Mathematics · Boek 3 · Bachelor Year 1

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 1

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 1 · Bachelor Year 1

7Algebraïsche structuren

Steeds weer duiken dezelfde rekenregels op: bij de gehele getallen, de reële getallen, de complexe getallen, de congruentieklassen, en straks bij veeltermen (Hoofdstuk 8), vectoren en matrices (Hoofdstukken 18 en 21). De algebra haalt de gemeenschappelijke patronen eruit en geeft ze een naam: groep, ring, lichaam. Een feit één keer bewijzen, op het niveau van de structuur, bewijst het in één klap voor elk voorbeeld.

7.1 Bewerkingen

Definitie 7.1

Een bewerking op een verzameling EE is een afbeelding E×E→EE \times E \to E, genoteerd (x,y)↦x∗y(x, y) \mapsto x * y. Ze heet associatief wanneer steeds (x∗y)∗z=x∗(y∗z)(x*y)*z = x*(y*z), en commutatief wanneer steeds x∗y=y∗xx * y = y * x. Een element ee is een neutraal element wanneer e∗x=x∗e=xe * x = x * e = x voor alle xx; dan is x′x' een inverse van xx wanneer x∗x′=x′∗x=ex * x' = x' * x = e.

Propositie 7.2 (Uniciteit)

Een bewerking heeft hoogstens één neutraal element; bij een associatieve bewerking met neutraal element heeft elk element hoogstens één inverse.

Bewijs. Zijn ee en e′e' neutrale elementen, dan is e=e∗e′=e′e = e * e' = e'. Inverteren x′x' en x′′x'' allebei xx, dan is x′=x′∗e=x′∗(x∗x′′)=(x′∗x)∗x′′=e∗x′′=x′′x' = x' * e = x' * (x * x'') = (x' * x) * x'' = e * x'' = x''. ∎

7.2 Groepen

Definitie 7.3 (Groep)

Een groep (G,∗)(G, *) is een verzameling met een associatieve bewerking die een neutraal element bezit en waarin elk element een inverse heeft. De groep heet abels wanneer de bewerking commutatief is.

Voorbeeld 7.4

(Z,+)(\Z, +), (Q,+)(\Q, +), (R,+)(\R, +), (C,+)(\C, +); (Q∗,×)(\Q^*, \times), (R∗,×)(\R^*, \times), (C∗,×)(\C^*, \times), (Un,×)(\mathbb{U}_n, \times) (de eenheidswortels, Definitie 3.17); de verzameling S(E)\mathfrak{S}(E) van de bijecties van een verzameling EE op zichzelf, onder samenstelling — de symmetrische groep van EE, niet abels zodra ∣E∣≥3\abs E \geq 3. Geen groepen: (N,+)(\N, +) (geen inversen), (Z,×)(\Z, \times) (alleen ±1\pm 1 is inverteerbaar).

Propositie 7.5 (Rekenregels)

In een groep GG (multiplicatief genoteerd, met neutraal element ee) geldt:

  1. schrappen: ax=ay  ⟹  x=yax = ay \implies x = y en xa=ya  ⟹  x=yxa = ya \implies x = y;
  2. (ab)−1=b−1a−1(ab)^{-1} = b^{-1} a^{-1} en (a−1)−1=a(a^{-1})^{-1} = a;
  3. voor a,b∈Ga, b \in G heeft elk van de vergelijkingen ax=bax = b en xa=bxa = b precies één oplossing (x=a−1bx = a^{-1}b, respectievelijk x=ba−1x = b a^{-1}).

Bewijs. (1) Vermenigvuldig aan de juiste kant met a−1a^{-1} en gebruik de associativiteit. (2) (b−1a−1)(ab)=b−1(a−1a)b=b−1b=e(b^{-1}a^{-1})(ab) = b^{-1}(a^{-1}a)b = b^{-1}b = e, en symmetrisch; de uniciteit van de inverse maakt het af; het tweede punt is Propositie 7.2, toegepast op a−1a^{-1}. (3) Substitueer, en gebruik (1) voor de uniciteit. ∎

Voorbeeld 7.6 (De symmetrieën van een rechthoek)

