n - Anat Etzion
Transcription
n - Anat Etzion
אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע מבוא שמות לקבוצות מוכרות: = המספרים הטבעיים. = המספרים השלמים. = המספרים הרציונאליים. = המספרים הממשיים. = המספרים המרוכבים. , Aקבוצת מספרים ממשיים ,אז = A :המספרים האי-שליליים ב. A - = Aהמספרים האי-חיוביים ב. A - הערה , , :הם שדות. אינדוקציה: כדי להוכיח טענה עבור מספרים טבעיים יש: א .להוכיחה עבור . n 1 ב .מתוך נכונות ל , k -להוכיח ל. k 1 - א .להוכיחה עבור . n 1 ב .מתוך נכונות לכל , n kלהוכיח נכונות ל. n - אם א+ב מתקיימים ,הטענה נכונה לכל nטבעי. עיקרון הסדר הטוב :בכל תת קבוצה לא ריקה של המספרים הטבעיים יש איבר קטן ביותר. תכונות של מספרים שלמים: משפט פירוק יחיד לשארית :לכל שני מספרים b aקיימים q, rיחידים כך שa bq r : ) .( 0 r a צירוף שלם :יהיו . a, b המספר a bנקרא צירוף שלם של aו b -כאשר המקדמים שלמים. c | a q1 : a cq1 משפט :לכל b, a Nמתקיים: c | b q2 : b cq2 a b cq1 cq2 c( q1 q2 ) c | a b תוצאות מיידיות: לכל a מתקיים.1| a : לכל a 0מתקיים. a | 0 : a 1 a |1 a | b b | c a | b a b b | a אם a | bוגם a | cאז a | b c :עבור כל ., ) a | c טרנזיטיביות(. 1 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע מספרים ראשוניים :מספר ראשוני pהוא מספר גדול מ ,1-המתחלק רק ב. p, 1 - משפט פירוק של מספרים טבעיים :יהא nטבעי גדול מ .1-אז n p11 p2 2 pk k :כאשר p1 , p2 , , pkמספרים ראשוניים שונים .אז הפירוק הוא חד-ערכי. קבוצת השארית מודולו :nהקבוצה }. Z n {0,1, 2, , n 1 טענה :הקבוצה Z pהינה שדה אם"ם pראשוני. המחלק המשותף המקסימאלי ) :(gcdיהיו . a, b אז הממג"ב )מחלק משותף גדול ביותר( שלהם יסומן a, b gcd a, b d :וגם מתקיים: .d 0 d | aוגם . d | b אם c וגם c | a, c | bאז. c | d : דגש d :הוא תמיד מספר חיובי. ביטוי ע"י פירוק לראשוניים. a, b p1min{i1 , j1 } p2 min{i2 , j2 } pk min{ik , jk } : הערה a, b :אם a, b 1אז a, bהם מספרים זרים. טענה a, b :זרים אם"ם קיימים מספרים x, yכך שמתקיים. ax by 1 : האלגוריתם של אוקלידס: יהיו a, b r1 a r2 r1 ונניח בה"כ ש . 0 a b :אז r3 r2 : b aq1 r1 a r1q2 r2 r1 r2 q3 r3 rk 2 rk 1 qk rk 0 האלגוריתם מסתיים כאשר מקבלים שארית אפס. טענה rk 1 :הוא המחלק המשותף המקסימאלי. משפט :אם d a, b אז קיימים , כך ש. d a b : הכפולה המשותפת הקטנה ביותר ) :(lcmיהיו . a, b אז הכמק"ב שלהם יסומן [a, b] c :וגם: .c 0 . a | c, b | c אם קיים e כך ש a | e, b | eאז. c | e : ביטוי ע"י פירוק לראשוניים. a, b p1max{i1 , j1 } p2 max{i2 , j2 } pk max{ik , jk } : 2 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע יחס שקילות: יחס שקילות בקבוצה Aהוא "קשר" בין חלק מאברי הקבוצה ,סימון . R, :כך שמתקיים: יחס רפלקסיבי R :נקרא יחס רפלקסיבי אם"ם a ) a A : a R a :קשור לעצמו(. יחס סימטרי R :נקרא יחס סימטרי אם"ם. a R b b R a : יחס טרנזיטיבי R :נקרא יחס טרנזיטיבי אם"ם. a R b b R c a R c : דוגמא :תהי . A Zנגדיר יחס על , a b kn n | a b a b mod n : Z כלומר :ההפרש בין aל b -מתחלק ל. n - קונגרואנציה n , a, b :טבעי .נסמן את השארית של חלוקת aב n -כך. a mod n , a n : אומרים ש a -קונגרואנטי ל b -מודולו nומסמנים. a b mod n n | a b : משפט :אם a b mod n ו c d mod n -אז: א. a c b d mod n . ב. a c b d mod n . ג. . t , at b t mod n ד. . , a b mod n מחלקת שקילות: יהי Rיחס שקילות על קבוצה Aויהי . a Aנסמן - [a] {x A | aRx} :מחלקת השקילות של ) aוזוהי קבוצת כל האיברים שהם ביחס שקילות עם .