Циклическая группа - Cyclic group

В теория групп, филиал абстрактная алгебра, а циклическая группа или моногенная группа это группа это генерируется одним элементом.[1] То есть это набор из обратимый элементы с одним ассоциативный бинарная операция, и он содержит элементг таким образом, что любой другой элемент группы может быть получен путем многократного применения групповой операции кг или его обратное. Каждый элемент можно записать как степень г в мультипликативной записи или как кратное г в аддитивной записи. Этот элемент г называется генератор группы.[1]

Каждая бесконечная циклическая группа изоморфный к аддитивная группа из Z, то целые числа. Каждая конечная циклическая группа порядок п изоморфна аддитивной группе Z/пZ, целые числа по модулю п. Каждая циклическая группа является абелева группа (это означает, что его групповая операция коммутативный ), и каждый конечно порожденный абелева группа - это прямой продукт циклических групп.

Каждая циклическая группа премьер заказ - это простая группа которые нельзя разбить на более мелкие группы. в классификация конечных простых групп, один из трех бесконечных классов состоит из циклических групп простого порядка. Таким образом, циклические группы простого порядка входят в число строительных блоков, из которых могут быть построены все группы.

Определение и обозначения

Шестой 6-й комплекс корни единства образуют циклическую группу при умножении. Вот z генератор, но z2 нет, потому что его силы не в состоянии произвести странные силы z.

Для любого элемента г в любой группе г, можно сформировать подгруппа всех целых степеней ⟨г⟩ = {гk | kZ}, называется циклическая подгруппа из г. В порядок из г - количество элементов в ⟨г⟩; то есть порядок элемента равен порядку его циклической подгруппы.

А циклическая группа группа, которая равна одной из своих циклических подгрупп: г = ⟨г для какого-то элемента г, называется генератор.

Для конечная циклическая группа г порядка п у нас есть г = {е, г, г2, ... , гп−1}, где е является элементом идентичности и гя = гj всякий раз, когда яj (мод п); особенно гп = г0 = е, и г−1 = гп−1. Абстрактную группу, определяемую этим умножением, часто обозначают Cп, и мы говорим, что г является изоморфный стандартной циклической группе Cп. Такая группа также изоморфна Z/пZ, группа целых чисел по модулю п с операцией сложения, которая является стандартной циклической группой в аддитивной записи. При изоморфизме χ определяется χ(гя) = я элемент идентичности е соответствует 0, произведения соответствуют суммам, а степени соответствуют кратным.

Например, комплекс 6-го корни единства

образует группу при умножении. Он циклический, так как порождается первобытный корень это, г = ⟨z⟩ = { 1, z, z2, z3, z4, z5 } с участием z6 = 1. При замене букв она изоморфна (структурно такая же, как) стандартной циклической группе порядка 6, определяемой как C6 = ⟨г⟩ = { е, г, г2, г3, г4, г5 } с умножением гj · гk = гj + k (мод 6), так что г6 = г0 = е. Эти группы также изоморфны Z/6Z = {0,1,2,3,4,5} с операцией сложения по модулю 6, с zk и гk соответствующий k. Например, 1 + 2 ≡ 3 (мод. 6) соответствует z1 · z2 = z3, и 2 + 5 ≡ 1 (мод. 6) соответствует z2 · z5 = z7 = z1, и так далее. Любой элемент порождает свою циклическую подгруппу, например ⟨z2⟩ = { е, z2, z4 } порядка 3, изоморфный C3 и Z/3Z; и ⟨z5⟩ = { е, z5, z10 = z4, z15 = z3, z20 = z2, z25 = z } = г, так что z5 имеет порядок 6 и является альтернативным генератором г.

Вместо частное обозначения Z/пZ, Z/(п), или Z/п, некоторые авторы обозначают конечную циклическую группу как Zп, но это противоречит обозначениям теория чисел, где Zп обозначает п-адическое число кольцо, или локализация в главный идеал.


Бесконечные циклические группы
p1, (*∞∞ )p11g, (22∞)
Frieze group 11.pngFrieze group 1g.png
Пример Frieze p1.png
Frieze hop.png
Пример Frieze p11g.png
Frieze step.png
Два фризовые группы изоморфны Z. С одним генератором p1 имеет трансляции, а p11g - отражения скольжения.

