Definitie 1.1. Een groep is een verzameling G, uitgerust met een bewerking waarvoor geldt dat:

Vergelijkbare documenten
Deelgroepen en normaaldelers

Definitie 5.1. Cyclische groepen zijn groepen voortgebracht door 1 element.

II.3 Equivalentierelaties en quotiënten

Definitie 4.1. Als H en K normaaldelers zijn van een groep G en H K = {e} en HK = G dan noemt men G het direct product van

Definitie 8.1. De groep van alle permutaties van een gegeven verzameling X is de symmetriegroep op n elementen, genoteerd als Sym(X).

Hoofdstuk 6. Dihedrale groepen. 6.1 Definitie

5 Inleiding tot de groepentheorie

Examen G0U13 Bewijzen en Redeneren Bachelor of Science Fysica en Wiskunde. vrijdag 3 februari 2012, 8:30 12:30

Getaltheorie I. c = c 1 = 1 c (1)

OPLOSSINGEN VAN DE OEFENINGEN

Examen G0U13 Bewijzen en Redeneren Bachelor 1ste fase Wiskunde. vrijdag 31 januari 2014, 8:30 12:30. Auditorium L.00.07

Algebra. Oefeningen op hoofdstuk Groepentheorie Cayleytabellen van groepen van orde Cyclische groepen

3 Modulorekenen. 3.1 De eulerfunctie en de kleine stelling van Fermat. Oefening 3.1. Bepaal Φ(1992), Φ(2011) en Φ(2048) (83 en 2011 zijn priem).

Getallen, 2e druk, extra opgaven

We beginnen met de eigenschappen van de gehele getallen.

2 n 1. OPGAVEN 1 Hoeveel cijfers heeft het grootste bekende Mersenne-priemgetal? Met dit getal vult men 320 krantenpagina s.

Wiskunde. Verzamelingen, functies en relaties. College 2. Donderdag 3 November

Hoofdstuk 3. Equivalentierelaties. 3.1 Modulo Rekenen

Getallenleer Inleiding op codeertheorie. Cursus voor de vrije ruimte

Examen G0U13B Bewijzen en Redeneren (6 sp.) Bachelor of Science Wiskunde. vrijdag 1 februari 2013, 8:30 12:30

5.2.4 Varia in groepentheorie

Getaltheorie II. ax + by = c, a, b, c Z (1)

Tentamen Grondslagen van de Wiskunde A, met uitwerkingen

Pijlenklokken. 1 Inleiding

Groepen, ringen en velden

Oefening 4.3. Zoek een positief natuurlijk getal zodanig dat de helft een kwadraat is, een derde is een derdemacht en een vijfde is een vijfdemacht.

Oefening 4.3. Zoek een positief natuurlijk getal zodanig dat de helft een kwadraat is, een derde is een derdemacht en een vijfde is een vijfdemacht.

1 Delers 1. 3 Grootste gemene deler en kleinste gemene veelvoud 12

6 Ringen, lichamen, velden

Je hebt twee uur de tijd voor het oplossen van de vraagstukken. µkw uitwerkingen. 12 juni 2015

Gehelen van Gauss. Hector Mommaerts

Uitwerkingen toets 12 juni 2010

KU Leuven. Algebra. Notities. Tom Sydney Kerckhove

Inleiding tot groepentheorie

INLEIDING GROEPENTHEORIE

Enkele valkuilen om te vermijden

7.1 Het aantal inverteerbare restklassen

Men kan enkele samenstellingen berekenen en vervolgens de Cayleytabel aanvullen, wetende dat het een Latijns vierkant is. De Cayleytabel wordt:

Algebra en van cryptosysteem tot digitale handtekening

Syllabus Algebra I. Prof. Dr G. van der Geer

Opgaven Eigenschappen van Getallen Security, 2018, Werkgroep.

Ruimtemeetkunde deel 1

Relaties en Functies

Matrixalgebra (het rekenen met matrices)

Veeltermen. Module Definitie en voorbeelden. Een veelterm met reële coëfficiënten in één veranderlijke x is een uitdrukking van de vorm

Inverse limieten en de A-dèle ring. Pim van der Hoorn

Examen G0U13 - Bewijzen en Redeneren,

Dossier 1 SYMBOLENTAAL

Oefening 2.2. Welke van de volgende beweringen zijn waar?

Oefening 2.3. Noteer de volgende verzamelingen d.m.v. (eenvoudig) voorschrift voor de eerste helft en d.m.v. opsomming voor de tweede helft.

I.3 Functies. I.3.2 Voorbeeld. De afbeeldingen f: R R, x x 2 en g: R R, x x 2 zijn dus gelijk, ook al zijn ze gegeven door verschillende formules.

Dossier 3 PRIEMGETALLEN

Oplossingen Oefeningen Bewijzen en Redeneren

Oefenopgaven Grondslagen van de Wiskunde A

Examenvragen Hogere Wiskunde I

1-ste Bachelor Wiskunde en Fysica

Alle opgaven tellen even zwaar, 10 punten per opgave.

Constructie der p-adische getallen

College WisCKI. Albert Visser. 17 oktober, Department of Philosophy, Faculty Humanities, Utrecht University. Equivalentierelaties.

V.4 Eigenschappen van continue functies

IMO-selectietoets I donderdag 2 juni 2016

OVER IRRATIONALE GETALLEN EN MACHTEN VAN π

Getallensystemen, verzamelingen en relaties

KU Leuven. Algebra. Notities. Tom Sydney Kerckhove. met dank aan: Katelijne Caerts Eline van der Auwera Anneleen Truijen

Tentamen Grondslagen van de Wiskunde A met uitwerking

Inleiding Analyse 2009

Hoofdstuk 1. Inleiding. Lichamen

Eigenschap (Principe van welordening) Elke niet-lege deelverzameling V N bevat een kleinste element.

1 Groepen van orde 24.

Eenheden in groepsringen

Uitwerkingen toets 9 juni 2012

Bewijzen en Redeneren voor Informatici

Lights Out. 1 Inleiding

4 Positieve en niet-negatieve lineaire algebra

1 Verzamelingen en afbeeldingen

PROEFEXAMEN LINEAIRE ALGEBRA donderdag 17 november 2011

Discrete Structuren. Piter Dykstra Sietse Achterop Opleidingsinstituut Informatica en Cognitie

Diophantische vergelijkingen

Universiteit Gent. Academiejaar Discrete Wiskunde. 1ste kandidatuur Informatica. Collegenota s. Prof. Dr.

Supplement Verzamelingenleer. A.J.M. van Engelen en K. P. Hart

Zomercursus Wiskunde. Katholieke Universiteit Leuven Groep Wetenschap & Technologie. September 2008

Hoofdstuk 1. Afspraken en notaties

IMO-selectietoets I donderdag 1 juni 2017

Discrete Structuren. Piter Dykstra Opleidingsinstituut Informatica en Cognitie

III.2 De ordening op R en ongelijkheden

PG blok 4 werkboek bijeenkomst 4 en 5

7 Deelbaarheid. 7.1 Deelbaarheid WIS7 1

Tentamen algebra 1. 8 juni 2005, , zaal A.404

Functievergelijkingen

Verzamelingen. Hoofdstuk 5

iii Tristan Kuijpers Claudine Lybaert december 2013

Het karakteristieke polynoom

M1 Wiskundig taalgebruik en notaties

Week 22: De macht van het spoor en het spoor van de macht

Eigenschappen en Axioma s van de E 6 -meetkunde

EERSTE DEELTENTAMEN ANALYSE C

Het doel van dit Hoofdstuk is een inleiding te geven in de theorie van kettingbreuken,

Tentamen Grondslagen van de Wiskunde A Met beknopte uitwerking

This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License. To view a copy of this license,

Getaltheorie groep 3: Primitieve wortels

Transcriptie:

Hoofdstuk 1 Eerste begrippen 1.1 Wat is een groep? Definitie 1.1. Een groep is een verzameling G, uitgerust met een bewerking waarvoor geldt dat: 1. a, b G : a b G 2. a, b, c G : a (b c) = (a b) c = a b c 3. n G : a G : a n = n a = a 4. a G a G : a a = a a = n We noemen n het neutraal element van de groep en a het symmetrische element van a. Als de bewerking bovendien commutatief is, spreken we van een commutatieve of abelse groep. Voor het bewerkingsteken bestaat er een additieve en een multiplicatieve notatie. Voor de additieve notatie nemen we het plusteken +. Het neutraal element noteren we met 0 en symmetrisch element van a door a. Bij de multiplicatieve notatie gebruiken we het vermenigvuldigingsteken.. Het neutraal element noteren we met 1 of e en het symmetrisch element van a door a 1. Meestal zullen we. weglaten. 3

1.2 Basiseigenschappen De associativiteit en de eventuele commutativiteit kunnen, via inductie, uitgebreid worden tot n elementen. Stelling 1.2. Het neutraal element van een groep is uniek. Bewijs. Stel dat e 1 en e 2 allebei neutraal element zijn, dan is: Dus is het neutraal element enig. e 1 = e 1.e 2 = e 2 Stelling 1.3. Het symmetrisch element is uniek. Bewijs. Stel dat x als symmetrisch element y 1 en y 2 heeft, dan is y 1 = e.y 1 = (y 2.x).y 1 = y 2.(x.y 1 ) = y 2.e = y 2 Bijgevolg is het symmetrisch element van x uniek. Stelling 1.4. De vereenvoudigingswet : a.x = b x = a 1.b Bewijs. a.x = b a 1.(a.x) = a 1.b (a 1.a).x = a 1.b x = a 1.b Gevolg 1.5. Analoog geldt: x.a = b x = b.a 1 Stelling 1.6. a, b G : (a 1 ) 1 = a en (a.b) 1 = b 1.a 1 Bewijs. Het eerste resultaat volgt rechtstreeks uit de definitie. Omdat (a.b).(b 1.a 1 ) = a.e.a 1 = e en (b 1.a 1 ).(a.b) = b 1.e.b = e is (b 1.a 1 ) het symmetrische element van a.b. 4

Stelling 1.7. De afbeeldingen f a (x) = a.x en g a (x) = x.a zijn bijecties. Bewijs. f a is injectief want: f a (x) = f a (y) a.x = a.y x = a 1.a.y x = y f a is ook surjectief want voor elke y in G is er een x te vinden zodat f a (x) = y. Neem x = a 1.y G, dan is f a (x) = a.x = a.(a 1.y) = e.y = y. Het bewijs voor g a verloopt analoog. Stelling 1.8. De afbeelding f(x) = x 1 is een bijectie. Bewijs. f is injectief, want f(x) = f(y) x 1 = y 1 x = y. f is ook surjectief want voor elke y in G is er een x te vinden zodat f(x) = y. Neem x = y 1 G, dan is f(x) = (y 1 ) 1 = y. We noteren x.x.x..x = x n. Uit de veralgemeende associativiteit volgt dan dat x n.x m = x n+m en dat (x n ) m = x nm. Bovendien geldt dat (x n ) 1 = (x 1 ) n. 1.3 Orde van een groep en van een groepselement Definitie 1.9. De orde van een groep G, genoteerd als G, is het aantal elementen van de groep. Als de orde eindig is, spreken we van een eindige groep. Elke eindige groep kan beschreven worden door een bewerkingstabel (Cayleytabel). Deze tabel is altijd een Latijns vierkant van orde G : elk element komt juist één keer voor in elke rij en kolom. Definitie 1.10. De orde van een element x van G, genoteerd als o(x), is het kleinste natuurlijk getal r waarvoor geldt dat x r = e. 5

Als er geen r bestaat waarvoor x r = e, dan zeggen we dat x oneindige orde heeft. G heet torsievrij als elk element, verschillend van e, oneindige orde heeft, en G noemt periodisch als elk element eindige orde heeft. De exponent van een periodische groep is het kleinste gemene veelvoud (als dat bestaat) van de ordes van alle elementen van G. Als in een periodische groep, de orde van elk element een macht is van een priemgetal p, dan noemen we de groep een p-groep. We bestuderen een paar basiseigenschappen in verband met de orde van een groepselement: Stelling 1.11. Als o(x) = r en x n = e dan is r een deler van n. Bewijs. Volgens de stelling van de Euclidische deling bestaat er een q en een s waarvoor geldt dat n = rq + s met 0 s < r. Dan is e = x n = x rq+s = (x r ) q.x s = x s s moet dus 0 zijn, anders zouden we een getal vinden, kleiner dan r, waarvoor x s = e en dit is onmogelijk. Bijgevolg is n = r.q en is r een deler van n. Stelling 1.12. Alle elementen van een eindige groep hebben eindige orde. Bewijs. Neem a G en bereken a 2, a 3,. Omdat G eindig is, i j : a i = a j. Neem i > j. Dan is a i j = e, dus bestaat er een natuurlijk getal n waarvoor a n = e. Maar dan is er ook een kleinste r waarvoor a r = e en dus is de orde van a eindig. Gevolg 1.13. Alle eindige groepen zijn periodisch. Stelling 1.14. Een element en zijn symmetrisch element hebben dezelfde orde. Bewijs. Stel o(g) = n, dan is (g 1 ) n = (g n ) 1 = e. Veronderstel dat er een m < n bestaat waarvoor (g 1 ) m = e. Dan is (g m ) 1 = e e = g m. Dit is onmogelijk omdat de orde van g gelijk is aan n. Bijgevolg is de orde van g 1 gelijk aan n. 6

Gevolg 1.15. Er zijn steeds een even aantal elementen van orde 3, 4, 5, Stelling 1.16. De elementen xy en yx hebben steeds dezelfde orde. Bewijs. Stel o(xy) = n, dan is e = (xy) n = x(yx) n 1 y. Hieruit volgt dat x 1 y 1 = (yx) n 1. Bijgevolg is (yx) n = 1. Stelling 1.17. Als o(a) = n dan is o(a r ) = n ggd(n, r). Bewijs. Stel ggd(n, r) = d, dan is n = sd en r = ld met s en l onderling ondeelbaar. Veronderstel o(a r ) = m. Nu is (a r ) s = a lsd = (a sd ) l = e l = e. Bijgevolg is m een deler van s. Anderzijds is (a r ) m = a ldm = e. Omdat o(a) = n is n = sd een deler van ldm. Dan is s een deler van lm en omdat s en l onderling ondeelbaar zijn, moet s een deler zijn van m. Bijgevolg is s = m, wat moest bewezen worden. Gevolg 1.18. De orde van een macht van een element kan nooit groter zijn dan de orde van het element zelf. Stel a en b zijn twee elementen van een groep G waarvan we de orde kennen. In het algemeen is het niet mogelijk om uit deze informatie de orde van het element ab te bepalen. We kunnen aanzienlijk meer zeggen als we aannemen dat a en b commuteren. Stelling 1.19. Als o(a) = n, o(b) = m en ab = ba dan is o(a.b) een deler van kgv(a,b). Bewijs. Stel kgv(a,b)=k, dan is (ab) k = a k.b k = e.e = e en dus is de orde van ab een deler van k. Stelling 1.20. Als o(a) = n, o(b) = m, ggd(n, m) = 1 en ab = ba dan is o(a.b) = mn = kgv(a,b). 7

Bewijs. (a.b) mn = a mn.b mn = (a n ) m.(b m ) n = e, dus is de orde van a.b een deler van mn. Stel nu dat o(a.b) = m 1 n 1 met m 1 m en n 1 n. Dan is m = tm 1 en n = sn 1. Nu is e = ((a.b) m 1n 1 ) t = (a.b) mn 1 = a mn 1.b mn 1 = a mn 1. Maar dan is n een deler van mn 1 en omdat n en m onderling ondeelbaar zijn is n een deler van n 1. Maar n 1 is een deler van n, dus is n = n 1. Analoog kan men bewijzen dat m = m 1. Bijgevolg is o(a.b) = mn. Stelling 1.21. Als o(a) = n, o(b) = m en ab = ba dan bestaat er een element g waarvan de orde gelijk is aan kgv(m, n). Bewijs. Gebruikmakend van de ontbinding in priemfactoren van n en m is kgv(m, n) = i pk i i. Dan is pk i een deler van m of van n. Maar dan heeft n p k i i i ofwel het element a ofwel het element b orde p k i i. Noem dat element c i en construeer g = i c i. De elementen c i en c j voldoen aan de voorwaarden van vorige stelling en dus geldt: m p k i i o(g) = i o(c i ) = i p k i i = kgv(m, n) Het element g is dus het gezochte element. We geven nu een soort omgekeerd resultaat van de vorige stellingen. Deze stelling laat ons toe een element te schrijven als het product van elementen van lagere orde. Stelling 1.22. Als o(c) = m.n en ggd(m, n) = 1, dan bestaat er juist 1 element a en juist 1 element b die onderling commuteren en met o(a) = m, o(b) = n en c = a.b. Bewijs. Stel k = c n en l = c m. De elementen k en l commuteren en o(k) = m en o(l) = n. Verder bestaan er getallen r en s zodat rm + sn = 1, dus c = c rm+sn = (c m ) r.(c n ) s = k s l r. Nu is s onderling ondeelbaar met m en omdat de orde van een macht van een element nooit groter kan zijn dan de orde van het element zelf is o(k s ) = m. Analoog is o(l r ) = n. Definieer nu a = k s en b = l r. Dit zijn de gezochte elementen. Rest ons te bewijzen dat deze elementen uniek zijn. Veronderstel dus dat c = a.b = a 1.b 1, dan volgt uit (ab) sn = (a 1 b 1 ) sn dat a sn b sn = a sn 1 b sn 1 a sn = 8

a sn 1 a 1 rm = a 1 rm 1 a = a 1. Analoog zal b = b 1 en bijgevolg is de ontbinding c = a.b uniek. We besluiten met stelling die iets zegt over een groep waar elk element orde 2 heeft. Stelling 1.23. Als elk niet triviaal element van een groep G orde 2 heeft, dan is G abels. Bewijs. (ab) 2 = 1 abab = 1 a 2 bab 2 = ab ba = ab. 1.4 Toegevoegde elementen Definitie 1.24. Twee elementen a en b van G heten toegevoegd als er een g G bestaat waarvoor b = g 1 ag. We noemen b het toegevoegde element van a en noteren b = a g. Soms gebruikt men ook als definitie: a g = gag 1. We geven eerst een paar basiseigenschappen: Stelling 1.25. De afbeelding f a (x) = x a is een bijectie. Bewijs. f a is injectief want:f a (x) = f a (y) a 1 xa = a 1 yx x = y. f a is ook surjectief want voor elke y in G is er een x te vinden zodat f a (x) = y. Neem x = aya 1 G, dan is f a (x) = a 1 aya 1 a = y Stelling 1.26. De relatie:...is toegevoegd aan... in G is een equivalentierelatie. Bewijs. Omdat a = a e is elk element toegevoegd aan zichzelf. Als b toegevoegd is aan a, dan is b = a g. Dan is a = b (g 1) en is a toegevoegd aan b. De relatie is dus ook symmetrisch. Als b = a g en c = b h, dan is c = h 1 bh = h 1 g 1 agh = a gh. De relatie is transitief en bijgevolg hebben we een equivalentierelatie. 9

De groep G wordt door de equivalentierelatie... is toegevoegd aan... verdeeld in equivalentieklassen, die een partitie vormen van G. Met andere woorden elk groepselement behoort tot juist 1 klasse en twee klassen (bijvoorbeeld die van a en b) zijn gelijk als a en b toegevoegd zijn. De equivalentieklasse waartoe a behoort noemen we de toevoegingsklasse van a en noteren we door C(a): C(a) = {g 1 ag : g G} Het aantal toevoegingsklassen van G noemt men het klassegetal van G. We geven een aantal eigenschappen van de toevoegingsklassen: Stelling 1.27. C(e) = {e}. Bewijs. C(e) = {g 1 eg : g G} = {e}. Stelling 1.28. In een abelse groep geldt: a G : C(a) = {a}. Bewijs. C(a) = {g 1 ag : g G} = {g 1 ga : g G} = {a}. Gevolg 1.29. In een abelse groep is het klassegetal gelijk aan de orde van de groep. Stelling 1.30. Alle elementen in een bepaalde toevoegingsklasse hebben dezelfde orde. Bewijs. Stel o(a) = n en b = a g. Veronderstel dat o(b) = m. Maar b n = g 1 a n g = e, dus is m een deler van n. Evengoed is a m = g 1 b m g = e, dus is n een deler van m. Beide resultaten samen geven dat m = n, wat moest bewezen worden. Stelling 1.31. Als a en b toegevoegd zijn, dan zijn a k en b k ook toegevoegd. Bewijs. Stel b = a g, dan is b k = g 1 a k g. Bijgevolg zijn a k en b k toegevoegd. 10

Stelling 1.32. (C(a)) 1 = C(a 1 ). Bewijs. Met (C(a)) 1 bedoelt men de verzameling van alle inverse elementen van de elementen van C(a). Als y (C(a)) 1 y = (g 1 ag) 1 = g 1 a 1 g. Dus is y C(a 1 ) en bijgevolg is (C(a)) 1 C(a 1 ). Omgekeerd als y C(a 1 ) y = g 1 a 1 g y 1 = g 1 ag C(a). Bijgevolg is y (C(a)) 1 en is C(a 1 ) (C(a)) 1. Dus is (C(a)) 1 = C(a 1 ). De inverse neming permuteert dus de toevoegingsklassen. Het inverse van een toevoegingsklasse is een toevoegingsklasse. Sommige toevoegingsklassen zijn hun eigen inverse, zoals bijvoorbeeld C(e). 11