线性代数 I

引入

线性方程组 4

集合与映射 16

置换

基础数论 29

矩阵

行和列的向量空间 32

线性映射与矩阵运算 43

秩等式/不等式汇总

  • rankA+dim⁡ker⁡φA=n\mathrm{rank} A+\dim\ker\varphi_A=n

    高斯消元后,主元个数为 rankA\mathrm{rank}A 其他变量个数为 dim⁡ker⁡φA\dim\ker\varphi_A。

  • rank(AB)<=min⁡(rank(A),rank(B))\mathrm{rank}(AB)<= \min(\mathrm{rank}(A),\mathrm{rank}(B))

  • C=(A00B)C=\begin{pmatrix}A&0\\0&B\end{pmatrix} 则 rank(C)=rank(A)+rank(B)\mathrm{rank}(C)=\mathrm{rank}(A)+\mathrm{rank}(B)

  • M=(AC0B)M=\begin{pmatrix}A&C\\0&B\end{pmatrix} 则 rank(M)≥rank(A)+rank(B)\mathrm{rank}(M) \geq \mathrm{rank}(A) + \mathrm{rank}(B)

    证明:

    令 rank(A)=a,rank(B)=b\mathrm{rank}(A)=a, \mathrm{rank}(B)=b

    则 AA 存在 aa 阶满秩子矩阵 A1A_1 ,BB 存在 bb 阶满秩子矩阵 B1B_1

    MM 存在一个 a+ba+b 阶子式 ∣A1C10B1∣=∣A1∣∣B1∣≠0\left|\begin{array}{}A_1&C_1\\0&B_1\end{array}\right|=|A_1||B_1|\neq0

    所以 rank(A1C10B1)=a+b\mathrm{rank}\begin{pmatrix}A_1&C_1\\0&B_1\end{pmatrix}=a+b

    rank(M)≥rank(A1C10B1)=a+b\mathrm{rank}(M)\geq\mathrm{rank}\begin{pmatrix}A_1&C_1\\0&B_1\end{pmatrix}=a+b

  • rankAB≥rankA+rankB−n\mathrm{rank} AB \geq \mathrm{rank}A+\mathrm{rank}B-n

    证明:

    (AB00I)→(AB0BI)→(0−ABI)→(AI0B)\begin{pmatrix}AB&0\\0&I\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}AB&0\\B&I\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}0&-A\\B&I\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}A&I\\0&B\end{pmatrix}

  • nn 阶方阵 AA 是幂等矩阵(A2=AA^2=A)的充要条件是:rank(A)+rank(I−A)=n\mathrm{rank}(A)+\mathrm{rank}(I-A)=n

    证明:

A2=A⇔rank(A2−A)=0A^2=A\Leftrightarrow\mathrm{rank}(A^2-A)=0

(A00I−A)→(A0AI−A)→(AAAI)→(A−A20AI)→(A−A200I)\begin{pmatrix}A&0\\0&I-A\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}A&0\\A&I-A\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}A&A\\A&I\end{pmatrix}\\\to\begin{pmatrix}A-A^2&0\\A&I\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}A-A^2&0\\0&I\end{pmatrix}

  • nn 阶方阵 AA 是对合矩阵 A2=IA^2=I 的充要条件是 rank(I+A)+rank(I−A)=n\mathrm{rank}(I+A)+\mathrm{rank}(I-A)=n

(I+A00I−A)→(I+AI−A0I−A)→(2II−AI−AI−A)→(2II−A−(A+I)0)→(2I0−(A+I)−(A−I)(A+I)2)\begin{pmatrix}I+A&0\\0&I-A\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}I+A&I-A\\0&I-A\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}2I&I-A\\I-A&I-A\end{pmatrix}\\\to\begin{pmatrix}2I&I-A\\-(A+I)&0\end{pmatrix}\to\begin{pmatrix}2I&0\\-(A+I)&-\dfrac{(A-I)(A+I)}{2}\end{pmatrix}

  • rank(ABC)+rank(B)≥rank(AB)+rank(BC)\mathrm{rank}(ABC)+\mathrm{rank}(B)\geq\mathrm{rank}(AB)+\mathrm{rank}(BC)

(ABC00B)→(ABC0BCB)→(0−ABBCB)\begin{pmatrix}ABC&0\\0&B\end{pmatrix} \to \begin{pmatrix}ABC&0\\BC&B\end{pmatrix} \to \begin{pmatrix}0&-AB\\BC&B\end{pmatrix}

reference: 矩阵的秩的不等式汇总及其部分证明[EB/OL]. 2021-04-15

行列式

构造和刻画 65

det⁡:(Rn)n→R\det: (\mathbb{R}^n)^n\to\mathbb{R}
满足如下性质:

  • 多重线性
  • 斜对称
  • det⁡In=1\det I_n=1

行列展开 70

  • det⁡A=det⁡tA\det A=\det {^tA}

    证明:利用 εσ=εσ−1\varepsilon_\sigma=\varepsilon_{\sigma^{-1}},det⁡A=∑σ∈Snεσa1σ(1)a2σ(2)⋯anσ(n)\det A=\sum\limits_{\sigma\in S_n}\varepsilon_\sigma a_{1\sigma(1)}a_{2\sigma(2)}\cdots a_{n\sigma(n)}