С другой стороны, в бесконечная циклическая группа G =г, силы гk дать отдельные элементы для всех целых чисел k, так что г = { ... , г−2, г−1, е, г, г2, ... }, и г изоморфна стандартной группе C = C и чтобы Z, аддитивная группа целых чисел. Пример первый группа фризов. Здесь нет конечных циклов, и название «циклический» может вводить в заблуждение.[2]

Чтобы избежать этой путаницы, Бурбаки ввел термин моногенная группа для группы с единственным образующим и ограниченной «циклической группой» означает конечную моногенную группу, избегая термина «бесконечная циклическая группа».[примечание 1]

Примеры

Примеры циклических групп вращательной симметрии
Triangle.Scalene.svgХаббл2005-01-спиральная-галактика с перемычкой-NGC1300.jpgБронированный трискелион на флаге острова Мэн.svg
C1C2C3
Круг-крест-декоративный-узел-12crossings.svgФлаг Гонконга.svgOlavsrose.svg
C4C5C6

Целочисленное и модульное сложение

Набор целые числа Zс помощью операции сложения образует группу.[1] Это бесконечная циклическая группа, потому что все целые числа могут быть записаны путем многократного добавления или вычитания единственного числа 1. В этой группе 1 и -1 являются единственными образующими. Каждая бесконечная циклическая группа изоморфна Z.

Для каждого положительного целого числа п, набор целых чисел по модулю  п, снова с помощью операции сложения, образует конечную циклическую группу, обозначаемую Z/пZ.[1]Модульное целое число я является генератором этой группы, если я является относительно простой к п, потому что эти элементы могут генерировать все остальные элементы группы посредством сложения целых чисел (количество таких генераторов равно φ(п), где φ это Функция Эйлера.) Каждая конечная циклическая группа г изоморфен Z/пZ, где п = |г| это порядок группы.

Операции сложения целых и модульных целых чисел, используемые для определения циклических групп, являются операциями сложения коммутативные кольца, также обозначается Z и Z/пZ или Z/(п). Если п это премьер, тогда Z/пZ это конечное поле, и обычно обозначается Fп или GF (п) для поля Галуа.

Модульное умножение

Для каждого положительного целого числа п, набор целых чисел по модулюп которые относительно просты сп записывается как (Z/пZ)×; Это образует группу при операции умножения. Эта группа не всегда циклична, но всегда п 1, 2, 4, а степень нечетного простого числа, или удвоенная степень нечетного простого числа (последовательность A033948 в OEIS ).[4][5]Это мультипликативная группа единицы кольца Z/пZ; есть φ(п) из них, где снова φ это Функция Эйлера. Например, (Z/6Z)× = {1,5}, а поскольку 6 дважды нечетное простое число, это циклическая группа. Напротив, (Z/8Z)× = {1,3,5,7} - это Кляйн 4-группа и не является циклическим. Когда (Z/пZ)× циклический, его образующие называются примитивные корни по модулю п.

Для простого числа п, группа (Z/пZ)× всегда циклический, состоящий из ненулевых элементов конечное поле порядка п. В более общем смысле, каждое конечное подгруппа мультипликативной группы любого поле циклический.[6]

Вращательные симметрии

Набор вращательная симметрия из многоугольник образует конечную циклическую группу.[7] Если есть п различные способы перемещения многоугольника к себе путем вращения (включая нулевое вращение), тогда эта группа симметрии изоморфна Z/пZ. В трех или более высоких измерениях существуют другие конечные группы симметрии, которые являются циклическими, но это не все вращения вокруг оси, а вместо этого роторные отражения.

Группа всех вращений круг S1круговая группа, также обозначается S1) является не циклический, потому что не существует одного вращения, целые степени которого генерируют все вращения. Фактически, бесконечная циклическая группа C является счетный, в то время как S1 не является. Группа поворотов на рациональные углы является счетные, но все же не циклические.

Теория Галуа

An пth корень единства это комплексное число чья п-я степень равна 1, а корень из многочлен Иксп - 1. Набор всего пкорни из единицы образуют циклическую группу порядка п при умножении.[1] Например, полином z3 − 1 факторы как (z − 1)(zω)(zω2), где ω = е2πi/3; набор {1, ω, ω2} = {ω0, ω1, ω2} образует циклическую группу при умножении. В Группа Галуа из расширение поля из рациональное число генерируется пкорни из единицы образуют другую группу, изоморфную мультипликативной группе (Z /пZ)× порядка φ(п), который является циклическим для некоторых, но не для всехп (см. выше).

