Ciklikus csoport

Ciklikus csoporton a csoportelméletben olyan csoportot értünk, melyet egy elemének egész kitevős hatványai előállítanak.

A ciklikus csoportok a leginkább átlátható algebrai szerkezetű, legkezelhetőbb csoportok közé tartoznak. Az m elemű (m pozitív egész szám) ciklikus csoportok izomorfak a modulo m maradékosztályok additív csoportjával (ℤ_m={0, 1, …, m-1}-gyel), a végtelen elemszámú ciklikus csoportok pedig magával az egész számok additív csoportjával (ℤ illetve ℤ⁺). A véges csoportok osztályozásának elméletében nagy jelentősége van a ciklikus csoportoknak, mert minden prím elemszámú csoport ciklikus csoport, amikből minden véges Abel-csoport felépíthető.

A ciklikus csoportok Abel-csoportok, ezért additív jelöléssel is találkozhatunk.

Definíció

A ciklikus csoport definíciójának felírása előtt vissza kell utalnunk a csoportbeli egész kitevős hatványozás, illetve a generált részcsoport fogalmára.

Definíció. Azt mondjuk, hogy a (G, ${\displaystyle \cdot }$) csoport ciklikus, ha van olyan G-beli a elem, melyre

${\displaystyle G=\{a^{n}\mid n=0,\pm 1,\pm 2,...\}}$

Ekkor a-t a G (egyik) generátorelemének nevezzük.

Megjegyzés. A definíció egy ekvivalens megfogalmazása, hogy G akkor és csak akkor ciklikus, ha létezik olyan a eleme, hogy az a-t tartalmazó egyetlen G-beli részcsoport maga G, azaz létezik a ∈ G, hogy minden G-beli H részcsoportra

${\displaystyle a\in H\Rightarrow H=G.}$

Ebben az esetben tehát a generálja G-t, vagyis

${\displaystyle \left\langle a\right\rangle =G.}$

Világos, hogy

${\displaystyle \left\langle a\right\rangle =\lbrace a^{n}\mid n\in \mathbb {Z} \rbrace ,}$

ugyanis egyrészt a hatványozás csoportbeli azonosságainak felhasználásával belátható, hogy

${\displaystyle \forall \;b,c\!\in \!\{a^{n}\mid n\in \mathbb {Z} \}\;\;b\cdot c^{-1}\!\in \!\langle a\rangle }$

tehát

${\displaystyle \{a^{n}\mid n\in \mathbb {Z} \}}$

részcsoport G-ben, másrészt ez a legszűkebb a-t tartalmazó részcsoport, hiszen minden G-beli H részcsoport tartalmazza a és a⁻¹ összes nemnegatív egész kitevőjű hatványát.

Példák

1. Az egész számok halmaza az összeadásra nézve ciklikus csoportot alkot, mely egybeesik az egész számok gyűrűjének additív csoportjával, azaz ℤ⁺-szal. Ebben a csoportban generátorelem az 1 ∈ ℤ⁺ szám:

${\displaystyle \mathbb {Z} ^{+}=\{1\cdot n\mid n\in \mathbb {Z} \}}$

Hasonlóképpen generátorelem még a (-1) ∈ ℤ⁺ szám is.

Megjegyzés. Az 1${\displaystyle \cdot }$n jelölés additív, abban az értelemben, hogy a hatványozás szokásos csoportelméleti jelölése helyett (aⁿ) a + jelhez adekvát a + a + … + a = n${\displaystyle \cdot }$a, n tagú összeg alakjában szerepelnek a generált csoport elemeit.