  • 代数余子式:Aij=(−1)i+jMijA_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij},其中 A(ij)A\binom{i}{j} 为从 AA 中划去第 ii 行和第 jj 列所剩下的 (n−1)×(n−1)(n-1)\times(n-1) 矩阵, 而 Mij=∣A(ij)∣M_{ij}=\left|A\binom{i}{j}\right| 称为矩阵 AA 对应于元素 aija_{ij} 的子式。

  • 按行展开:

det⁡A=det⁡(a⃗(1),a⃗(2),…,a⃗(n))=det⁡(∑j=1na1jej⃗,a(2)⃗,…,a(n)⃗)=∑j=1ndet⁡(a1jej⃗,a(2)⃗,…,a(n)⃗)=∑j=1na1jA1j\begin{aligned} \det A=&\det(\vec a_{(1)},\vec a_{(2)},\ldots,\vec a_{(n)})\\ =&\det(\sum\limits_{j=1}^na_{1j}\vec{e_j},\vec{a_{(2)}},\ldots,\vec{a_{(n)}})\\ =&\sum\limits_{j=1}^n\det(a_{1j}\vec{e_j},\vec{a_{(2)}},\ldots,\vec{a_{(n)}})\\ =&\sum\limits_{j=1}^na_{1j}A_{1j} \end{aligned}

det⁡A=det⁡(a⃗(1),a⃗(2),…,a⃗(i),…,a⃗(n))(2≤i≤n)=(−1)i−1det⁡(a(i)⃗,a(2)⃗,…,a(i−1)⃗,a(i+1)⃗,…,a(n)⃗)=(−1)i−1∑j=1n(−1)1+jaijMij=∑j=1n(−1)i+jaijMij=∑j=1naijAij\begin{aligned} \det A=&\det(\vec a_{(1)},\vec a_{(2)},\ldots,\vec a_{(i)},\ldots,\vec a_{(n)})\qquad(2\leq i\leq n)\\ =&(-1)^{i-1}\det(\vec{a_{(i)}},\vec{a_{(2)}},\ldots,\vec{a_{(i-1)}},\vec{a_{(i+1)}},\ldots,\vec{a_{(n)}})\\ =&(-1)^{i-1}\sum\limits_{j=1}^n(-1)^{1+j}a_{ij}M_{ij}\\ =&\sum\limits_{j=1}^n(-1)^{i+j}a_{ij}M_{ij}\\ =&\sum\limits_{j=1}^na_{ij}A_{ij} \end{aligned}

  • 范德蒙行列式

Δ(x1,x2,x3,…,xn)=∣111⋯1x1x2x3⋯xnx12x22x32⋯xn2⋮⋮⋮⋮⋮x1n−1x2n−1x3n−1⋯xnn−1∣=(x2−x1)(x3−x1)⋯(xn−1)Δ(x2,x3,…,xn)(rowi↦rowi−x1×rowi−1)=∏1≤i<j≤n(xj−xi)\begin{aligned} \Delta(x_1,x_2,x_3,\ldots,x_n)=&\left|\begin{array}{c} 1&1&1&\cdots&1\\ x_1&x_2&x_3&\cdots&x_n\\ {x_1}^2&{x_2}^2&{x_3}^2&\cdots&{x_n}^2\\ \vdots&\vdots&\vdots&\vdots&\vdots\\ {x_1}^{n-1}&{x_2}^{n-1}&{x_3}^{n-1}&\cdots&{x_n}^{n-1}\\ \end{array}{}\right|\\ =&(x_2-x_1)(x_3-x_1)\cdots(x_n-1)\Delta(x_2,x_3,\ldots,x_n)\qquad(\mathrm{row}_i\mapsto \mathrm{row_i}-x_1\times\mathrm{row_{i-1}})\\ =&\prod\limits_{1\leq i< j\leq n}(x_j-x_i) \end{aligned}

特性 76

  • det⁡(AC0B)=∣AC0Im∣⋅det⁡B=det⁡A⋅det⁡B\det\begin{pmatrix}A&C\\0&B\end{pmatrix}=\left|\begin{array}{c}A&C\\0&I_m\end{array}\right|\cdot\det B=\det A\cdot\det B

  • det⁡A⋅det⁡B=det⁡AB,det⁡tA=det⁡A\det A\cdot \det B=\det AB,\det{^tA}=\det A

  • 设 1≤r≤min⁡(m,n)1\leq r\leq\min(m, n),对 1≤i1<i2<⋯<ir≤n1\leq i_1<i_2<\cdots<i_r\leq n 和 1≤j1<j2<⋯<jr≤n1\leq j_1<j_2<\cdots<j_r\leq n ,A(i1i2⋯irj1j2⋯jr)A\begin{pmatrix}i_1&i_2&\cdots&i_r\\j_1&j_2&\cdots&j_r\end{pmatrix} 表示 AA 中处于第 i1,i2,…,iri_1,i_2,\ldots,i_r 行和 j1,j2,…,jrj_1,j_2,\ldots,j_r 列交叉处元素构成的 r×rr\times r方阵。

    行列式 A{i1i2⋯irj1j2⋯jr}=∣A(i1i2⋯irj1j2⋯jr)∣A\left\{\begin{matrix}i_1&i_2&\cdots&i_r\\j_1&j_2&\cdots&j_r\end{matrix}\right\}=\left|A\left(\begin{matrix}i_1&i_2&\cdots&i_r\\j_1&j_2&\cdots&j_r\end{matrix}\right)\right| 称为 AA 的一个 rr 阶子式。