( a טענה) a [a ] :כי יחס שקילות הוא רפלקסיבי(. משפט :יהי Rיחס שקילות על קבוצה . A .1לכל a, b Aמתקיים [a] [b] :או . [a] [b] } .2איחוד כל מחלקות השקילות הזרות{ = . A הופכי מודולו :nיהי . a ל a -יש הופכי מודולו nאם קיים aכך ש. a a 1 mod n - סימון. a a 1 : דוגמא :ההופכי של 7מודולו 12-הוא. 7 a 1 1 mod 12 a 1 7 : משפט :ל a -יש הופכי מודולו nאם"ם) a, n 1 :הם מספרים זרים(. מציאת המספר ההופכי :נמצא את הצירוף השלם של aו n -שנותן .1-המקדם של aבצירוף הוא . a 1 מספר נגדי :מספר נגדי של aהוא מספר bהמקיים. a b 0 : ב Z n -הנגדי של aהוא n a :כי. a n a n 0 : 3 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע טענה :ב Z n -יש בדיוק nמחלקות שקילות שונות. a c a c נגדיר ב Z n -שתי פעולות: a c a c החיבור והכפל ב Z n -נעשים מודולו . n החיבור והכפל אינם תלויים בבחירת הנציגים. תכונות ב:Zn- קומוטטיביות בכפל ובחיבור. אסוציאטיביות בכפל ובחיבור. איבר אדיש חיבורי ב. 0 - Z n - איבר אדיש כפלי ב. 1 - Z n - איבר נגדי :הנגדי למחלקה iהוא . n i איבר הופכי בכפל לא תמיד קיים לכל איבר .קיים רק כאשר Z pו p -ראשוני. מסקנה :ב Z n -יש הופכי לאיבר iאם"ם . i, n 1 x a mod n טענה :אם x, n 1 אזי גם . a, n 1 4 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע חבורות הגדרת חבורה :תהי G ותהי * פעולה בינארית המוגדרת על אברי G . Gנקראת חבורה ביחס לפעולה * אם: .1ב G -יש סגירות לפעולה * a, b G :אז. a * b G : .2הפעולה אסוציאטיבית a, b, c G :אז. a * b * c a * b * c : .3קיים ב G -איבר "אדיש" לפעולה )איבר יחידה( המסומן ע"י eהמקיים: . a G : a * e e * a a .4לכל a Gיש הופכי a 1 Gכך ש. a 1 * a a * a 1 e : הערה :בד"כ . a * b b * a חבורה אבלית :אם a * b b * aלכל . a, b Gנקראת גם חבורה קומוטטיבית. דוגמאות חשובות לחבורות : לכל שדה F , , (, , ) Fהיא חבורה אבלית. x 1 x , e 0 . 1 } F * , , F * F \ {0היא חבורה אבלית, e 1 . x . x 1 הערה :הסגירות לא נפגעה כי לא תיתכן מכפלת מספרים שונים מ 0-שתהיה .0 לכל מרחב וקטורי V , , Vהיא חבורה אבלית. , היא חבורה אבלית. x 1 x , e 0 . , איננה חבורה )אבל כן אבלית( .אין הופכי לאף איבר פרט ל . 1 = nZהכפולות של . {0, n, 2n,...} = nחבורה אבלית לגבי .+ } A, , A {x || x | 1היא חבורת שורשי היחידה )מספרים מרוכבים על מעגל ברדיוס 1 מהראשית(. } B { f : F F | f is a functionונגדיר: g x f x g x f . f x , g x B :אז B, :זו חבורה, e f x 0 . . f 1 x f x Z nהיא חבורה ביחס לחיבור מחלקות )מודולו . x 1 n x , e 0 .( n } U n . U n {a Z n | a, n 1היא חבורה אבלית ביחס לכפל מחלקות )מודולו .( n קיום הופכי נובע מהמשפט a, n 1 :ל a -יש הופכי מודולו . n חבורת ה 4-של קליין. a b b a , a 2 b 2 e . {e, a, b, a b} : - F m ,nאוסף המטריצות מסדר m nמעל F m ,n . Fחבורה אבלית ביחס לחיבור מטריצות. חבורות לא קומוטטיביות: - GL n, F אוסף המטריצות הממשיות ההפיכות מסדר . n nזו חבורה ביחס לכפל מטריצות. - SL n, F כל המטריצות מסדר n nעם דטרמיננטה שווה ל .1-חבורה לגבי כפל מטריצות. 5 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע תכונות בסיסיות בחבורה: תהי Gחבורה ביחס לפעולה * אז: .1האדיש הוא יחיד. .2לכל איבר יש הופכי יחיד. .3חוקי צמצום) b c a * b a * c :צמצום משמאל(. ) a b a * c b * cצמצום מימין(. הערה :אם a * b b * cזה לא גורר . a c x a1 * b .4למשוואות: y b * a 1 1 a a * x b יש פיתרון יחיד. 1 a y * a b חבורה סופית G :חבורה סופית אם מספר האיברים ב G -הוא סופי .הסדר של חבורה סופית הוא מספר האיברים בה. דוגמאות , | Z n | n, | S n | n ! :פונקציית אויילר. | U n | n - חזקותa 2 a * a, , a k a k 1 * a : . a 0 e, a1 a, תכונות: . a m * a n a m n a mn a m n . a 1 1 a m 1 m a b 1 * a 1 . a 1 1 a * b n n n ) .