Een rechthoek die geen vierkant is, laat precies vier isometrieën op zichzelf toe: de identiteit ee, de spiegeling hh in de horizontale as, de spiegeling vv in de verticale as, en de halve draai rr om het middelpunt. Samenstelling maakt van die verzameling met vier elementen een groep: elk element is zijn eigen inverse (h2=v2=r2=eh^2 = v^2 = r^2 = e), en het product van twee verschillende elementen ongelijk aan ee is het derde (hv=vh=rhv = vh = r: in beide assen spiegelen is de halve draai). De volledige tabel is symmetrisch, dus de groep is abels — en toch is het niet dezelfde groep als de draaiingen U4\mathbb U_4 van Voorbeeld 7.15: daar heeft i\iu orde 44, terwijl hier elk element orde ≤2\leq 2 heeft. Twee groepen van dezelfde grootte kunnen dus werkelijk verschillende vermenigvuldigingsstructuren hebben — de figuur hieronder zet beide tabellen naast elkaar. Deze groep met vier elementen keert terug als {±1}×{±1}\{\pm1\} \times \{\pm1\}, en Oefening 7.7 legt uit waarom elke groep waarin alle kwadraten triviaal zijn, net als deze, abels moet zijn.

Twee groepen met vier elementen: U_4 = \e, , -1, - \ (links) en de rechthoeksgroep (rechts), met de plaatsen van het neutrale element gearceerd. Links kronkelt het neutrale element (één element van orde 4 brengt alles voort); rechts vult het de diagonaal (elk element heeft kwadraat e). Geen enkele hernoeming maakt van de ene tabel de andere: de groepen zijn niet isomorf.
Twee groepen met vier elementen: U4={e,i,−1,−i}\mathbb U_4 = \{e, \iu, -1, -\iu\} (links) en de rechthoeksgroep (rechts), met de plaatsen van het neutrale element gearceerd. Links kronkelt het neutrale element (één element van orde 44 brengt alles voort); rechts vult het de diagonaal (elk element heeft kwadraat ee). Geen enkele hernoeming maakt van de ene tabel de andere: de groepen zijn niet isomorf.

Definitie 7.7 (Deelgroep)

Een deelverzameling HH van een groep GG heet een deelgroep (genoteerd H≤GH \leq G) wanneer ze ee bevat en stabiel is onder de bewerking en onder inverteren. Dan is HH zelf een groep.

Criterium: een niet-lege H⊆GH \subseteq G is een deelgroep dan en slechts dan als

∀x,y∈H,xy−1∈H.\forall x, y \in H, \quad x y^{-1} \in H .

Bewijs van het criterium. Een deelgroep voldoet er duidelijk aan. Omgekeerd, zij H≠∅H \neq \emptyset die eraan voldoet, en kies x0∈Hx_0 \in H. Dan is e=x0x0−1∈He = x_0 x_0^{-1} \in H; voor y∈Hy \in H is y−1=e y−1∈Hy^{-1} = e\,y^{-1} \in H; en voor x,y∈Hx, y \in H is xy=x(y−1)−1∈Hxy = x (y^{-1})^{-1} \in H. ∎

Voorbeeld 7.8

Un≤(C∗,×)\mathbb{U}_n \leq (\C^*, \times): niet-leeg, en voor z,w∈Unz, w \in \mathbb{U}_n is (zw−1)n=zn(wn)−1=1(zw^{-1})^n = z^n (w^n)^{-1} = 1. De deelgroepen van (Z,+)(\Z, +) zijn precies de nZn\Z (bewezen in Stelling 6.4). Een doorsnede van deelgroepen is altijd een deelgroep, maar een vereniging vrijwel nooit (Oefening 7.6).

Opmerking 7.9 (Veelgemaakte fouten met structuren)

  1. Stabiliteit onder de bewerking volstaat niet. N\N is binnen Z\Z stabiel onder optellen en bevat 00, en is toch geen deelgroep: de inversen ontbreken. Het criterium xy−1∈Hxy^{-1} \in H toetst alles in één keer — maar pas nadat je H≠∅H \neq \emptyset hebt nagegaan.
  2. Niet-abelse reflexen. In een algemene groep is (ab)2=abab(ab)^2 = abab, wat alleen a2b2a^2b^2 is wanneer aa en bb commuteren; evenzo is (ab)−1=b−1a−1(ab)^{-1} = b^{-1}a^{-1}, met omgekeerde volgorde. Elke identiteit die je van de schoolalgebra meebrengt moet je opnieuw uit de axioma’s afleiden of als commutatief markeren.
  3. Kern tegenover beeld. ker⁡f\ker f leeft in het domein, im⁡f\operatorname{im} f in het doel; “ff is injectief precies wanneer ker⁡f\ker f triviaal is” (Propositie 7.11) heeft geen tegenhanger met het beeld (im⁡f=G′\operatorname{im} f = G' is de surjectiviteit).
  4. Ringen zijn geen groepen voor ×\times. In een ring hoeven de meeste elementen niet inverteerbaar te zijn, en schrappen met aa vergt dat aa een eenheid is of dat de ring een integriteitsdomein is: in Z/12Z\Z/12\Z is 3‾ 2‾=3‾ 6‾\overline3\,\overline2 = \overline3\,\overline6 terwijl 2‾≠6‾\overline2 \neq \overline6 (Voorbeeld 7.27).

