, xy (notaţie multiplicativă) sau x + y (notaţie aditivă). Dăm cîteva proprietăţi ale operaţiilor algebrice, cu ajutorul cărora se definesc structurile de bază ale algebrei. — Asociativitatea. Fie M o mulţime şi * : M X M -> M o operaţie pe mulţimea M. Se spune că operaţia * este asociativă, dacă oricare ar fi elementele x, y, z din M, are loc egalitatea x * (y * z) = (x * y) * Exemple. Adunarea şi înmulţirea pe IN, Q, IR,
-6.
— Comutativitatea. Spunem că o operaţie * definită pe o mulţime M este comutativă dacă, oricare ar fi elementele x, y din M, are loc egalitatea x * y — y * x. Exemple. Adunarea şi înmulţirea pe IN. 7L,
— Element neutru. Se spune că elementul e e M este element neutru (unitate) pentru operaţia * : M X M M dacă, oricare ar fi x e M} avem %*e = e*x
= x.
Numărul 0 este element neutru pentru adunarea în IN, 2Z> [R, C? în timp ce 1 este element neutru pentru înmulţire. Pentru compunerea funcţiilor pe M funcţia identică 1M este element neutru. 25
Dacă considerăm mulţimea 22Z a numerelor întregi pare, înmulţirea numerelor întregi pe această mulţime este o operaţie algebrică care evident nu are element neutru. Pentru o operaţie algebrică care are elemşnt neutru are loc : Propoziţia 1.1. Pentru orice operaţie algebrică, neutru (dacă există) este unic.
elementul
Demonstraţie. Să presupunem că operaţia * are două elemente neutre e şi e' şi să arătăm că e = eDeoarece e este element neutru, rezultă e # V = e', iar cum e' este element neutru, rezultă e * e' = e şi deci e = e'. Elementul neutru se mai numeşte şi element unitate atunci cînd operaţia este notată multiplicativ şi element zero (nul) cînd operaţia este notată aditiv. — Elemente inversabile. Fie * o operaţie algebrică pe M cu element neutru e şi x e M. Spunem că x este simetrizabil în raport cu operaţia dată, dacă există un element x' e M astfel încît /yi 4 Jj rr>' Jj
/y>' «k Jj rr> Jj
ot/.
Elementul x' se numeşte simetricul lui x. î n notaţia multiplicativă a operaţiei algebrice, x' se mai numeşte inversul lui x, iar în cea aditivă, opusul lui x. Propoziţia 1.2. Fie * : M X M -> M o operaţie asociativă şi cu element neutru e. Dacă elementul x eM este inversabil, atunci inversul său x' este unic. Demonstraţie. Fie x' şi x" două elemente din M astfel încît x * x' = x' # x = e şi x * x" = x" * x = e. Avem x" * (x * x')~ = x" * e = x". Pe de altă parte x" * (x * x') = (xn * x) * x' = = e * x' = x'. Deci x' — x". Notăm inversul elementului x e M prin xCînd operaţia este aditivă, notăm opusul lui o? prin — x. Eeferindu-ne la exemplele de operaţii de mai sas, observăm că în raport cu adunarea în opusul numărului n este — n\ în raport cu înmulţirea în 2Z elementele inversabile sînt 1 şi —1, iar toate celelalte numere întregi sînt neinversabile. Cînd ope26
raţia nu are element neutru, pentru aceasta nu se poate pune problema elementelor simetrizabile. î n ceea ce priveşte compunerea funcţiilor, demonstrăm Propoziţia 1.3. O funcţie f : M numai dacă este bijectivă.