( a * b a * b משפט :בטבלת כפל של חבורה סופית ,מופיעים כל איברי החבורה פעם אחת בדיוק. משפט :קבוצה Gעם סגירות ואסוציאטיביות תהיה חבורה אם יתקיימו: .1קיים e Gכך ש .2 . a G , ae a :לכל , a Gקיים b Gכך ש. ab e : תמורות: - S Aהחבורה הסימטרית על . Aאברי החבורה הן הפונקציות החח"ע ועל מ A -על Aוהפעולה היא הרכבת פונקציות .הערה :אם } A {1, 2,3, , nאז מסמנים. S A S n : S nהיא חבורה לא אבלית ביחס להרכבת פרמוטציות. i i . טענות לגבי הרכבת פונקציות: - אם f , gהן חח"ע ועל אז גם f gהיא חח"ע ועל. - אסוציאטיביות. f g h f g h : - - Iפונקצית הזהות, x I f x f x , f I x f I x f x .I f לכל fחח"ע ועל יש f 1ועל כך ש. f f 1 f 1 f I : 6 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע תת-חבורה: תהי Gחבורה ביחס לפעולה * .תהי H תת-קבוצה של H . Gנקראת תת-חבורה של G אם Hהיא חבורה ביחס לפעולה * .סימון. H G : טענה :1-תהי Gחבורה ביחס לפעולה * H .היא תת-חבורה אם: H .1 .2ב H -יש סגירות לפעולה . a * b H a, b H .3ב H -יש סגירות להופכי . a 1 H a H טענה :2-תהי Gחבורה ביחס לפעולה * H G .היא תת-חבורה אם: .1 ) e Hנובע מכך ש.( H - .2 Hסגורה ל" חילוק" ) a * b 1 H a, b Hכולל בתוכו סגירות להופכי וקיום אדיש(. תת-חבורה טריוויאלית G :ו. {e} - דוגמא :ת"ח של . n {nx : x } : , ואלו הת"ח היחידות של . טענות חשובות: o חיתוך של תת חבורות של Gהוא גם תת-חבורה של . G o אם Hתת-חבורה של Gולוקחים איבר g Gאזי גם g 1 Hgתת חבורה של . G משפט :תהי Gחבורה סופית .אז לכל a Gקיים k כך ש. a 1 a k - הערה :ולכן כדי שתת-קבוצה H תהיה ת"ח של , Gמספיק לבדוק סגירות לפעולה ואין צורך לבדוק סגירות להופכי. חבורות ציקליות: הגדרה :תהי Gחבורה יהי , a Gנגדיר . a {a s : s } :כאשר Gסופית ,ניתן להשמיט חזקות שליליות} : o a 1 . a {e, a, a 2 , , a טענה a :היא ת"ח של , Gוהיא הת"ח המינימאלית המכילה את , aכלומר :כל ת"ח המכילה את aמכילה גם את . a a נקראת הת"ח הנוצרת ע"י . a דוגמאות: ) 1 1 : , כל מספר ב -ניתן ליצור ע"י חיבור של 1או של .(-1 היא חבורה ציקלית אינסופית הנוצרת מ 1-או מ.-1 nהיא ת"ח ציקלית אינסופית הנוצרת ע"י . n - H {z C * : z n 1} : , קבוצת שורשי היחידה מסדר . n 2 i sin n 2 n - H , cos ת"ח ציקלית מסדר .( { , 2 , 3 , , n } ) n } U10 . U10 {1,3,7, 9היא חבורה ציקלית הנוצרת ע"י 3וגם נוצרת ע"י .7 7 71 7, 7 2 9, 7 3 3, 7 4 1 3 31 3, 32 9, 33 7, 34 1 7 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע משפט :תהי Gחבורה ציקלית ,אז כל ת"ח של Gהיא גם ציקלית. משפט :תהי Gחבורה ציקלית מסדר . n -אז לכל m | n :יש ת"ח ציקלית מסדר ) mוהיא יחידה(. יצירת ת"ח מסדר n, nn nnm m : m m m n o aוהיא נוצרת ע"י : m n . a טענה :חבורה ציקלית היא חבורה אבלית. טענה :אם G g חבורה ציקלית מסדר , nאזי g iיוצר את Gאם"ם . i, n 1 סדר של איבר :בחבורה סופית לכל איבר aקיים mטבעי כך שמתקיים . a m e :הm - המינימאלי עבורו מתקיים a m eנקרא :הסדר של aוהסימון הוא. o a : דוגמא. o 1 1, o 3 4, o 7 4, o 9 2 , U10 {1,3,7, 9} : הערות: o a 1אם"ם. a e : |) o a | a הסדר של aהוא מספר החזקות השונות של aעד שמגיעים שוב ל.( e - אם | o a | Gאז Gציקלית ו a -יוצר אותה. טענה :אם a m eאז. o a | m : טענה , | G | n :אם o a nאז nn, k : מסקנה o a o a :אם"ם. n, k 1 : . o ak k פונקציית אויילר , n | U n | :כלומר n סופרת את מספר האיברים ב zn -הזרים ל. n - תכונות: .1 Pראשוני . n P 1 .2 Pראשוני . P P 1 P 1 P P 1 . ab a b a, b 1 .3 טענה :מספר היוצרים של חבורה ציקלית מסדר nהוא. n : 8 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע משפט לגרנז' לגרנז: משפט לגרנז' :תהי Gחבורה סופית ותהי . H Gאזי) | H | | G | :מספר האיברים ב H -מחלק את מספר האיברים ב.