2. Ha m nemnulla természetes szám, akkor a ℤ / mℤ faktorcsoport a + komplexusösszeggel ellátva ciklikus csoportot alkot. ℤ / mℤ (más jelöléssel ℤ_m) a modulo m maradékosztályok additív csoportja. Az mℤ komplexus az m-mel osztható egész számok részcsoportja, ℤ / mℤ pedig egyenlő az

${\displaystyle \{m\mathbb {Z} +r\mid \ r=0,1,...,m-1\}}$

mellékosztályok halmazával, ahol r = 0, 1, …, m-1 az m-mel való osztás maradéka (mℤ + r pedig a ℤ következő részhalmaza, vagy más néven komplexusa: {mq + r | q ∈ ℤ} )

3. Ha p prím, akkor ℤ_p nemnulla elemei ciklikus csoportot alkotnak a „maradékok” szorzásával, mint csoportművelettel ellátva. Ekkor a ℤ / pℤ faktorgyűrű multiplikatív része

${\displaystyle \mathbb {Z} _{p}^{*}=\mathbb {Z} _{p}\setminus \{0\}}$

éppen p-1 elemű, és generátoreleme bármely nem 1 elem. (Sőt, az is igaz, hogy ekkor ℤ_p egy p elemű véges, kommutatív test.)

4. Vegyük az n oldalú szabályos sokszög összes olyan saját magára történő leképezéseit, melyek megtartják a körüljárási irányt. Ezen leképezések ciklikus csoportot alkotnak a leképezések egymásutánjával, mint művelettel ellátva. A csoport elemszáma n, generátoreleme a 2π/n szögű elforgatás.

Minden ciklikus csoport izomorf vagy az egész számok, vagy a maradékosztályok additív csoportjával mod n, ahol n egész.

Elem rendje, ciklikus részcsoport rendje

A ciklikus csoportok esetén nagy jelentősége van az elemek rendjének.

Definíció: Ha G csoport, e a neutrális eleme és a ∈ G, akkor az a elem rendjének nevezzük azt a legkisebb pozitív egész k számot, melyre

${\displaystyle a^{k}=e\,}$.

Más megfogalmazásban ugyanez: elem rendje az elem által generált részcsoport rendje.

Az a elem rendjét ${\displaystyle o(a)\,}$-val jelöljük. Az ${\displaystyle o(a)\,}$ jelölés a „kis ordó” függvényből ered.

Szintén elterjedt jelölés az abszolútérték-jel is: |a|

Tulajdonságok

• A ciklikus csoportok Abel-csoportok.
• Egy ciklikus csoporthoz több elem lehet, amivel generálható. ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ generátorai +1 és –1; ${\displaystyle \mathbb {Z} /n\mathbb {Z} }$ generátorai a redukált maradékosztályok, vagyis az ${\displaystyle n}$-hez relatív prím maradékosztályok. Számuk megadható az Euler-féle φ-függvénnyel.
• Ha d osztója n-nek, akkor a d rendű elemek száma az n rendű csoportban:

${\displaystyle {\Big |}\{a\in \mathbb {Z} /n\mathbb {Z} |{\text{o}}(a)=d\}{\Big |}}$

Más elemrend nincs.

• Egy a elem rendje:

o(a) = n / legnagyobb közös osztó(n, a).

• Két ciklikus csoport direkt szorzata (additív jelölés esetén direkt összege) akkor és csak akkor lesz újra ciklikus, ha rendjeik relatív prímek. Ekkor a csoportok rendjei összeszorzódnak.
• Minden végesen generált Abel-csoport ciklikus csoportok direkt szorzata (vagy direkt összege).

Részcsoportok és faktorcsoportok

Ciklikus csoport összes részcsoportja és faktorcsoportja újra ciklikus. Példa: az m-mel osztható egész számok részcsoportja ${\displaystyle m\mathbb {Z} }$, ahol m természetes szám. Különböző m-ekre különbözőek ezek a csoportok, és m≠0 esetén izomorfak ${\displaystyle \mathbb {Z} }$-vel. Az ilyen csoporttal vett faktorcsoportok éppen a maradékosztályok csoportjai.

${\displaystyle \mathbb {Z} }$ részcsoportjainak hálója izomorf a természetes számok oszthatósági hálójának duálisával. ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ minden faktorcsoportja véges, kivéve a ${\displaystyle \mathbb {Z} /\{0\}}$ triviális faktorcsoportot.