Расширение поля называется циклическое расширение если его группа Галуа циклическая. Для полей характеристика ноль, такие расширения являются предметом Теория Куммера, и тесно связаны с разрешимость радикалами. Для продления конечные поля характерных п, его группа Галуа всегда конечна и циклическая, порожденная степенью Отображение Фробениуса.[8] Наоборот, учитывая конечное поле F и конечная циклическая группа гсуществует конечное расширение поля F чья группа Галуа г.[9]

Подгруппы

Все подгруппы и факторгруппы циклических групп являются циклическими. В частности, все подгруппы Z имеют вид ⟨м⟩ = мZ, с участием м положительное целое число. Все эти подгруппы отличны друг от друга, и кроме тривиальной группы {0} = 0Z, они все изоморфный к Z. В решетка подгрупп из Z изоморфен двойной решетки натуральных чисел в порядке делимость.[10] Таким образом, поскольку простое число п не имеет нетривиальных делителей, пZ - максимальная собственная подгруппа, а фактор-группа Z/пZ является просто; на самом деле циклическая группа проста тогда и только тогда, когда ее порядок простой.[11]

Все фактор-группы Z/пZ конечны, за исключением Z/0Z = Z/{0}. Для каждого положительного делителя d из п, фактор-группа Z/пZ имеет ровно одну подгруппу порядка d, порожденный класс остатка из п/d. Других подгрупп нет.

Дополнительные свойства

Каждая циклическая группа абелевский.[1] То есть его групповая операция коммутативный: gh = hg (для всех г и час в г). Это ясно для групп целочисленного и модульного сложения, поскольку р + ss + р (мод п), и это следует для всех циклических групп, поскольку все они изоморфны этим стандартным группам. Для конечной циклической группы порядка п, гп является элементом идентичности для любого элемента г. Это снова следует из использования изоморфизма к модульному сложению, поскольку кн ≡ 0 (мод п) для каждого целого числа k. (Это верно и для общей группы порядка п, из-за Теорема Лагранжа.)

Для основная сила пk, группа Z/пkZ называется первичная циклическая группа. В основная теорема абелевых групп заявляет, что каждый конечно порожденная абелева группа является конечным прямым произведением примарных циклических и бесконечных циклических групп.

Поскольку циклическая группа абелева, каждая из ее классы сопряженности состоит из одного элемента. Циклическая группа порядка п поэтому имеет п классы сопряженности.

Если d это делитель из п, то количество элементов в Z/пZ которые имеют порядок d является φ(d), а количество элементов, порядок которых делит d точно d.Если г конечная группа, в которой для каждого п > 0, г содержит не более п элементы разделения заказов п, тогда г должен быть циклическим.[заметка 2]Порядок элемента м в Z/пZ является п/gcd (п,м).

Если п и м находятся совмещать, то прямой продукт двух циклических групп Z/пZ и Z/мZ изоморфна циклической группе Z/нмZ, и обратное также верно: это одна из форм Китайская теорема об остатках. Например, Z/12Z изоморфна прямому произведению Z/3Z × Z/4Z при изоморфизме (k мод 12) → (k мод 3, k мод 4); но он не изоморфен Z/6Z × Z/2Z, в котором каждый элемент имеет порядок не более 6.

Если п это простое число, то любая группа с п элементов изоморфна простой группе Z/пZ.Число п называется циклическое число если Z/пZ это единственная группа порядка п, что верно именно тогда, когда gcd (п,φ(п)) = 1.[13] Циклические числа включают все простые числа, но некоторые из них составной например 15. Однако все циклические числа нечетные, кроме 2. Циклические числа:

1, 2, 3, 5, 7, 11, 13, 15, 17, 19, 23, 29, 31, 33, 35, 37, 41, 43, 47, 51, 53, 59, 61, 65, 67, 69, 71, 73, 77, 79, 83, 85, 87, 89, 91, 95, 97, 101, 103, 107, 109, 113, 115, 119, 123, 127, 131, 133, 137, 139, 141, 143, ... (последовательность A003277 в OEIS )

Из определения немедленно следует, что циклические группы имеют групповая презентация C = ⟨Икс | ⟩ и Cп = ⟨Икс | Иксп для конечного п.[14]

Связанные объекты

Представления

В теория представлений циклической группы является критическим базовым случаем теории представлений более общих конечных групп. в сложный случай, представление циклической группы распадается на прямую сумму линейных характеров, делая прозрачной связь между теорией характеров и теорией представлений. в положительный характерный случай, неразложимые представления циклической группы образуют модель и индуктивную основу теории представлений групп с циклическими Силовские подгруппы и вообще теория представлений блоков циклического дефекта.

