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在抽象代数中,群是最基本的代数结构之一。群由一个非空集合G和定义在其上的二元运算星号组成,记作(G, *)。要验证一个结构是否构成群,必须检查它是否满足四个基本公理:封闭性、结合律、单位元存在性和逆元存在性。
现在详细解释群的前两个公理。封闭性要求对于集合G中任意两个元素a和b,它们的运算结果a星号b仍然属于G。结合律要求对于G中任意三个元素a、b、c,运算满足结合律,即括号a星号b括号星号c等于a星号括号b星号c括号。以整数加法为例,3加5等于8仍是整数,满足封闭性;括号2加3括号加4等于2加括号3加4括号都等于9,满足结合律。
群的后两个公理是单位元和逆元。单位元是集合G中的特殊元素e,对于G中任意元素a,都有e星号a等于a星号e等于a。逆元是指对于G中任意元素a,都存在一个元素a的负一次方,使得a星号a的负一次方等于a的负一次方星号a等于单位元e。在整数加法群中,单位元是0,因为0加任何数等于该数本身;任意整数a的逆元是负a,因为a加负a等于0。
现在通过一个具体实例来演示如何验证群。考虑模3加法群,集合G等于0、1、2,运算定义为a圆加b等于a加b模3。我们可以构造运算表来验证群公理。从表中可以看出,所有运算结果都在集合内,满足封闭性;0是单位元,因为0与任何元素运算都得到该元素本身;每个元素都有逆元,0的逆元是0,1的逆元是2,2的逆元是1。结合律也可以通过计算验证。因此这确实构成一个群。
群元素的计算是群论的重要应用。在群中我们可以进行元素运算、求逆元、计算元素的幂次,以及解群方程。许多群可以通过生成元来构造,即通过一个或几个生成元反复运算得到群的所有元素。以循环群Z4为例,生成元1通过反复加法运算可以生成所有元素:1的0次方等于0,1次方等于1,2次方等于2,3次方等于3,4次方又回到0。这样就得到了完整的群Z4等于0、1、2、3。在这个群中进行计算,比如2加3等于1模4。