抽象代数:群、环与域

循环群

循环群是一种能从单个元素出发、靠对它反复施加运算就完全生成出来的群。想象钟面上的小时:从“走一步”开始不断重复,最终会走遍每一个小时,然后绕回起点。一个起始动作就足以到达整个结构。

形式地说,若存在一个元素 g(称为生成元),使得 G 的每个元素都是某整数 n 的幂 g^n(在加法记号下则是倍数 n·g),则群 G 是循环的。有限循环群与模 n 加法下的整数完全一样;唯一的无限循环群是加法下的整数,由 1 生成。

每个循环群都自动是阿贝尔群,因为同一元素的幂总可交换(g^m · g^n = g^(m+n) = g^n · g^m)。反之不成立:许多阿贝尔群并不是循环的。循环群是最简单的非平凡群,也是理解一切有限阿贝尔群的基本构件。

模 4 加法下的整数 {0, 1, 2, 3} 是循环群,生成元为 1:1,1+1 = 2,1+1+1 = 3,1+1+1+1 = 0。反复使用一个元素就走遍一切并回到单位元 0。

ℤ/4ℤ 由单个元素 1 生成。

生成元不必唯一。在模 5 加法下的整数中,1 和 2 都能生成整个群,而在模 6 加法下只有 1 和 5 能。能生成整个群的元素,恰好就是那些阶等于群的大小的元素。