图与网络

图的基本概念

PP 是一系列节点(node) 组成的非空集合,LL 是连接这些点中不同点对的边(edge) 集合,则 PPLL 可以组成一张图(graph),记作 G=(P,L)G=(P,L)。我们用 P(G)P(G) 表示 GG(节)点集,用 L(G)L(G) 表示 GG边集

lL(G)l\in L(G),并假设 ll 是连接 GG 中的点 u,vu,v 的边,则称 u,vu,vll 的端点,并称 uuvv 相邻,在不引起混淆的情况下,可将 ll 记为 uvuv;若 l1,l2L(G)l_1,l_2\in L(G),且 l1l_1l2l_2 拥有公共的端点,则称边 l1l_1l2l_2 相邻。节点 vv 所所拥有的边的个数称作节点的度(node degree),记作 deg(v)\deg(v)

有限图(finite graph): 由有限个点所组成的图(PP 为有限集)。
简单图(simple graph): 任意一对不同点之间最多有一条边的图。
多重图(simple graph): 任意一对不同点之间有多条平行边的图。
无向图(multigraph): 允许有平行边反身边的图。
空图/零图(empty/null graph): 没有任何边的图(L(G)=L(G)=\emptyset)。
平凡图(trivial graph): 仅有一个节点的图。
完全图(complete graph): 任意两点之间都有边的图。

补图(complementary graph):
G,HG,H 是两个有限图,如果 P(G)=P(H)P(G)=P(H),并且对 GG 中相邻的两点 u,vu,v,在 HH 中不相邻,则称 GGHH 互为补图,记作 G=HG=\overline H。即 GG 的补图是从其对应的完全图中删除 GG 拥有的边所剩余的图。

子图(subgraph):

  • 设图 G,HG,H,若 P(H)P(G),L(H)L(G)P(H)\subseteq P(G),L(H)\subseteq L(G),则称 HHGG子图GGHH母图(supergraph)
  • HHGG 的子图,并且 P(H)=P(G)P(H)=P(G),则称 HHGG生成子图(spanning subgraph,或称为支撑子图)
  • HHGG 的 子图,并且对 P(H)P(H) 任意两个在 HH 中相邻的点,它们在 GG 中也相邻,则称 HH 为点集 P(H)P(H)GG诱导出的子图(induced subgraph)。即 HHGG 删除某些点后得到的。

图的同构(graph isomorphism):
设图 G,HG,H,若存在 P(G)P(G)P(H)P(H) 的双射 σ\sigma,使对任意的 u,vP(G)u,v\in P(G)uuvvGG 中相邻当且仅当 σ(u)\sigma(u)σ(v)\sigma(v)HH 中相邻,则称图 GGHH同构的。我们一般将同构的图看作是同一个图。

有向图(directed graph):

  • 若边所对应的点对 (u,v)(u,v) 有序,则称其为有向边弧(arc),所形成的图称为有向图,记作 G=(P,A)G=(P,A)。弧的起点 uu 称为头(head),终点 vv 称为尾(tail),头和尾都是同一点的弧称为反身弧(reflexive arc)

  • 在有向图中,点 vv 作为图中弧的终点的次数之和称为点 vv入度(in-degree),记作 deg+(v)\deg_+(v);点 vv 作为图中弧的起点的次数之和称为点 vv出度(out-degree),记作 deg(v)\deg_-(v),出度和入度满足

deg(v)=deg+(v)+deg(v)\deg(v)=\deg_+(v)+\deg_-(v)

  • GG 中一点 vv 的出度和入度皆为 0,则称点 vv孤立点;若 GG 中每点都有有限且相等的出度和入度,则称 GG平衡图(balanced graph)

  • 设有向图 G,HG,H,若 P(H)P(G),A(H)A(G)P(H)\subseteq P(G),A(H)\subseteq A(G),则称 HHGG有向子图GGHH母图(supergraph)

  • 将有向图 GG 删去弧的方向、反身边和平行边后得到的图称为图 GG基图(base graph)

图的表示法

关联矩阵(incidence matrix):
G=(P,L)G=(P,L) 是有限图,集合 PP 的元素个数为 mm,集合 LL 的元素个数 L=n|L|=n,不妨设 P(G)={v1,,vm}P(G)=\{v_1,\cdots,v_m\}L(G)={l1,,ln}L(G)=\{l_1,\cdots,l_n\},则矩阵 M(G)=[aij]\bm M(G)=[a_{ij}] 称作 GG关联矩阵,其中

aij={0,vi 不是 lj 的端点1,vi 是 lj 的端点a_{ij}=\begin{cases} 0,&v_i\ \text{不是}\ l_j\ \text{的端点}\\ 1,&v_i\ \text{是}\ l_j\ \text{的端点} \end{cases}

邻接矩阵(adjacency matrix):
G=(P,L)G=(P,L) 是有限图,集合 PP 的元素个数 P=m|P|=m,不妨设 P(G)={v1,,vm}P(G)=\{v_1,\cdots,v_m\},则矩阵 A(G)=[bij]\bm A(G)=[b_{ij}] 称作 GG邻接矩阵,其中

bij={0,vi 与 vj 不相邻1,vi 与 vj 相邻b_{ij}=\begin{cases} 0,&v_i\ \text{与}\ v_j\ \text{不相邻}\\ 1,&v_i\ \text{与}\ v_j\ \text{相邻} \end{cases}

定理 1(握手定理):G=(P,L)G=(P,L) 是有限图,则

vP(G)deg(v)=2L\sum_{v\in P(G)}\deg(v)=2|L|

证明:

M(G)\bm M(G)GG 的关联矩阵,因为 GG 中某点 vv 的度 deg(v)\deg(v) 恰是 M(G)\bm M(G) 中代表点 vv 那一行中 1 的个数,所以

vP(G)deg(v)=M(G) 中 1 的个数\sum_{v\in P(G)}\deg(v)=M(G)\ \text{中}\ 1\ \text{的个数}

M(G)\bm M(G) 中每列恰有两个 1,M(G)\bm M(G)L|L| 列,因此 M(G)\bm M(G) 中 1 的个数为 2L2|L|,所以

vP(G)deg(v)=2L\sum_{v\in P(G)}\deg(v)=2|L|

定理 2: 任一有限图中,奇数度的点的个数为偶数

证明:

S1,S2S_1,S_2 分别是图 GG 中具有奇数度的点和具有偶数度的点的集合,则由握手定理可得

vS1deg(v)+vS2deg(v)=2L\sum_{v\in S_1}\deg(v)+\sum_{v\in S_2}\deg(v)=2|L|

为偶数。又因为 vS2deg(v)\sum_{v\in S_2}\deg(v) 为偶数,所以 vS1deg(v)\sum_{v\in S_1}\deg(v) 也为偶数,所以 S1S_1 具有偶数个元素。

路与连通性

设图 GGv,vv,v'GG 中两点,由 GG 中的点组成的序列 (v0,v1,,vn)(v_0,v_1,\cdots,v_n) 称为从 vvvv'长度为 n\bm n路(walk),这条路中有 n+1n+1允许重复的点,并且

  1. v0=v,vn=vv_0=v,v_n=v'
  2. viv_ivi+1v_{i+1} 相邻,0i<n0\leq i<n.

回路(circuit): 起点 v0v_0 和终点 vnv_n 重复的路,其长度不小于3。
回环(cycle): 除了起点 v0v_0vnv_n 重复以外,没有其它重复点的回路。
简单路(simple path): 没有任何重复点和边的路。

设图 G=(P,L)G=(P,L),若从 GG 中两点 uuvv 有一条路,则称 uuvv相连的(connected)。我们一般规定,一个点与其自身是相连的。

GG 中两点之间的相连关系是一个等价关系,在此等价关系下,集合 P(G)P(G) 可以分成一些等价类,设为 S0,,Si,S_0,\cdots,S_i,\cdots,每一个 SiS_iGG 中所有以 SiS_i 中的点为端点的边一同组成 GG 的一个子图 GiG_i,称为 GG 的一个连通分量(connected component),用 W(G)W(G) 表示图 GG 的连通分量数。

所谓连通分量,就是自己内部连通但与整个图的其他部分不连通的子图。

如果图 GG 中仅有一个连通分量,则称图 GG 具有连通性(connectivity),称作连通图(connected graph),并且此时 GG 中任意两点都是相连的。

定理 1: 若图 GG 是不连通的,则 GG 的补图 G\overline G 是连通的。

证明(直接使用定义):

设图 GG 的连通分量为 G1,G2,,Gk (k2)G_1,G_2,\cdots,G_k\ (k\geq 2),任取 GG 中的两个点 u,vu,v 有如下两种情况:

  1. u,vu,v 分别属于两个不同的连通分量,则 uvuvG\overline G 的边,因此,G\overline G 中存在点 uu 到点 vv 的路。
  2. u,vu,v 属于同一个连通分量,则在另一个连通分量中取点 ww,于是 uwuwvwvw 都是 G\overline G 中的边,G\overline G 中存在点 uu 到点 vv 的路。

综上所述,G\overline G 是连通的。

定理 2:G=(P,L)G=(P,L) 是有限图, P(G),L(G)P(G),L(G) 的元素个数分别为 m,nm,n,如果 n>Cm12n>C_{m-1}^2,则 GG 是连通的。

证明(反证法):

假设此时 GG 不连通,则将 GG 中的一个连通分量作为子图记作 G1G_1,剩余的部分记作 G2G_2,并设 P(G1)P(G_1) 的元素个数为 m1m_1P(G2)P(G_2) 的元素个数为 m2m_2,则

1m1,m2<m,m1+m2=m1\leq m_1,\quad m_2<m,\quad m_1+m_2=m

于是

nm1m112+m2m212=12(m12+m22m1m2)=12[(m1+m2)22m1m2(m1+m2)]=12(m2m2m1m2)\begin{aligned} n\leq m_1\frac{m_1-1}{2}+m_2\frac{m_2-1}{2}&=\frac 1 2\left(m_1^2+m_2^2-m_1-m_2\right)\\ &=\frac 1 2\left[(m_1+m_2)^2-2m_1m_2-(m_1+m_2)\right]\\ &=\frac 1 2\left(m^2-m-2m_1m_2\right) \end{aligned}

因为 (m11)(m21)0(m_1-1)(m_2-1)\geq 0,所以有

m1m2(m1+m2)+10m1m2m1\begin{aligned}m_1m_2-(m_1+m_2)+1&\geq 0\\m_1m_2&\geq m-1\end{aligned}

n12[m2m2(m1)]=12(m23m+2)=12(m1)(m2)=Cm12\begin{aligned} n\leq\frac 1 2\left[m^2-m-2(m-1)\right]&=\frac 1 2\left(m^2-3m+2\right)\\ &=\frac 1 2(m-1)(m-2)\\ &=C_{m-1}^2 \end{aligned}

产生矛盾,故原命题得证。

设有向图 G=(P,A)G=(P,A),如果弧序列 (e1,,en)(e_1,\cdots,e_n) 满足

  1. eiA(G), i=1,2,,ne_i\in A(G),\ i=1,2,\cdots,n
  2. vve1e_1 的起点,vv'ene_n 的终点;
  3. eke_k 的终点是 ek+1e_{k+1} 的起点 (1kn1)(1\leq k\leq n-1)

则该弧序列称为 GG 的从 vvvv' 的长度为 nn有向路(directed walk)

GG 中任意两点 v,v (vv)v,v'\ (v\neq v'),如果都有从 vvvv' 的有向路,则称 GG强连通(strongly connected) 的;若有向图 GG 删去方向、反身边、平行边后得到的基图是连通的,则称图 GG弱连通(weakly connected) 的。

对于 rP(G)r\in P(G),如果对 GG 中任意一点 v (vr)v\ (v\neq r),都有从 vvrr 的有向路,则称 rrGG根(root)

强连通图的每一点都是根。

树的基本定理

引理:GG 是至少有一条边的有限图,且无回路,则 GG 至少有一点只相邻于另一点,即 GG 至少有一点度数为 1。

证明:

因为 GG 至少有一条边,所以 GG 有一点 v1v_1 必有相邻点 v2v_2,若 v2v_2 度数为 1,则 v2v_2 即为所求的点;若 v2v_2 度数大于 1,令 v3v_3v2v_2 的不同于 v1v_1 的相邻点。

以此类推,对于 k2k\geq 2,点 vkv_k 有两种可能性:

  1. vkv_k 只与 vk1v_{k-1} 相邻,vkv_k 即为所求的点;
  2. vkv_k 相邻于 vk+1vk1v_{k+1}\neq v_{k-1}.

于是得 v1,v2,,vk1,vk,vk+1,v_1,v_2,\cdots,v_{k-1},v_k,v_{k+1},\cdots,因为 GG 无回路,所以这一串点不会产生重复,又因为 GG 是有限图,故上述过程必然会在有限步内停止,从而引理得证。

由该引理,我们可以引出树与森林的概念:

定义: 设图 G=(P,L)G=(P,L),如果 GG 没有回路,则 GG 可以被称作森林(forest);如果 GG 同时还是连通图,则 GG 可以被称作树(tree)。树中节点的度为它的子节点的个数(拥有子树的数目),度数为 0 的节点称作树叶(leaf),度数不为 0 的节点称作分支点(branch)

对于图 G=(P,L)G=(P,L) 而言,以下命题等价成立:

  1. GG 是树。
  2. GG 是连通图,并且删去 GG 的任意一边,所得之图都不连通。
  3. GG 中任意不相同的两点 v,vv,v',恰有一条从 vvvv' 的简单路。
  4. P=n|P|=n 时,GG 不含回路,且有 n1n-1 条边。
  5. P=n|P|=n 时,GG 是连通图,且有 n1n-1 条边。

推论: 任意有限连通图必有一生成子图是树,此生成子图称作母图的生成树(spanning tree,或称为支撑树)。若 GG' 是有限图 GG 的生成树,vvvv'GG 边,且 vvvv' 不在 GG' 中,则 GG' 添上边 vvvv' 后必有回路。

有向树(directed tree): 如果有向图 GG 中有一点 rr 满足

  1. rr 是图 GG 的根
  2. rr 不是任何弧的起点;
  3. GG 中每一点 v (vr)v\ (v\neq r) 都恰是一条弧 ee 的起点;

则称图 GG有向树

有向树具有如下性质:

  1. 有向树中每一点 v (vr)v\ (v\neq r)rr 恰有一条有向路。
  2. 有向树中没有有向回路。
  3. 有向树中两点间最多有一条弧。

转化定理: 对有向树 GG,若无视其各弧之方向,则得一树 G0G_0;反之,若 G0G_0 为树,可选取任一点作根,并适当指定各边之方向,则得一有向树 GG.