N este inversabilă
dacă şi
Demonstraţie. Fie / : M N inversabilă, adică există g : N -> -> M astfel încît f o g = lN şi gof = 1 M . Să arătăm că f este bijectivă. într-adevăr, dacă/(#) =/(#')> atunci g(f(x)) =g\f{x')) şi deci (g <>f)(x) = (g °f)(x'), adică lM{oc) = de unde x = x'. Aşadar, funcţia f este injectivă. Pentru a demonstra surjectivitatea funcţiei / , fie y e N. Deoarece y = 1N{y) = =(/° 9) (#) = f(9iy))i rezultă că / este surjectivă. Fie / bijectivă. Definim gr: N Jf în modul următor. Dacă y e N, iar f este surjectivă, există x e M astfel încît / ( x ) = y. Cum / este injectivă, x este unic cu această proprietate. Punem atunci g{y) = x, unde f(x) = y. Evident g este o funcţie astfel încît g of = 1M şi fog = 1^. După această propoziţie rezultă că elementele inversabile din 8(M) în raport cu compunerea funcţiilor sînt funcţiile bijective. Propoziţia 1.4. Fie M o mulţime înzestrată cu operaţia * şi care admite element neutru e. Dacă x, y e M sînt inversabile, atunci x * y este inversabil şi (x * y)"1 = y"1 * x"1. Demonstraţie. Cum (x # y)*(y~l * x = x * (y * y~x) * x~l~ = x # e * x"1 — x * x"1 = e şi, analog, ( y * x~1) * (x * y) = e, rezultă (x * y)"1 = y~l * x'1.
§ 2. Grup, subgrup, omomorfisme de grupuri Definiţia 2.1. Se numeşte grup o mulţime nevidă G înzestrată cu o operaţie algebrică * : G X G G, asociativă, cu element neutru şi astfel încît orice element din G este simetrizabil. Se mai spune că, în acest caz, pe G s-a dat o structură de grup. Dacă, în plus, operaţia este comutativă, spunem că grupul este comutativ sau abelian. 27
î n general, într-un grup oarecare G, elementul % * y se notează xy şi se numeşte produsul lui x cu y sau cu x + y şi se numeşte suma lui x cu y. După caz, se spune că grupul G este multiplicativ sau aditiv. Exemple. 1. Mulţimile TL,0}, mulţimea numerelor reale pozitive, înzestrată cu operaţia de înmulţire este grup comutativ. Analog, 4. Mulţimea G = { 1 , — 1} a TL pe care este definită operaţia de înmulţire a numerelor întregi este un grup comutativ. 5. Mulţimea Un = {ze
Definiţia 2.2. O submulţime nevidă E a unui grup G se spune că este un subgrup al lui G dacă operaţia algebrică de pe G induce pe E o operaţie algebrică împreună cu care E este grup. Propoziţia 2.1. Fie G un grup şi E o submulţime nevidă a sa. Atunci următoarele afirmaţii sînt echivalente : 1) E este subgrup al lui G. 2) Sînt satisfăcute următoarele condiţii : 1° Pentru orice x, y e E rezultă xy e E. 2° e e E (e fiind elementul neutru al lui G). 3° Pentru orice x e E rezultă x e E. 3) Pentru orice x, y e E rezultă xy~xeE. Demonstraţie. 1) =>2). Cum operaţia de pe G induce o operaţie pe jff, rezultă că pentru orice x, y e E avem xy e E, adică condiţia 1°. Fie e' elementul neutru al lui E. Atunci avem e'e' = e' şi dacă (e')'1 este inversul lui e' în G, atunci e' = (e') {e')'1 = e şi deci e eE, adică condiţia 2°. Fie x e E şi x' inversul lui x în E. Cum e este elementul neutru al lui E, atunci xx'= x'x= e, deci x' este inversul lui x în G, adică x' = x'1. Aşadar x'1 e E, adică 3°. 28
2) => 3). Dacă x, yeE, conform cu 3° rezultă y1 e E d 1 după 1°, ccy € E. 3) => 1). Dacă x e E, atunci xx~x — e e E şi x~x ~ ex~xeH. De asemenea, dacă y e E şi cum y1 e E, se obţine xy = ^(y 1 )" 1 e IT. De exemplu 7L <= Q c [R c C sînt subgrupuri unul în celălalt faţă de operaţia de adunare. Grupul \R% este subgrup al lui [R* ; {1? —1} cu operaţia de înmulţire este subgrup al grupului multiplicativ Q* al numerelor raţionale nenule, care la rîndul său este subgrup al lui DR*. De asemenea, cu notaţiile din exemplele precedente, Gf este un subgrup al lui U, iar ambele sînt subgrupuri ale grupului multiplicativ C* al numerelor complexe nenule. î n cele ce urmează sînt determinate toate subgrupurile grupului aditiv 7L al numerelor întregi. Propoziţia 2.2. Pentru ne'Z, 0, mulţimea ri2L={nk\k e^} este un subgrup al grupului aditiv TL. Reciproc, dacă E este un subgrup al grupului aditiv ZI? atunci există n e 2Z? w>0, astfel încît E = n"2LDemonstraţie. Dacă x, y e n"2L, x — rih şi y — nk cu A, IfceJ, atunci x — y — n(h — Tc) e riZL şi, conform variantei aditive a propoziţiei precedente, rezultă că n"2L este subgrup al lui 7L> Eeciproc, fie E un subgrup oarecare al grupului aditiv TL. Dacă E = {0}, adică E este subgrupul nul, atunci E = n7L cu n = 0. Dacă E ^ {0}, există x eE, x ^ 0. Datorită lui 2° j şi —xeE. Rezultă că E conţine numere întregi pozitive. Fie n cel mai mic număr întreg pozitiv din E. Avem 0 e Ej n 6 E, 2n = n + n e E, 3n = 2n + n e E,
...
