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群及其公理

把一個集合與一個遵守四條規則的運算綁在一起,你就得到了群——抽象代數中最重要的對象。我們精確陳述公理,認識阿貝爾群與循環群,並測量元素的階。

乾淨地陳述定義

是一個集合 G 連同一個滿足四條群公理二元運算 ∗。這就是全部定義——不需要數,不需要幾何,只要一個集合和一種良好的成員結合方式。這四條公理就是上一篇裡的四條規則,如今被提升為*要求*。

  1. 封閉性:對 G 中所有 a、b,結果 a ∗ b 落在 G 中。
  2. 結合律:對 G 中所有 a、b、c,(a ∗ b) ∗ c = a ∗ (b ∗ c)。
  3. [[identity-element-of-a-group|單位元]]:G 中存在 e,使每個 a 滿足 e ∗ a = a ∗ e = a。
  4. [[inverse-element|逆元]]:對 G 中每個 a,存在 a⁻¹ 屬於 G,使 a ∗ a⁻¹ = a⁻¹ ∗ a = e。

阿貝爾與循環:兩個友善的家族

如果運算還可交換——對所有 a、b 有 a ∗ b = b ∗ a——這個群就是[[abelian-group|阿貝爾群]],得名於尼爾斯·亨利克·阿貝爾。加法下的整數是阿貝爾的;模 n 加法也是。許多重要的群*不是*阿貝爾的,例如三角形的對稱,其中操作的順序會改變結果。

如果單個元素能生成整個群,這個群就是[[cyclic-group|循環群]]:把一個選定的元素反覆與自身結合,最終產生*每一個*成員。模 4 加法是循環的,因為 1 生成它——1、1⊕1=2、1⊕1⊕1=3,然後回到 0。每個循環群都自動是阿貝爾的(反覆用一個元素不會引入任何順序衝突),但反過來不成立:並非每個阿貝爾群都是循環的。

元素的階

選一個元素,不斷把它與自身結合。在有限群中你最終必定回到單位元。所需的步數就是[[order-of-an-element|元素的階]]——使 aᵏ = e 成立的最小正整數 k(這裡 aᵏ 表示 a 與自身結合 k 次)。單位元的階永遠是 1。算幾個階就能看出群形狀的許多資訊。

Orders in (Z/6Z, ⊕), addition mod 6, identity e = 0
Here a^k means k copies of a added: a^k = (k·a) mod 6.

element 1:  1, 2, 3, 4, 5, 0   → first hits 0 at k=6   order 6
element 2:  2, 4, 0            → first hits 0 at k=3   order 3
element 3:  3, 0               → first hits 0 at k=2   order 2
element 4:  4, 2, 0  (4,8mod6=2,12mod6=0) → k=3        order 3
element 5:  5,4,3,2,1,0        → k=6                    order 6
element 0:  already e                                  order 1

Notice: every order (1,2,3,6) divides the group size 6.
Also: elements 1 and 5 each have order 6 = |G|,
so each one generates the whole group — it is CYCLIC.
模 6 整數加法群中所有元素的階。每個階都整除 6——這是拉格朗日定理的預告。