( G - הערה :למעשה. | G || H | [G : H ] - טענה :כל חבורה מסדר ראשוני היא ציקלית וכל איבר מהחבורה השונה מ e -הוא יוצר שלה. מסקנה G :חבורה סופית , a G ,אזי. o a | G | : קוסטים: הגדרה G :חבורה ו H -תת-חבורה של . Gלכל a Gנגדיר: קוסט ימני )מחלקה ימנית( של Hב. Ha {ha : h H } : G - קוסט שמאלי )מחלקה שמאלית( של Hב. aH {ah : h H } : G - הערה :אם החבורה אבלית ,קוסטים ימניים וקוסטים שמאליים הם זהים. דוגמא) H 2 5 2 {5m 2, m } , a 2 , H 5 , G , :זו לא ת"ח(. הגדרה :מספר הקוסטים הימניים של תת-חבורה Hבחבורה Gיסומן ב [G : H ] :וייקרא: האינדקס של Hב.G- טענה. | H || Ha | : משפט :תהי Gחבורה ו H -תת-חבורה של . Gנגדיר יחס בין אברי Gבצורה הבאה: . a b ab 1 Hיחס זה הוא יחס שקילות ומתקיים כי מחלקת השקילות של aהיא . Ha מסקנות: Ha Hאם"ם . a H Ha Hbאם"ם . ab 1 H Ha Hb אם"ם . Ha Hb Gשווה לאיחוד הקוסטים הימניים הזרים. משפט G :חבורה סופית a G ,אז. a|G| e : מסקנה G :חבורה סופית a G ,ונניח ש n -כך ש a n e :אז. o a | n : המשפט הקטן של פרמה :אם pראשוני ו a -אזי. a p a mod p p | a p a : משפט אויילר :יהא nמספר טבעי , a ,כך ש , a, n 1אזי a n 1 mod n ) - n פונקצית אויילר(. 9 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע דוגמא . U15 {1, 2, 4, 7,8,11,13,14} | U15 | 15 8 :נגדיר H {1, 4, 7,13} :אז: | U15 | 8 . o 7 4 H 7 ולפי המשפט 2 [U15 : H ] : |H | 4 כלומר :יש רק 2קוסטים } H H 1 H 4 H 7 H 13 {1, 4,7,13 שונים: } {2,8,11,14 H 2 H 8 H 11 H 14 הצמדת איברים :תהי Gחבורה a, b . a, b G ,נקראים צמודים אם קיים x Gבחבורה כך ש- ) x 1ax bזוהי מעין הכללה של דמיון מטריצות(. הערה :יחס הצמידות הוא יחס שקילות ולמחלקות השקילות קוראים :מחלקות צמידות. משפט G :חבורה סופית , a G ,אז מספר האיברים הצמודים ל a -הוא מספר הקוסטים הימניים הזרים של aב , G -כלומר. [G : CG a ] : תת-חבורה נורמאלית: הגדרה :תהי Gחבורה ו N -תת-חבורה .אם לכל g Gולכל n Nמתקייםg 1ng N : )סגירות להצמדה( אזי N :נקראת תת-חבורה נורמאלית .סימון. N G : הערה :לכל חבורה יש שתי תתי-חבורות נורמאליות טריוויאליות G :כולה ו. {e} - משפט :תהי Gחבורה ,אז 3הטענות הבאות הן שקולות: .1 .N G .2 . g G , g 1 Ng N .3 . g G , Ng gN טענה :אם H Gו [G : H ] 2 -אז) H G :ת"ח נורמאלית(. טענה :אם Gחבורה קומוטטיבית ,אז כל תת חבורה שלה היא נורמאלית. הערה :אם Gקומוטטיבית ו H -תת-חבורה כלשהי h H , g G ,אז g 1hg hg 1 g h :וזה שייך ל H -כלומר :כל צמוד של איברי Hהוא ב H -ולכן. H G : הרכז :הרכז של a Gמוגדר כ) CG a {x G : xa ax} -כל האיברים שמתחלפים עם .( a זו תת-חבורה של . G המרכז :מוגדר כ , z G {x G : xg gx, g G} -הוא תת חבורה נורמאלית של . G 10 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע חבורת הפרמוטציות )התמורות( הגדרות בסיסיות: מעגל :תמורה שמסומנת i1 , i2 , , ik S nכאשר) i i 1 :באופן מעגלי( ואם } j {i1 , i2 , , ikאז. j j : 1 2 3 4 5 6 7 דוגמא 1, 4, 2, 6 S 7 :אז הפרמוטציה היא 4 6 3 2 5 1 7 : מעגלים זרים :מעגלים שאין להם אף איבר משותף. טענות חשובות: כל Snאפשר לרשום כמכפלה של מעגלים זרים. מעגלים זרים הם מתחלפים )קומוטטיביים( , S n ) .זרים אז .( משפט :הסדר של מעגל באורך , kהוא ) kחזקה קטנה יותר לא תביא לתמורת הזהות(. דוגמא 3 1, 6, 2, 4 4 1 4 2 6 e : 1, 4, 6, 2 2 1, 2 4, 6 משפט :תהא תמורה שהיא מכפלה של מעגלים זרים שאורכיהם , k1 , k2 , , k sאזי הסדר של הוא הכפולה המשותפת הקטנה ביותר של ) k1 , k2 , , k sה.