Şi —neE,
—2neE1
—3n e E,
... 29
după cum rezultă aplicînd 1° şi 2°. Deci nTLG' un omomorfism de grupuri, atunci: 1) 9 (a) =
= cp(ee) =
de unde, înmulţind la stînga cu (9(0))~S rezultă
=
e' = 9 ( 6 ) . 2) Avem e' = 9(0) = 9(xx- 1 ) = 9(#)9(#~1) şi analog, a' = 9 ( # ~ 1 ) 9(#). Deci 9 (ar*)
= (9(^))"1.
Un omomorfism 9 :G -+G' se numeşte izomorfism există un omomorfism ty : G' -» G astfel încît 9o
=
dacă
şi ^ o 9 = 1q.
Scriem atunci 9 :G Un omomorfism de grupuri definit pe grupul G şi cu valori tot în G se numeşte endomorfism al lui G. 30
Un endomorfism al Ini G care este şi izomorfism se numeşte automorfism al lui G. Exemple. 1. Funcţia 6 ; G -> G', astfel încît 6(x) = e', oricare ar fi este un omomorfism, numit omomorfismul nul. 2. Funcţia 9 1 TL {1, —1} definită prin 1, —1,
xeGr
dacă x este par, dacă x este impar,
este un omomorfism de la grupul aditiv al numerelor întregi la grupul multiplicativ {1, —1}. Verificarea este imediată. 3. 4» c TL-+TL definită prin == 3as este un endomorfism al grupului aditiv TL.
Fie 9 : G G' un omomorfism de grupuri. Dacă 9 este o funcţie injectivă (surjectivă), omomorfismul 9 se numeşte injectiv (surjectiv). Dacă 9 este bijectivă, 9 se numeşte omomorfism bijectiv. Propoziţia 2.4. Un omomorfism de grupuri 9 :G (?' este un izomorfism dacă şi numai dacă este un omomorfism bijectiv. Demonstraţie. Avînd în vedere propoziţia 1.3, rezultă că este suficient să demonstrăm că dacă 9 este omomorfism bijectiv iar <J/: O' G este inversa funcţiei 9, atunci ^ este omomorfism. Aşadar, va trebui arătat că, oricare ar fi y, y' e G', avem
Exemplu. Dacă R+ este grupul multiplicativ al numerelor reale strict pozitive şi 0? grupul aditiv al numerelor reale, funcţia In : R+
JR
este un izomorfism, omomorfismul invers fiind dat de aplicaţia x - » e* de la * ia
31
Dăm acum o caracterizare a omomorfismelor injective de grupuri. Dacă 9 :G ->G' este un omomorfism, definim Ker 9 = {x e G\cp(x) = e'}. Dacă x, y e Ker 9, adică 9(0?) = 9(2/) = e', atunci ^(xy1)
=
9(0?) 9 ( 2 T 1 ) =
9 ( 0 ) (9(2/))~1 =
e'e'=e', deci a ^ - e K e r
9.