Definitie 7.10 (Groepsmorfisme)

Zij (G,∗)(G, *) en (G′,⋆)(G', \star) groepen. Een afbeelding f ⁣:G→G′f \colon G \to G' heet een morfisme wanneer

∀x,y∈G,f(x∗y)=f(x)⋆f(y).\forall x, y \in G, \qquad f(x * y) = f(x) \star f(y).

Dan is f(eG)=eG′f(e_G) = e_{G'} en f(x−1)=f(x)−1f(x^{-1}) = f(x)^{-1}. De kern en het beeld van ff zijn

ker⁡f=f−1({eG′})≤G,im⁡f=f(G)≤G′.\ker f = f^{-1}(\{e_{G'}\}) \leq G, \qquad \operatorname{im} f = f(G) \leq G' .

Een bijectief morfisme heet een isomorfisme; zijn inverse afbeelding is dan automatisch een morfisme.

Bewijs van de beweringen. f(e)=f(e∗e)=f(e)⋆f(e)f(e) = f(e * e) = f(e)\star f(e), en f(e)f(e) schrappen geeft eG′=f(e)e_{G'} = f(e). Vervolgens wijst f(x)⋆f(x−1)=f(xx−1)=eG′f(x)\star f(x^{-1}) = f(x x^{-1}) = e_{G'} het element f(x−1)f(x^{-1}) als de inverse aan. Kern: e∈ker⁡fe \in \ker f; zijn x,y∈ker⁡fx, y \in \ker f, dan is f(xy−1)=f(x)f(y)−1=ef(xy^{-1}) = f(x)f(y)^{-1} = e; het criterium is van toepassing. Beeld: hetzelfde criterium met f(x)f(y)−1=f(xy−1)f(x)f(y)^{-1} = f(xy^{-1}). Inverse van een isomorfisme: schrijf voor u,v∈G′u, v \in G' de elementen u=f(x)u = f(x) en v=f(y)v = f(y); dan is f−1(u⋆v)=f−1(f(xy))=xy=f−1(u)f−1(v)f^{-1}(u \star v) = f^{-1}(f(xy)) = xy = f^{-1}(u) f^{-1}(v). ∎

Propositie 7.11 (Injectiviteit via de kern)

Een groepsmorfisme ff is injectief dan en slechts dan als ker⁡f={e}\ker f = \{e\}.

Bewijs. Is ff injectief, dan kan ker⁡f\ker f alleen het ene origineel van eG′e_{G'} bevatten, en dat is ee. Omgekeerd, is ker⁡f={e}\ker f = \{e\} en f(x)=f(y)f(x) = f(y), dan is f(xy−1)=f(x)f(y)−1=eG′f(xy^{-1}) = f(x) f(y)^{-1} = e_{G'}, dus xy−1=exy^{-1} = e, oftewel x=yx = y. ∎

Voorbeeld 7.12

exp⁡ ⁣:(R,+)→(R+∗,×)\exp \colon (\R, +) \to (\R_+^*, \times) is een morfisme (ex+y=exey\eu^{x+y} = \eu^x \eu^y) en bijectief (Propositie 4.1): de additieve en de multiplicatieve structuur zijn isomorf — de historische bestaansreden van de logaritmen. Nog een morfisme: θ↦eiθ\theta \mapsto \eu^{\iu\theta} van (R,+)(\R, +) op de eenheidscirkel (U,×)(\mathbb{U}, \times), met kern 2πZ2\pi\Z.