  • 矩阵 AA 的秩等于其非零子式的极大阶。

    hint:

    设极大阶非零子式为 M=A{i1i2⋯irj1j2⋯jr}M=A\left\{\begin{matrix}i_1&i_2&\cdots&i_r\\j_1&j_2&\cdots&j_r\end{matrix}\right\}

    ∀i,j\forall i, j 构造行列式

    ∣M~∣=∣aijaij1aij2⋯aijrai1jai1j1aij2⋯aijrai2jai2j1ai2j2⋯ai2jr⋮⋮⋮⋱⋮airjairj1airj2⋯airjr∣|\widetilde M|=\left|\begin{matrix} a_{ij}&a_{ij_1}&a_{ij_2}&\cdots&a_{ij_r}\\ a_{i_1j}&a_{i_1j_1}&a_{ij_2}&\cdots&a_{ij_r}\\ a_{i_2j}&a_{i_2j_1}&a_{i_2j_2}&\cdots&a_{i_2j_r}\\ \vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ a_{i_rj}&a_{i_rj_1}&a_{i_rj_2}&\cdots&a_{i_rj_r}\\ \end{matrix}\right|

    若 i∈{i1,i2,…,ir}i\in\{i_1,i_2,\ldots,i_r\} 或 j∈{j1,j2,…,jr}j\in\{j_1,j_2,\ldots,j_r\} 则 M~\widetilde M 中有两行或两列相同 ⇒∣M~∣=0\Rightarrow |\widetilde{M}|=0

    否则,因为 M~\widetilde{M} 阶大于 rr ,所以 ∣M~∣=0|\widetilde{M}|=0

    然后对 M~\widetilde{M} 按第一列展开。

伴随矩阵 80

  • ∑r=1najrAir\sum\limits_{r=1}^na_{jr}A_{ir} 表示把 ∣A∣|A| 中第 ii 行用第 jj 行替代所得的行列式。

    因此,∑r=1najrAir=0(i≠j)\sum\limits_{r=1}^na_{jr}A_{ir}=0\qquad(i\neq j)

  • 伴随矩阵:

    A∨=(A11A21⋯An1A12A22⋯An2A1nA2n⋯Ann)A^{\vee}=\begin{pmatrix} A_{11}&A_{21}&\cdots&A_{n1}\\ A_{12}&A_{22}&\cdots&A_{n2}\\ A_{1n}&A_{2n}&\cdots&A_{nn}\\ \end{pmatrix}

    注意:行列交换

    于是 {AA∨}ji=∑r=1najiAir={∣A∣j=i0j≠i\{AA^\vee\}_{ji}=\sum\limits_{r=1}^na_{ji}A_{ir}=\left\{\begin{aligned}|&A|\quad &j=i\\&0\quad &j\neq i\end{aligned}\right.

    所以 AA∨=∣A∣⋅InAA^\vee=|A|\cdot I_n

  • 克拉默公式

    对于非退化矩阵 AA,Ax⃗=b⃗A\vec{x}=\vec{b} 有唯一解

    x1=∣A1∣∣A∣,x2=∣A2∣∣A∣,⋯xn=∣An∣∣A∣x_1=\dfrac{|A_1|}{|A|},x_2=\dfrac{|A_2|}{|A|},\cdots x_n=\dfrac{|A_n|}{|A|}

    其中 Ai=∑r=1nbrAriA_i=\sum\limits_{r=1}^n b_rA_{ri}

Laplace 展开 & Binet-Cauchy 公式 83

  • 记 A[i1i2⋯irj1j2⋯jr]A\left[\begin{matrix}i_1&i_2&\cdots&i_r\\j_1&j_2&\cdots&j_r\end{matrix}\right] 为 AA 划去 i1,ir,...,iri_1,i_r,...,i_r 行和 j1,j2,...,jrj_1,j_2,...,j_r 列剩下的 (n−r)×(n−r)(n-r)\times(n-r) 方阵的行列式。

  • (Laplace) 对于 nn 阶方阵 AA 和固定的行指标 1≤i1<i2<⋯<ir≤n1\leq i_1<i_2<\cdots<i_r\leq n

    ∣A∣=∑1≤j1<j2<⋯<jr≤n(−1)∑p=1rip+∑p=1rjpA{i1i2⋯irj1j2⋯jr}A[i1i2⋯irj1j2⋯jr]|A|=\sum\limits_{1\leq j_1<j_2<\cdots<j_r\leq n}(-1)^{\sum\limits_{p=1}^r i_p+\sum\limits_{p=1}^rj_p}A\left\{\begin{matrix}i_1&i_2&\cdots&i_r\\j_1&j_2&\cdots&j_r\end{matrix}\right\}A\left[\begin{matrix}i_1&i_2&\cdots&i_r\\j_1&j_2&\cdots&j_r\end{matrix}\right]

  • (Binet-Cauchy)
    设 m≤n,A=(aij)m×n,B=(bji)n×mm\leq n, A=(a_{ij})_{m\times n},B=(b_{ji})_{n\times m} 则