Aşadar, Ker 9 este un subgrup al lui 0 care se numeşte nucleul omomorfismului 9. De asemenea, Im 9 = 9(6?) se vede imediat că este un subgrup al lui (?', numit imaginea omomorfismului 9. Propoziţia 2.5. Fie 9 : 6? wn omomorfism de grupuri. 9 este omomorfism injectiv dacă şi numai dacă Ker 9 = {0}. Demonstraţie. Fie 9 injectiv şi să arătăm că Ker 9 = {e}. După propoziţia 2.3, 9(6) = e'. Să presupunem că a? e Ker 9, adică 9(a?) = e' = 9(6). Cum 9 este injectivă, rezultă x = e. Eeciproc, fie cp(x) = 9(y). Atunci 9(0?) (9(2/))~1 = e', adică cp(x) ^(y1) = e' sau ^(xy1) = e' şi deci xy1 = e. Aşadar x= = y şi deci 9 este injectivă. § 3. Relaţii de echivalenţă Fie M o mulţime nevidă. Se spune că pe M este definită o relaţie binară, dacă s-a dat o submulţime R a produsului cartezian M x M. Elementele x, y e M sînt în relaţia R şi scriem xRy dacă (x, y) e R. Definiţia 3.1. O relaţie binară R pe M se numeşte relaţie de echivalenţă dacă are proprietăţile : 1° pentru orice x e M, xRx (reflexivitate); 2° dacă x, y e M şi xRy, atunci yRx (simetrie); 3° dacă x, y, z e M, din xRy şi yRz rezultă xRz (tranzitivitate). Relaţiile de echivalenţă se vor nota în continuare în mai multe moduri. Dacă R este o relaţie de echivalenţă pe mulţimea M, să notăm, pentru orice x e M, cu x submulţimea x = {y\yeM,
yRx}.
Această submulţime se numeşte clasa de echivalenţă a elementului x. 32
Propoziţia 3.1. Fie M o mulţime şi R o relaţie de echivalenţă pe M. Atunci clasele de echivalenţă determinate de R pe M au proprietăţile: 1° x # 0, oricare ar fi x e M (orice clasă de echivalenţă este nevidă). 2° Dacă xRy, atunci x = y, iar în caz contrar, x fi y = 0 . 3° M = U xeM
Demonstraţie. 1° Deoarece xRx, rezultă x e x, deci x ^ 0 . 2° Dacă xRy şi 0 e atunci sita. Din tranzitivitatea relaţiei R rezultă zRy} adică Astfel x c £ şi analog rezultă y cz x, deci x — y. Să presupunem că 0 e x n y ; atunci sita şi şi deci xRy. 3° Dacă y e M, atunci y e y şi deci y e U 3. xeM Dacă este o relaţie de echivalenţă pe mulţimea Jf, se notează cu ikf/i? mulţimea avînd ca elemente clasele de echivalenţă x, unde x parcurge pe M. Mulţimea M[R este numită mulţimea cît (factor) a lui M în raport cu relaţia de echivalenţă R. Se spune că mulţimea {#<}*e/ de elemente din M formează un sistem complet de reprezentanţi pentru relaţia R, dacă : 1° dacă i ^ j, atunci x% nu este în relaţia R cu Xj} 2° oricare ar f i x e M, există iei astfel încît xRxi. Cu alte cuminte, este un sistem complet de reprezentanţi dacă Xi ^ Xj pentru i ^ j şi oricare x e M/R, există xt, astfel încît x — x%. Dacă se asociază fiecărui element x e M clasa sa de echivalenţă x în raport cu R, se obţine o aplicaţie surjectivă : p :M
M/R
numită surjecţia canonică a lui M pe M/R. Exemplu. Fie n > 0 un număr întreg. Pe mulţimea TL a numerelor întregi se defineşte următoarea relaţie binară: dacă x, y e Z , atunci x = i/(modn) dacă Şi numai dacă n divide pe x — y. Această relaţie binară care este, evident, o relaţie de echivalenţă este numită relaţia de congruenţă modulo n. Ne propunem să descriem mulţimea factor a lui TL în raport cu această relaţie de echivalenţă. Pentru n — 1, cum toate numerele întregi sînt congruente între ele modulo 1, r ®zultă că în acest caz mulţimea cît are un singur element. Fie n > 1 şi fie x e TL. După teorema împărţirii cu rest pentru numerele întregi x — qn + r cu 0 < r < n — 1. De aici rezultă x =s /-(mod n). Aşadar, orice
3
xeTL aparţine clasei de echivalenţă determinate de un număr r cu O < r < n - 1 Mai mult, dacă O < /-, s ^ n — 1 şi == s(mod n), atunci n |r — s, adică r — s = O şi deci r = s. Aşadar numerele O, 1, 2, . . . , n — 1 constituie un sistem complet de reprezentanţi pentru congruenţa modulo n. Deci
Un- {0, î, A
unde prin x s-a notat clasa de echivalenţă a numărului x.