Voorbeeld 7.13 (Het tekenmorfisme)

De afbeelding s ⁣:(R∗,×)→({±1},×)s \colon (\R^*, \times) \to (\{\pm1\}, \times) die xx naar zijn teken stuurt is een morfisme: het teken van een product is het product van de tekens. Haar kern is (0, +∞)\intoo0{+\infty} (een deelgroep, zoals Definitie 7.10 belooft), haar beeld heel {±1}\{\pm1\}: surjectief, en massaal niet-injectief. Twee algemene lessen in het klein. Ten eerste kan een morfisme informatie vermorzelen: ss onthoudt van xx niets dan één bit, en dat is juist haar deugd — argumenten met tekens zijn precies de berekeningen die door ss heen factoriseren. Ten tweede zijn morfismen naar {±1}\{\pm1\} de eenvoudigste “invarianten”: de signatuur van permutaties, opgebouwd in de weekendopgave van dit hoofdstuk, is hetzelfde verschijnsel op de groep Sn\mathfrak S_n, en alle pariteitsargumenten die zij aandrijft dalen door zo’n tweewaardig morfisme af.

Definitie 7.14 (Machten, orde van een element)

Zet in een groep GG (multiplicatieve notatie) x0=ex^0 = e, xk+1=xkxx^{k+1} = x^k x en x−k=(xk)−1x^{-k} = (x^k)^{-1} voor k∈Nk \in \N; dan is xk+l=xkxlx^{k+l} = x^k x^l voor alle k,l∈Zk, l \in \Z, zodat k↦xkk \mapsto x^k een morfisme (Z,+)→G(\Z, +) \to G is waarvan het beeld ⟨x⟩={xk:k∈Z}\langle x \rangle = \{x^k : k \in \Z\} een deelgroep is, de deelgroep voortgebracht door xx. De orde van xx is de kleinste m≥1m \geq 1 met xm=ex^m = e als die bestaat (dan heeft ⟨x⟩={e,x,…,xm−1}\langle x\rangle = \{e, x, \dots, x^{m-1}\} precies mm elementen, en is xk=e  ⟺  m∣kx^k = e \iff m \mid k), en anders ∞\infty.

Voorbeeld 7.15

In (C∗,×)(\C^*, \times) heeft i\iu orde 44, met ⟨i⟩={1,i,−1,−i}=U4\langle \iu \rangle = \{1, \iu, -1, -\iu\} = \mathbb{U}_4; algemener heeft ω=e2iπ/n\omega = \eu^{2\iu\pi/n} orde nn met ⟨ω⟩=Un\langle\omega\rangle = \mathbb{U}_n. In (Z,+)(\Z, +) heeft elke x≠0x \neq 0 oneindige orde. Waarom de beweringen in de definitie kloppen: heeft xx orde mm, deel dan een willekeurige kk door mm (k=mq+rk = mq + r met 0≤r<m0 \leq r < m, Stelling 6.2): dan is xk=(xm)qxr=xrx^k = (x^m)^q x^r = x^r, zodat de machten met periode mm rondgaan; de opgesomde elementen zijn twee aan twee verschillend wegens de minimaliteit van mm, en xk=ex^k = e dwingt r=0r = 0 af. De ordes van permutaties worden in de weekendopgave hieronder berekend.

Voorbeeld 7.16 (Ordes binnen U12\mathbb U_{12})

Wat is de orde van ωk\omega^k in Un\mathbb U_n, met ω=e2iπ/n\omega = \eu^{2\iu\pi/n}? Er geldt (ωk)m=1(\omega^k)^m = 1 precies wanneer n∣kmn \mid km, en met d=gcd⁡(n,k)d = \gcd(n, k), n=dn′n = dn', k=dk′k = dk' en gcd⁡(n′,k′)=1\gcd(n', k') = 1 is n∣km  ⟺  n′∣k′m  ⟺  n′∣mn \mid km \iff n' \mid k'm \iff n' \mid m (lemma van Gauss, Stelling 6.8). De kleinste zulke m≥1m \geq 1 is n′=ngcd⁡(n,k)n' = \frac{n}{\gcd(n,k)}. In U12\mathbb U_{12} bijvoorbeeld heeft ω8\omega^8 orde 12gcd⁡(12,8)=3\frac{12}{\gcd(12,8)} = 3 (inderdaad is ω8=e4iπ/3∈U3\omega^8 = \eu^{4\iu\pi/3} \in \mathbb U_3), terwijl ω5\omega^5 orde 1212 heeft: die brengt de hele groep voort, hoewel het niet de “standaard” voortbrenger is. De voortbrengers tellen — de kk met gcd⁡(k,n)=1\gcd(k, n) = 1 — geeft de tellingen van relatief prieme getallen uit Voorbeeld 2.25 terug: groepentheorie en telkunde ontmoeten elkaar.