    ∣AB∣=∑1≤i1<i2<⋯<im≤nA{12⋯mi1i2⋯im}B{i1i2⋯im12⋯m}|AB|=\sum\limits_{1\leq i_1<i_2<\cdots<i_m\leq n}A\left\{\begin{matrix}1&2&\cdots&m\\i_1&i_2&\cdots&i_m\end{matrix}\right\}B\left\{\begin{matrix}i_1&i_2&\cdots&i_m\\1&2&\cdots&m\end{matrix}\right\}

    m=2m=2 时,有 Cauchy 恒等式

    (∑r=1na1rbr1)(∑r=1na2rbr2)−(∑r=1na1rbr2)(∑r=1na2rbr1)=∑1≤r<s≤n(a1ra2s−a1sb2r)(br1bs2−br2bs1)(\sum\limits_{r=1}^na_{1r}b_{r1})(\sum\limits_{r=1}^na_{2r}b_{r2})-(\sum\limits_{r=1}^na_{1r}b_{r2})(\sum\limits_{r=1}^na_{2r}b_{r1})=\sum\limits_{1\leq r<s\leq n}(a_{1r}a_{2s}-a_{1s}b_{2r})(b_{r1}b_{s2}-b_{r2}b_{s1})

群环域

群的基本定义 86

  • 半群:集合 XX 关于运算 ∗:X×X→X*:X\times X\to X 构成一个半群:∀a,b,c∈X\forall a,b,c\in X 结合律 a∗(b∗c)=(a∗b)∗ca*(b*c)=(a*b)*c 成立。

    含单位元的半群称为幺半群。

    每个元素都可逆的幺半群称为群。

    任意两个元素可交换的群称为交换群/阿贝尔群。

    如果存在最小正整数 kk 使得 ak=ea^k=e 则 aa 具有有限阶 kk.

  • 群 GG 的一个非空子集 HH 称为子群,如果 ∀a,b∈H,ab−1∈H\forall a,b\in H, ab^{-1}\in H(充要条件:关于取逆映射和群乘积封闭)

  • 一般线性群 GLn(R)={A∈Mn×n(R)∣det⁡A≠0}GL_n(\mathbb{R})=\{A\in M_{n\times n}(\mathbb{R})|\det A\neq 0\}

    特殊线性群 SLn(R)={A∈Mn×n(R)∣det⁡A=1}SL_n(\mathbb{R})=\{A\in M_{n\times n}(\mathbb{R})|\det A=1\},其元素对应线性变换保持 nR^n\mathbb{R}中平行多面体的体积。

  • 正交群 On(R)={A∈Mn×n(R)∣tA⋅A=In}O_n(\mathbb{R})=\{A\in M_{n\times n}(\mathbb{R})|^tA\cdot A=I_n\} 构成 GLn(R)GL_n(\mathbb R) 的子群。其元素对应线性变换保持nR^n\mathbb R 的欧几里得内积。

    e.g. O2(R)={(cos⁡θsin⁡θ−sin⁡θcos⁡θ),(−cos⁡θ−sin⁡θ−sin⁡θcos⁡θ)∣θ∈R}O_2(\mathbb R)=\left\{\begin{pmatrix}\cos\theta&\sin\theta\\-\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix},\begin{pmatrix}-\cos\theta&-\sin\theta\\-\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}|\theta\in\mathbb R\right\}

    On(R)O_n(\mathbb{R}) 的子群 SOn(R)=On(R)∩SLn(R)SO_n(\mathbb{R})=O_n(\mathbb R)\cap SL_n(\mathbb R) 是 nR^n \mathbb R 中旋转变换全体对应的群。

    dihedral 群:(Φn\Phi_n 是平面上重心在原点且有一条对称轴在 yy 轴上的正 nn 边形)

    D2n={A∈O2(R)∣A(Ψn)=Ψn}={Ri,σRi∣i=0,1,...,n−1},σ2=I2,Rn=I2,σRσ−1=R−1\begin{aligned} D_{2n}=&\left\{A\in O_2(\mathbb R)|A(\Psi_n)=\Psi_n\right\}\\ =&\{R^i,\sigma R^i\mid i=0,1,...,n-1\},\sigma^2=I_2,R^n=I_2,\sigma R\sigma^{-1}=R^{-1} \end{aligned}

    交错群:置换群 SnS_n 中偶置换全体 AnA_n。

    模群 SL2(Z)={(abcd)∣a,b,c,d∈Z,ad−bc=1}=⟨(1101),(0−110)⟩SL_2(\mathbb Z)=\left\{\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}|a,b,c,d\in\mathbb Z, ad-bc=1\right\}=\left\langle\begin{pmatrix}1&1\\0&1\end{pmatrix},\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}\right\rangle

群同态 91

  • 设 HH 为子群

    左陪集 dH={dh∣h∈H}dH=\{dh|h\in H\} 是等价关系 a∼Hb⇔∃h∈H,s.t.a=ha\thicksim_H b\Leftrightarrow\exists h\in H, \mathrm{s.t.} a=h 的等价类。

    G/∼H={aH∣a∈G}G/\thicksim_H=\{aH|a\in G\} 记为 G/HG/H 称为 GG 子群的左商空间。

  • 群阶:元素个数 ∣G∣|G|

  • HH 在 GG 中的指标 [G:H][G:H]:不同陪集的个数 ∣G/H∣|G/H|

  • (Lagrange) 对群 GG 及它的子群 HH 有 ∣G∣=[G:H]⋅∣H∣|G|=[G:H]\cdot |H|

    特别地,一个有限群元素的阶整除群的阶。

  • HH 是 GG 的正规子群,记为 H⊴GH\unlhd G,如果 ∀a∈G,h∈H\forall a\in G,h\in H 有 aha−1∈Haha^{-1}\in H,即 aHa−1∈HaHa^{-1}\in H。等价定义:左右陪集相等。