§ 4. Relaţii de echivalenţă pe grupuri Fie G un grup şi E un subgrup al său. Considerăm pe G următoarele relaţii binare : Dacă x, y eGj atunci xR8y dacă şi numai dacă x~xy e E şi xRdy dacă şi numai dacă xy~x e E Aceste relaţii binare sînt relaţii de echivalenţă. Să demonstrăm, de exemplu, că prima relaţie este o relaţie de echivalenţă. Dacă x e (?, atunci din x ^ x — e e E rezultă că xRsx (reflexivitatea). Dacă xRsy, atunci x*1 y e E şi deci y~xx = (x'hj)-1 e £T, de unde yRsx (simetria). î n sfîrşit, dacă xRsy şi yB% atunci x~xy e E şi y~xz e E. Deci x~xz = = (x^y) (y^z) 6 E, adică xRsz (tranzitivitatea). Analog, se demonstrează că Rd este relaţie de echivalenţă. Eelaţiile de echivalenţă de îhai sus se numesc relaţii de congruenţă la stînga, respectiv la dreapta în raport cu E sau modulo E. Să notăm cu x, respectiv x, clasa de echivalenţă a elementului x e G în raport cu R% respectiv Rd şi o vom numi clasa de echivalenţă la stînga, respectiv clasa de echivalenţă la dreapta a lui x modulo E. Fie GjRs şi G/Rd mulţimile factor corespunzătoare lui Rs şi Rd. Lema 4.1. Fie G un grup şi E un subgrup al său. Dacă x e G este un element oarecare, atunci : x = {xh | h e E} x = {hx | h eE} 34
(notată cu xE) (notată cu Ex)
Demonstraţie. Din definiţie avem x = {y e G | xR'y} = {y e G\ x*1 y e E} = = {y e G | există heH,
x"1 y = h} = {y e G | y = xJi} = xE
La fel se arată că x =
Ex.
Propoziţia 4.2. Dacă G este un grup şi E un subgrup al său, Rs şi Rd relaţiile de congruenţă modulo E. Atunci aplicaţia 9 : G/R*
GjRd
dată de 9(xE) = Bar1 este bijectivă. Demonstraţie. Să arătăm mai întîi că 9 este bine definită, într-adevăr, dacă xE = 2/17, adică atunci e jff sau e B". Deci x"1Rdy~1^ adică Ex~x = Eyceea ce înseamnă că 9 este bine definită. Dacă acum 9 ( x E ) =
E(x-1)~1=Ex.
î n particular, dacă una dintre mulţimile G[RS sau GfRa este finită, atunci şi cealaltă este finită şi ele au acelaşi număr de elemente. Se spune în acest caz că E are indice finit în G sau că E este un subgrup de indice finit al lui (?, iar numărul de elemente ale mulţimilor G[RS sau GjRa (care este acelaşi) se numeşte indicele lui E în G şi se notează [G : E], Se spune că un grup G este finit dacă mulţimea elementelor sale este finită, iar numărul de elemente ale lui G se numeşte ordinul său şi se notează ord G. Evident, dacă G are ordin finit, atunci orice subgrup al său are ordin finit şi mai mult, indicele oricărui subgrup este finit. Teorema 4.3 (Lagrange). Dacă G este un grup finit şi E un subgrup al său, atunci ord G=
[G: E] • ord E
Demonstraţie. Conform propoziţiei precedente, putem să facem demonstraţia, considerîncl, de exemplu, numai relaţia de echivalenţă Rs pe G. 35
Fie xxE, x^E, . . . , xkE clasele de echivalenţă la stînga modulo E. Aşadar Te = [G : E]. Vom arăta mai întîi că orice două clase de mai sus au acelaşi număr de elemente. Pentru aceasta arătăm că aplicaţia ^ : x{E -> XjE definită prin <\>{Xih) — x}h este bijectivă. într-adevăr, dacă x{h) =
&= U »=i de unde
şi
n XjH = 0 , pentru i ^ j, k
card G = J] cârd (x t E) = Ic ord E. i= 1
Deci ord G = [G : E] • ord E.