图论基本算法

加权图与 Dijkstra 算法

对于有限图 G=(P,L)G=(P,L),如果对 L(G)L(G) 中每一条边都规定一个实数 w(l)w(l) 附在其上,则称 GG加权图(weighted graph),称 w(l)w(l) 为边 ll权重(weight)

我们规定点与自身之间的权为 0,两个没有共享边的点之间的权为无穷 \infty.

在一张加权图 GG 中,任意两点 u,vu,v 之间都可能有多条路,在这些路中,所带的权重之和最小的那条就称作图中从 uuvv最短路,这条最短路所带的权和称作从 uuvv距离,记作 d(u,v)d(u,v),即

d(u0,S)=minvS{d(u0,v)},(u0SP, S=PS)d(u_0,S')=\min_{v\in S'}\{d(u_0,v)\},\quad(u_0\subseteq S\subseteq P,\ S'=P-S)

并且

d(u0,S)=minuSvS{d(u0,u)+w(u,v)}d(u_0,S')=\min_{u\in S\atop v\in S'}\{d(u_0,u)+w(u,v)\}

两点间的最短路一定是简单路。

接下来我们所要了解的 Dijkstra 算法,就是一种用来求两点间最短路及其距离的通用解法。

Dijkstra 算法的基本思路: 基于贪心算法广度优先搜索,从起始点开始,每次遍历到始点距离最近且未访问过的顶点的邻接节点,找到局部最短路径,直至扩展到终点为止。

算法实现:

设加权有限图 G=(P,L)G=(P,L)

  1. 初始化,令 S={u0}S=\{u_0\}S=PSS'=P-S,对 SS' 中每一点 vv,令 l(v)=w(u0,v)l(v)=w(u_0,v)
  2. 找到 uiSu_i\in S',满足 l(ui)=minvS{l(v)}l(u_i)=\min\limits_{v\in S'}\{l(v)\}
  3. S=S{ui}S=S\cup\{u_i\}S=S{ui}S'=S'-\{u_i\},对 SS' 中每一点 vv,计算

l(v)=minvS{l(v),l(ui)+w(ui,v)}l(v)=\min_{v\in S'}\{l(v),l(u_i)+w(u_i,v)\}

  1. 重复步骤 2 和 步骤 3,直到 S=PS=P 后,算法停止。

例:求下面加权图中 AA 点到其它各点的最短路及其距离:

解:

第一次遍历:

l(B)=6l(C)=3l(D)=l(E)=l(F)=\begin{aligned} l(B)&=6\\ l(C)&=3\\ l(D)&=\infty\\ l(E)&=\infty\\ l(F)&=\infty \end{aligned}

AACC 的最短路为 ACAC,距离为 3;

第二次遍历:

l(B)=min{l(B),l(C)+w(C,B)}=min{6,3+2}=5l(D)=min{l(D),l(C)+w(C,D)}=min{,3+3}=6l(E)=min{l(E),l(C)+w(C,E)}=min{,3+4}=7l(F)=min{l(F),l(C)+w(C,F)}=min{,3+}=\begin{aligned} l(B)&=\min\{l(B),l(C)+w(C,B)\}=\min\{6,3+2\}=5\\ l(D)&=\min\{l(D),l(C)+w(C,D)\}=\min\{\infty,3+3\}=6\\ l(E)&=\min\{l(E),l(C)+w(C,E)\}=\min\{\infty,3+4\}=7\\ l(F)&=\min\{l(F),l(C)+w(C,F)\}=\min\{\infty,3+\infty\}=\infty \end{aligned}

AABB 的最短路为 ACBACB,距离为 5;

第三次遍历:

l(D)=min{l(D),l(B)+w(B,D)}=min{6,5+5}=6l(E)=min{l(E),l(B)+w(B,E)}=min{7,5+}=7l(F)=min{l(F),l(B)+w(B,F)}=min{,5+}=\begin{aligned} l(D)&=\min\{l(D),l(B)+w(B,D)\}=\min\{6,5+5\}=6\\ l(E)&=\min\{l(E),l(B)+w(B,E)\}=\min\{7,5+\infty\}=7\\ l(F)&=\min\{l(F),l(B)+w(B,F)\}=\min\{\infty,5+\infty\}=\infty \end{aligned}

AADD 的最短路为 ACDACD,距离为 6;

第四次遍历:

l(E)=min{l(E),l(D)+w(D,E)}=min{7,6+2}=7l(F)=min{l(F),l(D)+w(D,F)}=min{,6+3}=9\begin{aligned} l(E)&=\min\{l(E),l(D)+w(D,E)\}=\min\{7,6+2\}=7\\ l(F)&=\min\{l(F),l(D)+w(D,F)\}=\min\{\infty,6+3\}=9 \end{aligned}

AAEE 的最短路为 ACEACE,距离为 7;

第五次遍历:

l(F)=min{l(F),l(E)+w(E,F)}=min{9,7+5}=9l(F)=\min\{l(F),l(E)+w(E,F)\}=\min\{9,7+5\}=9

AAFF 的最短路为 ACDFACDF,距离为 9。

最优树与 Kruskal 算法

GG 是加权连通图,带有最小权的生成树称作加权图 GG最优树(shortest path tree,SPT)最小生成树Huffman 树

接下来我们所要了解的 Kruskal 算法,就是一种用来求加权连通图中最优树的通用解法。

Kruskal 算法的基本思路: 将连通网中所有的边按照权值大小做升序排序,从权值最小的边开始选择,只要此边不和已选择的边一起构成回路,就可以选择它组成最优树。对于 nn 个顶点的连通网,挑选出 n1n-1 条符合条件的边,这些边组成的生成树就是最优树。

算法实现:

设加权连通图 G=(P,L)G=(P,L)

  1. L(G)L(G) 中选取一个具有最小权值的边,记为 l1l_1,令 T={l1}T=\{l_1\}
  2. 如果在 L(G)TL(G)-T 中存在 lil_i,使得 T{li}T\cup\{l_i\} 不产生回路,并且 w(li)w(l_i) 最小,则令 T=T{li}T=T\cup\{l_i\},重复此步骤;
  3. 如果不存在这样的 lil_i,则算法停止。
  4. 最终得到的 T={l1,l2,,ln}T=\{l_1,l_2,\cdots,l_n\} 即为 GG 的最优树。

例:给出下面权图中最优树的权值:

BD(8),CD(9),DE(10),AE(20)BD(8),\quad CD(9),\quad DE(10),\quad AE(20)

故权值为 8+9+10+20=478+9+10+20=47.

欧拉图

设有向图 GG,若图中一有向路 (e1,,en)(e_1,\cdots,e_n),其中 ene_n 的终点和 e1e_1 的起点相同,并且 GG 中每条弧在此有向路中恰好出现一次,则称该有向路为欧拉路(Euler path),称该有向图 GG欧拉图(Euler graph)

欧拉路实际上是一条封闭的一笔画路径。

j>ij>i,则欧拉路形如:

(e1,,ei,,ej,,en)(e_1,\cdots,e_i,\cdots,e_j,\cdots,e_n)

其中 (ei,ei+1,,ej1)(e_i,e_{i+1},\cdots,e_{j-1}) 是从 vvvv' 的有向路。

i>ji>j,则欧拉路形如:

(e1,,ej,,ei,,en)(e_1,\cdots,e_j,\cdots,e_i,\cdots,e_n)

其中 (ei,ei+1,,en,e1,,ej1)(e_i,e_{i+1},\cdots,e_n,e_1,\cdots,e_{j-1}) 是从 vvvv' 的有向路。

结论:

  1. 一有限平衡有向图,其弧数必有限。
  2. 一有向图若存在欧拉路,则必平衡。
  3. 一欧拉图若没有孤立点,则必强连通。

判定欧拉图的充要条件:GG 是无孤立点的有限有向图,GG 为欧拉图的充要条件是 GG 为平衡图且具有连通性(强连通或弱连通)。

欧拉图与有向树的相互转化:

定理 1:GG 是无孤立点的有限有向图,并且 GG 有一条欧拉路 (e1,,em)(e_1,\cdots, e_m),则

  1. rr 同时为 e1e_1 的起点和 eme_m 的终点;
  2. 对每个不同于 rr 的点 vv,令 ev=eie_v=e_i,其中 i=max{jej 的起点为 v}i=\max\{j\mid e_j\ \text{的起点为}\ v\}.

于是,GG 的全部点和弧 {evvr}\{e_v\mid v\neq r\} 作成的有向图就是一个以 rr 为根的有向树。

定理 2:GG 是有限平衡有向图,GG'GG 的有向生成树,设 GG' 的根为 rre1e_1rrGG 中发出的任意一条弧,对从 e1e_1 开始的任意一条有向路:L=(e1,,em)L=(e_1,\cdots,e_m),若满足:

  1. jkj\neq k 时,ejeke_j\neq e_k
  2. 只有当 GG 中由点 vv 发出的弧都出现在 (e1,,ej)(e_1,\cdots,e_j) 中,eje_j 的起点才能为 vv
  3. 只有当 GG 中由弧 eme_m 的终点发出的弧都已经在 LL 中出现过,LL 才会终止在 eme_m.

则有向路 LL 是一条欧拉路。

哈密顿图

设有限图 G=(P,L)G=(P,L)(v1,,vn)(v_1,\cdots,v_n) 是图中一条路,如果 GG 中每点恰在此路中出现一次,则称此路为哈密顿路(Hamiltonian path);如果 GG 中除 v1v_1 以外的每点都恰在此路中出现一次,则称此路为哈密顿回路(Hamiltonian circuit);拥有哈密顿回路的图称为哈密顿图(Hamiltonian graph)

显然,由 n (m3)n\ (m\geq 3) 个点构成的完全图 KnK_n 是哈密顿图。

哈密顿路与欧拉路的区别:

  1. 哈密顿路不考虑方向性;欧拉路考虑方向性.
  2. 哈密顿路着眼于无重复地遍历图中各点;欧拉路着眼于无重复地遍历图中各弧。
  3. 哈密顿路一定为简单路;欧拉路未必为简单有向路。

哈密顿路的性质:

  1. 若图中存在度为 1 的点,则无哈密顿回路。
  2. 若图中存在度为 0 的点,则既无哈密顿路,也无哈密顿回路。
  3. 若图中存在度为 2 的点,且存在哈密顿回路,则以此点为端点的两条边均出现在此回路中。
  4. 若图中存在度大于 2 的点,且存在哈密顿回路,则只使用以此点为端点的其中两条边。
  5. 若图中有 nn 个点,则哈密顿路恰有 n1n-1 条边,哈密顿回路恰有 nn 条边。
  6. 哈密顿路为生成树,哈密顿回路为生成子图。

哈密顿图的必要条件: 如果图 G=(P,L)G=(P,L) 是哈密顿图,则对 P(G)P(G) 的任一非空子集 SS,都有

W(GS)SW(G-S)\leq|S|

证明:

CCGG 中的哈密顿回路,显然,CCGG 的生成子图,所以 CSC-SGSG-S 的生成子图,有

L(CS)L(GS)L(C-S)\subseteq L(G-S)

因此

W(GS)W(CS)W(G-S)\leq W(C-S)

又因为 CC 是哈密顿回路,依次删去一点及与此点相邻的两条边每次最多只增加一个分支,所以

W(CS)SW(C-S)\leq|S|

W(GS)SW(G-S)\leq|S|.

我们主要用该必要条件的逆否命题来判断哈密顿图,即:若在图 GG 中删去 nn 个点及与之相连的边,所得图的分支数大于 nn,则 GG 不是哈密顿图。

哈密顿图的充分条件与相关推论:

定义 1: 设图 GG 是非哈密顿图,若在 GG 中增加任意一条边 llG{l}G\cup\{l\} 是哈密顿图,则称 GG极大非哈密顿图

定理 1: 设有限图 G=(P,L)G=(P,L),令 γ=P(G)\gamma=|P(G)|δ\delta 表示 GG 中点的最小度数,若 γ3\gamma\geq 3δγ2\delta\geq\dfrac\gamma 2,则 GG 是哈密顿图。

定理 2: 设有限图 GGuvuvGG 中不相邻的两点,且满足

deg(u)+deg(v)γ\deg(u)+\deg(v)\geq\gamma

GG 是哈密顿图的充要条件是 G{uv}G\cup\{uv\} 是哈密顿图。

定义 2: 设有限图 G=(P,L)G=(P,L),反复连接 GG 中不相邻并且度数之和不小于 P|P| 的点对,直到没有这样的点对为止,最后得到的图称为 GG闭合图(closure of a graph),记作 C(G)C(G).

有限图的闭合图是唯一确定的。

定理 3: 有限图 GG 是哈密顿图的充要条件是其闭合图 C(G)C(G) 是哈密顿图。

定理 2 可以用 定理 3 推得。

定理 4: 将有限图 GG 的各点的度按非降序排成的序列,称为 GG度序列(sequence of degrees),记作 (deg1,deg2,,degγ)(\deg_1,\deg_2,\cdots,\deg_\gamma);如果不存在 m (m<γ2)m\ (m<\dfrac\gamma 2),使得

degmm,degγm<γm\deg_m\leq m,\quad\deg_{\gamma-m}<\gamma-m

GG 是哈密顿图。

定义 3:G,HG,H 是两个无公共点的有限图,将 GG 的每个点和 HH 的每个点都用边连接起来得到的图,称为 GGHH连接图;由 Km,Km,Kn2m (1m<n2)K_m,\overline{K_m},K_{n-2m}\ (1\leq m<\dfrac n 2) 连接起来构成的图记作 Cm,nC_{m,n},该图不是哈密顿图。

定理 5: 若有限图 G=(P,L) (P3)G=(P,L)\ (|P|\geq 3) 不能被任意一个 Cm,PC_{m,|P|} 通过增加点的度数得到,则 GG 是哈密顿图。

推论:nn 个点组成的边数最多的非哈密顿图是 C1,nC_{1,n},其边数为

L=12(n1)(n2)+1|L|=\frac 1 2 (n-1)(n-2)+1

数论基础

整除性与辗转相除法

aabb 是任意整数,若存在整数 cc,使得 a=bca=bc,则称 aabb倍数(multiple)bbaa因数(factor),此时 aa 能被 bb 整除,bb 能整除 aa,记作 bab|a.