    可推出 G/HG/H 上有群乘积 aH⋅bH=abHaH\cdot bH=abH。
    单位元:eHeH

    G/HG/H 称为 GG 模 HH 的商群。

    一个交换群的任意子群是正规子群。

  • 群同态 φ:G→G′\varphi:G\to G' 是满足 φ(a⋅b)=φ(a)⋅φ(b)\varphi(a\cdot b)=\varphi(a)\cdot\varphi(b) 的映射。

    ⇒φ(e)=e′,φ(a)−1=φ(a−1),φ(a)φ(b)=φ(ab)\Rightarrow\varphi(e)=e',\varphi(a)^{-1}=\varphi(a^{-1}),\varphi(a)\varphi(b)=\varphi(ab)

    ⇒φ(G)\Rightarrow\varphi(G) 是 G′G' 的子群。

  • 令 ker⁡φ={a∈G∣φ(a)=e′}\ker_\varphi=\{a\in G\mid\varphi(a)=e'\}

    由定义可证得 ker⁡φ\ker_\varphi 是 GG 的正规子群。

    ker⁡φ={e}⇔φ\ker_\varphi=\{e\}\Leftrightarrow\varphi 是单射。

  • 若 φ\varphi 是双射,称 φ\varphi 是从 GG 到 G′G' 的同构,记为 G≅φG′G\overset{\varphi}{\cong} G'

  • 若 φ(G)=G′\varphi(G)=G' 则 φˉ:a(ker⁡φ)↦φ(a)\bar\varphi:a(\ker_\varphi)\mapsto\varphi(a) 是从商群 G/ker⁡φG/\ker_\varphi 到 G′G' 的同构。

    即:G/ker⁡φ≅φˉφ(G)G/\ker_\varphi\overset{\bar\varphi}\cong\varphi(G)

  • 设 H⊴GH\unlhd G,a↦aHa\mapsto aH 是从 GG 到 G/HG/H 的自然同态。

  • 设 GG 是一个有限群,a,b∈Ga,b\in G 是两个不交换的二阶元,则 ⟨a,b⟩≅\langle a,b\rangle\cong 一个 dihedral 群。(proof: 95)

    hint:

    1. n≥3n\geq3 (反证 n≠2n\neq2)

    2. asa=s−1⇒asi=(asa)i=s−i(s=ab)asa=s^{-1}\Rightarrow as^i=(asa)^i=s^{-i}\quad(s=ab)

    3. ⟨a,b⟩=H={arsi∣r=0,1;i=0,1,...,n−1}\langle a,b\rangle=H=\{a^rs^i\mid r=0,1;i=0,1,...,n-1\}

      ∀i,asi≠e⇒∣H∣=2n\forall i,as^i\neq e\Rightarrow|H|=2n

    4. D2n={Ri,σRi∣i=0,1,...,n−1},σ2=I2,Rn=I2,σRσ−1=R−1D_{2n}=\{R^i,\sigma R^i\mid i=0,1,...,n-1\},\sigma^2=I_2,R^n=I_2,\sigma R\sigma^{-1}=R^{-1}

    5. φ:H→D2n:arsi↦σrRi\varphi:H\to D_{2n}:a^rs^i\mapsto\sigma^rR^i

  • 群 GG 到自身的同构称为自同构。

    e.g. 内自同构:Ig(a)=gag−1\mathcal{I}_g(a)=gag^{-1}

    自同构全体 Aut(G)\mathrm{Aut}(G) 关于映射乘积构成一个群,称为自同构群。

  • 设 GG 是有限群,若 GG 有 2 阶自同构 φ\varphi 满足 φ(a)=a⇒a=e\varphi(a)=a\Rightarrow a=e 则 GG 是交换群。

    hint:

    1. 证明 φ(a)a−1=φ(b)b−1⇒a=b\varphi(a)a^{-1}=\varphi(b)b^{-1}\Rightarrow a=b

      于是有 ∣{φ(a)a−1∣a∈G}∣=∣G∣⇒G={φ(a)a−1∣a∈G}|\{\varphi(a)a^{-1}|a\in G\}|=|G|\Rightarrow G=\{\varphi(a)a^{-1}|a\in G\}

    2. g=φ(a)a−1g=\varphi(a)a^{-1} 则 φ(g)=φ(φ(a)a−1)=g−1\varphi(g)=\varphi(\varphi(a)a^{-1})=g^{-1} (利用 2 阶自同构 φ2(a)=a\varphi^2(a)=a)

    3. g1g2=(g2−1g1−1)−1=g2g1g_1g_2=(g_2^{-1}g_1^{-1})^{-1}=g_2g_1

群作用 97

  • 群 GG 在 XX 上的一个作用是 G×X→XG\times X\to X 的一个映射 (g,x)↦g(x)(g,x)\mapsto g(x),满足:

    1. e(x)=xe(x)=x
    2. (g1g2)(x)=g1(g2(x))(g_1g_2)(x)=g_1(g_2(x))