§ 5. Subgrup normal. Grup factor Definiţia 5.1. Fie G un grup şi E un subgrup al său. Se spune că E este subgrup normal sau divizor normal al lui G dacă pentru orice x e G şi h e E avem xhxe E. Iată alte caracterizări ale subgrupului normal: Propoziţia 5.2. Fie E un subgrup al grupului G. Atunci următoarele afumaţii sînt echivalente : 1) E este subgrup normal al lui G. 2) Pentru orice x e G avem xE = Ex. 3) Pentru orice x e G avem xEx= E. Demonstraţie. 1) => 2). Dacă y e xE, atunci y = xh cu h e E. Deci yx*1 = xhx^eE, adică y e Ex. Deci xEaEx. Analog rezultă Ex c xE, deci egalitate. 2) 3) şi 3)=î> 1) sînt evidente. î n particular, dacă G este grup abelian, atunci, evident, toate subgrupurile sale sînt normale. Din propoziţia precedentă este clar că, dacă E este un subgrup normal al lui (?, atunci relaţiile de congruenţă Rs şi Rd 36
în raport cu E coincid. î n acest caz se spune, pe scurt, congruenţa R modulo E. Cele două mulţimi factor GjRs şi G/R? de asemenea coincid, mulţimea factor G/R fiind notată cu GţH. Propoziţia 5.3. Dacă G este un grup şi E un subgrup normal al său, atunci pe mulţimea factor G/E se poate defini o operaţie algebrică împreună cu care G/E devine grup. Demonstraţie. Dacă
y e G/E, definim A A
/ \
xy = xy. Să arătăm, mai întîi, că această operaţie este bine definită, adică nu depinde de alegerea reprezentanţilor. într-adevăr, fie x = x' si y = y'. Atunci x x f eE şi y~xy' e f f , adică există h19 h2e E astfel încît x' = x\ şi y' = yh2• Deci = = xh^hz. Dar, cum E este subgrup normal, există h3<=E astfel e încît \y = yh3, de unde se obţine x'yf = xy7ijiz iar H* Deci (xy^^x'y') == A3A2 e E , adică /s xy =
/ sf x y\
Operaţia este asociativă, deoarece dacăâ, y, z eG/H, atunci A
A A
A
/ S A
A A A
x(yz) = xyz = x(yz) = (xy)z = xyz — (xy)z. Operaţia admite element neutru e e GjE, deoarece pentru oricare x e G/E avem evident A A
A A
A
xe = ex = x. De asemenea, orice element x e G/E are un invers care este z"1 e G/Hj deoarece A A
/N
A
A
A
A
xx-1 = xx~x = e şi x'1 x = x'1 x = e. Deci G/E este un grup. Definiţia 5.2. Grupul G/E construit la propoziţia precedentă se numeşte grupul factor (cît) al lui G în raport'cu subgrupul normal E. 37
Aplicaţia canonică (vezi §3) p : G -> Q/H, p(x) = x este un omomorfism de grupuri. într-adevăr, dacă x, y etr/ff, atunci / \
A A
p(xy) = xy = xy =
p{x)p{y).
Exemplu. Fie HczTL un subgrup nenul al grupului aditiv TL. Atunci II = n2Z pentru un anumit număr n > 0. Să vedem cine este grupul factor TLjnlL. Două numere x, yeTL, xRy (mod riZ) dacă x — ye nTL, adică n I x — y. Deci xRy (mod nTL) dacă şi numai dacă x == y (modn). Atunci 7Z.[n7L — {O, î , ...,
rT^1}.
Operaţia de grup pe Z/nZ este
x + y ~ x + y, oricare ar fi x, y e TLjnlL. Deci grupul factor al lui 2Z în raport cu nTL este (TZn, + ) .
Fie G şi G' două grupuri şi 9 :G -> G' un omomorfism de grupuri. Am notat prin Ker 9 = {x e G | ($>(x) = e'} şi am demonstrat (vezi §2) că acesta este un subgrup al lui G. "Vom demonstra că Ker 9 este subgrup normal. într-adevăr, dacă x e G şi y e Ker 9, atunci xyx~x e Ker 9, deoarece 9 (xyx-1)^ = cp(x) 9 ( y ) (pix'1) =Cr/Ker 9 omomorfismul natural de la grupul Cr la grupul factor G/Ker 9. De asemenea, am arătat că Im 9 este un subgrup al lui G'. Mai mult, avem : Teorema 5.4 (fundamentală de izomorfism). Fie 9 :(?->(?' un omomorfism de grupuri. Atunci există un izomorfism canonic 9 : Gl Ker 9 38
Im 9.
