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群及其公理

把一个集合与一个遵守四条规则的运算捆在一起,你就得到了群——抽象代数中最重要的对象。我们精确陈述公理,认识阿贝尔群与循环群,并测量元素的阶。

干净地陈述定义

是一个集合 G 连同一个满足四条群公理二元运算 ∗。这就是全部定义——不需要数,不需要几何,只要一个集合和一种良好的成员结合方式。这四条公理就是上一篇里的四条规则,如今被提升为*要求*。

  1. 封闭性:对 G 中所有 a、b,结果 a ∗ b 落在 G 中。
  2. 结合律:对 G 中所有 a、b、c,(a ∗ b) ∗ c = a ∗ (b ∗ c)。
  3. [[identity-element-of-a-group|单位元]]:G 中存在 e,使每个 a 满足 e ∗ a = a ∗ e = a。
  4. [[inverse-element|逆元]]:对 G 中每个 a,存在 a⁻¹ 属于 G,使 a ∗ a⁻¹ = a⁻¹ ∗ a = e。

阿贝尔与循环:两个友善的家族

如果运算还可交换——对所有 a、b 有 a ∗ b = b ∗ a——这个群就是[[abelian-group|阿贝尔群]],得名于尼尔斯·亨利克·阿贝尔。加法下的整数是阿贝尔的;模 n 加法也是。许多重要的群*不是*阿贝尔的,例如三角形的对称,其中操作的顺序会改变结果。

如果单个元素能生成整个群,这个群就是[[cyclic-group|循环群]]:把一个选定的元素反复与自身结合,最终产生*每一个*成员。模 4 加法是循环的,因为 1 生成它——1、1⊕1=2、1⊕1⊕1=3,然后回到 0。每个循环群都自动是阿贝尔的(反复用一个元素不会引入任何顺序冲突),但反过来不成立:并非每个阿贝尔群都是循环的。

元素的阶

选一个元素,不断把它与自身结合。在有限群中你最终必定回到单位元。所需的步数就是[[order-of-an-element|元素的阶]]——使 aᵏ = e 成立的最小正整数 k(这里 aᵏ 表示 a 与自身结合 k 次)。单位元的阶永远是 1。算几个阶就能看出群形状的许多信息。

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 整数加法群中所有元素的阶。每个阶都整除 6——这是拉格朗日定理的预告。