任何整除都能整除 0,且规定 000|0;1 或 -1 可以整除任何整数。

对任意整数 aab (b0)b\ (b\neq 0),唯一存在一对整数 qqrr 使得

a=qb+r,0r<ba=qb+r,\quad 0\leq r<|b|

qq 称为商数(quotient)rr 称为 aabb 除的余数(remainder)

dd 同时是 aabb 的因数,则称 dda,ba,b公因数(common factor);若 a,ba,b 的任意公因数整除 dd,则称 dda,ba,b最大公因数(greatest common factor,GCD),记作 d=gcd(a,b)d=\gcd(a,b)

整除的基本性质:

  1. ab,bca|b,b|c,则 aca|c.
  2. aba|b,则 abca|bc.
  3. ab,baa|b,b|a,则 b=±ab=\pm a.
  4. ab,bca|b,b|c,则 ab±ca|b\pm c.
  5. aa 整除 b1,,bnb_1,\cdots,b_nλi\lambda_i 为任意整数,则 aλ1b1++λnbna|\lambda_1b_1+\cdots+\lambda_nb_n.
  6. 若在一等式中,除某项外,其余各项都是 aa 的倍数,则该项也是 aa 的倍数。
  7. a=qb+ca=qb+c,则 a,ba,b 的公因数与 b,cb,c 的公因数完全相同。
  8. gcd(a,0)=gcd(0,a)=a\gcd(a,0)=\gcd(0,a)=|a|.

辗转相除法(algorithm of division):

辗转相除法是一个常用于求两个数的最大公因数的算法,它的基本思路如下:

bab|a,则由定义易见,bb 就是 a,ba,b 的最大公因数;同理,若 aba|b,则 aa 就是 a,ba,b 的最大公因数;
aabb 无法相互整除,因为任何数都可以整除 0,所以 a0,b0a\neq 0,b\neq 0;以 bbaa 得商 q1q_1 和余数 r1r_1,再以 r1r_1bb 得商 q2q_2 和余数 r2r_2,之后 r2r_2r1r_1 得商 q3q_3 和余数 r3r_3,如此递推可以得到以下各式:

{a=q1b+r1b=q2r1+r2r1=q3r2+r3rk2=qkrk1+rkrn2=qnrn1+rnrn1=qn+1rn\begin{cases} a=q_1b+r_1\\ b=q_2r_1+r_2\\ r_1=q_3r_2+r_3\\ \cdots\\ r_{k-2}=q_kr_{k-1}+r_k\\ \cdots\\ r_{n-2}=q_nr_{n-1}+r_n\\ r_{n-1}=q_{n+1}r_n \end{cases}

其中 rnr_n 是最后一个非 0 余数,即为 a,ba,b 的最大公因数。

性质 7 可得,a,ba,b 的公因数和 b,r1b,r_1 的公因数完全相同,b,r1b,r_1 的公因数和 r1,r2r_1,r_2 的公因数完全相同……如此类推可得:a,ba,b 的公因数和 rn1,rnr_{n-1},r_n 的公因数完全相同。

又因为 rnrn1r_n|r_{n-1},所以 rnr_nrn1,rnr_{n-1},r_n 的最大公因数,因而 rnr_n 也是 a,ba,b 的最大公因数。

任意两个整数 a,ba,b 都有最大公因数,且可以表示为 a,ba,b 的倍数和,即

gcd(a,b)=sa+tb\gcd(a,b)=sa+tb

其中 s,ts,t 都是整数。使用辗转相除法可以求出这两个系数,主要公式如下:

S0=0,S1=1,T0=1,T1=q1Sk=qkSk1+Sk2Tk=qkTk1+Tk2S_0=0,\quad S_1=1,\quad T_0=1,\quad T_1=q_1\\ S_k=q_kS_{k-1}+S_{k-2}\\ T_k=q_kT_{k-1}+T_{k-2}

rnr_n 即最大公因数,则

gcd(a,b)=(1)n1Sna+(1)nTnb\gcd(a,b)=(-1)^{n-1}S_na+(-1)^nT_nb

互质性与质数相关定理

a,ba,b 除了 ±1\pm 1 以外没有其它公因数,则称 aabb 互质(coprime)

aabb 互质的充要条件是 a,ba,b 的最大公因数为 1;
±1\pm 1 与任何整数(包括 0)都互质。

定理 1:aabb 互质,而 abca|bc,则 aca|c.

证明:

因为 a,ba,b 互质,所以有 s,ts,t 使得 sa+tb=1sa+tb=1,从而

sac+tbc=csac+tbc=c

因为 aa 能整除左边每一项,所以 aca|c.

定理 2:aab1,b2,,bnb_1,b_2,\cdots,b_n 都互质,则 aa 与它们的乘积 b1b2bnb_1b_2\cdots b_n 也互质。

证明:

i=1,2,,ni=1,2,\cdots,nsi,tis_i,t_i 使得

sia+tibi=1s_ia+t_ib_i=1

把所有这 nn 个式子乘起来,得

Sa+Ta1a2an=1Sa+Ta_1a_2\cdots a_n=1

故由定义可得,aab1b2bnb_1b_2\cdots b_n 互质。

定理 3:m1,m2,,mkm_1,m_2,\cdots,m_k 两两互质且都整除 aa,则 m1m2mkam_1m_2\cdots m_k|a.

质数与合数:

一个正整数,如果不等于 1 且除了自己和 1 以外没有其它正因数,则称其为质数(或素数,prime number),否则称为合数(composite number)

两个质数互质的条件是无法互相整除;任意两个不同的质数互质。

算术基本定理: 任何一个大于 1 的自然数,如果其不为质数,都可以唯一分解成有限个质数的乘积。

证明:

存在性:利用数学归纳法,设正整数 n,a (n2)n,a\ (n\geq 2)

  1. n=2n=2 时,2 为质数,显然成立。
  2. 假设 n<an<a 时,nn 可以写为有限个质数的乘积。
  3. n=an=a 时,若 aa 是质数,则 nn 也是质数,存在性成立;若 aa 不是质数,则 aa 有因数 b,cb,c,并且令 1<c<b<a1<c<b<a;由归纳假定可得,b,cb,c 都可以写成质数的乘积,且 a=bca=bc,所以 n=an=a 也可以写成质数的乘积,存在性成立。

唯一性:利用反证法,设

n=p1ph=q1qkn=p_1\cdots p_h=q_1\cdots q_k

其中 p1,,php_1,\cdots,p_hq1,,qkq_1,\cdots,q_k 都是质数,并且为根本不同的两列数。因为

p1q1(q2qk)=p2ph\frac{p_1}{q_1\cdot(q_2\cdots q_k)}=p_2\cdots p_h

所以,由定理 1可得 p1q1p_1|q_1p1q2qkp_1|q_2\cdots q_k,又由 p,qp,q 全为质数,可得 p1=q1p_1=q_1p1=qi (i=2,,k)p_1=q_i\ (i=2,\cdots,k).

以上任意一种情况,都可以将原式左右两端同消去一个数,如此递推,最终可知 p1,,php_1,\cdots,p_hq1,,qkq_1,\cdots,q_k 除了次序以外完全相同,与假设产生矛盾,唯一性得证。

Euclid 定理: 质数无穷多。

证明:利用反证法,假设质数只有有限个,设为 p1,,pnp_1,\cdots,p_n,则对于

N=p1p2pn+1N=p_1p_2\cdots p_n+1

p1,,pnp_1,\cdots,p_n 无法整除 NN,否则存在 pi1 (i=1,,n)p_i|1\ (i=1,\cdots,n),即 pi=1p_i=1,与 pip_i 为质数产生矛盾;所以 NN 无质因数,可得 NN 为质数,与质数仅有 p1,,pnp_1,\cdots,p_n 产生矛盾,故可证质数无穷多。

同余式与剩余系

设任意整数 a,ba,b 和非零整数 mm,若 mabm|a-b,则称 a,ba,b 对模 mm 同余(congruence),记作 ab(modm)a\equiv b\pmod m;同余为整除的另一种表示法,a0(modm)a\equiv 0\pmod m 表示的即为 mam|a.

在讨论同余时,我们一般假定 mm 是正整数。

ab(modm)a\equiv b\pmod m 当且仅当 mmaabb 所得的余数相同。

同余的基本性质:

  1. aaa\equiv a.
  2. aba\equiv b,则 bab\equiv a.
  3. aba\equiv bbcb\equiv c,则 aca\equiv c.
  4. ab(modm)a\equiv b\pmod mcd(modm)c\equiv d\pmod m,则 a±cb±d(modm)a\pm c\equiv b\pm d\pmod macbd(modm)ac\equiv bd\pmod m.
  5. ab(modm)a\equiv b\pmod m,则对任意整数 kk,有 a±kb±k(modm)a\pm k\equiv b\pm k\pmod m.
  6. a+bc(modm)a+b\equiv c\pmod m,则 acb(modm)a\equiv c-b\pmod m.
  7. ab(modm)a\equiv b\pmod m,则对任意整数 kk,有 kakb(modm)ka\equiv kb\pmod m.
  8. ab(modm)a\equiv b\pmod m,则对 n0n\geq 0,有 anbn(modm)a^n\equiv b^n\pmod m.
  9. acbc(modmc)ac\equiv bc\pmod{mc}c0c\neq 0,则 ab(modm)a\equiv b\pmod m.
  10. acbc(modm)ac\equiv bc\pmod m,且 ccmm 互质,则 ab(modm)a\equiv b\pmod m.
  11. acbc(modm)ac\equiv bc\pmod m,且 gcd(c,m)=d\gcd(c,m)=d,则 ab(modmd)a\equiv b\left(\bmod\dfrac m d\right).
  12. pp 为质数,c≢0(modp)c\not\equiv 0\pmod p,而 acbc(modp)ac\equiv bc\pmod p,则 ab(modp)a\equiv b\pmod p.
  13. p(x)p(x) 是整系数多项式,xxyy 是整数变量,则由 xy(modm)x\equiv y\pmod m 可得

p(x)p(y)(modm)p(x)\equiv p(y)\pmod m

剩余系:

同余是一种等价关系,我们可以把所有整数按照模 mm 同余的关系分为等价类,每一个等价类称为模 mm 的一个剩余类(residue class)。同一个剩余类中的数互相同余。

因为以 mm 去除任意整数,可能得到的余数恰有 0,1,,m10,1,\cdots,m-1mm 个数,所以模 mm 共有 mm 个剩余类。

从模 mm 的每个剩余类中任意取出一个数作为代表,得到 mm 个数,例如 r1,r2,,rmr_1,r_2,\cdots,r_m,称这 mm 个数形成一个完全剩余系(complete system of residues)

含有整数变量的同余式称作同余方程;诸如 axb(modm)ax\equiv b\pmod m 这种形式的同余方程称作一次同余方程,类似地,a2x2+a1xb(modm)a_2x^2+a_1x\equiv b\pmod m 称作二次同余方程

一次同余方程解的个数:

gcd(a,m)=1\gcd(a,m)=1,则 axb(modm)ax\equiv b\pmod m 只有唯一解;

gcd(a,m)=d>1\gcd(a,m)=d>1,则

  1. dd 可以整除 bb,则 axb(modm)ax\equiv b\pmod mdd 个解;
    α\alphaadxbd(modmd)\dfrac a d x\equiv\dfrac b d\left(\bmod\dfrac m d\right) 的解,则这 dd 个解分别为

α,α+md,α+2md,,α+(d1)md\alpha,\alpha+\frac m d,\alpha+\frac{2m}d,\cdots,\alpha+\frac{(d-1)m}d

  1. dd 无法整除 bb,则 axb(modm)ax\equiv b\pmod m 无解。

一次同余方程的解法:

法 1: 先使用辗转相除法,将互质的 aamm 的最大公因数 1 表示为 aamm 的倍数和的形式,即 1=sa+tm1=sa+tm,然后取 x=sbx=sb,即可完成求解。

因为 aamm 互质,故存在 s,ts,t 使得 sa+tm=1sa+tm=1,于是有 sab+tmb=bsab+tmb=b,若取模 mm,则有 sab+tmb=b(modm)sab+tmb=b\pmod m.
x=sbx=sb,则 sbsb 所在的剩余类中的数皆为解。

法 2: 利用同余的性质,使 xx 的系数变为 1,即可完成求解。

例:解 103x57(mod211)103x\equiv 57\pmod{211}.

解:因为 211=103×2+5211=103\times 2+5,所以由同余的性质 7 可得

2×103x2×57(mod211)2\times 103x\equiv 2\times 57\pmod{211}

因为 211x0(mod211)211x\equiv 0\pmod{211},所以由同余的性质 4 可得

211x2×103x02×57(mod211)211x-2\times 103x\equiv 0-2\times 57\pmod{211}

5x11497(mod211)5x\equiv-114\equiv97\pmod{211}

又因为 211=42×5+1211=42\times 5+1,所以由同余的性质 7 可得

42×5x42×97211×19+6565(mod211)42\times 5x\equiv 42\times 97\equiv 211\times 19+65\equiv 65\pmod{211}

再由同余的性质 5 可得

211x42×5x065(mod211)211x-42\times 5x\equiv 0-65\pmod{211}

即可求得 x65(mod211)x\equiv -65\pmod{211}.

代数运算与代数系统

代数运算的定义

SS 是一个非空集合,称映射 f:S×SSf : S \times S \rightarrow SSS 的一个二元运算,即对 SS 中任意两个元素 a,ba, b,可以确定 SS 中另一个元素 f(a,b)=cf(a, b) = c,常记为 ab=ca * b = c,这体现了代数运算的封闭性

类似地,可以定义 SSnn 元运算为 f:SnSf : S_n \rightarrow S.

