חבורות ציקליות וסדרים

סדרים

נגדיר את הסדר של חבורה G להיות עוצמתה |G| .

הסדר של איבר: הסדר של איבר בחבורה g∈G מסומן כ o(g)=n הוא המספר הטבעי n הקטן ביותר עבורו

gn=e

אם לא קיים n שכזה אז נגדיר את הסדר של האיבר להיות ∞ . וכמובן ש הסדר של e הוא תמיד 1.

טענה: עבור a∈G מתקיים

o(a)=o(a−1)

הוכחה: נחלק למקרים

מקרה 1: o(a)=n<∞ ולכן an=e אם כן:

e=en=(a−1a)n=(a−1)nan=(a−1)ne=(a−1)n

המעבר השלישי נכון בגלל שאיבר וההופכי שלו הם חילופיים ואנחנו יודעים שאם ab=ba אז (ab)n=anbn . סך הכל הראנו שהעלאת ההופכי בחזקת n גם היא שקולה לאיבר היחידה של החבורה.

מקרה 2: o(a)=∞ , נניח בשלילה ש o(a−1)=n<∞ לפי המקרה הראשון נקבל שיוויון בסתירה לכך שהסדר של a הוא אינסוף.

החבורה הציקלית

לפעמים תת חבורה תהיה תלויה לגמרי מאיבר בודד בחבורה המקורית , כלומר יהיה איבר בודד a∈G שיאפשר לנו באמצעות ביצוע הפעולה של החבורה G שוב ושוב על a להגיע לתת חבורה.

הגדרה: תהי חבורה G ויהי a∈G . תת החבורה הנוצרת על ידי a היא תת החבורה :

⟨a⟩={ak  |  k∈Z}
הבחנה

אם אנחנו יודעים שפעולת החבורה היא + אז נגדיר את החבורה הנוצרת על ידי a כך:

⟨a⟩={ka  |  k∈Z}

דוגמה-

∀n∈Z:⟨n⟩={kn  |  k∈Z}=nZ

כלומר (nZ,+) היא תת חבורה של Z .

הגדרת החבורה הציקלית : תהי חבורה G ואיבר a∈G . אם G=⟨a⟩ אז נאמר ש G נוצרת על ידי a ונקרא ל G חבורה ציקלית.

דוגמה חשובה

דוגמה חשובה לחבורה ציקלית היא (Zn,+) שהסדר שלה הוא n. והיא ציקלית כי הוא שקולה ל ⟨1⟩.

Info

כדאי לשים לב שאפשר שיהיה יותר מאיבר יוצר אחד, למשל עבור חבורה השלמים גם −1 יהיה איבר יוצר ועבור Z10 גם 9 יהיה איבר יוצר, למעשה ישנם 4 איברים יוצרים בחבורה הזאת

הוכחה שתת חבורה ציקלית היא אכן חבורה :
נשים לב שמסגירות הכפל נובע שהיא תת קבוצה וגם a0=e ומהגדרת החזקה. כלומר איבר היחידה שייך לתת החבורה.
כעת, יהיו b,c∈⟨a⟩ יתקיים

c=ai  b=akai⋅b−1=ai(ak)−1=ai⋅a−k=ai−k∈⟨a⟩

סך הכל זאת אכן תת חבורה לפי הקריטריון המקוצר (נשים לב שהחזקה אכן מספר שלם מסגירות חבורת השלמים לחיבור).

טענה כל חבורה ציקלית היא אבלית:
תהי G חבורה ציקלית ונניח G=⟨a⟩ . יהיו b,c ב G . יתקיים:

c=ai  b=ak

ולכן

bc=akai=ak+i=ai+k=aiak=cb

טענה כל תת חבורה של חבורה ציקלית היא ציקלית:
תהי H≤G תת חבורה. נסמן G=⟨a⟩ . כל האיברים ב G הם מהצורה ai אז ברור שגם האיברים ב H הם מהצורה הזאת. אם H היא החבורה הטירוויאלית, H={e} אז ברור שהיא ציקלית עם איבר יוצר e .
אם H לא טריוויאלית אז ניקח את המספר הטבעי הקטן ביותר עבורו as∈H (בכוונה לקחנו טבעי כי אם as בתת החבורה כמובן שגם a−s ). נרצה להוכיח ש as הוא איבר היוצר את H כלומר

H=⟨as⟩

נעשה זאת בהכלה דו כיוונית.