График цикла

А график цикла иллюстрирует различные циклы группа и особенно полезен при визуализации структуры небольших конечные группы. Граф циклов для циклической группы - это просто круговой график, где порядок групп равен количеству узлов. Один генератор определяет группу как направленный путь на графике, а обратный генератор определяет обратный путь. Тривиальные пути (тождества) можно нарисовать как петля но обычно подавляются. Z2 иногда рисуется с двумя изогнутыми краями как мультиграф.[15]

Циклические группы Zп, порядок п, представляет собой один цикл, изображенный просто как п-сторонний многоугольник с элементами в вершинах. Когда п = ab с участием а и б будучи относительно простой (т.е. gcd (а, б) = 1), циклическая группа Zп можно разложить на прямой продукт Zа × Zб.

Графики цикла до порядка 24
GroupDiagramMiniC1.svgGroupDiagramMiniC2.svgGroupDiagramMiniC3.svgGroupDiagramMiniC4.svgGroupDiagramMiniC5.svgGroupDiagramMiniC6.svgGroupDiagramMiniC7.svgGroupDiagramMiniC8.svg
Z1Z2Z3Z4Z5Z6 = Z3× Z2Z7Z8
GroupDiagramMiniC9.svgGroupDiagramMiniC10.svgGroupDiagramMiniC11.svgGroupDiagramMiniC12.svgGroupDiagramMiniC13.svgGroupDiagramMiniC14.svgGroupDiagramMiniC15.svgGroupDiagramMiniC16.svg
Z9Z10 = Z5× Z2Z11Z12 = Z4× Z3Z13Z14 = Z7× Z2Z15 = Z5× Z3Z16
GroupDiagramMiniC17.svgGroupDiagramMiniC18.svgGroupDiagramMiniC19.svgGroupDiagramMiniC20.svgGroupDiagramMiniC21.svgGroupDiagramMiniC22.svgGroupDiagramMiniC23.svgGroupDiagramMiniC24.svg
Z17Z18 = Z9× Z2Z19Z20 = Z5× Z4Z21 = Z7× Z3Z22 = Z11× Z2Z23Z24 = Z8× Z3

Граф Кэли

В Граф Пэли порядка 13 циркулянтный граф сформирован как граф Кэли Z/ 13 с генераторной установкой {1,3,4}

А Граф Кэли - граф, определенный из пары (г,S) где г это группа и S набор образующих для группы; у него есть вершина для каждого элемента группы и ребро для каждого произведения элемента с образующей. В случае конечной циклической группы с ее единственным образующим граф Кэли является график цикла, а для бесконечной циклической группы с ее образующей граф Кэли является дважды бесконечным граф путей. Однако графы Кэли также могут быть определены из других наборов генераторов. Графы Кэли циклических групп с произвольными образующими называются циркулянтные графики.[16] Эти графы могут быть представлены геометрически как набор равноотстоящих точек на окружности или на линии, причем каждая точка соединена с соседями с таким же набором расстояний, что и каждая другая точка. Они точно вершинно-транзитивные графы чья группа симметрии включает транзитивную циклическую группу.[17]

Эндоморфизмы

В кольцо эндоморфизмов абелевой группы Z/пZ является изоморфный к Z/пZ сам как кольцо.[18] При этом изоморфизме число р соответствует эндоморфизму Z/пZ который отображает каждый элемент в сумму р копии этого. Это биекция тогда и только тогда, когда р взаимно прост с п, так что группа автоморфизмов из Z/пZ изоморфна единичной группе (Z/пZ)×.[18]

Аналогично кольцо эндоморфизмов аддитивной группы Z изоморфно кольцу Z. Его группа автоморфизмов изоморфна группе единиц кольца Z, т.е. к ({−1, +1}, ×) ≅ C2.

Тензорное произведение и Hom циклических групп

В тензорное произведение Z/мZZ/пZ можно показать, что они изоморфны Z / gcd (м, п)Z. Таким образом, мы можем сформировать коллекцию группы гомоморфизмы от Z/мZ к Z/пZ, обозначенный хом (Z/мZ, Z/пZ), которая сама по себе является группой.

Для тензорного произведения это следствие того общего факта, что р/яр р/Jр/(я + J), где р коммутативный кольцо с блоком и я и J находятся идеалы кольца. Напомним, что для группы Hom она изоморфна подгруппе группы Z / пZ состоящий из элементов порядка разделения м. Эта подгруппа циклична порядка gcd (м, п), что завершает доказательство.