例:

  • 加法和乘法是自然数集 N\N 上的二元运算;减法和除法不是 N\N 上的二元运算。
  • 加法、减法和乘法是整数集 Z\Z 上的二元运算;除法不是 Z\Z 上的二元运算。
  • 乘法、除法是非零实数集 R\R^* 上的二元运算;加法和减法不是 R\R^* 上的二元运算。
  • 矩阵加法和乘法是 nn 阶实矩阵集合上的二元运算。
  • 设非空集合 SS\cap\cupSS 的幂集 ρ(S)\rho(S) 上的二元运算。
  • \vee\wedge\rightarrow\leftrightarrow 是真值集合 0,1{ 0, 1 } 上的二元运算。
  • 设非空集合 AAM(A)M(A)AAA\rightarrow A 的所有双射构成的集合,则映射的乘积是 M(A)M(A) 上的二元运算。

代数运算的性质

1. 交换律:
* 是集合 SS 上的二元运算,如果对于 SS 中任意两个元素 a,ba, b,都有等式

ab=baa * b = b * a

成立,则称运算 * 满足交换律。

2. 结合律:
* 是集合 SS 上的二元运算,如果对于 SS 中任意三个元素 a,b,ca, b, c,都有等式

abc=a(bc)a * b * c = a * (b * c)

成立,则称运算 * 满足结合律。

3. 幂等律:
* 是集合 SS 上的二元运算,如果对于 SS 中任意元素 aa,都有等式

aa=aa * a = a

成立,则称运算 * 满足幂等律,称 aa 为关于运算 * 的幂等元。

此时,对于任意正整数 nn,满足 an=aa^n = a.

4. 分配律:
*++ 是集合 SS 上的二元运算,如果对于 SS 中任意三个元素 a,b,ca, b, c,都有等式

a(b+c)=(ab)+(ac)(b+c)a=(ba)+(ca)a * (b + c) = (a * b) + (a * c)\\ (b + c) * a = (b * a) + (c * a)

成立,则称运算 *++ 满足分配律。

满足分配律的 * 未必满足交换律,两个等式不一定同时成立。

5. 吸收律:
*++ 是集合 SS 上的二元运算,如果对于 SS 中任意两个元素 a,ba, b,都有等式

a(a+b)=aa+(ab)=aa * (a + b) = a\\ a + (a * b) = a

成立,则称运算 *++ 满足吸收律。

6. 消去律:
* 是集合 SS 上的二元运算,如果对于 SS 中任意三个元素 a,b,ca, b, c,满足

  • ab=aca * b = a * c,则 b=cb = c
  • ba=cab * a = c * a,则 b=cb = c.

则称运算 * 满足消去律。

例:

  • 整数集 Z\Z 上的加法和乘法都满足交换律和结合律;乘法对加法满足分配律,但加法对乘法不满足分配律;减法既不满足交换律,也不满足结合律;它们都不满足幂等律和吸收律。
  • nn 阶实矩阵集合上的加法满足交换律和结合律;乘法满足结合律,但不满足交换律;它们都不满足幂等律和吸收律。
  • ρ(S)\rho(S) 是非空集合 SS 的幂集,则 ρ(S)\rho(S) 上的 \cap\cup 满足交换律和结合律;\cup\cap\cap\cup 都满足分配律,它们也都满足幂等律和吸收律;\cap\cup 都不满足消去律。

代数系统的定义

设非空集合 SSf1,,fnf_1, \cdots, f_nSS 上的代数运算,把 SS 及其运算 f1,,fnf_1, \cdots, f_n 作为一个整体,称为代数系统(algebra system),记作 (S,f1,,fn)(S, f_1, \cdots, f_n).

例:设 Z\Z 为整数集,Z0\Z_0 为偶数集,N\N 为自然数集,+,+, \cdot 为数的加法和乘法,则 (Z,+)(\Z, +)(Z,)(\Z, \cdot)(Z,+,)(\Z, +, \cdot)(Z0,+)(\Z_0, +)(Z0,)(\Z_0, \cdot)(Z0,+,)(\Z_0, +, \cdot)(N,+)(\N, +)(N,)(\N, \cdot)(N,+,)(\N, +, \cdot) 都是代数系统。

零元:* 是集合 SS 上的二元代数运算,若 SS 中存在元素 θ\theta,使得对于 aS\forall a\in S,都存在 aθ=θa * \theta = \thetaθa=θ\theta * a = \theta,则称 θ\thetaSS 上关于运算 * 的零元。

例:设 ρ(S)\rho(S) 是非空集合 SS 的幂集,\cap\cupρ(S)\rho(S) 上的交运算和并运算,则 \emptyρ(S)\rho(S) 上关于 \cap 的零元,SSρ(S)\rho(S) 上关于 \cup 的零元。

群(Group)

群是一个带有某种运算的集合,这个运算如何表示并不重要,可以是加法和乘法,也可以是其他的运算。在群论中通常将运算符号省略不写,并不失一般性地称群中的运算为乘法。乘法群中的单位元通常写作11ee,逆元通常写作 a1a^{-1};加法群中的单位元通常写作 00,逆元通常写作 a-a.

半群的定义

设非空集合 GG,若 \cdotGG 上的二元代数运算,且满足结合律,则称该代数系统 (G,)(G, \cdot)半群(semigroup)

例:

  • Z\Z 为整数集,+,,+, -, \cdot 为数的加法、减法和乘法,则 (Z,+)(\Z, +)(Z,)(\Z, \cdot) 都是半群,(Z,)(\Z, -) 不是半群。
  • ρ(S)\rho(S) 是非空集合 SS 的幂集,\cap\cupρ(S)\rho(S) 上的交运算和并运算,则 (ρ(S),)(\rho(S), \cap)(ρ(S),)(\rho(S), \cup) 都是半群。

含有单位元的半群称为单位半群独异点(monoid)

例:设 AA 是一个非空集合,AAA^AAAAA 的所有映射组成的集合。证明 AAA^A 关于映射的乘积 “\cdot” 构成一个有单位半群。

证:

  1. 因为 AA 非空,所以 AAA^A 非空。
  2. 运算满足封闭性和结合律:f,gAA\forall f, g \in A^Af(g(x))=(fg)(x)f(g(x)) = (f \cdot g)(x)fgAAf \cdot g \in A^A.
  3. 存在单位元:恒等映射 IA(x)=xI_A(x) = xfIA=IAf=ff \cdot I_A = I_A \cdot f = f.

群的定义与性质

(G,)(G, \cdot) 为半群,如果满足下列条件,则称 (G,)(G, \cdot)群(group)

  • 存在单位元:GG 中存在一个元素 ee,使得对于 GG 中任意元素 aa,都存在 ea=ae=ae \cdot a = a \cdot e = a
  • 存在逆:对于 GG 中任意元素 aa,都存在 GG 中的元素 a1a^{-1},使得 aa1=a1a=ea \cdot a^{-1} = a^{-1} \cdot a = e.

如果一个群包含的元素个数有限,则称其为有限群,否则称其为无限群

例:

  • Z\Z 为整数集,+,+, \cdot 为数的加法和乘法,则 (Z,+)(\Z, +) 为整数加法群,(Z,)(\Z, \cdot) 除了 111-1 以外的元素都没有逆,不是群。
  • ρ(S)\rho(S) 是非空集合 SS 的幂集,\cap\cupρ(S)\rho(S) 上的交运算和并运算,则 (ρ(S),)(\rho(S), \cap) 除了 SS 以外的元素都没有逆,(ρ(S),)(\rho(S), \cup) 除了 \empty 以外的元素都没有逆,它们都不是群。

S={0,1,2,,n1}S = \{ 0, 1, 2, \cdots, n - 1 \}a,ba, bSS 中任意元素,+,+, - 为数的加法和减法,规定 SS 上的运算 \oplus

ab={a+b,a+b<na+bn,a+bna \oplus b = \begin{cases} a + b, & a + b < n\\ a + b - n, & a + b \geq n \end{cases}

(S,)(S, \oplus) 为群,称为n\bm{n} 的整数加法群。

nn 的整数加法群即所有模 nn 同余类中的整数集合,通过加法运算而构成的群。

群的单边定义: 满足下列条件的半群 GG 即可成为群:

  • GG 中存在左单位元 ele_l,满足 aG\forall a \in Gela=a{e_l}a = a
  • GG 任意元素存在左逆元,即 aG\forall a \in Ga1G\exists a^{-1} \in Ga1a=ela^{-1} \cdot a = e_l.

对于右单位元和右逆元也同样成立,但对于左单位元和右逆元或右单位元和左逆元不成立。

证明:

先证 aa1=ela \cdot a^{-1} = e_l

a1=ela1=(a1a)a1a^{-1} = e_l \cdot a^{-1} = (a^{-1} \cdot a) \cdot a^{-1}

a1a^{-1} 的左逆元为 bb,满足 ba1=elb \cdot a^{-1} = e_l,则

ba1=b((a1a)a1)=(ba1)(aa1)=el(aa1)=aa1\begin{aligned} b \cdot a^{-1} &= b \cdot ((a^{-1} \cdot a) \cdot a^{-1})\\ &= (b \cdot a^{-1}) \cdot (a \cdot a^{-1})\\ &= e_l \cdot (a \cdot a^{-1})\\ &= a \cdot a^{-1} \end{aligned}

再证 ael=aa \cdot e_l = a

ael=a(a1a)=(aa)a=1a=a\begin{aligned} a \cdot e_l &= a \cdot (a^{-1} \cdot a)\\ &= (a \cdot a^{-}) \cdot a\\ &= 1 \cdot a = a \end{aligned}

例:设 (G,)(G, \cdot) 是一个群,uGu \in G,定义 ab=au1b, a,bGa * b = a \cdot u^{-1} \cdot b, \ \forall a, b \in G,证明 (G,)(G, *) 是一个群。

证:

  1. 因为 uGu \in G,所以 GG 非空。
  2. 运算的封闭性:a,bG\forall a, b \in Gab=au1bGa * b = a \cdot u^{-1} \cdot b \in G.
  3. 运算的结合律:a,bG\forall a, b \in G,满足

(ab)c=(au1b)c=au1bu1ca(bc)=a(bu1c)=au1bu1c(a * b) * c = (a \cdot u^{-1} \cdot b) * c = a \cdot u^{-1} \cdot b \cdot u^{-1} \cdot c\\ a * (b * c) = a * (b \cdot u^{-1} \cdot c) = a \cdot u^{-1} \cdot b \cdot u^{-1} \cdot c

  1. 存在左单位元:aG\forall a \in G,有 uGu \in G,使得 ua=uu1a=au * a = u \cdot u^{-1} \cdot a = a,单位元 e=ue = u.
  2. 存在左逆元:aG\forall a \in G,有 (ua1u)G(u \cdot a^{-1} \cdot u) \in G,使得

(ua1u)a=(ua1u)u1a=u(u \cdot a^{-1} \cdot u) * a = (u \cdot a^{-1} \cdot u) \cdot u^{-1} \cdot a = u

群的可除条件: 对任意 a,bGa, b \in G,满足下列可除条件的半群 GG 即可成为群:

  • 存在 xGx \in G,使得 xa=bx \cdot a = b
  • 存在 yGy \in G,使得 ay=ba \cdot y = b.

证明:

在任意群中,取 x=ba1,y=a1bx = b \cdot a^{-1}, y = a^{-1} \cdot b,即可得 xa=b,ay=bx \cdot a = b, a \cdot y = b,所以在任意群中可除条件都成立。

任取 cGc \in G,令 ee 为满足 xc=cx \cdot c = cxx,即 ec=ce \cdot c = c;对于任意 aGa \in G,存在 yy 使得 cy=ac \cdot y = a,故

ea=e(cy)=(ec)y=cy=ae \cdot a = e \cdot (c \cdot y) = (e \cdot c) \cdot y = c \cdot y = a

所以 GG 中存在左单位元 ee.

a1a^{-1} 为满足 xa=ex \cdot a = exx,即 a1a=ea^{-1} \cdot a = e,则 GG 中任意元素存在左逆。

再由群的单边定义可得 GG 为群。

定理: 单位元是群中唯一的幂等元。

证明:设 (G,)(G, \cdot) 为群,其单位元为 ee,显然 ee 是幂等元;设 xxGG 中的幂等元,即 xx=xx \cdot x = x,则

x=1x=(x1x)x=x1(xx)=x1x=ex = 1 \cdot x = (x^{-1} \cdot x) \cdot x = x^{-1} \cdot (x \cdot x) = x^{-1} \cdot x = e

定理: 群中无零元。

证明:设 (G,)(G, \cdot) 为群,其单位元为 ee.

(1)当 G=1|G| = 1 时,将其唯一元素视为单位元,无零元。

(2)当 G>1|G| > 1 时,使用反证法:

  • 假设 θ=e\theta = e,任取 GG 中元素 xθx \neq \theta,则 x=ex=θx=θx = e \cdot x = \theta \cdot x = \theta,产生矛盾,所以 θe\theta \neq e
  • 假设 (G,)(G, \cdot) 有零元 θe\theta \neq e,则对 xG\forall x \in G,都有 xθ=θx=θex \cdot \theta = \theta \cdot x = \theta \neq e,即不存在 xGx \in G,使得 xθ=θx=ex \cdot \theta = \theta \cdot x = e,即 θ\theta 不存在逆元素,与 GG 是群产生矛盾。

综上所述,GG 中不存在零元。

定理: 群中消去律一定成立。

证明:设 (G,)(G, \cdot) 为群,其单位元为 ee,对于 GG 中任意三个元素 a,b,ca, b, c

(1)若 ab=aca \cdot b = a \cdot c,则

a1(ab)=a1(ac)(a1a)b=(a1a)ceb=ecb=c\begin{aligned} a^{-1} \cdot (a \cdot b) &= a^{-1} \cdot (a \cdot c)\\ (a^{-1} \cdot a) \cdot b &= (a^{-1} \cdot a) \cdot c\\ e \cdot b &= e \cdot c\\ b &= c \end{aligned}

(2)同理可证:若 ba=cab \cdot a = c \cdot a,则 b=cb = c.