Demonstraţie. Definim 9 prin 9(0) = 9(3?). Aplicaţia 9 este bine definită, deoarece din x = y rezultă x~xy e Ker 9, adică' 1111(16 cpix^y) = Dar 9(x^y) = 9 ( x = M f ^ ' M ^ _1 (9(^)) 9(2/) = adică
=
=
=
=
adică 9 este un omomorfism de grupuri. Deci 9 este un izomorfism.
§ 6. Grupuri ciclice Fie G un grup multiplicativ şi a eG un element al său. Pentru orice n e2L definim a a
... a , n factori
an =
e Dacă n e
dacă n > 0,
,
dacă n = 0,
a^arm1 factori . . . a"1,
dacă w < 0.
atunci = a~nan = e
Şi deci a~n este inversul lui a71, adică a~n = (a11)"1. Dacă m, ne 7Z sînt două numere întregi oarecare, atunci aman =
şi
=
^erificarea acestor relaţii, care se face uşor prin inducţie, o *asăm pe seama cititorului. 39
Dacă grupul G este aditiv, atunci definim a + <*> + • • • + a na —
,
dacă n
>0,
,
dacă n
0,
( — a) + (—a) + . . . + ( — «),
dacă n < 0.
n termeni
Avem ma + na = (m + n)a şi m(na) = (mn)a oricare ar fi m, n eTLG fiind un grup (în notaţie multiplicativă) şi a eG un element oarecare, să notăm cu = {ak| h e
TL}
Este clar că ( a ) este subgrup al lui G, numit subgrupul ciclic generat de a. Definiţia 6.1. Un grup G se numeşte ciclic dacă există a e G, astfel încît G = (adică toate elementele sale sînt puteri ale unui anumit element a eG). Elementul a se numeşte generator al grupului ciclic G. Grupul aditiv TL este ciclic, de generator 1, şi fiecare grup aditiv 2ZW este ciclic, cu generatorul clasa lui 1 modulo n. Yom demonstra mai jos că orice grup ciclic este izomorf cu TL sau cu 7Ln. Fie G un grup multiplicativ şi a eG un element al său. Să considerăm aplicaţia 73 : TL -> G definită astfel : 7j(n) = an, ne TL. Imaginea aplicaţiei y) este, evident, subgrupul ciclic generat dea. Ne punem problema cînd două puteri ale lui a sînt egale. Definiţia 6.2. Se spune că un element a al grupului G este de ordin infinit în G dacă toate puterile sale sînt distincte. î n caz contrar, adică dacă există i, j g 2Z? i ^ j, astfel încît a1 == a\ se spune că a este de ordin finit. 40
O b s e r v a ţ i e . Elementul aeG este de ordin infinit dacă aplicaţia definită mai sus este injectivă şi este de ordin finit cînd yj nu este injectivă.
Fie a e f f u n element de ordin finit şi i < j astfel încît a* = = aj. Atunci a}~1 = e şi, prin urmare, există o putere pozitivă a lui a egală cu elementul neutru. Cel mai mic număr întreg pozitiv n astfel că an = e se numeşte ordinul ele. entului a şi se notează cu ord a : ord a = min{fc|a* = e,
ft>0}.
Astfel, fiecare element al unui grup are ca ordin un număr întreg pozitiv sau infinit. Observăm că elementul neutru al lui G este singurul element de ordin 1 al grupului. Propoziţia 6.1. Bacă a e G este un element de ordin n, atunci subgrupul ciclic generat de a are exact n elemente şi anume = {e, a, a2, ...,
an~1}.