    给定 g∈Gg\in G,定义 XX 上的变换 φ(g)\varphi(g):φ(g)(x)=g(x)\varphi(g)(x)=g(x) 则有:φ(e)=eX,φ(g1g2)=φ(g1)φ(g2)\varphi(e)=e_X,\varphi(g_1g_2)=\varphi(g_1)\varphi(g_2)

    可推出 φ:G→SX\varphi:G\to S_X 是群同态。反之,给定群同态 φ:G→SX\varphi:G\to S_X 映射 (g,x)↦φ(g)(x)(g,x)\mapsto\varphi(g)(x) 给出了 GG 在 XX 上的一个作用。

  • 设 GG 是有限群,n=∣G∣n=|G| 定义左乘变换 Lg(a)=gaa∈GL_g(a)=ga\quad a\in G 则映射 g↦Lgg\mapsto L_g 是 GG 到 SG≅SnS_G\cong S_n 的单同态。

    ⇒\Rightarrow 任意 nn 阶群同构于 SnS_n 的某个子群。(某个:用于构造满射)

  • ∀x∈X,Ox={g(x)∣g∈G}\forall x\in X,\mathcal{O}_x=\{g(x)\mid g\in G\} 是 xx 在 GG 作用下的轨道。称为 xx 的 GG-轨道。

    定义 XX 上一个关系 ∼G:x∼Gy,if ∃g∈G,y=g(x)\sim_G:x\sim_Gy,\text{if }\exists g\in G, y=g(x) 可推出 ∼G\sim_G 是一个等价关系,其等价类为 Ox\mathcal O_x。

    Gx={g∈G∣g(x)=x}G_x=\{g\in G\mid g(x)=x\} 是 xx 的稳定化子,易得其为子群。

    映射 gGx↦g(x)gG_x\mapsto g(x) 给出了商空间 G/GxG/G_x 到 Ox\mathcal O_x 的1-1对应。若 Ox\mathcal O_x 有限,则 ∣Ox∣=[G:Gx]|\mathcal O_x|=[G:G_x]

    GG-轨道集合给出了 XX 的一个不交并。

  • 若 pp 是一个素数,∣G∣=pn,n>0|G|=p^n,n>0 则称 GG 为 pp 群。

  • GG 的中心:C(G)={c∈G∣∀g∈G,cg=gc}\mathscr C(G)=\{c\in G\mid \forall g\in G, cg=gc\}

  • 若 GG 是一个 pp 群,则 pp 整除 ∣C(G)∣|\mathscr C(G)|

    证明:取共轭作用 g(x)=gxg−1,g∈G,x∈Xg(x)=gxg^{-1},\quad g\in G,x\in X 则有

    x∈C(G)⇔Gx=G⇔∣Ox∣=1x\in \mathscr{C}(G)\Leftrightarrow G_x=G\Leftrightarrow |\mathcal O_x|=1 反之 ∣Ox∣=[G:Gx]=prx,rx>0|\mathcal{O}_x|=[G:G_x]=p^{r_x}, r_x>0

    设 {Ox1,Ox2,...,Oxs}\{\mathcal{O}_{x_1},\mathcal{O}_{x_2},...,\mathcal{O}_{x_s}\} 是大于 1 的不同 G-轨道全体,那么

    G=C∪⋃i=1sOxi⇒∣G∣=∣C∣+∑iprxiG=\mathscr{C}\cup\bigcup\limits_{i=1}^s\mathcal{O}_{x_i}\Rightarrow|G|=|\mathscr{C}|+\sum\limits_ip^{r_{x_i}}

    故 pp 整除 C(G)\mathscr{C}(G)

  • 设 n=mprn=mp^r,其中 m,r∈N,gcd⁡(m,p)=1m,r\in \N,\gcd(m,p)=1。设 s∈N,s≤rs\in\N,s\leq r,下面证明 pr−s∣(nps),pr−s+1∤(nps)p^{r-s}|\binom{n}{p^s},p^{r-s+1}\nmid\binom n{p^s}。

    ∀1≤i≤ps−1\forall 1\leq i\leq p^s-1,设 i=jipti(ji∈N,ti<s,gcd⁡(ji,p)=1)i=j_ip^{t_i}\quad (j_i\in\N,t_i<s,\gcd(j_i,p)=1)

    n−i=pti(mpr−ti−ji),ps−i=pti(ps−ti−ji)n-i=p^{t_i}(mp^{r-t_i}-j_i),\quad p^s-i=p^{t_i}(p^{s-t_i}-j_i)

    故

    (nps)=n∏i=1ps−1(n−i)ps∏i=1ps−1(ps−i)=mpr−s∏i=1ps−1(mpr−ti−ji)∏i=1ps−1(ps−ti−ji)\binom{n}{p^s}=\dfrac{n\prod_{i=1}^{p^s-1}(n-i)}{p^s\prod_{i=1}^{p^s-1}(p^s-i)}=mp^{r-s}\dfrac{\prod_{i=1}^{p^s-1}(mp^{r-t_i}-j_i)}{\prod_{i=1}^{p^s-1}(p^{s-t_i}-j_i)}

  • (Sylow I)

    设 GG 是阶为 n=mprn=mp^r 的有限群,其中 m,r∈N,gcd⁡(m,p)=1m,r\in\N,\gcd(m,p)=1 对任意 s∈N,s≤rs\in\N,s\leq r,GG 含有阶为 psp^s 的子群。