7.3 Ringen en lichamen

Definitie 7.17 (Ring)

Een ring (A,+,×)(A, +, \times) is een verzameling met twee bewerkingen zó dat (A,+)(A, +) een abelse groep is (met neutraal element 00), ×\times associatief is met een neutraal element 11, en ×\times aan beide zijden distribueert over ++. De ring heet commutatief wanneer ×\times dat is. Een element aa heet inverteerbaar (een eenheid) wanneer ab=ba=1ab = ba = 1 voor een zekere bb; de eenheden vormen een groep (A×,×)(A^\times, \times).

Bewijs dat de eenheden een groep vormen. Stabiliteit: zijn a,a′a, a' eenheden met inversen b,b′b, b', dan is

(aa′)(b′b)=a(a′b′)b=a 1 b=ab=1,(b′b)(aa′)=1(aa')(b'b) = a(a'b')b = a\,1\,b = ab = 1, \qquad (b'b)(aa') = 1

symmetrisch, dus is aa′aa' een eenheid. Het element 11 is een eenheid (zijn eigen inverse), de associativiteit wordt van AA overgeërfd, en de inverse bb van een eenheid aa is zelf een eenheid (met inverse aa). Dus voldoet (A×,×)(A^\times, \times) aan alle groepsaxioma’s. Elke groep in dit boek die niet uit permutaties is opgebouwd, ontstaat op deze manier: Q∗=Q×\Q^* = \Q^\times, R∗\R^*, C∗\C^*, de eenheden van Z/nZ\Z/n\Z hieronder, en later de inverteerbare matrices (Hoofdstuk 21). ∎

Voorbeeld 7.18

Z,Q,R,C\Z, \Q, \R, \C zijn commutatieve ringen; Z×={1,−1}\Z^\times = \{1, -1\} en Q×=Q∗\Q^\times = \Q^*. Later: veeltermringen K[X]K[X] (Hoofdstuk 8), matrixringen (niet-commutatief, Hoofdstuk 21), en Z/nZ\Z/n\Z hieronder. In elke ring is 0×a=00 \times a = 0 (uit de distributiviteit: 0a=(0+0)a=0a+0a0a = (0+0)a = 0a + 0a) en (−1)a=−a(-1)a = -a.

Voorbeeld 7.19 (Idempotenten: nieuwe verschijnselen in nieuwe ringen)

In Z\Z heeft de vergelijking x2=xx^2 = x, oftewel x(x−1)=0x(x - 1) = 0, alleen de oplossingen 00 en 11. In Z/6Z\Z/6\Z geeft het aflopen van alle klassen: 0‾2=0‾\overline0^2 = \overline0, 1‾2=1‾\overline1^2 = \overline1, 3‾2=9‾=3‾\overline3^2 = \overline9 = \overline3 en 4‾2=16‾=4‾\overline4^2 = \overline{16} = \overline4 — vier idempotenten. De twee exotische komen van nuldelers: 3‾ (3‾−1‾)=3‾×2‾=6‾=0‾\overline3\,(\overline3 - \overline1) = \overline3 \times \overline2 = \overline6 = \overline0, terwijl geen van beide factoren nul is. Zulke berekeningen ijken je instinct: vertrouwde feiten over vergelijkingen overleven in integriteitsdomeinen en lichamen, maar een algemene ring kan zich anders gedragen, en doet dat ook — zie ook de booleaanse ringen van Oefening 7.10, waar elk element idempotent is.

Propositie 7.20 (Binomium in een commutatieve ring)

Zijn a,ba, b elementen van een commutatieve ring (algemener: geldt ab=baab = ba), dan is voor n∈Nn \in \N

(a+b)n=∑k=0n(nk)akbn−k,an−bn=(a−b)∑k=0n−1akb n−1−k.(a+b)^n = \sum_{k=0}^n \binom nk a^k b^{n-k}, \qquad a^n - b^n = (a - b) \sum_{k=0}^{n-1} a^k b^{\,n-1-k} .

