12.代数关系

1.代数系统

  • 证明 <G,∗><G,*> 是代数系统的步骤:
    • step1:证明集合非空
    • step2:证明运算满足封闭性

2.代数系统的基本运算和性质

二元运算及其性质

  1. 设 SS 为集合,函数 f:S×S→Sf: S \times S \to S 称为 SS 上的二元运算,简称为二元运算。 设 SS 为集合,函数 f:S→Sf: S \to S 称为 SS 上的一元运算,简称为一元运算。 验证一个运算是否为集合SS上的二元运算主要考虑以下两点:

    • ① SS 中任何两个元素都可以进行这种运算,且运算的结果是唯一的。
    • ② SS 中任何两个元素的运算结果都属于 SS,即 SS 对该运算是封闭的。
  2. 交换律:设 ∘\circ 为 SS 上的二元运算,如果对于任意的 x,y∈Sx,y \in S 都有 x∘y=y∘xx \circ y=y \circ x,则运算 ∘\circ 在 SS 上适合交换律。

  3. 结合律:设 ∘\circ 为 SS 上的二元运算,如果对于任意的 x,y,z∈Sx, y, z \in S 都有 (x∘y)∘z=x∘(y∘z)(x \circ y) \circ z=x \circ(y \circ z),则运算 ∘\circ 在 SS 上适合结合律。

  4. 幂等律:设 ∘\circ 为 SS 上的二元运算,如果对于任意的 x∈Sx \in S 都有 x∘x=xx \circ x=x,则称该运算 ∘\circ 适合幂等律。

  5. 消去律:设 ∘\circ 为 SS 上的二元运算,如果对于任意的 x,y,a∈Sx,y,a \in S 都有:如果 x∘a=y∘ax \circ a=y \circ a,那么 x=yx=y,则运算 ∘\circ 在 SS 上适合消去律。

    注:对于有限集合上的二元运算:

    • 每一行都没有重复元素 ⇔\Leftrightarrow 左消去律成立
    • 每一列都没有重复元素 ⇔\Leftrightarrow 右消去律成立
    • 每行、每列都不相同 ⇔\Leftrightarrow 满足左右消去律
  6. 分配律:设 ∗* 和 ∘\circ 为 SS 上的两个二元运算,如果对于任意的 x,y,z∈Sx,y,z \in S 都有
    x∗(y∘z)=(x∗y)∘(x∗z)(左分配律)x*(y\circ z)=(x * y)\circ(x * z) \quad(\text{左分配律})
    (y∘z)∗x=(y∗x)∘(z∗x)(右分配律)(y \circ z) * x=(y * x) \circ(z * x) \quad(\text{右分配律})
    则 ∗* 对 ∘\circ 适合分配律。

  7. 幺元(单位元)

    <A,∗>{∃el∈A, ∀x∈A, el∗x=xA 中关于运算 * 的左幺元∃er∈A, ∀x∈A, x∗er=xA 中关于运算 * 的右幺元∃e∈A, ∀x∈A, e∗x=x∗e=xA 中关于运算 * 的幺元 <A, *> \begin{cases} \exists e_{l} \in A,\ \forall x \in A,\ e_{l} * x=x & \text{A 中关于运算 * 的左幺元} \\ \exists e_{r} \in A,\ \forall x \in A,\ x * e_{r}=x & \text{A 中关于运算 * 的右幺元} \\ \exists e \in A,\ \forall x \in A,\ e * x=x * e=x & \text{A 中关于运算 * 的幺元} \end{cases}

    设 ∗* 是定义在集合 AA 上的一个二元运算,且在 AA 中有关于运算 ∗* 的左幺元 ele_{l} 和右幺元 ere_{r},则 el=er=ee_{l}=e_{r}=e,且 AA 中的幺元是唯一的。

  8. 零元

    <A,∗>{∃θl∈A, ∀x∈A, θl∗x=θlA 中关于运算 * 的左零元∃θr∈A, ∀x∈A, x∗θr=θrA 中关于运算 * 的右零元∃θ∈A, ∀x∈A, θ∗x=x∗θ=θA 中关于运算 * 的零元 <A, *> \begin{cases} \exists \theta_{l} \in A,\ \forall x \in A,\ \theta_{l} * x=\theta_{l} & \text{A 中关于运算 * 的左零元} \\ \exists \theta_{r} \in A,\ \forall x \in A,\ x * \theta_{r}=\theta_{r} & \text{A 中关于运算 * 的右零元} \\ \exists \theta \in A,\ \forall x \in A,\ \theta * x=x * \theta=\theta & \text{A 中关于运算 * 的零元} \end{cases}

    设 ∗* 定义在集合 AA 上的一个二元运算,且在 AA 中有关于运算 ∗* 的左零元 θl\theta_{l} 和右零元 θr\theta_{r},则 θl=θr=θ\theta_{l}=\theta_{r}=\theta,且 AA 中的零元是唯一的。

  9. 逆元 设 <A,∗><A,*>,ee 为幺元。对 AA 中元素 aa:

    • ∃b∈A, b∗a=e\exists b \in A,\ b * a=e,bb 为 aa 的左逆元

    • ∃b∈A, a∗b=e\exists b \in A,\ a * b=e,bb 为 aa 的右逆元
      如果一个元素 bb 它既是 aa 的左逆元,又是 aa 的右逆元,那就称 bb 是 aa 的一个逆元。
      如果 bb 是 aa 的逆元,那么 aa 也是 bb 的逆元,简称 aa 与 bb 互为逆元。元素 xx 的逆元记为 x−1x^{-1}。
      求逆元方法:把 x−1x^{-1} 代入原式的 yy 中,有 x∗x−1=ex * x^{-1}=e,解出 x−1x^{-1} 关于 xx 的表达式。

    • 例1:设 A={a,b,c}A=\{a,b,c\},AA 上的二元运算 ∗*、∘\circ,如下表所示,求出关于 ∗*、∘\circ 运算的单位元、零元和所有可逆元素的逆元。

      ∗* a b c ∘\circ a b c
      a a b c a a b c
      b b c a b b b b
      c c a b c a b c

      解:

      • 二元运算 ∗*
        • 单位元:aa
        • 零元:无
        • 逆元:a−1=a, b−1=c, c−1=ba^{-1}=a,\ b^{-1}=c,\ c^{-1}=b
      • 二元运算 ∘\circ
        • 单位元:aa
        • 零元:bb
        • 逆元:a−1=aa^{-1}=a

3.同态与同构

  • 同态
    设 <A,∗>< A, *> 和 <B,∘>< B, \circ> 为两个二元代数系统,ψ\psi 是从 AA 到 BB 的映射,对 ∀x,y∈A\forall x, y \in A,都有 ψ(x∗y)=ψ(x)∘ψ(y)\psi(x * y)=\psi(x) \circ \psi(y),则:
    • 称 ψ\psi 是从 <A,∗>< A, *> 到 <B,∘>< B, \circ> 的同态映射。
    • 称 ψ(A)\psi(A) 为同态像。
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