    证:令 X={S⊂G∣∣S∣=ps}X=\{S\subset G\mid |S|=p^s\},则 ∣X∣=(nps)|X|=\binom{n}{p^s}

    有 GG 在 XX 上的作用 g(s)={ga∣g∈S}g(s)=\{ga\mid g\in S\},故 X=⋃i=1kOSiX=\bigcup_{i=1}^k\mathcal{O}_{S_i} 是 G-轨道的不交并。

    (nps)=∣X∣=∑i=1k[G:GSi]\binom n{p^s}=|X|=\sum\limits_{i=1}^k[G:G_{S_i}]

    由上述定理 ∃i≤k,pr−s+1∤[G:GSi]\exist i\leq k,p^{r-s+1}\nmid[G:G_{S_{i}}] 故 [G:GSi][G:G_{S_i}] 中含 pp 的幂次不超过 r−sr-s 又 mpr=∣G∣=[G:GSi]⋅∣GSi∣mp^r=|G|=[G:G_{S_i}]\cdot|G_{S_i}| 所以 ps∣∣GSi∣p^s\mid |G_{S_i}|。

    取定 a∈Sia\in S_i 则 ∀g∈GSi,g(Si)=Si⇒ga∈Si\forall g\in G_{S_i},g(S_i)=S_i\Rightarrow ga\in S_i

    所以 ps≤∣GSi∣=∣GSi(a)∣≤∣Si∣=psp^s\leq |G_{S_i}|=|G_{S_i}(a)|\leq |S_i|=p^s

    所以 GsiG_{s_i} 是阶为 psp^s 的子群

    特别地,prp^r 阶子群称为 Sylow p 子群。

  • (Cauchy) 如果 p∈primep\in\mathrm{prime} 整除 ∣G∣|G|,则 GG 含阶为 pp 的元素。(在 Sylow I 中取 s=1s=1)

  • (Sylow II) 设 ∣G∣=n=mpr,gcd⁡(m,p)=1|G|=n=mp^r,\gcd(m,p)=1,PP 是 GG 的一个 Sylow p子群,HH 是 GG 的 psp^s 阶子群,则 ∃p∈G,gHg−1⊂P\exist p\in G, gHg^{-1}\subset P 特别地,s=rs=r 时 gHg−1=PgHg^{-1}=P 即 任意两个 Sylow p子群共轭。

    证: 在商空间 G/PG/P 上有群 HH 的作用:h(aP)=(ha)P(a∈G,h∈H)h(aP)=(ha)P\quad(a\in G,h\in H)

    G/P=⋃iOaiPG/P=\bigcup_{i}\mathcal O_{a_iP} 是 H-轨道的不交并。∣OaiP∣=[H:HaiP]=psi|\mathcal{O}_{a_iP}|=[H:H_{a_iP}]=p^{s_i}

    m=∣G/P∣=∑i∣OaiP∣=∑ipsim=|G/P|=\sum\limits_i|\mathcal{O}_{a_iP}|=\sum\limits_ip^{s_i}

    gcd⁡(m,p)=1\gcd(m,p)=1 故 ∃i0,s.t. si0=0⇒Hai0P=H\exists i_0,\text{s.t. }s_{i_0}=0\Rightarrow H_{a_{i_0}P}=H

    令 g=ai0−1g=a_{i_0}^{-1} 则。∀h∈H,∃b∈P,s.t. hai0=ai0b\forall h\in H, \exist b\in P, \text{s.t. } ha_{i_0}=a_{i_0}b (proof. ∀h∈H,haiP=aiP⇒hai0e=ai0b\forall h\in H, ha_iP=a_iP\Rightarrow ha_{i_0}e=a_{i_0}b) ⇔ai0−1hai0=b⇔ghg−1=b∈P\Leftrightarrow a_{i_0}^{-1}ha_{i_0}=b\Leftrightarrow ghg^{-1}=b\in P

    所以 gHg−1⊂PgHg^{-1}\subset P

  • (Sylow III) 设 ∣G∣=n=mpr,gcd⁡(m,p)=1|G|=n=mp^r,\gcd(m,p)=1,PP 为 GG 的一个 Sylow p子群,记 kk 为 GG 中 SylowpSylow p 子群的个数。则 k∣m,p∣(k−1)k|m,p|(k-1) 特别地 k=1⇔k=1\Leftrightarrow P 是正规子群。

    记 XX 为 GG 中 Sylow p子群集合,GG 在 XX 上的共轭作用:g(P1)=gP1g−1∈Xg(P_1)=gP_1g^{-1}\in X . 有上文定理 XX 只有一个 G-轨道,所以 PP 是正规子群的充要条件是 k=1k=1

    X=G(P)⇒k=∣X∣=OP=[G:GP]X=G(P)\Rightarrow k=|X|=\mathcal{O}_P=[G:G_P]

    P⊂GPP\subset G_P 是 GPG_P 的子群,m=[G:P]=[G:GP][GP:P]m=[G:P]=[G:G_P][G_P:P] 所以 k∣mk|m

    若对于某个 P1∈XP_1\in X,其 P-轨道只有一个元素(∀b∈P,bP1b−1=P1\forall b\in P, bP_1b^{-1}=P_1)。

    根据 Sylow 第二定理,∃g∈G,s.t. P1=gPg−1\exists g \in G, \text{s.t. } P_1=gPg^{-1} 代入上式 ⇒∀b∈P,bgPg−1b−1=gPg−1⇔(g−1bg)P(g−1bg)−1=P\Rightarrow \forall b\in P, bgPg^{-1}b^{-1}=gPg^{-1}\Leftrightarrow (g^{-1}bg)P(g^{-1}bg)^{-1}=P