( lcm - הופכי של מעגל. i1 , i2 , , ik 1 , ik , 1 ik , ik 1 , , i2 , i1 : הופכי של תמורה :שהיא מכפלה של מעגלים זרים: 1 j1 ,, jk 1 i1 , , ik j1 , , jk i1 , , ik כי מעגלים זרים הם מתחלפים. תמורות זוגיות ואי-זוגיות: טרנספוזיציה :מעגל באורך .2 2 טענה :לכל טרנספוזיציה ) e , בגלל שהסדר הוא 2-והעלאה בסדר מביאה ל.( e - משפט :כל תמורה ניתנת לכתיבה כמכפלה של טרנספוזיציות: ) i1 , i2 , , ik i1 , i2 i1 , i3 i1 , ik מעגל באורך kניתן לרשום כ k-1 :טרנספוזיציות(. משפט :ניקח Snתמורה .אם נרשום את כל האופנים של הצגת כמכפלת טרנספוזיציות ,אז מספר הטרנספוזיציות יהיה או זוגי בכולן או אי-זוגי בכולן. תמורה זוגית :תמורה שניתן לרשום אותה כמכפלה של מספר זוגי של טרנספוזיציות. תמורה אי-זוגית :תמורה שניתן לרשום אותה כמכפלה של מספר אי-זוגי של טרנספוזיציות. הגדרה נוספת:תמורה שמספר הזוגות i jכך ש i j :הוא מספר זוגי. מסקנה :מעגל הוא תמורה זוגית אם"ם אורכו אי-זוגי. טענות: - תמורה זוגית כפול תמורה זוגית הינה תמורה זוגית. - תמורה אי-זוגית כפול תמורה אי-זוגית הינה תמורה זוגית. - תמורה זוגית כפול תמורה אי-זוגית הינה תמורה אי-זוגית. 11 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע :Anאוסף כל התמורות הזוגיות ב. S n - !n טענה An Sn :ו- 2 ) | An |חצי מהתמורות הן זוגיות(. הערה :זו ת"ח נורמאלית בגלל ש . [S n : An ] 2 הצמדה של מעגל :הצמדת המעגל i1 , i2 , , ik ע"י Snתמורה כלשהי: . i1 , i2 , , ik 1 i1 , i2 , , ik מכפלה של מעגלים: i1 , i2 , , ik j1 , j2 , , jk 1 i1 , i2 , , ik j1 , j2 , , jk מסקנה :1-הצמדה של תמורה שומרת על מבנה המעגלים שלה. מסקנה :2-תהי , N Snאם Nמכילה טרנספוזיציה כלשהי אז Nמכילה את כל הטרנספוזיציות )בגלל הסגירות להצמדה בת"ח נורמאלית( ולכן . S n N 12 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע הומומורפיזם של חבורות הגדרה :יהיו G1 , G2חבורות e1 .הוא האיבר הניטראלי של e2 , G1הוא האיבר הניטראלי של . G2 פונקציה : G1 G2נקראת הומומורפיזם אם ab a b :לכל . a, b G1 in G2 in G1 גרעין. Ker G1 . Ker {a G1 : a e2 } : תמונה. Im { a : a G1} : . Im G2 הומומורפיזם טריוויאליים : הומומורפיזם הזהות. I G a a , I G : G G : הומומורפיזם הטריוויאלי) a e2 , : G1 G2 :שולח את כל האיברים ל.( e2 - איזומורפיזם :הומומורפיזם שהוא חח"ע ועל. G1ו G2 -נקראות איזומורפיות אם קיים איזומורפיזם ביניהן .סימון. G1 G2 : מונומורפיזם :הומומורפיזם חח"ע. אפימורפיזם :הומומורפיזם על. משפט :תהי : G1 G2הומומורפיזם e1 , e2 .איברים ניטראלים בהתאמה .אז: . e1 e2 לכל a 1 a , a G1 Ker היא תת-חבורה נורמאלית של . G1 Im היא תת-חבורה של . G2 חח"ע אם"ם) Ker {e1} :הגרעין מכיל רק את האיבר הניטראלי(. על אם"ם . Im G2 לכל . x 1 ker x ker , x G1 לכל . ker x { y G | y x } , x G1 1 טענה :יהי : G1 G2הומומורפיזם על ,אזי :אם G1קומוטטיבית ,אזי גם G2קומוטטיבית ואם G1ציקלית אזי גם G2ציקלית. משפט :כל חבורה ציקלית אינסופית היא איזומורפית ל -לגבי חיבור. משפט :כל חבורה ציקלית מסדר nהיא איזומורפית ל. Z n - משפט קיילי :תהא Gחבורה סופית כך ש , | G | n -אז Gאיזומורפית לתת-חבורה של S n )כלומר קיים איזומורפיזם שמתאים כל איבר ב G -לפונקציה חח"ע ועל(. 13 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע חבורות מנה ומשפטי הומומורפיזם G חבורת מנה :תהי Gחבורה ו . N G -נגדיר {Ng : g G} : N Nב . G -נגדיר פעולה בין קוסטים. Na Nb Nab, a, b G : כלומר :אוסף הקוסטים של G N היא חבורה ביחס לפעולה הנ"ל .