Demonstraţie. Dacă n = ord a, pentru orice a* punem, după teorema împărţirii cu rest, Ic = nq + r cu 0 < r < n. Deci ak = anq+r = (anf • ar. Aşadar, subgrupul generat de a este {e9 a, a2, ..an~x}. Aceste elemente sînt toate distincte. întradevăr, dacă am avea ai = a}, 0 < i < j < n — 1, atunci a j = e şi 0 < j — i < n, deci rezultă contradicţie. Din teorema lui Lagrange şi propoziţia precedentă rezultă Corolarul 6.2. Dacă G este un grup finit, atunci ordinul oricărui element al său (care evident este finit) divide ordinul lui G. Am observat că grupurile aditive 2Z şi 7Ln O > 0 ) sînt ciclice. Următoarea teoremă arată că acestea sînt singurele tipuri de grupuri ciclice. Teorema 6.3. Un grup ciclic G este izomorf fie cu grupul TL al numerelor întregi, fie cu un anume grup TLn ( w > 0 ) de clase de resturi modulo n. Demonstraţie. Fie G = şi aplicaţia rj : 2Z -> G, definită prin yj(n) = an. Avem t)(m + n) = am+n = aman = 7)(m) rt(n) 41
şi deci 73 este un omomorfism de grupuri. Acest omomorfism este surjectiv, deci Im 73 = G. Dacă calculăm nucleul lui 7], Ker 73, pot fi două cazuri: 1) Ker 73 = {0}, 2) Ker 73 ^ {0}. î n primul caz, conform teoremei de izomorfism, avem Z/{0}
Im 73, adică TL
G.
î n cazul al doilea, Ker 73 este de forma nTL cu ne TL, n> 0. î n acest caz, conform teoremei de izomorfism, avem TL/nTL
Im 73, adică TLn-^G-
Din izomorfismul TLn-^G dat de r -> ar avem că akn = e, oricare ar fi IceTL şi dacă a1 = e, atunci n | î. Mai general, ar = a8 dacă şi numai dacă r = s (mod n). O b s e r v a ţ i e . Cele de mai sus pot fi reformulate astfel. Fie G un grup ciclic şi a un generator al său. 1. Dacă a este de ordin infinit, atunci G este izomorf cu grupul TL. 2. Dacă a este de ordin n (finit), atunci G este izomorf cu grupul "7Ln.
Propoziţie 6.4. Orice subgrup şi orice grup factor al unui grup ciclic este ciclic. Demonstraţie. Dacă G = este ciclic iar H un subgrup al său, atunci G/H este ciclic generat de clasa Iui a modulo H. Să arătăm că orice subgrup al unui grup ciclic este ciclic, într-adevăr, în privinţa lui TL am arătat că subgrupurile sale sînt de tipul nTL (vezi propoziţia 2.2), sînt deci ciclice. Fie G un grup ciclic finit al cărui generator a este de ordin n şi E un subgrup al său. Considerăm cel mai mic întreg pozitiv fc astfel încît ak e E. Atunci, după teorema împărţirii cu rest, n = Icq + r cu 0 < r < f c . Deoarece e=ane E şi a~1ci={akQ)~1 e E, din e = an = akQ+r = akq • ar rezultă ar e E. Cum Ic este cel mai mic întreg pozitiv încît ak e U, rezultă r = 0. Deci n — leg şi E = {e, ak, a2k,
..a"-»*},
adică E este ciclic generat de ak. Generatorii unui grup ciclic finit se caracterizează astfel : Propoziţia 6.5. Un element x e TLn este generator al grupului aditiv TLn dacă şi numai dacă x este prim cu n. 42
Demonstraţie. Dacă x este un generator al lui TLni atunci A A A A există a e TL astfel încît 1 = ax. Dar ax — ax = 1 şi deci ax = l (mod n). Aşadar n\ax — 1 şi deci există b eTL astfel încît ax — — 1 =-bn sau ax — bn = 1. Astfel x este prim cu n. Beciproc, dacă x este prim cu w, atunci există a, b eTL, astfel încît ax + bn == 1. Trecînd relaţia în TLn, se obţine + bn = 1 sau /X A AA A A aa? + bn = 1 şi deci a a? = 1. Dacă y e TLn este un element oarecare, atunci y = y 1 = (ya) Astfel x generează grupul î n cap. I, § 3, am arătat că grupul Un al rădăcinilor de ordin 2n n ale unităţii este ciclic, un generator al său fiind z± = cos h n . . 2tc ^ . 2kiz , . . 2hiz + i sin . O radacmaw = h î sin care genereaza n n n grupul Un se numeşte primitivă. Conform celor de mai sus, rezultă că zk este rădăcină primitivă dacă şi numai dacă 1c este prim cu n. § 7. Grupuri de permutări Fie M o mulţime. Am observat (vezi § 2, exemplul 6), că mulţimea0 u~x e a(M') şi se defineşte o : a(M) -> g(M') prin 9(/) = uof o u"1. ^
0
Demonstrăm că 9 este un izomorfism. într-adevăr,
u 0
43
Dacă