ai=aqs+r=aqs⋅ar=(as)q⋅ar

מכאן ניתן להגיד ש

ar=ai⋅(as)q∈H

נשים לב r=0 כי אם הוא היה שונה מ 0 אז מצאנו חזקה שקטנה מ s (לפי משפט אנחנו יודעים שהוא קטן ממנו) וטבעית כי r חיובי שיקיים ar∈H בסתירה למינימליות של s.
לכן r=0 ויתקיים:

ai=(as)q⋅a0=(as)q⋅e=(as)q∈⟨as⟩
הבחנה:

o(a)=|⟨a⟩|

לכן לעתים כשנדבר על גודל החבורה נתייחס לסדר שלה. כמובן שאם G חבורה סופית אז כל תת חבורה שנוצרת מ a∈G היא סופית ולכן הסדר הוא גם טבעי

כדי להוכיח את ההבחנה הנ״ל נחלק למקרים שבו הסדר סופי ולמקרה בו הסדר אינסופי.
א) אם הסדר סופי נניח שהוא n אז נרצה להוכיח ש

⟨a⟩={e,a,…,an−1}

וגם שכל ai≠aj . בהכלה דו כיוונית קל לראות למה הקבוצה שלנו מוכלת בחבורה הנוצרת מ a .
בכיוון השני, ניקח ak∈⟨a⟩ כאשר k שלם. נוכל לבטא את k באמצעות משפט החלוקה עם שארית על ידי

k=q⋅n+r

כאשר 0<r≤n−1 ולכן:

ak=aqn+r=(an)q⋅ar=eq⋅ar=ar

המעבר השלישי נובע כי n הסדר של a בחבורה שהוא יוצר ולכן an=e . אנחנו לא יודעים אומנם אם r=k אבל אנחנו יכולים להגיד ש ar∈⟨a⟩ וזה מה שרצינו להוכיח.

נוכיח כעת שכל האיברים ב {e,a,…,an−1} שונים אחרת זה לא יכול להיות הסדר של a ..
נניח בשלילה שקיים

0≤r1≤r2≤n−1$$כךש$$ar1=ar2

יתקיים

e=ar2−r1  0≤r2−r2≤n−1

כלומר מצאנו חזקה חיובית קטנה מ n שעבורה ar2−r1=e בסתירה לכך שהסדר של a הוא n ולכן r1=r2.

ב) אם הסדר הוא אינסופי o(a)=∞ נוכיח שמספר האיברים בחבורה הנוצרת על ידי a הוא גם ∞ .

נב״ש ש |⟨a⟩|=n לכן קיימים i,j כך ש

ai=aj

כלומר

e=ai−j

בסתירה לכך שהסדר של a הוא אינסופי.

משפט עבור חבורה G ו a∈G מתקיים ש an=e אמ״מ o(a)|n .

מכפלה ישרה של חבורות

נרצה להראות יכולת לבנות חבורות חדשות מחבורות קיימות ולהראות מספר תכונות נחמדות על חבורות אבליות וציקליות כאפשר מפעילים עליהם מכפלה ישרה.

הגדרה: תהיינה (H,∘),(G,∗) חבורות. נגדיר את המכפלה הישרה להיות ⊙ והיא תקיים

(g1,h1)⊙(g2,h2)=(g1∗g2,h1∘h2)

כמו כן יתקיים ש (G×H,⊙) היא חבורה הנקראת המכפלה הישרה של G,H

איבר היחידה במכפלה הישרה

איבר היחידה בחבורת המכפלה הישרה הוא (eG,eH) .

האם Zn×Zn ציקלית עבור n≥2 ? נוכיח שלא
מהגדרת המכפלה הישרה וחוג השאריות הסדר של כל איבר (a,b) הוא לכל היותר n :

(a,b)n=(a,b)⋯(a,b)=(a+⋯+a,b+⋯+b)=(na,nb)=(0,0)

כעת נניח בשלילה שהחבורה הנ״ל אכן ציקלית. אנחנו יודעים שמספר האיברים בקבוצה המורכבת ממכפלה קרטזית כאשר כל קבוצה היא מגודל n יהיה

|Zn×Zn|=n⋅n=n2

כלומר אם החבורה היא ציקלית קיים (a,b) שיוצר את החבורה כך ש

|o(⟨a,b⟩)|=n2

בסתירה לכך שהסדר של כל איבר חסום על ידי n .

הבחנה

אם כן הראנו שמכפלה של חבורות ציקליות אינה בהכרח ציקלית, לעומת זאת מכפלה ישרה של חבורות אבליות נשארת אבלית