איבר היחידה , Ne N :וההופכי של קוסט Naהוא. Na 1 : | G |G טענה :אם Gחבורה סופית אז |N |N . G הערה :אם Gחבורה קומוטטיבית ו H -תת-חבורה ) H Gכי Gקומוטטיבית( ,אז H מוגדרת וגם היא קומוטטיבית. G משפט G :חבורה ו . H G -נגדיר: H ב Gלקוסט שלו( .אז :הומומורפיזם ו. H ker - : G כך) g Hg :הפונקציה שולחת איבר משפטי הומומורפיזמים: משפט האיזומורפיזם הראשון :תהא : G1 G2 הומומורפיזם .אזי Im : ker G1 . דוגמאות: - n Z n - - * . ker n, Im Z n , a a mod n , : Z n : . ker N , Im , z | z | , : * * : * }N {z : | z | 1 SL n, GL n, , A | A | , : GL n, * : *. ker SL n, , Im משפט האיזומורפיזם השני G :חבורה H , N G ,תת-חבורה .אז: .1 HNהיא תת-חבורה. .2 N NH .3 N H H .4 HN H N H N G G K משפט האיזומורפיזם השלישי G :חבורה K G , N G ,כך ש . K N -אז. : N N K 14 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע שדות וחוגים-הגדרות חוג :קבוצה (Ring) Rעם שתי פעולות) , :חיבור וכפל( .כל שמתקיימות הדרישות הבאות: .1 Rחבורה קומוטטיבית לגבי ) +אלה להן למעשה 5מאקסיומות השדה(. איבר ניטראלי יסומן ,0 :הופכי של aלגבי +יסומן. a : .2 Rסגורה לגבי : אם a, b Rאז גם . ab R .3היא פעולה אסוציאטיבית a, b, c R .אז. ab c a bc : .4פילוג a, b, c R :אז: . a b c ab ac, b c a ba ca הערה :יש כאן 8מתוך 11האקסיומות של שדה. חוג עם יחידה :חוג שיש בו איבר ניטראלי לגבי . איבר זה יסומן 1 :ו 1 a a 1 a :לכל . a R חוג קומוטטיבי :חוג שבו היא פעולה קומוטטיבית ab ba :לכל . a, b R מחלק אפס :איבר 0 a Rבחוג Rכך שקיים 0 b Rומתקיים ab 0 :או . ba 0 תחום שלמות :חוג קומוטטיבי ,עם יחידה ובלי מחלקי אפס. איבר הפיך :בחוג עם יחידה Rזה איבר a Rכך שקיים b Rהמקיים. ab ba 1 : חוג עם חילוק :חוג עם יחידה שבו כל איבר שונה מאפס הוא הפיך. שדה :חוג קומוטטיבי עם חילוק )עם יחידה ובלי מחלקי אפס(. דוגמאות: : חוג קומוטטיבי עם יחידה לגבי . , זהו תחום שלמות .איברים הפיכים. 1, 1 : : 2חוג קומוטטיבי בלי יחידה לגבי . , זה אינו תחום שלמות .אין בו איברים הפיכים. : , , שדות .תחומי שלמות לגבי . , : nחוג קומוטטיבי עם יחידה ביחס לחיבור וכפל מודולו . nהאיברים ההפיכים הם המספרים הזרים ל . n -אם nלא ראשוני ,אז זה לא תחום שלמות n ) .ראשוני n שדה(. a קבוצת כל המספרים הרציונאליים מהצורה b קומוטטיבי לגבי , ויש בו יחידה. כאשר a, bהם שלמים זרים ו b -אי-זוגי :חוג כל הפונקציות הממשיות הרציפות על ] [0,1עם הפעולות חיבור וכפל מטריצות :חוג קומוטטיבי עם יחידה .לא כל איבר הוא הפיך ,יש בו מחלקי אפס ולכן זה אינו תחום שלמות. - M n F מטריצות n nמעל השדה : Fחוג עם יחידה= , Iהחוג אינו קומוטטיבי )כי כפל מטריצות הוא לא( ,האיברים ההפיכים -מטריצות עם דטרמיננטה , 0 זה אינו תחום שלמות כי יש בו מחלקי אפס. משפט R :הוא חוג .אז מתקיימים הדברים הבאים: 0 .1הוא יחיד. .2 a Rאז a :הוא יחיד. 0a a 0 0 .3לכל . a R 15 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע a b a b ab .4לכל . a, b R .5 . a b ab .6 1 a aאם Rהוא חוג עם יחידה. משפטים -תחום שלמות: אם Dתחום שלמות ונתון ש ab ac :אז ניתן לצמצם ולקבל. b c : בשדה אין מחלקי אפס ,כלומר ,כל שדה הוא תחום שלמות. משפט R :הוא חוג .נתון x x 2 :לכל . x Rאז Rהוא חוג קומוטטיבי. משפטים -מספר איברים בשדה : מספר האיברים בשדה סופי הוא חזקה של מספר ראשוני. אם pראשוני ו n -מספר טבעי ,אז קיים שדה ובו p nאיברים. אם Fשדה סופי אז | F | p n :כאשר pהוא ראשוני ו n -הוא טבעי ) .( char F p מציין/אופיין של שדה: 1נקרא :המציין של 1 מציין של שדה F :הוא שדה .המספר הקטן ביותר mכך ש1 0 - m השדה או הקרקטריסטיקה של השדה או האופיין של השדה .