    故 ∀b∈P,g−1bg∈GP⇒g−1Pg∈GP\forall b\in P, g^{-1}bg\in G_P\Rightarrow g^{-1}Pg\in G_P

    因此,PP 和 g−1Pgg^{-1}Pg 都是 GPG_P 的 Sylow p 子群(注意此处 gg 非任意),根据 Sylow 第二定理,∃g1∈GP,s.t. g−1Pg=g1Pg1−1\exists g_1\in G_P, \text{s.t. }g^{-1}Pg=g_1Pg_1^{-1}

    又由稳定化子定义,g1Pg1−1=Pg_1Pg_1^{-1}=P。由假设 g−1Pg=P⇒P=gPg−1=P1g^{-1}Pg=P\Rightarrow P=gPg^{-1}=P_1。

有限群的结构* 101

  • 直积:在 G×G′G\times G' 上定义乘积

    (a,a′)⋅(b,b′)=(a⋅b,a′⋅b′)a,b∈G,a′b′∈G′(a,a')\cdot(b,b')=(a\cdot b,a'\cdot b')\quad a,b\in G,a'b'\in G'

    则 (G×G′,⋅,(e,e′))(G\times G',\cdot,(e,e')) 构成群 (G,⋅,e)(G,\cdot,e) 和 (G′,⋅,e′)(G',\cdot,e') 的直积。

  • 设 p∈primep\in\mathrm{prime}, GG 为 p2p^2 群,则 G≅Zp2G\cong \Z_{p^2} 或 Zp×Zp\Z_p\times\Z_p

  • 给定群 HH KK 和群同态 φ:H→Aut K\varphi:H\to \text{Aut }K 在 K×HK\times H 上定义运算

    (a1,b1)⋅(a2,b2)=(a1⋅φ(b1)(a2),b1⋅b2)a1,a2∈K,b1,b2∈H(a_1,b_1)\cdot(a_2,b_2)=(a_1\cdot \varphi(b_1)(a_2),b_1\cdot b_2)\quad a_1,a_2\in K,b_1,b_2\in H

    则 K×HK\times H 关于上述运算构成群,称为半直积 K⋊HK\rtimes H,单位元 (e1,e2)(e_1,e_2) 逆元 (φ(b1−1)(a1−1))⋅(a1,b1)(\varphi(b_1^{-1})(a_1^{-1}))\cdot(a_1,b_1)

    若 K 和 H 都是交换群,则 K⋊HK\rtimes H 是交换群的充要条件是 φ(H)={eK}\varphi(H)=\{e_K\} (hint:考虑 (e1,b)(a,e2)(e1,b)−1(e_1,b)(a,e_2)(e_1,b)^{-1})

环和域 108

多项式

单变元多项式环 113

因式分解 118

对于线性映射 φ:nR→mR\varphi :{^n\R}\to {^m\R} 存在线性映射 ψ:mR→nR\psi:{^m\R}\to{^n\R} 使得 φ∘ψ∘φ=φ\varphi\circ\psi\circ\varphi=\varphi 以及 ψ∘φ∘ψ=ψ\psi\circ\varphi\circ\psi=\psi

多项式的根

结式

设 f(x)=anxn+an−1xn−1+⋯+a0,g(x)=bmxm+bm−1xm−1+⋯+b0f(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_0,\quad g(x)=b_mx^m+b_{m-1}x^{m-1}+\cdots+b_0

则 gcd⁡(f(x),g(x))≠1⇔∃h1(x),h2(x)∈F[x],s.t. h1(x)f(x)+h2(x)g(x)=0,deg⁡h1(x)<m,deg⁡h2(x)<n\gcd(f(x),g(x))\ne 1\Leftrightarrow \exists h_1(x),h_2(x)\in \mathbb F[x],\text{s.t. }h_1(x)f(x)+h_2(x)g(x)=0,\deg h_1(x)<m,\deg h_2(x)<n

证明:充分性显然。必要性:若右式成立且 gcd⁡=1\gcd = 1 则 f(x)∣−h2(x)g(x)f(x) \mid -h_2(x)g(x),又 gcd⁡(f(x),g(x))=1\gcd(f(x),g(x))=1 则 f(x)∣h2(x)f(x)\mid h_2(x),与次数假设矛盾。

下面求出 h1,h2h_1,h_2。

设 h1(x)=cm−1xm−1+cm−2xm−2+⋯+c0,h2(x)=dn−1xn−1+cn−2xn−2+⋯+d0h_1(x)=c_{m-1}x^{m-1}+c_{m-2}x^{m-2}+\cdots+c_0,h_2(x)=d_{n-1}x^{n-1}+c_{n-2}x^{n-2}+\cdots+d_0

代入方程 h1(x)f(x)+h2(x)g(x)=0h_1(x)f(x)+h_2(x)g(x)=0 得到关于 ci,dic_i,d_i 的方程组

系数行列式为

R(f,g)=∣anbman−1anbm−1bm∣R(f,g)= \left|\begin{matrix} a_n& & & &b_m & & &\\ a_{n-1}&a_n&&&b_{m-1}&b_m \end{matrix}\right|