A ${\displaystyle \mathbb {Z} /n\mathbb {Z} }$ csoportnak minden 0 < d osztója n-re van egy d rendű részcsoportja, amit az n/d elem generál: {kn/d | k=0, ..., d–1}. Minden d pozitív osztóra egy, és csak egy részcsoport létezik, és más részcsoport nincs. Ezért az n-rendű ciklikus csoport részcsoporthálója izomorf n oszthatósági hálójával.

Egy ciklikus csoport akkor és csak akkor egyszerű, ha rendje prímszám.

Algebrai tulajdonságok

Ha n természetes szám, akkor a ${\displaystyle (\mathbb {Z} /n\mathbb {Z} )^{*}}$ multiplikatív csoport akkor és csak akkor ciklikus, ha n 2, 4, p^k vagy 2p^k, ahol p páratlan prím, és k természetes szám. Ezeknek a generátorai a primitív gyökök modulo n.

Minden p prímre a ${\displaystyle (\mathbb {Z} /p\mathbb {Z} )^{*}}$ p–1-edrendű multiplikatív csoport ciklikus. Általában, minden véges test multiplikatív csoportja ciklikus.

Egy véges test véges testbővítéseinek Galois-csoportja véges ciklikus csoport. Megfordítva, minden véges K testhez és minden véges Galois-csoporthoz létezik L/K testbővítés, aminek Galois-csoportja éppen G.

Endomorfizmusok és automorfizmusok

Az n-edrendű ciklikus csoport endomorfizmusainak gyűrűje izomorf a ${\displaystyle \mathbb {Z} /n\mathbb {Z} }$ maradékosztály-gyűrűvel. Ebben az izomorfizmusban az r maradékosztály annak az izomorfizmusnak felel meg, ami minden elemet az r-edik hatványra emel. Következik, hogy az n-edrendű ciklikus csoport automorfizmuscsoportja izomorf a ${\displaystyle \mathbb {Z} /n\mathbb {Z} }$ gyűrű multiplikatív csoportjával. Ez a csoport azokból az elemekből áll, amik relatív prímek n-hez, ezért ez a csoport φ(n) rendű.

A ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ ciklikus csoport endomorfizmusainak gyűrűje izomorf a ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ gyűrűvel, automorfizmuscsoportja pedig izomorf a {+1, -1} egységcsoporttal, ami egy 2 rendű ciklikus csoport.

Ciklikus csoportok osztályozási tétele

A G ciklikus csoport esetén az

${\displaystyle exp_{g}:\mathbb {Z} \rightarrow G;\;n\mapsto g^{n}}$

leképezés szürjektív csoporthomomorfizmus ℤ⁺ és G között, amennyiben g a G csoport egy generátoreleme.

Állítás: Ha a G ciklikus csoport végtelen rendű, akkor tetszőleges g ∈ G esetén az exp_g leképezés ℤ⁺ ${\displaystyle \rightarrow }$ G izomorfizmus.

Ugyanis két tetszőleges egész szám közül a nem nagyobbat m-mel, a nem kisebbet n-nel jelölve, tegyük fel, hogy gⁿ = g^m. Szorozzunk be g^–m-mel: g^n–m = e. Vagyis g legfeljebb n–m-ed (nemnegatív szám) rendű elem, de g hatványai előállítják G-t, mely végtelen elemszámú, így n–m más véges szám nem lehet, csak 0, amiből n=m következik. exp_g tehát injektív.

Tétel (osztályozási tétel): A G ciklikus csoport izomorf

• ℤ-vel, ha végtelen rendű, és
• ℤ_m-mel, ha m-edrendű (m pozitív természetes szám).

További információk

• Alice és Bob - 24. rész: Alice és Bob komolyabb fegyverekhez nyúl
• Alice és Bob - 25. rész: Alice és Bob fontos párhuzamokat talál
• Alice és Bob - 26. rész: Alice és Bob átlépi a célvonalat

Források

• Kiss Emil: Bevezetés az absztrakt algebrába PDF, 171–180. o.