סימון. char F : משפט :מציין של שדה הוא או אפס ,או מספר ראשוני. משפט :לכל שדה סופי יש תת-שדה מסדר. char F : משפט :אם שדה סופי Fמכיל תת-שדה Kאז הסדר של Fהוא חזקה של הסדר של . K הערה p :הוא שדה עם מציין שווה ל. p - תת-חוג: הגדרה :יהי Rחוג ו S -תת-קבוצה לא ריקה של . Rאם Sהיא בעצמה חוג ביחס לפעולות בR - אז אומרים ש S -היא תת-חוג. טענה :יהי Rחוג ו S -תת-קבוצה של Rאז Sהיא תת-חוג אם"ם: .1 .S .2לכל a, b Sמתקיים. a b S : .3לכל a, b Sמתקיים. a b S : הערה :לכל חוג יש שני תתי-חוגים טריוויאלים :החוג עצמו ו. {0} - 16 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע אידיאלים ,הומומורפיזם של חוגים וחוגי מנה אידיאלים: אידיאל R :חוג I .זו קבוצה ב R -שנקראת אידיאל ומקיימת: . I .1 .2 a, b Iאז) a b I :סגירות ל .(+ .3 a Iאז) a I :סגירות לגבי נגדי בחיבור(. .4 x R , a Iאז) ax, xa I :בליעה(. *ניתן לאחד את ) (2ו (3)-לסגירות לחיסורa, b I a b I : אידיאל משמש לאותו תפקיד בו משמשת תת-חבורה נורמאלית בחבורות. הערות: - כל אידיאל הוא תת-חוג )סגירות לחיסור וכפל(. - בכל חוג יש שני אידיאלים טריוויאלים R :ו {0} -והם נקראים :אידיאלים לא אמיתיים. טענה :אם Rהוא חוג עם יחידה ואם Iהוא אידיאל ב R -כך ש 1 I -אז) I R :נובע מבליעה: כפל ב 1-מכניס כל איבר ל.( I - משפט :אם Fהוא שדה ו I {0} -הוא אידיאל ב F -אז בהכרח) I F :בשדה אין אידיאלים אמיתיים ,אך ייתכן חוג שאינו שדה וגם בו אין אידיאלים אמיתיים(. משפט הפוך :יהי Rחוג קומוטטיבי עם יחידה שאין בו אידיאלים אמיתיים .אז Rהוא שדה. אידיאל ראשי R :חוג קומוטטיבי . a R ,נסמן . a {ax | x R} :אז a הוא אידיאל והוא נקרא :האידיאל הראשי הנוצר ע"י .aדוגמא :ב. 15 15 , - הומומורפיזם: הגדרה :פונקציה R1 , R2 , : R1 R2חוגים כך ש: a b a b ab a b גרעין של הומומורפיזםker {x R | x 0} : . 0 0 . a a חח"ע אם"ם }. ker {0 משפטים -תכונות : R1 R2 :הומומורפיזם ,אז: ker .1הוא תת-חבורה של R1לגבי .+והוא גם אידיאל ב. R1 - x R1 , a ker .2אז מתקיימת בליעה. xa, ax ker : Im .3הוא תת-חוג של . R2 17 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע חוג מנה: חוג מנה :יהא Iאידיאל בחוג . Rיהא , b Rנגדיר קוסט של . I b {x b | x I } : bזוהי בדיוק הגדרת הקוסט בחבורות ,מלבד זאת שהכפל נהפך ל.+ ומתקיים I b b I :כי +פעולה קומוטטיבית ,ובפרט Iתת-חבורה נורמאלית ב R -לגבי .+ R נגדיר { I b | b R} : I )אוסף כל הקוסטים של Iב.( R - R משפט R :חוג I ,אידיאל .אז I הוא חוג ביחס לפעולות: I a I b I a b I a I b I ab R אם יש ב R -יחידה אז I 1 :הוא היחידה של I R אם Rקומוטטיבי אז גם I R אם Rהוא חוג עם חילוק ,אז גם I . הוא קומוטטיבי. הוא חוג עם חילוק. הערות: - R אם Rתחום שלמות, I - R אם Iאידיאל ,אז Iהוא גרעין של איזשהו הומומורפיזם, a I a : I איננו בהכרח תחום שלמות ולהפך. . : R משפטי איזומורפיזם של חוגים: R1 משפט ראשון : R1 R2 :הומומורפיזם .אז Im : ker IJ J משפט שני I , J :הם אידיאלים בחוג Rאז: I I J . . R משפט שלישי R , J I R :חוג I , J ,הם אידיאלים .אזJ R : I I J )כביכול מצמצמים ב.( J - משפט :כל אידיאל ב -הוא מהצורה nכאשר . n וגם מתקיים n : n הגדרה a a mod n : מסקנה: n . : nאז מתקיים כי הוא הומומורפיזם בין חוגים. הוא שדה אם"ם nהוא ראשוני. משפט R :הוא חוג קומוטטיבי עם יחידה .אם } {0ו R -הם האידיאלים היחידים ,אז Rהוא שדה. 18 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע משפט :יהיו שני חוגים R1 , R2איזומורפיים . R1 R2 :אם R1הוא שדה אז גם R2הוא שדה. 1זה היחידה של . R2 אידיאל מקסימאלי :יהי Rחוג ו I -אידיאל ב I . R -נקרא אידיאל מקסימאלי אם Iלא מוכל בשום אידיאל אחר פרט ל I -ו. R - דוגמאות: ב 6 : -הוא אידיאל לא מקסימאלי כי למשל. 6 3 : אבל 5הוא אידיאל מקסימאלי. טענה n :הוא אידיאל מקסימאלי ב -אם"ם nראשוני. ] = R[ xחוג הפולינומים מעל . Rנגדיר . M p x R[ x] | p 1 0 :אז Mהוא אידיאל מקסימאלי ב. R[ x ] - R משפט :יהי Rחוג קומוטטיבי עם יחידה .