Связанные классы групп

Несколько других классов групп были определены их отношением к циклическим группам:

Практически циклические группы

Группа называется практически циклический если он содержит циклическую подгруппу конечных показатель (номер смежные классы что есть в подгруппе). Другими словами, любой элемент в фактически циклической группе может быть получен путем применения члена циклической подгруппы к члену в некотором конечном множестве. Каждая циклическая группа практически циклическая, как и любая конечная группа. Бесконечная группа практически циклична тогда и только тогда, когда она конечно порожденный и имеет ровно два заканчивается;[заметка 3] примером такой группы является прямой продукт из Z/пZ и Z, в котором фактор Z имеет конечный индексп. Каждая абелева подгруппа в Громова гиперболическая группа практически цикличен.[20]

Локально циклические группы

А локально циклическая группа группа, в которой каждый конечно порожденный подгруппа циклическая, например, аддитивная группа рациональное число: каждый конечный набор рациональных чисел представляет собой набор целых кратных единственного единичная дробь, обратная их наименьший общий знаменатель, и порождает как подгруппу циклическую группу целых кратных этой единичной дроби. Группа является локально циклической тогда и только тогда, когда ее решетка подгрупп это распределительная решетка.[21]

Циклически упорядоченные группы

А циклически упорядоченная группа группа вместе с циклический порядок сохраняются структурой группы. Каждой циклической группе может быть дана структура как циклически упорядоченная группа, согласованная с порядком целых чисел (или целых чисел по модулю порядка группы). Каждая конечная подгруппа циклически упорядоченной группы является циклической.[22]

Метациклические и полициклические группы

А метациклическая группа группа, содержащая циклический нормальная подгруппа фактор которого также циклический.[23]Эти группы включают циклические группы, дициклические группы, а прямые продукты двух циклических групп. полициклические группы обобщить метациклические группы, допустив более одного уровня расширения группы. Группа является полициклической, если она имеет конечную убывающую последовательность подгрупп, каждая из которых нормальна в предыдущей подгруппе с циклическим фактором, заканчивающимся тривиальной группой. Каждый конечно порожденный абелева группа или нильпотентная группа полициклический.[24]

Смотрите также

Сноски

Заметки

  1. ^ ОПРЕДЕЛЕНИЕ 15. Группа называется моногенный если он допускает систему генераторов, состоящую из одного элемента. Конечная моногенная группа называется циклический.[3]
  2. ^ Этот вывод остается верным, даже если только простые значения п считаются.[12] (И заметьте, что когда п простое число, существует ровно один элемент, порядок которого является собственным делителем числа п, а именно тождество.)
  3. ^ Если г имеет два конца, явная структура г хорошо известен: г является расширением конечной группы либо бесконечной циклической группой, либо бесконечной группой диэдра.[19]

Цитаты

  1. ^ а б c d е ж «Циклическая группа», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
  2. ^ (Ладжой и Мура 2000 С. 29–33).
  3. ^ (Бурбаки 1998, п. 49) или Алгебра I: главы 1–3, п. 49, в Google Книги.
  4. ^ (Мотвани и Рагхаван 1995, п. 401).
  5. ^ (Виноградов 2003, pp. 105–132, § VI ПЕРВИЧНЫЕ КОРНИ И ИНДЕКСЫ).
  6. ^ (Ротман 1998, п. 65).
  7. ^ (Стюарт и Голубицкий 2010 С. 47–48).
  8. ^ (Кокс 2012, п. 294, теорема 11.1.7).
  9. ^ (Кокс 2012, п. 295, следствие 11.1.8 и теорема 11.1.9).
  10. ^ (Алуффи 2009, pp. 82–84, 6.4 Пример: подгруппы циклических групп).
  11. ^ (Гэннон 2006, п. 18).
  12. ^ (Галлиан 2010, п. 84, упражнение 43).
  13. ^ (Юнгникель 1992, стр. 545–547).
  14. ^ (Кокстер и Мозер 1980, п. 1).
  15. ^ Вайсштейн, Эрик В. «График цикла». MathWorld.
  16. ^ (Альспах 1997, стр. 1–22).
  17. ^ (Вильфред 2004, стр. 34–36).
  18. ^ а б (Курцвейл и Штельмахер 2004, п. 50).
  19. ^ (Киоски 1970 С. 124–128). См. В частности Группы когомологической размерности один, п. 126, в Google Книги.
  20. ^ (Алонсо 1991, Следствие 3.6).
  21. ^ (Руда 1938 г. С. 247–269).
  22. ^ (Fuchs 2011, п. 63).
  23. ^ А. Л. Шмелькин (2001) [1994], «Метациклическая группа», Энциклопедия математики, EMS Press
  24. ^ «Полициклическая группа», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки