Алгебра phys 1 сентябрь–октябрь — различия между версиями

Версия 22:10, 12 сентября 2016

1  Основы алгебры

1.1  Множества, отображения, отношения

1.1.1  Множества

• Логические связки: ${\displaystyle \lnot }$ — отрицание («не»), ${\displaystyle \lor }$ — дизъюнкция («или»), ${\displaystyle \land }$ — конъюнкция («и»), ${\displaystyle \Rightarrow }$ — импликация («влечет»), ${\displaystyle \Leftrightarrow }$ — эквивалентность.
• Лемма о логических связках. Пусть ${\displaystyle a}$, ${\displaystyle b}$, ${\displaystyle c}$ — высказывания; тогда
  (1) ${\displaystyle (a\lor b)\lor c=a\lor (b\lor c)}$, ${\displaystyle a\lor b=b\lor a}$, ${\displaystyle (a\land b)\land c=a\land (b\land c)}$, ${\displaystyle a\land b=b\land a}$;
  (2) ${\displaystyle a\land (b\lor c)=(a\land b)\lor (a\land c)}$, ${\displaystyle a\lor (b\land c)=(a\lor b)\land (a\lor c)}$;
  (3) ${\displaystyle \lnot (a\lor b)=\lnot a\land \lnot b}$, ${\displaystyle \lnot (a\land b)=\lnot a\lor \lnot b}$, ${\displaystyle (a\Rightarrow b)=\lnot a\lor b}$, ${\displaystyle (a\Rightarrow b)=(\lnot b\Rightarrow \lnot a)}$.
• Кванторы: ${\displaystyle \exists }$ — существование, ${\displaystyle \forall }$ — всеобщность («для любых»). Утверждение: ${\displaystyle \lnot {\bigl (}\exists \,x\;(p(x)){\bigr )}\!=\!{\bigl (}\forall \,x\;(\lnot p(x)){\bigr )}}$, ${\displaystyle \lnot {\bigl (}\forall \,x\;(p(x)){\bigr )}\!=\!{\bigl (}\exists \,x\;(\lnot p(x)){\bigr )}}$.
• Задание множества перечислением элементов: ${\displaystyle \{\ldots \}}$; ${\displaystyle \in }$ — принадлежность, ${\displaystyle \varnothing }$ — пустое множество, ${\displaystyle \subseteq }$ — включение, ${\displaystyle \subset }$ — строгое включение.
• Выделение подмножества: ${\displaystyle \{x\in X\mid p(x)\}}$. Операции над множествами: ${\displaystyle \cup }$ — объединение, ${\displaystyle \cap }$ — пересечение, ${\displaystyle \setminus }$ — разность, ${\displaystyle \times }$ — произведение.
• Лемма об операциях над множествами. Пусть ${\displaystyle X}$, ${\displaystyle Y}$, ${\displaystyle Z}$ — множества; тогда
  (1) ${\displaystyle (X\cup Y)\cup Z=X\cup (Y\cup Z)}$, ${\displaystyle X\cup Y=Y\cup X}$, ${\displaystyle (X\cap Y)\cap Z=X\cap (Y\cap Z)}$, ${\displaystyle X\cap Y=Y\cap X}$;
  (2) ${\displaystyle X\cap (Y\cup Z)=(X\cap Y)\cup (X\cap Z)}$, ${\displaystyle X\cup (Y\cap Z)=(X\cup Y)\cap (X\cup Z)}$;
  (3) если ${\displaystyle U}$ — множество и ${\displaystyle X,Y\subseteq U}$, то ${\displaystyle U\setminus (X\cup Y)=(U\setminus X)\cap (U\setminus Y)}$ и ${\displaystyle U\setminus (X\cap Y)=(U\setminus X)\cup (U\setminus Y)}$.
• Числовые множества: ${\displaystyle \mathbb {N} }$, ${\displaystyle \mathbb {Z} }$, ${\displaystyle \mathbb {Q} }$, ${\displaystyle \mathbb {R} }$ — натуральные, целые, рациональные, вещественные числа; ${\displaystyle \mathbb {N} _{0}=\mathbb {N} \cup \{0\}}$ и ${\displaystyle \mathbb {Z} /n=\{0,\ldots ,n-1\}}$ (${\displaystyle n\in \mathbb {N} }$).
• ${\displaystyle |X|}$ — порядок (количество элементов) множества ${\displaystyle X}$, ${\displaystyle 2^{X}}$ — множество подмножеств множества ${\displaystyle X}$, ${\displaystyle X^{n}}$ — ${\displaystyle n}$-я степень множества ${\displaystyle X}$ (${\displaystyle n\in \mathbb {N} _{0}}$).

1.1.2  Отображения

• Множество отображений, действующих из мн.-ва ${\displaystyle X}$ в мн.-во ${\displaystyle Y}$: ${\displaystyle \mathrm {Map} (X,Y)}$. Область, кообласть, график отображения ${\displaystyle f}$: ${\displaystyle \mathrm {Dom} \,f}$, ${\displaystyle \mathrm {Codom} \,f}$, ${\displaystyle \mathrm {Gr} \,f}$.
• Образ множества ${\displaystyle A}$ относительно ${\displaystyle f}$ (${\displaystyle A\subseteq X}$): ${\displaystyle f(A)}$, прообраз множества ${\displaystyle B}$ относительно ${\displaystyle f}$ (${\displaystyle B\subseteq Y}$): ${\displaystyle f^{-1}(B)}$, образ отображения ${\displaystyle f}$: ${\displaystyle \mathrm {Im} \,f=f(X)}$.
• Сужения отображения ${\displaystyle f}$ (${\displaystyle A\subseteq X}$ и ${\displaystyle f(A)\subseteq B\subseteq Y}$): ${\displaystyle f|_{A}}$ и ${\displaystyle f|_{A\to B}}$. Сокращенная запись образа: ${\displaystyle \{f(x)\mid x\in X\}=\{y\in Y\mid \exists \,x\in X\;{\bigl (}f(x)=y{\bigr )}\}}$.
• Инъекции: ${\displaystyle \mathrm {Inj} (X,Y)=\{f\in \mathrm {Map} (X,Y)\mid \forall \,y\in Y\;{\bigl (}|f^{-1}(y)|\leq 1{\bigr )}\}}$. Сюръекции: ${\displaystyle \mathrm {Surj} (X,Y)=\{f\in \mathrm {Map} (X,Y)\mid \forall \,y\in Y\;{\bigl (}|f^{-1}(y)|\geq 1{\bigr )}\}}$.
• Биекции: ${\displaystyle \mathrm {Bij} (X,Y)=\mathrm {Inj} (X,Y)\cap \mathrm {Surj} (X,Y)}$. Композиция отображений: ${\displaystyle (g\circ f)(x)=g(f(x))}$. Тождественное отображение: ${\displaystyle \mathrm {id} _{X}(x)=x}$.
• Теорема о композиции отображений. Пусть ${\displaystyle X}$, ${\displaystyle Y}$ — множества и ${\displaystyle f\in \mathrm {Map} (X,Y)}$; тогда
  (1) ${\displaystyle f\circ \mathrm {id} _{X}=f}$, ${\displaystyle \mathrm {id} _{Y}\circ f=f}$ и, если ${\displaystyle Z}$, ${\displaystyle W}$ — множества, ${\displaystyle g\in \mathrm {Map} (Y,Z)}$ и ${\displaystyle h\in \mathrm {Map} (Z,W)}$, то ${\displaystyle (h\circ g)\circ f=h\circ (g\circ f)}$;
  (2) если ${\displaystyle X\neq \varnothing }$, то ${\displaystyle f\in \mathrm {Inj} (X,Y)}$, если и только если ${\displaystyle \exists \,f'\in \mathrm {Map} (Y,X)\;{\bigl (}f'\circ f=\mathrm {id} _{X}{\bigr )}}$;
  (3) ${\displaystyle f\in \mathrm {Surj} (X,Y)}$, если и только если ${\displaystyle \exists \,f'\in \mathrm {Map} (Y,X)\;{\bigl (}f\circ f'=\mathrm {id} _{Y}{\bigr )}}$;
  (4) ${\displaystyle f\in \mathrm {Bij} (X,Y)}$, если и только если ${\displaystyle \exists \,f'\in \mathrm {Map} (Y,X)\;{\bigl (}f'\circ f=\mathrm {id} _{X}\,\land \,f\circ f'=\mathrm {id} _{Y}{\bigr )}}$ (${\displaystyle f'=f^{-1}}$ — биекция, обратная к биекции ${\displaystyle f}$).
• Утверждение: ${\displaystyle \sum _{y\in \mathrm {Im} \,f}\!|f^{-1}(y)|=|X|}$. Принцип Дирихле. Пусть ${\displaystyle X,Y}$ — множества, ${\displaystyle |X|=|Y|<\infty }$; тогда ${\displaystyle \,\mathrm {Inj} (X,Y)=\mathrm {Surj} (X,Y)=\mathrm {Bij} (X,Y)}$.

1.1.3  Отношения

• Множество отношений между множествами ${\displaystyle X}$ и ${\displaystyle Y}$: ${\displaystyle \mathrm {Rel} (X,Y)}$. Область, кообласть, график отношения ${\displaystyle \Delta }$: ${\displaystyle \mathrm {Dom} \,\Delta }$, ${\displaystyle \mathrm {Codom} \,\Delta }$, ${\displaystyle \mathrm {Gr} \,\Delta }$. Примеры.
• Отношения эквивалентности: ${\displaystyle \mathrm {EquivRel} (X)=\{{\sim }\in \mathrm {Rel} (X,X)\mid \forall \,x,y,z\in X\;{\bigl (}x\sim x\,\land \,(x\sim y\,\Rightarrow \,y\sim x)\,\land \,(x\sim y\,\land \,y\sim z\,\Rightarrow \,x\sim z){\bigr )}\}}$.
• Класс эквивалентности: ${\displaystyle \mathrm {cl} _{\sim }(x)=\{{\breve {x}}\in X\mid x\sim {\breve {x}}\}}$. Утверждение: ${\displaystyle x\sim {\breve {x}}\,\Leftrightarrow \,\mathrm {cl} _{\sim }(x)=\mathrm {cl} _{\sim }({\breve {x}})}$. Фактормножество: ${\displaystyle X/{\sim }=\{\mathrm {cl} _{\sim }(x)\mid x\in X\}}$.
• Разбиения: ${\displaystyle \mathrm {Part} (X)=\{{\mathcal {P}}\subseteq 2^{X}\!\setminus \!\{\varnothing \}\mid \bigcup _{A\in {\mathcal {P}}}A=X\;\land \;\forall \,A,B\in {\mathcal {P}}\;{\bigl (}A\neq B\,\Rightarrow \,A\cap B=\varnothing {\bigr )}\}}$. Утверждение: ${\displaystyle X/{\sim }\in \mathrm {Part} (X)}$. Трансверсали.
• Теорема об отношениях эквивалентности и разбиениях. Пусть ${\displaystyle X}$ — множество; тогда отображение ${\displaystyle {\biggl (}\!{\begin{aligned}\mathrm {EquivRel} (X)&\to \mathrm {Part} (X)\\\sim &\mapsto X/{\sim }\end{aligned}}\!{\biggr )}}$ — биекция.
• Отношение ${\displaystyle {\underset {\scriptscriptstyle f}{\sim }}}$: ${\displaystyle x\;{\underset {\scriptscriptstyle f}{\sim }}\;{\breve {x}}\,\Leftrightarrow \,f(x)=f({\breve {x}})}$. Слои отображения ${\displaystyle f}$: ${\displaystyle \{f^{-1}(y)\mid y\in \mathrm {Im} \,f\}}$ (${\displaystyle =X/{\underset {\scriptscriptstyle f}{\sim }}}$). Факторотображение ${\displaystyle {\Biggl (}\!\!{\begin{aligned}X/{\underset {\scriptscriptstyle f}{\sim }}&\to \mathrm {Im} \,f\\\mathrm {cl} _{\underset {\scriptscriptstyle f}{\sim }}(x)&\mapsto f(x)\end{aligned}}{\Biggr )}}$ — биекция.

1.2  Группы (часть 1)

1.2.1  Множества с операцией

• Внутренняя ${\displaystyle n}$-арная операция на ${\displaystyle S}$ — отображение, действующее из ${\displaystyle S^{n}}$ в ${\displaystyle S}$ (нульарная операция на ${\displaystyle S}$ — выделенный элемент множества ${\displaystyle S}$).
• Гомоморфизмы между мн.-вами с операцией: ${\displaystyle \mathrm {Hom} (S,V)=\{f\in \mathrm {Map} (S,V)\mid \forall \,s_{1},\ldots ,s_{n}\in S\;{\bigl (}f(o_{S}(s_{1},\ldots ,s_{n}))=o_{V}(f(s_{1}),\ldots ,f(s_{n})){\bigr )}\}}$.
• Утверждение: пусть ${\displaystyle f\in \mathrm {Hom} (S,V)}$ и ${\displaystyle g\in \mathrm {Hom} (V,Y)}$; тогда ${\displaystyle g\circ f\in \mathrm {Hom} (S,Y)}$. Изоморфизмы: ${\displaystyle \mathrm {Iso} (S,V)=\mathrm {Hom} (S,V)\cap \mathrm {Bij} (S,V)}$.
• Утверждение: пусть ${\displaystyle f\in \mathrm {Iso} (S,V)}$; тогда ${\displaystyle f^{-1}\!\in \mathrm {Iso} (V,S)}$. Эндоморфизмы: ${\displaystyle \mathrm {End} (S)=\mathrm {Hom} (S,S)}$. Автоморфизмы: ${\displaystyle \mathrm {Aut} (S)=\mathrm {Iso} (S,S)}$.
• Обозначение по Минковскому: ${\displaystyle o_{S}(S_{1},\ldots ,S_{n})=\{o_{S}(s_{1},\ldots ,s_{n})\mid s_{1}\in S_{1},\ldots ,s_{n}\in S_{n}\}}$. Примеры: ${\displaystyle \mathbb {N} +\mathbb {N} =\mathbb {N} \!\setminus \!\{1\}}$, ${\displaystyle \mathbb {N} \cdot \mathbb {N} =\mathbb {N} }$, ${\displaystyle \mathbb {Z} +\mathbb {Z} =\mathbb {Z} }$.
• Инфиксная запись бинарных операций. Ассоциативность: ${\displaystyle \forall \,s,t,u\in S\;{\bigl (}(s\cdot t)\cdot u=s\cdot (t\cdot u){\bigr )}}$. Коммутативность: ${\displaystyle \forall \,s,t\in S\;{\bigl (}s\cdot t=t\cdot s{\bigr )}}$.
• Полугруппа — множество с ассоциативной операцией. Гомоморфизмы полугрупп. Примеры полугрупп. Лемма об обобщенной ассоциативности.

  Лемма об обобщенной ассоциативности. Пусть ${\displaystyle S}$ — полугруппа, ${\displaystyle n\in \mathbb {N} }$ и ${\displaystyle s_{1},\ldots ,s_{n}\in S}$; тогда значение выражения ${\displaystyle s_{1}\cdot \ldots \cdot s_{n}}$ не зависит от
  расстановки скобок (то есть от порядка выполнения операций при вычислении этого выражения).

1.2.2  Моноиды и группы (основные определения и примеры)

• Моноид — полугруппа с нейтральным элементом (единицей). Единственность единицы, единица как нульарная операция. Гомоморфизмы моноидов.
• Примеры: числовые моноиды (по умножению или сложению), моноиды функций, моноиды слов ${\displaystyle \mathrm {W} _{\otimes }(x_{1},\ldots ,x_{n})}$, моноиды отображений ${\displaystyle \mathrm {Map} (X)}$.
• Обратимые элементы: ${\displaystyle M^{\times }\!=\{m\in M\mid \exists \,m'\in M\;{\bigl (}m'\,m=m\,m'=1{\bigr )}\}}$. Единственность обратного элемента. Утверждение: ${\displaystyle M^{\times }\!\cdot M^{\times }\!\subseteq M^{\times }}$.
• Группа — моноид, в котором любой элемент обратим. Гомоморфизмы групп. Группа ${\displaystyle M^{\times }}$ (${\displaystyle M}$ — моноид). Таблица Кэли. Изоморфные группы: ${\displaystyle G\cong J}$.
• Примеры: числовые группы, группы функций, свободные группы ${\displaystyle \mathrm {F} (x_{1},\ldots ,x_{n})}$, группы биекций ${\displaystyle \mathrm {Bij} (X)}$, группы автоморфизмов графов ${\displaystyle \mathrm {Aut} (\Gamma )}$.
• Мультипликативные обозначения в группе ${\displaystyle G}$: ${\displaystyle g\,h}$, ${\displaystyle 1}$, ${\displaystyle g^{-1}}$, ${\displaystyle g^{n}}$ (${\displaystyle n\in \mathbb {Z} }$). Аддитивные обозначения в абелевой группе ${\displaystyle A}$: ${\displaystyle a+b}$, ${\displaystyle 0}$, ${\displaystyle -a}$, ${\displaystyle n\,a}$ (${\displaystyle n\in \mathbb {Z} }$).
• Симметрические группы: ${\displaystyle \mathrm {S} (X)=\mathrm {Bij} (X)}$, ${\displaystyle \mathrm {S} _{n}=\mathrm {S} (\{1,\ldots ,n\})}$. Запись перестановки в виде посл.-сти значений, цикловая запись. Лемма о циклах.

  Лемма о циклах. Пусть ${\displaystyle l,m,n\in \mathbb {N} }$, ${\displaystyle i_{1},\ldots ,i_{l},j_{1},\ldots ,j_{m},k\in \{1,\ldots ,n\}}$, числа ${\displaystyle i_{1},\ldots ,i_{l},j_{1},\ldots ,j_{m},k}$ попарно различны и ${\displaystyle u\in \mathrm {S} _{n}}$; тогда
  ${\displaystyle (i_{1}\;\ldots \;i_{l}\;\,k)\circ (k\;\,j_{1}\;\ldots \;j_{m})=(i_{1}\;\ldots \;i_{l}\;\,k\;\,j_{1}\;\ldots \;j_{m})}$, а также ${\displaystyle u\circ (i_{1}\;\ldots \;i_{l})\circ u^{-1}\!=(u(i_{1})\;\ldots \;u(i_{l}))}$.

1.2.3  Подгруппы, классы смежности, циклические группы

• Подгруппа: ${\displaystyle H\leq G\,\Leftrightarrow \,H\cdot H\subseteq H\,\land \,1\in H\,\land \,H^{-1}\!\subseteq H}$. Подгруппа, порожденная мн.-вом ${\displaystyle D}$: ${\displaystyle \langle D\rangle \leq G\;\land \;\forall \,H\leq G\;{\bigl (}D\subseteq H\,\Leftrightarrow \,\langle D\rangle \subseteq H{\bigr )}}$.
• Утверждение: ${\displaystyle \langle D\rangle =\{d_{1}^{\varepsilon _{1}}\cdot \ldots \cdot d_{n}^{\varepsilon _{n}}\!\mid n\in \mathbb {N} _{0},\,d_{1},\ldots ,d_{n}\in D,\,\varepsilon _{1},\ldots ,\varepsilon _{n}\in \{1,-1\}\}}$, а также ${\displaystyle \langle g\rangle =\{g^{a}\!\mid a\in \mathbb {Z} \}}$. Пример: ${\displaystyle \mathbb {Z} ^{+}\!=\langle 1\rangle =\langle -1\rangle }$.
• Отношения ${\displaystyle {\underset {\;\,\scriptscriptstyle H}{\sim }}}$ и ${\displaystyle {\underset {\scriptscriptstyle H\;\,}{\sim }}}$: ${\displaystyle g\;{\underset {\;\,\scriptscriptstyle H}{\sim }}\;{\breve {g}}\,\Leftrightarrow \,g^{-1}{\breve {g}}\in H\,\Leftrightarrow \,gH={\breve {g}}H}$ и ${\displaystyle g\;{\underset {\scriptscriptstyle H\;\,}{\sim }}\;{\breve {g}}\,\Leftrightarrow \,{\breve {g}}\,g^{-1}\!\in H\,\Leftrightarrow \,Hg=H{\breve {g}}}$. Утверждение: ${\displaystyle \mathrm {cl} \!_{\underset {\;\,\scriptscriptstyle H}{\sim }}(g)=gH}$ и ${\displaystyle \mathrm {cl} _{\underset {\scriptscriptstyle H\;\,}{\sim }}\!(g)=Hg}$.
• Множества классов смежности: ${\displaystyle G/H=\{gH\mid g\in G\}=G/{\underset {\;\,\scriptscriptstyle H}{\sim }}}$ и ${\displaystyle H\backslash G=\{Hg\mid g\in G\}=G/{\underset {\scriptscriptstyle H\;\,}{\sim }}}$. Теорема Лагранжа. Индекс: ${\displaystyle |G:H|=|G/H|}$.

  Теорема Лагранжа. Пусть ${\displaystyle G}$ — группа, ${\displaystyle |G|<\infty }$ и ${\displaystyle H\leq G}$; тогда ${\displaystyle |G|=|H|\,|G/H|=|H|\,|H\backslash G|}$ (и, значит, ${\displaystyle |H|}$ делит ${\displaystyle |G|}$).

• Порядок элемента: ${\displaystyle \mathrm {ord} (g)=\min\{n\in \mathbb {N} \mid g^{n}=1\}}$ (${\displaystyle \mathrm {ord} (g)\in \mathbb {N} \cup \{\infty \}}$). Утверждение: пусть ${\displaystyle n=\mathrm {ord} (g)\in \mathbb {N} }$; тогда ${\displaystyle \{a\in \mathbb {Z} \mid g^{a}=1\}=n\,\mathbb {Z} }$.
• Лемма о порядке элемента. Пусть ${\displaystyle G}$ — группа и ${\displaystyle g\in G}$; тогда ${\displaystyle \mathrm {ord} (g)=|\langle g\rangle |}$ (и, значит, если ${\displaystyle |G|<\infty }$, то ${\displaystyle \mathrm {ord} (g)}$ делит ${\displaystyle |G|}$ и ${\displaystyle g^{|G|}\!=1}$).
• Лемма об обратимых остатках. Пусть ${\displaystyle n\in \mathbb {N} }$; тогда ${\displaystyle (\mathbb {Z} /n)^{\times }\!=\{a\in \mathbb {Z} /n\mid \gcd(a,n)=1\}=\{a\in \mathbb {Z} /n\mid (\mathbb {Z} /n)^{+}\!=\langle a\rangle \}}$.
• Циклическая группа: ${\displaystyle \exists \,d\in G\;{\bigl (}G=\langle d\rangle {\bigr )}}$. Примеры: ${\displaystyle (\mathbb {Z} /n)^{+}}$ (${\displaystyle n\in \mathbb {N} }$), ${\displaystyle \mathbb {Z} ^{+}}$. Теорема о циклических группах. Первообразный корень по модулю ${\displaystyle n}$.

  Теорема о циклических группах. Пусть ${\displaystyle G}$ — циклич. группа; обозначим через ${\displaystyle n}$ величину ${\displaystyle |G|}$; тогда ${\displaystyle n\in \mathbb {N} }$ и ${\displaystyle G\cong (\mathbb {Z} /n)^{+}}$ или ${\displaystyle n=\infty }$ и ${\displaystyle G\cong \mathbb {Z} ^{+}}$.

1.2.4  Нормальные подгруппы, факторгруппы, прямое произведение групп

• Нормальная подгруппа: ${\displaystyle H\trianglelefteq G\,\Leftrightarrow \,H\leq G\,\land \,\forall \,g\in G\;{\bigl (}gHg^{-1}\!\subseteq H{\bigr )}\,\Leftrightarrow \,H\leq G\,\land \,\forall \,g\in G\;{\bigl (}gH=Hg{\bigr )}}$. Пример: ${\displaystyle |G:H|=2\,\Rightarrow \,H\trianglelefteq G}$.
• Отношение сопряженности: ${\displaystyle {\bigl (}}$${\displaystyle x}$ и ${\displaystyle {\breve {x}}}$ сопряжены${\displaystyle {\bigr )}}$${\displaystyle \;\Leftrightarrow \;}$${\displaystyle \exists \,g\in G\;{\bigl (}{\breve {x}}=g\,x\,g^{-1}{\bigr )}}$. Нормальная подгруппа, порожденная мн.-вом ${\displaystyle T}$: ${\displaystyle (T)={\bigl \langle }\!\bigcup _{g\in G}g\,Tg^{-1}{\bigr \rangle }}$.
• Теорема о классах сопряженности в симметрических группах. Пусть ${\displaystyle n\in \mathbb {N} _{0}}$ и ${\displaystyle s,{\breve {s}}\in \mathrm {S} _{n}}$; тогда перестановки ${\displaystyle s}$ и ${\displaystyle {\breve {s}}}$ сопряжены, если и только
  если (неупорядоченные) наборы длин циклов перестановок ${\displaystyle s}$ и ${\displaystyle {\breve {s}}}$ равны.
• Ядро гомоморфизма ${\displaystyle f}$: ${\displaystyle \mathrm {Ker} \,f=f^{-1}(1)\trianglelefteq G}$. Образ гомоморфизма ${\displaystyle f}$: ${\displaystyle \mathrm {Im} \,f\leq J}$. Лемма о слоях гомоморфизма и следствие из этой леммы.

  Лемма о слоях гомоморфизма. Пусть ${\displaystyle G,J}$ — группы, ${\displaystyle f\in \mathrm {Hom} (G,J)}$, ${\displaystyle j\in J}$ и ${\displaystyle g_{0}\in f^{-1}(j)}$; тогда ${\displaystyle f^{-1}(j)=g_{0}\,\mathrm {Ker} \,f}$.

  Следствие из леммы о слоях гомоморфизма. Пусть ${\displaystyle G,J}$ — группы и ${\displaystyle f\in \mathrm {Hom} (G,J)}$; тогда ${\displaystyle f\in \mathrm {Inj} (G,J)\,\Leftrightarrow \,\mathrm {Ker} \,f=\{1\}}$.

• Факторгруппа: ${\displaystyle G/H}$ с фактороперациями (${\displaystyle H\trianglelefteq G}$). Корректность опр.-я факторопераций. Теорема о гомоморфизме. Пример: ${\displaystyle \mathbb {Z} ^{+}\!/n\,\mathbb {Z} \cong (\mathbb {Z} /n)^{+}}$.

  Теорема о гомоморфизме. Пусть ${\displaystyle G,J}$ — группы и ${\displaystyle f\in \mathrm {Hom} (G,J)}$; тогда ${\displaystyle G/\,\mathrm {Ker} \,f\cong \mathrm {Im} \,f}$.

• Прямое произведение групп: ${\displaystyle F\times H}$ с покомпонентными операциями. Теорема о прямом произведении. Внутреннее прямое произведение подгрупп.

  Теорема о прямом произведении. Пусть ${\displaystyle G}$ — группа и ${\displaystyle F,H\leq G}$; обозначим через ${\displaystyle \mathrm {mult} _{F,H}}$ отображение ${\displaystyle {\biggl (}\!{\begin{aligned}F\times H&\to G\\(f,h)&\mapsto f\,h\end{aligned}}\!{\biggr )}}$; тогда
  (1) ${\displaystyle \mathrm {mult} _{F,H}\in \mathrm {Hom} (F\times H,G)\,\Leftrightarrow \,\forall \,f\in F,\,h\in H\;{\bigl (}f\,h=h\,f{\bigr )}}$, ${\displaystyle \mathrm {mult} _{F,H}^{-1}(1)=\{(g,g^{-1})\mid g\in F\cap H\}}$ и ${\displaystyle \,\mathrm {Im} \,\mathrm {mult} _{F,H}=FH}$;
  (2) ${\displaystyle \mathrm {mult} _{F,H}\in \mathrm {Iso} (F\times H,G)\,\Leftrightarrow \,F\cap H=\{1\}\,\land \,G=FH\,\land \,\forall \,f\in F,\,h\in H\;{\bigl (}f\,h=h\,f{\bigr )}}$;
  (3) если ${\displaystyle |G|<\infty }$, то ${\displaystyle \mathrm {mult} _{F,H}\in \mathrm {Iso} (F\times H,G)\,\Leftrightarrow \,F\cap H=\{1\}\,\land \,|G|=|F|\,|H|\,\land \,\forall \,f\in F,\,h\in H\;{\bigl (}f\,h=h\,f{\bigr )}}$.

1.3  Кольца (часть 1)

1.3.1  Определения и конструкции, связанные с кольцами

• Кольцо — абелева группа по сложению и моноид по умножению, бинарные операции в которых связаны дистрибутивностью. Гомоморфизмы колец.
• Примеры: числовые кольца, кольца функций. Аддитивная и мультипликативная группы кольца ${\displaystyle R}$: ${\displaystyle R^{+}}$ и ${\displaystyle R^{\times }}$. Характеристика кольца ${\displaystyle R}$: ${\displaystyle \mathrm {char} \,R}$.
• Подкольцо: ${\displaystyle S\leq R\,\Leftrightarrow \,S+S\subseteq S\,\land \,0\in S\,\land \,-S\subseteq S\,\land \,S\cdot S\subseteq S\,\land \,1\in S}$. Подкольцо, порожд. мн.-вом ${\displaystyle D}$: ${\displaystyle \langle D\rangle }$. Кольца вида ${\displaystyle S[r_{1},\ldots ,r_{n}]}$.
• Идеал: ${\displaystyle I\trianglelefteq R\,\Leftrightarrow \,I+I\subseteq I\,\land \,0\in I\,\land \,R\cdot I\cdot R\subseteq I}$. Идеал, порожд. мн.-вом ${\displaystyle T}$: ${\displaystyle (T)}$. Идеал, порожд. элементом ${\displaystyle r}$ коммут. кольца ${\displaystyle R}$: ${\displaystyle (r)=rR}$.
• Ядро гомоморфизма ${\displaystyle f}$: ${\displaystyle \mathrm {Ker} \,f=f^{-1}(0)\trianglelefteq R}$. Образ гомоморфизма ${\displaystyle f}$: ${\displaystyle \mathrm {Im} \,f\leq U}$. Лемма о слоях гомоморфизма и следствие из этой леммы.

  Лемма о слоях гомоморфизма. Пусть ${\displaystyle R,U}$ — кольца, ${\displaystyle f\in \mathrm {Hom} (R,U)}$, ${\displaystyle u\in U}$ и ${\displaystyle r_{0}\in f^{-1}(u)}$; тогда ${\displaystyle f^{-1}(u)=r_{0}+\mathrm {Ker} \,f}$.

  Следствие из леммы о слоях гомоморфизма. Пусть ${\displaystyle R,U}$ — кольца и ${\displaystyle f\in \mathrm {Hom} (R,U)}$; тогда ${\displaystyle f\in \mathrm {Inj} (R,U)\,\Leftrightarrow \,\mathrm {Ker} \,f=\{0\}}$.

• Факторкольцо: ${\displaystyle R/I}$ с фактороперациями (${\displaystyle I\trianglelefteq R}$). Теорема о гомоморфизме. Прямое произведение колец: ${\displaystyle Q\times S}$ с покомпонентными операциями.

  Теорема о гомоморфизме. Пусть ${\displaystyle R,U}$ — кольца и ${\displaystyle f\in \mathrm {Hom} (R,U)}$; тогда ${\displaystyle R/\,\mathrm {Ker} \,f\cong \mathrm {Im} \,f}$.

• Кольца без делителей нуля. Область целостности — коммутативное кольцо без делителей нуля. Тело: ${\displaystyle K^{\times }\!=K\!\setminus \!\{0\}}$. Поле — коммутативное тело.
• Гомоморфизмы полей. Числовые поля. Конечные поля: ${\displaystyle \mathbb {F} _{p}=\mathbb {Z} /p}$ (${\displaystyle p\in \mathbb {P} }$). Подполя. Подполе, порожденное множеством. Поля вида ${\displaystyle L(c_{1},\ldots ,c_{n})}$.

1.3.2  Кольца многочленов

1.3.3  Поле комплексных чисел

• Кольцо комплексных чисел: ${\displaystyle \mathbb {C} =\{\alpha +\beta \,\mathrm {i} \mid \alpha ,\beta \in \mathbb {R} \}}$, где ${\displaystyle \mathrm {i} ^{2}=-1}$. Комплексные числа как точки плоскости ${\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}$. Утверждение: ${\displaystyle \mathbb {C} \cong \mathbb {R} [x]/(x^{2}+1)}$.
• Вещественная и мнимая части: ${\displaystyle \mathrm {Re} (\alpha +\beta \,\mathrm {i} )=\alpha }$ и ${\displaystyle \mathrm {Im} (\alpha +\beta \,\mathrm {i} )=\beta }$. Сопряжение: ${\displaystyle {\overline {a}}=\mathrm {Re} (a)-\mathrm {Im} (a)\,\mathrm {i} }$. Модуль: ${\displaystyle |a|=\!{\sqrt {\mathrm {Re} (a)^{2}+\mathrm {Im} (a)^{2}}}}$.
• Теорема о свойствах комплексных чисел.
  (1) Для любых ${\displaystyle a\in \mathbb {C} }$ выполнено ${\displaystyle a\,{\overline {a}}=|a|^{2}}$ и, если ${\displaystyle a\neq 0}$, то ${\displaystyle a^{-1}\!=\!{\frac {\overline {a}}{|a|^{2}}}}$ (и, значит, ${\displaystyle \mathbb {C} }$ — поле).
  (2) Для любых ${\displaystyle a,b\in \mathbb {C} }$ выполнено ${\displaystyle {\overline {a+b}}={\overline {a}}+{\overline {b}}}$ и ${\displaystyle {\overline {a\,b}}={\overline {a}}\,{\overline {b}}}$ (и, значит, отображение ${\displaystyle {\biggl (}\!{\begin{aligned}\mathbb {C} &\to \mathbb {C} \\a&\mapsto {\overline {a}}\end{aligned}}\!{\biggr )}}$ — автоморфизм поля ${\displaystyle \,\mathbb {C} }$).
  (3) Для любых ${\displaystyle a,b\in \mathbb {C} }$ выполнено ${\displaystyle |a\,b|=|a|\,|b|}$ (и, значит, отображение ${\displaystyle {\biggl (}\!{\begin{aligned}\mathbb {C} ^{\times }\!\!&\to \mathbb {R} _{>0}\!\\a&\mapsto |a|\end{aligned}}\!{\biggr )}}$ — гомоморфизм групп).
• Единичная окружность: ${\displaystyle \mathrm {S} ^{1}\!=\{g\in \mathbb {C} \mid |g|=1\}<\mathbb {C} ^{\times }}$. Экспонента от комплексного числа ${\displaystyle a}$: ${\displaystyle \mathrm {e} ^{a}=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {1}{k!}}\,a^{k}}$. Теорема о свойствах экспоненты.

  Теорема о свойствах экспоненты.
  (1) Для любых ${\displaystyle a,b\in \mathbb {C} }$ выполнено ${\displaystyle \mathrm {e} ^{a+b}\!=\mathrm {e} ^{a}\!\cdot \mathrm {e} ^{b}}$ (и, значит, отображение ${\displaystyle {\biggl (}\!{\begin{aligned}\mathbb {C} ^{+}\!\!&\to \mathbb {C} ^{\times }\!\\a&\mapsto \mathrm {e} ^{a}\end{aligned}}\!{\biggr )}}$ — гомоморфизм групп).
  (2) Для любых ${\displaystyle \varphi \in \mathbb {R} }$ выполнено ${\displaystyle \mathrm {e} ^{\varphi \,\mathrm {i} }=\cos \varphi +\sin \varphi \,\mathrm {i} }$.

1.3.4  Тело кватернионов

• Кольцо кватернионов: ${\displaystyle \mathbb {H} =\{\alpha +\beta \,\mathrm {i} +\gamma \,\mathrm {j} +\delta \,\mathrm {k} \mid \alpha ,\beta ,\gamma ,\delta \in \mathbb {R} \}}$, где ${\displaystyle \mathrm {i} ^{2}=\mathrm {j} ^{2}=\mathrm {k} ^{2}=-1}$ и ${\displaystyle \mathrm {i} \,\mathrm {j} =-\mathrm {j} \,\mathrm {i} =\mathrm {k} }$, ${\displaystyle \mathrm {j} \,\mathrm {k} =-\mathrm {k} \,\mathrm {j} =\mathrm {i} }$, ${\displaystyle \mathrm {k} \,\mathrm {i} =-\mathrm {i} \,\mathrm {k} =\mathrm {j} }$.
• Скалярная (вещественная) и векторная (мнимая) части кватерниона: ${\displaystyle \mathrm {Re} (\alpha +\beta \,\mathrm {i} +\gamma \,\mathrm {j} +\delta \,\mathrm {k} )=\alpha }$ и ${\displaystyle \mathrm {Im} (\alpha +\beta \,\mathrm {i} +\gamma \,\mathrm {j} +\delta \,\mathrm {k} )=\beta \,\mathrm {i} +\gamma \,\mathrm {j} +\delta \,\mathrm {k} }$.
• Чистые кватернионы: ${\displaystyle \mathbb {H} _{\mathrm {vect} }=\{v\in \mathbb {H} \mid \mathrm {Re} (v)=0\}}$. Скалярное произвед.-е в ${\displaystyle \mathbb {H} _{\mathrm {vect} }}$: ${\displaystyle (v,v')}$, ${\displaystyle \|v\|=\!{\sqrt {(v,v)}}}$. Векторное произвед.-е в ${\displaystyle \mathbb {H} _{\mathrm {vect} }}$: ${\displaystyle v\times v'}$.
• Лемма об умножении кватернионов. Сопряжение: ${\displaystyle {\overline {a}}=\mathrm {Re} (a)-\mathrm {Im} (a)}$. Утверждение: ${\displaystyle a\in \mathbb {H} _{\mathrm {vect} }\Leftrightarrow \,{\overline {a}}=-a}$. Модуль: ${\displaystyle |a|=\!{\sqrt {\mathrm {Re} (a)^{2}+\|\mathrm {Im} (a)\|^{2}}}}$.

  Лемма об умножении кватернионов. Для любых ${\displaystyle \alpha ,\alpha '\in \mathbb {R} }$ и ${\displaystyle v,v'\in \mathbb {H} _{\mathrm {vect} }}$ выполнено ${\displaystyle (\alpha +v)(\alpha '+v')=(\alpha \alpha '-(v,v'))+(\alpha v'+\alpha 'v+v\times v')}$.

• Теорема о свойствах кватернионов.
  (1) Для любых ${\displaystyle a\in \mathbb {H} }$ выполнено ${\displaystyle a\,{\overline {a}}={\overline {a}}\,a=|a|^{2}}$ и, если ${\displaystyle a\neq 0}$, то ${\displaystyle a^{-1}\!=\!{\frac {\overline {a}}{|a|^{2}}}}$ (и, значит, ${\displaystyle \mathbb {H} }$ — тело).
  (2) Для любых ${\displaystyle a,b\in \mathbb {H} }$ выполнено ${\displaystyle {\overline {a+b}}={\overline {a}}+{\overline {b}}}$ и ${\displaystyle {\overline {a\,b}}={\overline {b}}\,{\overline {a}}}$ (и, значит, отображение ${\displaystyle {\biggl (}\!{\begin{aligned}\mathbb {H} &\to \mathbb {H} \\a&\mapsto {\overline {a}}\end{aligned}}\!{\biggr )}}$ — антиавтоморфизм тела ${\displaystyle \,\mathbb {H} }$).
  (3) Для любых ${\displaystyle a,b\in \mathbb {H} }$ выполнено ${\displaystyle |a\,b|=|a|\,|b|}$ (и, значит, отображение ${\displaystyle {\biggl (}\!{\begin{aligned}\mathbb {H} ^{\times }\!\!&\to \mathbb {R} _{>0}\!\\a&\mapsto |a|\end{aligned}}\!{\biggr )}}$ — гомоморфизм групп).
• Трехмерная сфера: ${\displaystyle \mathrm {S} ^{3}\!=\{g\in \mathbb {H} \mid |g|=1\}\triangleleft \mathbb {H} ^{\times }}$. Утверждение: пусть ${\displaystyle g,g'\in \mathrm {S} ^{3}}$; тогда ${\displaystyle \forall \,a\in \mathbb {H} \;{\bigl (}|g\,a\,g'|=|a|{\bigr )}}$ и ${\displaystyle \forall \,v\in \mathbb {H} _{\mathrm {vect} }\,{\bigl (}g\,v\,g^{-1}\in \mathbb {H} _{\mathrm {vect} }{\bigr )}}$.