定理: 群的单位元 ee 是唯一的,群中任意元素的逆也是唯一的。

结论:

  • (a1)1=a(a^{-1})^{-1} = a
  • (ab)1=b1a1(a \cdot b)^{-1} = b^{-1} \cdot a^{-1}
  • e1=ee^{-1} = e

定理: 我们规定群中任意元素 a0=ea^0 = ean=(an)ea^{-n} = (a^n)^{-e},则对于任意整数 m,nm, n,有

  • 第一指数律 aman=am+na^m \cdot a^n = a^{m + n} 成立;
  • 第二指数律 (am)n=amn(a^m)^n = a^{mn} 成立;
  • 第三指数律 (ab)n=anbn(a \cdot b)^n = a^n \cdot b^n 一般不成立。

例:证明在偶数元的有限群中,方程 x2=1x^2 = 1 有偶数个解。

证:方程 x2=1    x1=xx^2 = 1 \iff x^{-1} = x,因为群中任意元素的逆唯一,可知 xxx1x^{-1} 必成对出现,所以不满足 x1=xx^{-1} = x 的元素个数为偶数。又因为 GG 是偶数元群,所以 GG 中满足方程 x2=1x^2 = 1 的解有偶数个。

阿贝尔群

若群 (G,)(G, \cdot) 的运算 \cdot 符合交换律,则称 (G,)(G, \cdot)阿贝尔群(Abelian group)交换群。在阿贝尔群 (G,)(G, \cdot) 中,可以任意交换用 \cdot 连接的因子的次序进行求值。

一元群、二元群和三元群都是唯一的,且都是阿贝尔群。

例:

  • (Z,+),(Q,+),(R,+),(C,+)(\Z, +), (\mathbb{Q}, +), (\R, +), (\mathbb{C}, +) 都是无限阿贝尔群。
  • (Q,),(R,),(C,)(\mathbb{Q}^*, \cdot), (\R^*, \cdot), (\mathbb{C}^*, \cdot) 都是无限阿贝尔群。
  • 实数域上所有 nn 阶非奇异矩阵的集合在矩阵的乘法下不是阿贝尔群。

定理:(G,)(G, \cdot) 是一个群,则 (G,)(G, \cdot) 是阿贝尔群的充要条件是对任意 a,bGa, b \in G,有 (ab)2=a2b2(a \cdot b)^2 = a^2 \cdot b^2.

证明:

先证必要性:若 (G,)(G, \cdot) 为阿贝尔群,即对任意 a,bGa, b \in G,都满足 ab=baa \cdot b = b \cdot a,所以

(ab)2=(ab)(ab)=a(ba)b=a(ab)b=(aa)(bb)=a2b2\begin{aligned} (a \cdot b)^2 &= (a \cdot b) \cdot (a \cdot b)\\ &= a \cdot (b \cdot a) \cdot b\\ &= a \cdot (a \cdot b) \cdot b\\ &= (a \cdot a) \cdot (b \cdot b)\\ &= a^2 \cdot b^2 \end{aligned}

再证充分性:对任意 a,bGa, b \in G,由 (ab)2=a2b2(a \cdot b)^2 = a^2 \cdot b^2,可得

a1(ab)(ab)b1=a1(aa)(bb)b1a^{-1} \cdot (a \cdot b) \cdot (a \cdot b) \cdot b^{-1} = a^{-1} \cdot (a \cdot a) \cdot (b \cdot b) \cdot b^{-1}

所以 ba=abb \cdot a = a \cdot b,由此可得,(G,)(G, \cdot) 为阿贝尔群。

定理: 阿贝尔群中的元素满足第三指数律 (ab)n=anbn(a \cdot b)^n = a^n \cdot b^nnn 为任意整数)。

永远假定加法群 (G,+)(G, +) 是阿贝尔群,加法群中的三个指数定律如下:

  • (m+n)a=ma+na(m + n)a = ma + na
  • m(na)=(mn)am(na) = (mn)a
  • n(a+b)=na+nbn(a + b) = na + nb

例:设 (G,)(G, \cdot) 是一个群,若群 GG 的每一个元素都满足 x2=1x^2 = 1,证明 GG 是阿贝尔群。

证:对 xG\forall x \in G,由 x2=1x^2 = 1 可得 x1=xx^{-1} = x,因此,对 a,bG\forall a, b \in G,有

ab=(ab)1=b1a1=baa \cdot b = (a \cdot b)^{-1} = b^{-1} \cdot a^{-1} = b \cdot a

对称群与置换群

SS 是一个非空的有限集合,SS 到自身的一一映射(双射)称为置换(permutate),一般用 σ\sigma 来表示。

S={a1,a2,,an}S = \{ a_1, a_2, \cdots, a_n \},则 SS 的置换 σ\sigma 可以简记为

σ=(a1a2anσ(a1)σ(a2)σ(an))\sigma = \begin{pmatrix} a_1 & a_2 & \cdots & a_n \\ \sigma(a_1) & \sigma(a_2) & \cdots & \sigma(a_n) \end{pmatrix}

SS 上的置换称为 nn 元置换,共有 n!n! 个,所有置换构成集合 SnS_n;若 σ(ai)=ai, i=1,2,,n\sigma(a_i) = a_i,\ i = 1, 2, \cdots, n,则称 σ\sigmann 元恒等置换。

置换的乘法:SS 中任意元素 aaSS 的任意两个置换 σ,τ\sigma, \tau,有

στ(a)=σ(τ(a))\sigma\tau(a) = \sigma(\tau(a))

置换的乘法满足结合律:

(στ)ρ=σ(τρ)(\sigma\tau)\rho = \sigma(\tau\rho)

nn 元恒等置换是 SnS_n 中的单位元素,记作 σ0\sigma_0,满足

σ0τ=τσ0\sigma_0\tau = \tau\sigma_0

每个 nn 元置换在 SnS_n 中都存在逆元素:

σ=(a1a2anσ(a1)σ(a2)σ(an))1=(σ(a1)σ(a2)σ(an)a1a2an)\sigma = \begin{pmatrix} a_1 & a_2 & \cdots & a_n \\ \sigma(a_1) & \sigma(a_2) & \cdots & \sigma(a_n) \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} \sigma(a_1) & \sigma(a_2) & \cdots & \sigma(a_n) \\ a_1 & a_2 & \cdots & a_n \end{pmatrix}

对称群(symmetric group): 所有 nn 元置换构成的集合 SnS_n 对置换的乘法构成一个群,称为 n\bm{n} 次对称群,它的任一子群称为 n\bm{n} 次置换群

n2n \leq 2 时,nn 次对称群为阿贝尔群,当 n3n \geq 3 时则不是。

置换的轮换表示:σ\sigmaSS 的置换,若可以取到 SS 的元素 a1,a2,,ara_1, a_2, \cdots, a_r,使得

σ(a1)=a2, σ(a2)=a3, , σ(ar1)=ar, σ(ar)=a1\sigma(a_1) = a_2,\ \sigma(a_2) = a_3,\ \cdots,\ \sigma(a_{r - 1}) = a_r,\ \sigma(a_r) = a_1

并且 σ\sigma 不会改变 SS 的其余元素,则称 σ\sigmaSS 的一个轮换,又称循环置换,记作 (a1 a2  ar)(a_1\ a_2\ \cdots\ a_r).

在上述轮换中将 a1,a2,,ara_1, a_2, \cdots, a_r 中的任意元素 aia_i 排在首位是等价的,因此也可以改写为 (ai ai+1  ar a1  ai1)(a_i\ a_{i + 1}\ \cdots\ a_r\ a_1\ \cdots\ a_{i - 1}).

轮换的逆满足

(a1 a2  ar)1=(ar  a2 a1)(a_1\ a_2\ \cdots\ a_r)^{-1} = (a_r\ \cdots\ a_2\ a_1)

如果对于 SS 的两个轮换 σ=(a1 a2  ar)\sigma = (a_1\ a_2\ \cdots\ a_r)τ=(b1 b2  br)\tau = (b_1\ b_2\ \cdots\ b_r),满足 a1,a2,,ara_1, a_2, \cdots, a_rb1,b2,,brb_1, b_2, \cdots, b_r 都不相同(即 {a1,a2,,ar}{b1,b2,,br}=\{ a_1, a_2, \cdots, a_r \} \cap \{ b_1, b_2, \cdots, b_r \} = \empty),则称这两个轮换不相交不相杂

若轮换 σ\sigmaτ\tau 不相交,则 στ=τσ\sigma\tau = \tau\sigma.

任意置换 σ\sigma 恰有唯一方法写成不相交轮换的乘积(不考虑乘积的顺序),这种方法称为置换的轮换表示法

例:

(1234567831542876)=(1 3 5 2)(4)(6 8)(7)=(3 5 2 1)(7)(8 6)(4)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 \\ 3 & 1 & 5 & 4 & 2 & 8 & 7 & 6 \end{pmatrix}\\ = (1\ 3\ 5\ 2)(4)(6\ 8)(7) = (3\ 5\ 2\ 1)(7)(8\ 6)(4)

对换: 长度(元素个数)为 2 的轮换称为对换,任意轮换可以写成对换的乘积,该写法不唯一:

(a1 a2  ar)=(a1 ar)(a1 ar1)(a1 a3)(a1 a2)(a_1\ a_2\ \cdots\ a_r) = (a_1\ a_r)(a_1\ a_{r - 1})\cdots(a_1\ a_3)(a_1\ a_2)

置换的奇偶性:nn 元置换 σ\sigma 可以表示为 kk 个不相交轮换的乘积,其长度分别为 r1,r2,,rkr_1, r_2, \cdots, r_k,若

j=1k(rj1)=nk\sum_{j = 1}^k (r_j - 1) = n - k

为奇数 / 偶数,则称 σ\sigma 为奇置换 / 偶置换。

由于每个长度为 rr 的轮换都可以写成 r1r - 1 的对换的乘积,所以 σ\sigma 可以写成 j=1k(rj1)=nk\sum\limits_{j = 1}^k (r_j - 1) = n - k 个对换的乘积。

奇置换只能分解为奇数个对换的乘积,偶置换只能分解为偶数个对换的乘积。

定理:SS 的元素个数为 n (n>1)n\ (n > 1),则 SnS_n 的所有 nn 元置换中,奇置换和偶置换的个数相同,且都为 n!2\dfrac{n!}{2}.

交代群: nn 次对称群 SnS_n 中的所有偶置换构成的有 n!2\dfrac{n!}{2} 个元素的群,记作 AnA_n

例:计算 (2 5 4)(1 2 4)(3 6 5)(2\ 5\ 4)(1\ 2\ 4)(3\ 6\ 5),并将结果表示为不相交轮换的乘积形式,并指出其奇偶性。

解:

(2 5 4)(1 2 4)(3 6 5)=(1 5 3 6 4)=(1 5 3 6 4)(2)(2\ 5\ 4)(1\ 2\ 4)(3\ 6\ 5) = (1\ 5\ 3\ 6\ 4) = (1\ 5\ 3\ 6\ 4)(2)

因为 nk=51=4n - k = 5 - 1 = 4 是偶数,所以该置换是偶置换。

子群的定义与判定

(G,)(G, \cdot) 是一个群,如果存在 HGH \subseteq G,且 (H,)(H, \cdot) 仍为群,则称 (H,)(H, \cdot)(G,)(G, \cdot)子群(subgroup)

如果子群 HGH \subset G,则称其为 (G,)(G, \cdot)真子群

任意群 GG 的两个平凡子群为:

  • 由其单位元素构成的子群,称为 GG 的单位子群;
  • GG 自身。

例:

  • 对于任意整数 kk(kZ,+)(k\Z, +) 是整数加法群 (Z,+)(\Z, +) 的一个子群。
  • (C,+)(\mathbb{C}, +) 的真子群有 (R,+)(\R, +)(Q,+)(\mathbb{Q}, +)(Z,+)(\Z, +).
  • (C,)(\mathbb{C}^{*}, \cdot) 的真子群有 (R,)(\R^{*}, \cdot)(Q,)(\mathbb{Q}^{*}, \cdot).
  • 行列式等于 11 的所有 nn 阶矩阵可以构成实数域上所有 nn 阶非奇异矩阵的乘法群的一个真子群。
  • 对于任意 n>1n > 1nn 次交代群是 nn 次对称群的一个真子群。

子群的判定定理一:GG 的一个非空子集 HHGG 的子群的充要条件是:

  1. aH,bHa \in H, b \in H ,则 abHa \cdot b \in H
  2. aHa \in H,则 a1Ha^{-1} \in H.

子群 HH 与群 GG 有以下关系:

  • HH 的单位元就是 GG 的单位元;
  • HH 中任意元素 aaHH 中的逆元和 aaGG 中的逆元相同。

子群的判定定理二:GG 的一个非空子集 HHGG 的子群的充要条件是:若 aH,bHa \in H, b \in H,则 ab1Ha \cdot b^{-1} \in H.

结论:GG 的任意多个子群的交仍然是 GG 的子群。

子群的判定定理三:GG 的一个有限非空子集 HHGG 的子群的充要条件是 HHGG 的运算是封闭的,即若 aH,bHa \in H, b \in H,则 abHab \in H.

如果 (G,)(G, \cdot) 是有限群,则对 GG 的任意非空子集 HH,只要运算 \cdot 封闭,(H,)(H, \cdot) 就是 (G,)(G, \cdot) 的子群。

循环群与元素的阶

aa 是群 GG 的一个元素,aa 的所有幂构成的集合 {annZ}\{ a^n \mid n \in \Z \},可以形成 GG 的一个子群,称为由 aa 生成的循环子群,也可简称为循环群,记作 a\langle a \rangle,并称 aa 为该循环子群的生成元

证明:因为 a0=eaa^0 = e \in \langle a \rangle,所以 a\langle a \rangle 为非空集合。任取 a\langle a \rangle 中两元素 am,ana^m, a^n,有

am(an)1=aman=amnaa^m(a^n)^{-1} = a^{m}a^{-n} = a^{m - n} \in \langle a \rangle

由子群的判定定理二,可证得 a\langle a \rangleGG 的子群。

若存在 aGa \in G,使得 G=aG = \langle a \rangle,即 GG 中的每一个元素都可以表示为 aa 的幂,则称 GG 为一个循环群。

例:

  • 整数加法群 (Z,+)(\Z, +) 是由 11 生成的循环群,(nZ,+)(n\Z, +) 是由 nn 生成的循环群。
  • GG44 次对称群,则由轮换 (1 2)(1\ 2) 生成的循环群为 {I,(1 2)}\{ I, (1\ 2) \}.
  • 设非零复数乘法群 (C,)(\mathbb{C}^*, \cdot),则 H1={1,1,i,i}H_1 = \{ 1, -1, i, -i \} 是由 ii 生成的循环群,H2={1,1}H_2 = \{ 1, -1 \} 是由 1-1 生成的循环群,H3={,22,21,20,2,22}H_3 = \{ \cdots, 2^{-2}, 2^{-1}, 2^0, 2, 2^2 \} 是由 22 生成的循环群。

定理 1: 循环群的子群仍为循环群。

定理 2: 每个循环群都是阿贝尔群。

证明:设 (G,)(G, \cdot) 为循环群,gg 为其生成元,则对任意 a,bGa, b \in G,有

a=gr,b=gsab=grgs=gr+s=gsgr=baa = g^r,\quad b = g^s\\ a \cdot b = g^r \cdot g^s = g^{r + s} = g^s \cdot g^r = b \cdot a

可证得 GG 为阿贝尔群。

元素的阶(周期):aa 是乘法群 GG 中的一个元素,使得 an=ea^n = e 成立的最小正整数 nn 称为 aa 的阶,记作 a|a|;若不存在这样的 nn,则称 aa 的阶为无穷大,记作 a=|a| = \infty.

  • 单位元的阶为 11e=1|e| = 1
  • 任意元素和它的逆元具有相同的阶:a=a1|a| = |a^{-1}|
  • a=2|a| = 2,则 a=a1a = a^{-1}
  • nn 元有限群中,每一元素的阶数有限,且最多为 nn.

例:

  • (C,)(\mathbb{C}^*, \cdot) 中,11 的阶为 111-1 的阶为 22±i\pm i 的阶为 44,复数 z=reiθ (i1)z = re^{i\theta}\ (i \neq 1) 的阶为无穷大。
  • 44 次对称群中轮换 (1 2 3 4)(1\ 2\ 3\ 4) 的阶为 44

(1 2 3 4)2=(1 3)(2 4)(1 2 3 4)3=(1 4 3 2)(1 2 3 4)4=I\begin{aligned} (1\ 2\ 3\ 4)^2 &= (1\ 3)(2\ 4)\\ (1\ 2\ 3\ 4)^3 &= (1\ 4\ 3\ 2)\\ (1\ 2\ 3\ 4)^4 &= I \end{aligned}

  • 实数域上所有 22 阶非奇异矩阵的集合和矩阵乘法构成群 (G,)(G, *),则 GGA=[0111]A = \begin{bmatrix} 0 & -1 \\ 1 & -1 \end{bmatrix} 的阶为 33

A2=[1111]A3=I\begin{aligned} A^2 &= \begin{bmatrix} -1 & 1 \\ 1 & -1 \end{bmatrix}\\ A^3 &= I \end{aligned}

结论 1: 若群 GG 中元素 aa 的阶为 nn,则

  1. 1,a,a2,a3,,an11, a, a^2, a^3, \cdots, a^{n - 1}nn 个不同元素;
  2. 当且仅当 nmn | m 时,am=ea^m = e
  3. 当且仅当 n(st)n | (s - t) 时,as=ata^s = a^t.

结论 2:aa 为群 GG 的一个元素,则

  • aa 的阶为无穷大,则 a\langle a \rangle 为无限循环群,且由彼此不同的元素构成:

,a2,a1,1,a,a2,\cdots, a^{-2}, a^{-1}, 1, a, a^2, \cdots

  • aann 阶,则 a\langle a \ranglenn 元循环群,且由 nn 个彼此不同的元素构成:

1,a,a2,a3,,an11, a, a^2, a^3, \cdots, a^{n - 1}

在加法群中,a\langle a \rangle 应改为 aa 的所有倍数的集合:

,2a,a,0,a,2a,\cdots, -2a, -a, 0, a, 2a, \cdots

使得 na=0na = 0 成立的最小正整数 nn 称为 aa 的阶。

循环群的生成元素:

  • 无限循环群 a\langle a \rangle 中有两个生成元:a,a1a, a^{-1}
  • nn 元循环群 a\langle a \rangle 中,满足 (n,k)=1(n, k) = 1 的元素 aka^k 是生成元,总数可以用欧拉函数 φ(n)\varphi(n) 来计算。

陪集的定义与性质

为了引入陪集的概念,我们需要定义左同余右同余:设 HHGG 的子群,a,bGa, b \in G,若存在 hHh \in H,使得 a=bha = bh,则称 aa 对模 hh 左同余于 bb.

同理,可以定义右同余:若存在 hHh \in H,使得 a=hba = hb,则称 aa 对模 hh 右同余于 bb.

左 / 右同余都是等价关系。

GG 在关于群 HH 的左同余关系下的一个等价类称为 HH 的一个左陪集,即对于 gGg \in G,存在左陪集

gH={ghhH}gH = \{ gh \mid h \in H \}

同理,群 GG 在关于群 HH 的右同余关系下的一个等价类称为 HH 的一个右陪集,即对于 gGg \in G,存在右陪集

Hg={hghH}Hg = \{ hg \mid h \in H \}

例:设 GG 为整数加法群,HH 是整数 mm 的所有倍数构成的子群,因为加法构成阿贝尔群,所有 HH 的左右陪集相同。又由

ab(modh)(hH)a \equiv b \pmod h \quad (h \in H)

a=b+h(hH)a=b+kmab(modm)\begin{aligned} a &= b + h \quad (h \in H)\\ a &= b + km\\ a &\equiv b \pmod m \end{aligned}

可得,HH 的陪集就是模 mm 的剩余类。

求陪集的方法:GG 是有限群,求其子群 HH 的左陪集:

  1. HH 本身就是一个左陪集;
  2. 任取 aG,aHa \in G, a \notin H,求解 aHaH 可得一个左陪集;
  3. 任取 bG,bHaHb \in G, b \notin H \cup aH,求解 bHbH 又可得一个左陪集,如此类推;
  4. 最终 GG 将被穷尽,且

G=HaHbHG = H \cup aH \cup bH \cup \cdots

例:设 aa 的周期为 1515,求子群 H=a6H = \langle a^6 \rangle 在群 G=aG = \langle a \rangle 中的所有左陪集。

解:a15=ea^{15} = e

  1. H=a6=a3={e,a3,a6,a9,a12}H = \langle a^6 \rangle = \langle a^3 \rangle = \{ e, a^3, a^6, a^9, a^{12}\}
  2. aH=aa6={a,a4,a7,a10,a13}aH = a \langle a^6 \rangle = \{ a, a^4, a^7, a^{10}, a^{13}\}
  3. a2H=a2a6={a2,a5,a8,a11,a14}a^2 H = a^2 \langle a^6 \rangle = \{ a^2, a^5, a^8, a^{11}, a^{14}\}

定理:HH 为群 GG 的有限子群,则 HH 的任意陪集的元数皆等于 HH 的元数。

证明:以左陪集为例,因为 aH={ahhH}aH = \{ ah \mid h \in H \},又因为 GG 满足消去律,则由 ax=ayax = ay 可以推出 x=yx = y,所以 HH 中不同元素以 aa 左乘仍然会得到不同的元素,可得 aHaH 的元数等于 HH 的元数。

陪集的性质:

  1. HH 自身也是 HH 的陪集。
  2. 当且仅当 aHa \in H 时,aH=HaH = H.
  3. aa 在陪集 aHaH 中。
  4. 对于陪集 aHaH 中的任意元素 bb,都有 aH=bHaH = bH.
  5. aH=bHaH = bH 的充要条件是 a1bHa^{-1}b \in H.
  6. 任意两个陪集 aHaHbHbH 要么相等,要么不相交。

正规子群与拉格朗日定理

正规子群:HH 是群 GG 的子群,且对 GG 中任意元素 gg,都满足 gH=HggH = Hg,则称 HHGG 的正规子群。

结论:当且仅当对 gG\forall g \in G,满足 gHg1HgHg^{-1} \subseteq H 时,HHGG 的正规子群。

定理:HH 是群 GG 的正规子群,若 A,BA, BNN 的陪集,则 ABAB 也是 HH 的陪集。

证明:因为 HH 是正规子群,所以

Hb=bHHb = bH

A=aHA = aHB=bHB = bH,则

AB=aHbH=abHH=abHAB = aHbH = abHH = abH

所以 ABAB 也是 HH 的陪集。

商群:HHGG 的正规子群,于是以陪集的运算为群的代数运算,HH 的所有陪集可以构成一个新的群 G\overline G,称为商群,记作 G=GH\overline{G} = \dfrac{G}{H}

拉格朗日定理:GG 为有限群,则 GG 的任意子群的元数都可以整除 GG 的元数。

结论:

  1. GG 为有限群且元数为 nn,则 GG 的任意子群的元数均为 nn 的因数;但对于 nn 的任意一个因数 mm,未必存在 GGmm 元子群。

  2. GG 为循环群且元数为 nn,则对于 nn 的任意一个正因数 mm,一定存在 GG 唯一的 mm 元子群。

  3. 元数是质数的群,一定没有除了平凡子群以外的子群。

  4. GG 为有限群且元数为 nn,则 GG 中任意元素的阶一定是 nn 的因数。

定理 1: 有限群 GG 的元数除以 HH 的元数所得的商称为 H\bm{H}G\bm{G} 中的指数,记作 [G:H][G : H],则 HH 的指数即为其左 / 右陪集的个数。

定理 2:GGnn 元有限群,则对任意 aGa \in G,都有 an=1a^n = 1.

证明:因为 GG 为有限群,所以 aa 的阶必然有限,设为 mm,则 aa 生成一个 mm 元循环群 a\langle a \rangle. 由拉格朗日定理可得 mnm | n,因此 an=1a^n = 1.

定理 3: 若群 GG 的元素个数为质数,则 GG 必为循环群。

证明:设 GG 的元数为质数 p (p>1)p\ (p > 1),任取 GG 中非单位元 aa,设 aa 的阶为 mm,则 a\langle a \rangle 的元数为 m (m>1)m\ (m > 1),由拉格朗日定理可得 mpm | p. 但因为 pp 为质数,必然有 m=pm = p,所以 G=aG = \langle a \rangle,即 GG 是由 aa 生成的循环群。

克莱因(Klein)四元群: 除了单位元以外,其它三个元素的阶均为 22,即每个元素的逆均为其自身。克莱因四元群是最小的非循环群,同时也是阿贝尔群。

* e a b c
e e a b c
a a e c b
b b c e a
c c b a e

{I,(1 2)(3 4),(1 3)(2 4),(1 4)(2 3)}\{ I, (1\ 2)(3\ 4), (1\ 3)(2\ 4), (1\ 4)(2\ 3) \} 即为克莱因四元群。

同态映射与同构映射

同态映射: 设群 (G,)(G, *) 和代数系统 (K,)(K, \cdot),设 σ\sigmaGGKK 的映射,若对 GG 中任意元素 a,ba, b,都有

σ(ab)=σ(a)σ(b)\sigma(a * b) = \sigma(a) \cdot \sigma(b)

则称该映射 σ\sigma 为同态映射。

σ\sigma 同时也是满射,则可以称其为满同态映射

例:设 (G,),(K,+)(G, *), (K, +) 是两个群,令映射

σ: xe,xG\sigma:\ x \to e, \quad x \in G

其中 eeKK 的单位元。σ\sigmaGGKK 的映射,且对任意 a,bGa, b \in G,有

σ(ab)=e=e+e=σ(a)+σ(b)\sigma(a * b) = e = e + e = \sigma(a) + \sigma(b)

σ\sigmaGGKK 的同态映射,σ(G)={e}\sigma(G) = \{ e \}KK 的子群,记作 Gσ(G)G \sim \sigma(G).

这种同态映射关系在任意群中都存在。

定理:(G,)(G, *) 是一个群,(K,)(K, \cdot) 是一个代数系统,σ\sigmaGGKK 中的一个同态映射,G=σ(G)G' = \sigma(G),则称 GGGG' 同态(homomorphism),记作 GGG \sim G',且满足:

  1. (G,)(G', \cdot) 是一个群;
  2. GG' 的单位元 ee' 即为 GG 的单位元 ee 的像 σ(e)\sigma(e)
  3. 对任意 aGa \in G,都有 (σ(a))1=σ(a1)(\sigma(a))^{-1} = \sigma(a^{-1})
  4. σ(a)=σ(b)\sigma(a) = \sigma(b),则 σ(a1)=σ(b1)\sigma(a^{-1}) = \sigma(b^{-1}).

例:对群 (Z,+)(\Z, +)(C,)(\mathbb{C}^*, \cdot),令映射

σ:nin,nZ\sigma : n \to i^n, \quad n \in \Z

其中 iiC\mathbb{C} 的虚数单位。

σ\sigmaZ\ZC\mathbb{C}^* 的一个映射,且对任意整数 m,nm, n,有

σ(m+n)=im+n=imin=σ(m)σ(n)\sigma(m + n) = i^{m + n} = i^m \cdot i^n = \sigma(m) \cdot \sigma(n)

可知 σ\sigmaZ\ZC\mathbb{C}^* 的同态映射,且 Zσ(Z)\Z \sim \sigma(\Z).

σ(Z)={1,1,i,i}\sigma(\Z) = \{ 1, -1, i, -i \}C\mathbb{C}^* 的一个子群。

同构映射: 设群 (G,)(G, *) 和代数系统 (K,)(K, \cdot),若 σ\sigmaGGKK 的同态映射,且 σ\sigma 同时是 GGσ(G)\sigma(G) 的双射(一一映射),则称 σ\sigma 为同构映射。

GGσ(G)\sigma(G) 同构(isomorphism),记作 Gσ(G)G \cong \sigma(G).

结论: 无限循环群同构于整数加法群。

证明:设无限循环群 G=gG = \langle g \rangle 和整数加法群 Z\Z,则对 aG\forall a \in GnZ\exists n \in \Z,使得 a=gna = g^n,令映射 f:anf : a \to n.

(1)任取 a=gn1,b=gn2Ga = g^{n_1}, b = g^{n_2} \in G,且 aba \neq b,则 n1n2n_1 \neq n_2,而 f(gn1)=n1,f(gn2=n2)=n2f(g^{n_1}) = n_1, f(g^{n_2} = n_2) = n_2,所以 f(a)f(b)f(a) \neq f(b),可得 ff 为单射。

(2)任取 nZn \in \Z,存在 gng^n,满足 f(gn)=nf(g^n) = n,所以 ff 是满射,又因为 ff 为双射,可得 ff 为满射。

(3)任取 a,bGa, b \in G,则存在 i,jZi, j \in Z,使得 a=gi,b=gja = g^i, b =g^j,则

f(gigj)=f(gi+j)=i+j=f(gi)+f(gj)f(g^{i} g^{j}) = f(g^{i + j}) = i + j = f(g^{i}) + f(g^{j})

综上所述,ff 是群 GG 到群 ZZ 的同构映射,即 GZG \cong \Z.

结论: 整数加法群同构于偶数加法群。

证明:设整数加法群 (Z,+)(\Z, +) 和偶数加法群 (B,+)(B, +),对 nZ\forall n \in \Z,令映射 f:n2nf : n \to 2n.