יהי Iאידיאל ב , R -אז: I הוא שדה אם"ם Iהוא אידיאל מקסימאלי. 19 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע חוג הפולינומים הגדרה= F :שדה = F [ x] ,אוסף כל הפולינומים עם מקדמים ב. F - פולינום= = x , a0 , a1 , , an F , f x a0 a1 x an x nמשתנה ב. F - מעלת הפולינום :אם an 0אז nנקרא המעלה של הפולינום . f x סימון. deg f x : פולינום האפס :פולינום שכל מקדמיו שווים לאפס .מעלת פולינום האפס לא תוגדר. טענה : deg f x g x max deg f x , deg g x deg f x g x deg f x deg g x משפט F [ x] :זה חוג קומוטטיבי עם יחידה ,בלי מחלקי אפס. משפט . f x , g x 0 F [ x] :אז קיימים שני פולינומים ] q x , r x F [ xכך ש: f x g x q x r x וגם. 0 deg r x deg g x : אידיאלים ב:F[x]- משפט :כל אידיאל בחוג ] F [ xהוא אידיאל ראשי )כפולות של איזשהו פולינום(. חוג ראשי :חוג שכל אידיאל בו הוא ראשי )למשל :חוג הפולינומים(. ]F [ x משפט :יהא ] , deg f x n , f x F [ xאז כל איבר ב- f x ניתן להצגה באופן יחיד בצורה a0 a1 x an 1 x n 1 f x :כאשרa0 , a1 , , an 1 F : הערה :המשמעות היא שניתן לכתוב את הקוסט של הפולינום )עם האידיאל ( f x ע"י פולינום ממעלה קטנה יותר באופן יחיד. מסקנה :נניח ש F -שדה ובו qאיברים .יהא ] f x F [ xממעלה . nאז מספר האיברים ב- ]F [ x f x הוא. q n : אם F Z pאז p n : ]Z p [ x I . דוגמאות: ] [ x x x 2 3 x 3 x 2 I I ,כי x 3 x 2 Iולכן כאילו שווה לאפס. לא תמיד נמצא בביטוי את האידיאל במלואו ,ולכן ניתן לכ תוב) x 3 I x 2 I :מעין העברת אגפים(. נחשב מכפלה של קוסטים: 2 x 2 I x 2 3 x I x 2 2 x 2 x 2 3 x I 2 3 2 x 4 x 5x 8x 6 x I נציב x 3 x 2 :ונקבל. x 2 x 5 x 2 8 x 2 6 x I 7 x 2 x 10 I : ] [ x x 5x 6 2 ,נחשב. x 2 I x 3 I x 2 x 3 I x 2 5 x 6 I I : 20 ©ענת עציון אלגברה מודרנית ) – (104134קיץ תש"ע פריקות של פולינומים: פולינום אי-פריק f x F [ x] :פולינום שמחלקיו היחידים הם :אברי ) Fסקלרים( וכפולותיהם באיבר מ) F -פולינום מאותה מעלה כמו של .( f x הערה :פולינום ממעלה 2או 3הוא פריק אם"ם יש לו שורש. ]F [ x משפט: f x הוא שדה אם"ם f x הוא פולינום אי-פריק. הערה I f x :הוא אידיאל מקסימאלי אם"ם a x אי-פריק ב. F [ x] - משפט , a F , f x F [ x] :אז: . f x x a q x f a .1 .2 . x a | f x f a 0 מסקנה . deg f x 2 , f x F [ x] :אם יש ל f x -שורש ב F -אז f x הוא פריק )כי אם aהוא שורש אז.( f x x a q x : הערה :המשפט ההפוך לא נכון .לא לכל פולינום פריק יש שורש בשדה. משפט deg f x , f x F [ x] :שווה 2או .3אם f x פריק ,אז יש לו שורש ב. F - מסקנה f x F [ x] :ממעלה 2או ,3אז f x אי-פריק מעל Fאם"ם אין ל f x -שורש ב- .F משפטים על פריקות בשדות מסויימים: כל פולינום ממעלה גדולה מ 1-הוא פריק מעל ) לפי המשפט היסודי של האלגברה ,לכל פולינום עם מקדמים ב , -יש שורש ב.( - השורשים המרוכבים מופיעים בזוגות -שורש והצמוד שלו. כל פולינום ממעלה לפחות 3ב [ x] -הוא פריק מעל . כל פולינום ממעלה אי-זוגית ,יש לו שורש ממשי ב -ולכן הוא פריק. p יהא f x a0 a1 x a2 x 2 an x nפולינום עם מקדמים שלמים .נניח ש- q הוא שבר מצומצם שהוא שורש של . f x אז p | a0 :וגם. q | an : משפט אייזנשטיין :נניח ש f x a0 a1 x a2 x 2 an x n -כאשרa0 , a1 , a2 , , an : שלמים .ונניח שקיים מספר ראשוני pכך ש p | a0 , p | a1 , p | a2 , , p | an 1 :וגם: . p | an , p 2 | a0אם כל אלה מתקיימים אז f x הוא אי פריק מעל ]. [ x 21 ©ענת עציון