(1)m,nZ\forall m, n \in \Z,若 f(m)=f(n)f(m) = f(n),即 2m=2n2m = 2n,则 m=nm = n,可得 ff 为单射。

(2)kB\forall k \in B,存在 mZm \in \Z,满足 k=2mk = 2m,所以 ff 是满射,又因为 ff 为双射,可得 ff 为满射。

(3)m,nZ\forall m, n \in \Z,有

f(m+n)=2(m+n)=2m+2n=f(m)+f(n)f(m + n) = 2(m + n) = 2m + 2n = f(m) + f(n)

综上所述,ff 是群 Z\Z 到群 BB 的同构映射,即 ZB\Z \cong B.

自同构映射:GG 是一个群,若 σ\sigmaGG 到自身的同构映射,则称 σ\sigma 为自同构映射。

例:

  • 恒等映射是最简单的自同构映射,称为恒等自同构映射。
  • 设整数加法群 (Z,+)(\Z, +),令 σ:nn (nZ)\sigma : n \to -n\ (\forall n \in \Z),则 σ\sigma 是群 Z\Z 的一个自同构映射。
  • GG 是阿贝尔群,将 GG 的每个元素都映射为其逆元素的映射 σ:aa1 (aG)\sigma : a \to a^{-1}\ (\forall a \in G)GG 的一个自同构映射。
  • GG 是群,则对 aG\forall a \in G,映射 σa:xaxa1 (xG)\sigma_a : x \to axa^{-1}\ (x \in G)GG 的自同构映射,称为内自同构映射

同态核: 设群 GG' 是群 GG 的同态群,且 σ(G)=G\sigma(G) = G',令 NNGG 中所有映射到 GG' 中单位元 ee' 的元素 gg 的集合,即

N=σ1(e)={ggG,σ(g)=e}N = \sigma^{-1}(e') = \{ g \mid g \in G, \sigma(g) = e' \}

则称 NNσ\sigma 的核。

例:设整数加法群 GG 和模 3 加法群 G={0,1,2}G' = \{ 0, 1, 2 \},则映射 xx(mod3) (xG)x \to x \pmod 3\ (x \in G)GGGG' 的同态映射,且 σ\sigma 的核为 {gg=3a,aG}\{ g \mid g = 3a, a \in G \}.

群的第一同态定理: 设群 GG' 是群 GG 的同态群,且 σ(G)=G\sigma(G) = G',于是 σ\sigma 的核 NNGG 的一个正规子群,对 GG' 中的任意元素 aa',有

σ1(a)={xxG,σ(x)=a}\sigma^{-1}(a') = \{ x \mid x \in G, \sigma(x) = a' \}

并且 σ1(a)\sigma^{-1}(a')NNGG 中的一个陪集。

群的第二同态定理:NN 是群 GG 的正规子群,则映射

σ:aaN,aG\sigma : a \to aN, \quad a \in G

GGGN\dfrac{G}{N} 的一个同态映射,且 σ\sigma 的核即为 NN.

群的第三同态定理: 设群 GG' 是群 GG 的同态群,且 σ(G)=G\sigma(G) = G',若 σ\sigma 的核为 NN,则 GGNG' \cong \dfrac{G}{N}.

同态群的子群相关结论:

设群 GG' 是群 GG 的同态群,且 σ(G)=G\sigma(G) = G',则有以下结论成立:

结论 1:HH 是群 GG 的子群,则 H=σ(H)H' = \sigma(H) 也是 GG' 的子群;若 HH' 是群 GG' 的子群,则 H=σ1(H)H = \sigma^{-1}(H') 也是 GG 的子群,其中

σ1(H)={xxG,σ(x)H}\sigma^{-1}(H') = \{ x \mid x \in G, \sigma(x) \in H' \}

结论 2: σ1(σ(H))=HN\sigma^{-1}(\sigma(H)) = HN.

结论 3:NHN \subseteq H,则 HN=HHN = H,即 σ1(σ(H))=H\sigma^{-1}(\sigma(H)) = H.

结论 4:HHGG 的正规子群,则 H=σ(H)H' = \sigma(H) 也是 GG' 的正规子群;若 HH'GG' 的正规子群,则 H=σ1(H)H = \sigma^{-1}(H') 也是 GG 的正规子群。

环(Ring)与域(Field)

环的定义与性质

RR 是一个非空集合,其中有加法 “++” 和乘法 “\cdot” 两种二元代数运算,如果满足

  1. a+b=b+aa + b = b + a
  2. a+(b+c)=(a+b)+ca + (b + c) = (a + b) + c
  3. RR 种存在元素 00,满足 a+0=aa + 0 = a
  4. 对任意 aRa \in R,存在 aR-a \in R,使得 a+(a)=0a + (-a) = 0
  5. a(bc)=(ab)ca \cdot (b \cdot c) = (a \cdot b) \cdot c
  6. a(b+c)=(ab)+(ac)a \cdot (b + c) = (a \cdot b) + (a \cdot c)(a+b)c=(ac)+(bc)(a + b) \cdot c = (a \cdot c) + (b \cdot c).

则称 (R,+,)(R, +, \cdot) 为一个

环的第一种证明方法:

  1. RR 非空;
  2. ++ 具有封闭性,满足交换律和结合律;
  3. RR 中存在加法单位元(通常称为环的零元);
  4. RR 中任意元素,存在加法逆元;
  5. \cdot 具有封闭性,满足结合律;
  6. \cdot++ 满足分配律;

环的第二种证明方法:

  1. (R,+)(R, +) 是阿贝尔群;
  2. (R,)(R, \cdot) 是半群;
  3. \cdot++ 满足分配律。

例:

  • 所有整数在数的加法和乘法下构成一个环 (Z,+,)(\Z, +, \cdot),称为整数环
  • 所有 nn 阶矩阵在矩阵的加法和乘法下构成一个环,称为 nn矩阵环
  • 整数模 nn 的所有剩余类集合,在剩余类的加法和乘法下可以构成一个群。
  • 所有有理数、实数、复数,在数的加法和乘法下都可分别构成环,称为有理数域实数域复数域

环的性质:

  1. 分配律的推广:i=1maij=1nbj=i,jaibj\displaystyle\sum_{i = 1}^m a_i \sum_{j = 1}^n b_j = \sum_{i, j} a_i b_j.

  2. 减法的分配律:a(cb)=acab,(cb)a=cabaa(c - b) = ac - ab, (c - b)a = ca - ba.

  3. 加法单位元即为乘法的零元:a0=0,0a=0a \cdot 0 = 0, \quad 0 \cdot a = 0.

  4. 乘数的符号可以交换和抵消:a(b)=(ab),(a)b=(ab),(a)(b)=aba(-b) = -(ab), (-a)b = -(ab), (-a)(-b) = ab.

  5. 对任意整数 mm,都有 a(mb)=(ma)b=m(ab)a(mb) = (ma)b = m(ab).

  6. 指数定律:am+n=aman,(am)n=amna^{m + n} = a^m a^n, \quad (a^m)^n = a^{mn}.

特殊环的定义与性质

交换环: 若环中的乘法也满足交换律,则称其是一个交换环。

交换环的性质:

  1. 第三指数律成立:(ab)n=anbn(ab)^n = a^n b^n.

  2. 二项式定理成立:

(a+b)n=an+nan1b+n(n1)2an2b2++bn(a + b)^n = a^n + na^{n - 1}b + \frac{n(n - 1)}{2}a^{n - 2}b^2 + \cdots + b^n

含单位元环: 若环 RR 中有且仅有一个元素 ee 满足对任意 aRa \in R,有 ea=ae=aea = ae = a,则 eeRR 的单位元,称 RR 为含单位元环。

含单位元环的性质:

  1. 含单位元环的单位元是唯一确定的。
  2. 含单位元环的单位元 ee 和加法的单位元 00 一定不相同。
  3. 任意环 RR 均可扩充为一个含单位元环。

子环:RR 是环,SSRR 的非空子集,若 SSRR 的加法和乘法运算下仍是环,则称 SSRR 的子环。

RR 本身以及仅由零元构成的环 {0}\{ 0 \}RR 的两个平凡子环

若大环有单位元,其子环未必有单位元;即时子环有单位元,其单位元未必与大环的单位元一致。

定理:RR 的非空子集 SS 构成子环的充要条件是对任意 aS,bSa \in S, b \in S,满足 abS,abSa - b \in S, ab \in S.

无零因子环:RR 是环,a,bRa, b \in R,如果 a0,b0a \neq 0, b \neq 0,但 ab=0ab = 0,则称 a,ba, b零因子。如果 RR 中不存在这样元素,则称其为无零因子环。

例:

  • 整数环是无零因子环。
  • 矩阵环不是无零因子环,例如当元素个数为 2 时,有

[0100][1000]=[0000]\begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix}

无零因子环的性质:

  1. RR 是非零元环的充要条件是 RR 中的非零元在乘法运算中满足消去律。
  2. 在无零因子环中,非零元在加法下的周期相同。
  3. 在无零因子环中,非零元在加法下的周期为 0 或一个质数。

整区(integral domain): 有单位元无零因子的交换环。

要证明环 (R,+,)(R, +, \cdot) 是整区,需要证明:

  1. (R,+)(R, +) 是阿贝尔群;
  2. (R,)(R, \cdot) 是有单位元的半群(单位半群);
  3. 群中元素满足交换律和消去律(无零因子);
  4. \cdot++ 满足分配律。

例:

  • 整数环、有理数环、实数环复数环都是整区。
  • 矩阵环既不是交换环也不是无零元环,因此不是整区。
  • 整数模 4 的所有剩余类集合 Z4\Z_4 在剩余类的加法与乘法下构成一个含单位元的交换环,但其有零因子,所以不是整区。

除环(division ring): 也称为,是非零元素能构成一个乘法群的环。

要证明环 (R,+,)(R, +, \cdot) 是除环,需要证明:

  1. (R,+)(R, +) 是阿贝尔群;
  2. RR^*RR 的非零元素构成的集合,则 (R,)(R^*, \cdot) 是群;
  3. \cdot++ 满足分配律。

结论:若 RR 是无零因子的有限环,且不只有一个元素,则 RR 必为除环。

域和子域

域: 交换除环即称为域。域中除法运算成立,即 ab1ab^{-1} 可以写成 ab\dfrac{a}{b}.

要证明环 (R,+,)(R, +, \cdot) 是域,需要证明:

  1. (R,+)(R, +) 是阿贝尔群;
  2. (R,)(R^*, \cdot) 是阿贝尔群;
  3. \cdot++ 满足分配律。

在域中,每一个非零元素都具有两个与之相联系的周期,一个是在加法群中的加法周期,一个是在乘法群中的乘法周期。

例:在有理数域、实数域和复数域中,每个非零元素的加法周期都为 0(无穷大),1 的乘法周期为 1,-1 的乘法周期为 2,其它非零元的乘法周期为 0.

定理 1: 域中所有非零元素都有相同的加法周期,且为 0 或一个质数。

定理 2: 域是整区,有限整区是域。

子域: 若除环 RR(域 FF) 的一个子环仍为除环,则称为 RRFF) 的子除环;若同时又为域,则称为 RRFF) 的子域

例:整数环是实数域的子环,实数域是复数域的子域。

格(Lattice)

偏序格与代数格

偏序格: 设偏序集 (L,)(L, \leq), 如果对于任意 a,bLa, b \in LLL 的子集 {a,b}\{a, b\}LL 中都有一个最大下界 inf{a,b}\inf\{a, b\} 和一个最小上界 sup{a,b}\sup\{a, b\},则称 (L)(L,\leq) 为一个格。

结论:全序集必然是格,但偏序集不一定是格。

例 1:设 ρ(S)\rho(S) 是任意集合 SS 的幂集,则对任意 A,Bρ(S)A, B \in \rho(S),有

sup{A,B}=ABρ(S),inf{A,B}=ABρ(S)\sup\{A, B\} = A \cup B \in \rho(S),\\ \inf\{A, B\} = A \cap B \in \rho(S)

因此部分序集 (ρ(S),)(\rho(S), \subseteq) 是一个格。

例 2:设 nn 是正整数,SnS_nnn 的所有正因数的集合,DD 是整除关系,则对任意 a,bSna, b \in S_n,有

sup{a,b}=a,b 的最小公倍数 ρ(S),inf{a,b}=a,b 的最大公因数 ρ(S)\sup\{a, b\} = a, b \ \text{的最小公倍数} \ \in \rho(S),\\ \inf\{a, b\} = a, b \ \text{的最大公因数} \ \in \rho(S)

因此 (Sn,D)(S_n, D) 是一个格。

格的 Hasse 图表示法:

需要注意的是,下列 Hasse 图不是格:

偏序子格:(L)(L,\leq) 是格,SLS \subseteq L,如果 (S)(S,\leq) 也是格,则称 (S)(S,\leq)(L)(L,\leq) 的一个子格。

代数格:LL 是一个集合,,\wedge, \veeLL 上的两个二元代数运算,如果这两种运算对 LL 中元素满足:

  1. 交换律:ab=ba,ab=baa \wedge b = b \wedge a, a \vee b = b \vee a
  2. 结合律:a(bc)=(ab)c,a(bc)=(ab)ca \wedge (b \wedge c) = (a \wedge b) \wedge c, a \vee (b \vee c) = (a \vee b) \vee c
  3. 吸收律:a(ab)=a,a(ab)=aa \wedge (a \vee b) = a, a \vee (a \wedge b) = a.

则称该代数系统 (L,,)(L, \wedge, \vee) 为一个格。

,\wedge, \vee 满足吸收律可推出它们也满足幂等律。

定理:(L,,)(L, \wedge, \vee) 是格,则 (L,)(L, \wedge)(L,)(L, \vee) 是交换半群。

例 1:设 ρ(S)\rho(S) 是任意集合 SS 的幂集,则 (ρ(S),,)(\rho(S), \cap, \cup) 是一个代数格。又因为 (ρ(S))(ρ(S),\subseteq) 是偏序格,可见对任意 A,Bρ(S)A, B \in \rho(S),有

AB    AB=A    AB=BA \subseteq B \iff A \cap B = A \iff A \cup B = B

例 2:设 nn 是正整数,SnS_nnn 的所有正因数的集合,两个正整数的最大公因数运算为 \wedge,最小公倍数运算为 \vee,则 (Sn,,)(S_n, \wedge, \vee) 是一个代数格。又因为 (SnD)(S_n,D) 是偏序格,可见对任意 a,bSna, b \in S_n,有

aDb    ab=a    ab=baDb \iff a \wedge b = a \iff a \vee b = b

由上述例子,可以发现代数格与偏序格之间存在等价性,即:一个偏序格必是一个代数格;反之亦然。

代数子格:(L,,)(L, \wedge, \vee) 是代数格,若对于 SLS \subseteq LSS 在运算 ,\wedge, \vee 下是封闭的,则称 (S,,)(S, \wedge, \vee)(L,,)(L, \wedge, \vee) 的一个子格。

代数子格与偏序子格的关系:(L,)(L, \leq) 是偏序格,(L,,)(L, \wedge, \vee) 是与其等价的代数格,且 SLS \subseteq L,则

  • (S,,)(S, \wedge, \vee)(L,,)(L, \wedge, \vee) 的代数子格,则 (S,)(S, \leq)(L,)(L, \leq) 的偏序子格;
  • (S,)(S, \leq)(L,)(L, \leq) 的偏序子格,则 (S,,)(S, \wedge, \vee) 不一定(L,,)(L, \wedge, \vee) 的代数子格。

例:设 (L,,)(L, \wedge, \vee) 是一个格,a,bLa, b \in L,令 S={x(xL)(axb)}S = \{ x \mid (x \in L) \wedge (a \leq x \leq b) \},其中 \leq 是与 (L,,)(L, \wedge, \vee) 等价的偏序格中的部分序关系,证明 (S,,)(S, \wedge, \vee)LL 的子格。

证:设 x,ySx, y \in S,则 x,yLx, y \in L,且 ax,yba \leq x, y \leq b,所以

aaxybbaaxybba \wedge a \leq x \wedge y \leq b \wedge b\\ a \vee a \leq x \vee y \leq b \vee b

axyb,axyba \leq x \wedge y \leq b, \quad a \leq x \vee y \leq b

因此 xy,xyLx \wedge y, x \vee y \in L,故运算 ,\wedge, \veeSS 上是封闭的,所以 (S,,)(S, \wedge, \vee)(L,,)(L, \wedge, \vee) 的子格。

性质 1:(L,)(L, \leq) 是一个格,对于任意 a,bLa, b \in L,有

ab    ab=a    ab=ba \leq b \iff a \wedge b = a \iff a \vee b = b

性质 2:(L,)(L, \leq) 是一个格,对任意 a,b,cLa, b, c \in L,若 bcb \leq c,则有

abac,abaca \wedge b \leq a \wedge c, \quad a \vee b \leq a \vee c

性质 3:(L,)(L, \leq) 是一个格,对任意 a,b,cLa, b, c \in L,有

a(bc)(ab)(ac)(ab)(ac)a(bc)a \vee (b \wedge c) \leq (a \vee b) \wedge (a \vee c)\\ (a \wedge b) \vee (a \wedge c) \leq a \wedge (b \vee c)

性质 4:(L,)(L, \leq) 是一个格,对任意 a,b,cLa, b, c \in L,有

ab    a(bc)b(ac)a \leq b \iff a \vee (b \wedge c) \leq b \wedge (a \vee c)

例:设 (L,)(L, \leq) 是格,证明:

  1. (ab)(cd)(ac)(bd)(a \wedge b) \vee (c \wedge d) \leq (a \vee c) \wedge (b \vee d)
  2. (ab)(bc)(ca)(ab)(bc)(ca)(a \wedge b) \vee (b \wedge c) \vee (c \wedge a) \leq (a \vee b) \wedge (b \vee c) \wedge (c \vee a).

证:

(ab)(cd)[(ab)c][(ab)d](ac)(bc)(ad)(bd)[(ac)(ad)][(bd)(bc)](ac)(bd)\begin{aligned} (a \wedge b) \vee (c \wedge d) &\leq [(a \wedge b) \vee c] \wedge [(a \wedge b) \vee d]\\ &\leq (a \vee c) \wedge (b \vee c) \wedge (a \vee d) \wedge (b \vee d)\\ &\leq [(a \vee c) \wedge (a \vee d)] \wedge [(b \vee d) \wedge (b \vee c)]\\ &\leq (a \vee c) \wedge (b \vee d) \end{aligned}

(ab)(bc)(ca){[(ab)b][(ab)c]}(ca)={b[(ab)c]}(ca){[b[(ab)c]]c}{[b[(ab)c]]a}(bc){[(ab)c]c}(ba){[(ab)c]a}(bc)(ab)(ac)(bc)=(ab)(bc)(ca)\begin{aligned} (a \wedge b) \vee (b \wedge c) \vee (c \wedge a) &\leq \{[(a \wedge b) \vee b] \wedge [(a \wedge b) \vee c]\} \vee (c \wedge a)\\ &= \{b \wedge [(a \wedge b) \vee c]\} \vee (c \wedge a)\\ &\leq \{[b \wedge [(a \wedge b) \vee c]] \vee c\} \wedge \{[b \wedge [(a \wedge b) \vee c]] \vee a\}\\ &\leq (b \vee c) \wedge \{[(a \wedge b) \vee c] \vee c\} \wedge (b \vee a) \wedge \{[(a \wedge b) \vee c] \vee a\}\\ &\leq (b \vee c) \wedge (a \vee b) \wedge (a \vee c) \wedge (b \vee c)\\ &= (a \vee b) \wedge (b \vee c) \wedge (c \vee a) \end{aligned}

n\bm{n} 维格: 规定

(a1,,an)n(b1,,bn)    aibi (i=1,,n)(a_1, \cdots, a_n) \leq_n (b_1, \cdots, b_n) \iff a_i \leq b_i \ (i = 1, \cdots, n)

由上述元素和运算构成的格称为 nn 维格,记作 (Ln,n)(L^n, \leq_n),与其等价的代数格记作 (Ln,,)(L^n, \wedge, \vee),于是对 LnL^n 中任意两个元素,显然有

(a1,,an)(b1,,bn)=(a1b1,,anbn)(a1,,an)(b1,,bn)=(a1b1,,anbn)(a_1, \cdots, a_n) \wedge (b_1, \cdots, b_n) = (a_1 \wedge b_1, \cdots, a_n \wedge b_n)\\ (a_1, \cdots, a_n) \vee (b_1, \cdots, b_n) = (a_1 \vee b_1, \cdots, a_n \vee b_n)

格的同态与同构

(L1,,)(L_1, \wedge, \vee)(L2,,)(L_2, \wedge', \vee') 是格,映射 f:L1L2f : L_1 \to L_2,若对任意 a,bL1a, b \in L_1,满足

f(ab)=f(a)f(b)f(ab)=f(a)f(b)f(a \wedge b) = f(a) \wedge' f(b)\\ f(a \vee b) = f(a) \vee' f(b)

则称 ff 为格 L1L_1L2L_2同态映射,简称格同态;格 LL 到自身的同态映射称为格的自同态映射

f:L1L2f : L_1 \to L_2 是双射(一一映射),则称格 L1L_1 和格 L2L_2 同构,此时对任意 xL1,yL2x \in L_1, y \in L_2,有

f1(f(x))=x,f(f1(y))=yf^{-1}(f(x)) = x, f(f^{-1}(y)) = y

同态保序定理:(L1,,)(L1,)(L_1, \wedge, \vee) \equiv (L_1, \leq)(L2,,)(L2,)(L_2, \wedge', \vee') \equiv (L_2, \leq') 是格,映射 f:L1L2f : L_1 \to L_2

  • ff 是格同态映射,则 ff 具有保序性,即对任意 a,bL1a, b \in L_1ab    f(a)f(b)a \leq b \iff f(a) \leq' f(b)
  • ff 是双射,则 ff 为格同构映射当且仅当对任意 a,bL1a, b \in L_1ab    f(a)f(b)a \leq b \iff f(a) \leq' f(b).

定理 1:LL 是格,ff 是其自同态映射,则 f(x)f(x)LL 的子格。

定理 2:L1L_1L2L_2 是格,若 f:L1L2f : L_1 \to L_2 是同构映射,则 ff 的逆映射 f1f^{-1}L2L_2L1L_1 的同构映射。

特殊格的定义与性质

有界格: 拥有一个最大元(记作全上界 1)和一个最小元(记作全下界 0)的格,即对任意 aLa \in L,都有 0a10 \leq a \leq 1.

结论:有限格必是有界格。令 L={a1,a2,,an}L = \{ a_1, a_2, \cdots, a_n \},则

0=a1a2an1=a1a2an0 = a_1 \wedge a_2 \wedge \cdots \wedge a_n\\ 1 = a_1 \vee a_2 \vee \cdots \vee a_n

但有界格不一定是有限格。

定理:(L,,,0,1)(L, \wedge, \vee, 0, 1) 是有界格,则对任意 aLa \in L,恒有

a0=a,a1=a,a1=1,a0=0a \vee 0 = a, \quad a \wedge 1 = a, \\ a \vee 1 = 1, \quad a \wedge 0 = 0

补元(余元): 在有界格 LL 中,若存在 a,bLa, b \in L,满足 ab=0,ab=1a \wedge b = 0, a \vee b = 1,则称 bbaa 的补元。

在有界格中,一个元素可能没有补元,也可能有一个或一个以上的补元。1 是 0 唯一的补元,反之亦然。

例:

有补格(有余格,complemented lattice): 若对有界格中任意一个元素,都至少有一个补元,则称该有界格为有补格。

例:设 ρ(S)\rho(S) 是集合 SS 的幂集,于是 (ρ(S))(\rho(S),\subseteq) 是有补格,并且 \emptySS 是此格的界。对任意元素 Aρ(S)A \in \rho(S),元素 SAρ(S)S - A \in \rho(S) 是其补元。

nn 维格 (Ln,n)(L^n, \leq_n) 是一个有补格,并且 1n=(1,1,,1),0n=(0,0,,0)1_n = (1, 1, \cdots, 1), 0_n = (0, 0, \cdots, 0) 是界。对任意元素 (a1,,an)Ln(a_1, \cdots, a_n) \in L^n,存在元素 (b1,,bn)Ln(b_1, \cdots, b_n) \in L^n 是其补元,其中

bi=0    ai=1,bi=1    ai=0,(i=1,,n)b_i = 0 \iff a_i = 1, \quad b_i = 1 \iff a_i = 0, \quad (i = 1, \cdots, n)

分配格(distributive lattice): 若代数格 LL 内的运算满足分配律,则称 LL 为分配格。即对任意 a,b,cLa, b, c \in L,有

a(bc)=(ab)(ac)a(bc)=(ab)(ac)a \wedge (b \vee c) = (a \wedge b) \vee (a \wedge c)\\ a \vee (b \wedge c) = (a \vee b) \wedge (a \vee c)

分配格的任意子格仍是分配格。

分配格定义中的两个等式是等价的:

(ab)(ac)=((ab)a)((ab)c)=a((ac)(bc))=(a(ac))(bc)=a(bc)\begin{aligned} (a \vee b) \wedge (a \vee c) &= ((a \vee b) \wedge a) \vee ((a \vee b) \wedge c)\\ &= a \vee ((a \wedge c) \vee (b \wedge c))\\ &= (a \vee (a \wedge c)) \vee (b \wedge c)\\ &= a \vee (b \wedge c) \end{aligned}

分配格与 Hasse 图的关系:

其中 L1L_1L2L_2 是分配格,而 L3L_3L4L_4 不是,在 L3L_3

b(cd)=be=b(bc)(bd)=aa=ab \wedge (c \vee d) = b \wedge e = b\\ (b \wedge c) \vee (b \wedge d) = a \vee a = a

L4L_4

d(bc)=de=d(db)(dc)=ac=cd \wedge (b \vee c) = d \wedge e = d\\ (d \wedge b) \vee (d \wedge c) = a \vee c = c

形状类似 L3L_3 的格称为钻石格,形状类似 L4L_4 的格称为五角格。当且仅当 LL 不含有与钻石格或五角格同构的子格时,LL 是分配格。任意一个链都是分配格。

德摩根定律:(L,,)(L, \wedge, \vee) 是分配格,对任意 a,bLa, b \in L,若存在对应的补元 a,ba', b',则

(ab)=ab,(ab)=ab(a \wedge b)' = a' \vee b', \quad (a \vee b)' = a' \wedge b'

定理:(L,,)(L, \wedge, \vee) 是分配格,对任意 a,b,cLa, b, c \in L,如果满足 ac=bc,ac=bca \wedge c = b \wedge c, a \vee c = b \vee c,则 a=ba = b.

证明:

a=a(ac)=a(bc)=(ab)(ac)=(ab)(bc)=b(ac)=b(bc)=b\begin{aligned} a &= a \wedge (a \vee c)\\ &= a \wedge (b \vee c)\\ &= (a \wedge b) \vee (a \wedge c)\\ &= (a \wedge b) \vee (b \wedge c)\\ &= b \wedge (a \vee c)\\ &= b \wedge (b \vee c)\\ &= b \end{aligned}

推论:(L,,)(L, \wedge, \vee) 是有补分配格,则对任意 aLa \in Laa 的补元 aa' 唯一。

证明:设 aa'aa'' 都是 aa 的补元,即

aa=0,aa=1aa=0,aa=1a \wedge a' = 0, \quad a \vee a' = 1\\ a \wedge a'' = 0, \quad a \vee a'' = 1

aa=aa,aa=aaa \wedge a' = a \wedge a'', a \vee a' = a \vee a'',因此 a=aa' = a''.

模格(modular lattice): 若对格 (L,)(L,,)(L, \leq) \equiv (L, \wedge, \vee) 中的任意 a,b,cLa, b, c \in L,满足

ab    a(bc)=b(ac)a \leq b \iff a \vee (b \wedge c) = b \wedge (a \vee c)

则称 LL 为模格。

分配格都是模格,但模格不一定是分配格。

模格的充要条件: 对任意 a,b,cLa, b, c \in L,如果

ab,ac=bc,ac=bca \leq b, \quad a \wedge c = b \wedge c, \quad a \vee c = b \vee c

则必有 a=ba = b.

模格与 Hasse 图的关系:

其中 L1,L2L_1, L_2L3L_3 都是模格,而 L4L_4 不是,在 L4L_4

cd,c(bd)=c,(cb)d=dc \leq d, \quad c \vee (b \wedge d) = c, \quad (c \vee b) \wedge d = d

当且仅当 LL 不含有与五角格同构的子格时,LL 是模格,此时若 LL 不含有与钻石格同构的子格,则 LL 是分配格。