Bewijs. De bewijzen van Stelling 2.16 en van de meetkundige identiteit gebruiken alleen de associativiteit, de commutativiteit van de twee elementen en de distributiviteit — ze gelden letterlijk. ∎

Voorbeeld 7.21 (Het binomium in een ongewone ring)

Twee snelle opbrengsten van de algemeenheid. In Z/pZ\Z/p\Z (pp priem) verdwijnen de middelste binomiaalcoëfficiënten (de eerste stap van Stelling 6.23), zodat de stelling instort tot de droom van de eerstejaars

(a+b)p=ap+bpin Z/pZ,(a + b)^p = a^p + b^p \qquad \text{in } \Z/p\Z ,

daar een echte identiteit, hoe misdadig ze over R\R ook oogt. En in elke commutatieve ring met een element ε\varepsilon waarvoor ε2=0\varepsilon^2 = 0, knot de stelling af: (a+ε)n=an+n an−1ε(a + \varepsilon)^n = a^n + n\,a^{n-1}\varepsilon, want alle hogere termen dragen een factor ε2=0\varepsilon^2 = 0. De coëfficiënt n an−1n\,a^{n-1} van ε\varepsilon is de afgeleide van xnx^n — geen toeval, en een eerste aanwijzing dat afgeleiden evenzeer algebra als analyse zijn (vergelijk de formele afgeleide van Hoofdstuk 8).

Definitie 7.22 (Integriteitsdomein, lichaam)

Een commutatieve ring A≠{0}A \neq \{0\} heet een integriteitsdomein wanneer ze geen nuldelers heeft: ab=0  ⟹  a=0ab = 0 \implies a = 0 of b=0b = 0. Ze heet een lichaam wanneer elk element ongelijk aan nul inverteerbaar is. Elk lichaam is een integriteitsdomein (uit ab=0ab = 0 en a≠0a \neq 0 volgt b=a−1ab=0b = a^{-1}ab = 0).

Voorbeeld 7.23

Q\Q, R\R en C\C zijn lichamen; Z\Z is een integriteitsdomein maar geen lichaam. In een integriteitsdomein mag je schrappen bij ×\times: uit ab=acab = ac en a≠0a \neq 0 volgt b=cb = c.

7.4 De ring Z/nZ\Z/n\Z

Definitie 7.24

Leg n∈N∗n \in \N^* vast. De congruentieklassen modulo nn (Voorbeeld 1.32) vormen een verzameling Z/nZ\Z/n\Z met nn elementen, genoteerd 0‾,1‾,…,n−1‾\overline 0, \overline 1, \dots, \overline{n-1}. De bewerkingen

a‾+b‾=a+b‾,a‾×b‾=ab‾\overline a + \overline b = \overline{a + b}, \qquad \overline a \times \overline b = \overline{ab}

zijn welgedefinieerd — de klassen van de resultaten hangen niet van de vertegenwoordigers af, juist omdat de congruentie verenigbaar is met ++ en ×\times (Definitie 6.18) — en maken van Z/nZ\Z/n\Z een commutatieve ring.

Stelling 7.25 (Eenheden van Z/nZ\Z/n\Z; de lichamen Z/pZ\Z/p\Z)

  1. a‾\overline a is inverteerbaar in Z/nZ\Z/n\Z dan en slechts dan als gcd⁡(a,n)=1\gcd(a, n) = 1.
  2. Z/nZ\Z/n\Z is een lichaam dan en slechts dan als nn priem is.

Bewijs. (1) is Propositie 6.20, herschreven met klassen.

(2) Is n=pn = p priem, dan geldt voor elke a‾≠0‾\overline a \neq \overline 0 dat p∤ap \nmid a, dus gcd⁡(a,p)=1\gcd(a, p) = 1: inverteerbaar volgens (1) — een lichaam. Is n=abn = ab met 1<a,b<n1 < a, b < n, dan is a‾ b‾=n‾=0‾\overline a\, \overline b = \overline n = \overline 0 met a‾,b‾≠0‾\overline a, \overline b \neq \overline 0: nuldelers, dus zelfs geen integriteitsdomein; en n=1n = 1 geeft de nulring, die uitgesloten is. ∎

Voorbeeld 7.26 (Hoeveel vierkantswortels van 11?)

Los x2=1‾x^2 = \overline 1 op in Z/8Z\Z/8\Z en in Z/7Z\Z/7\Z. De acht klassen modulo 88 aflopen: 12=11^2 = 1, 32=9≡13^2 = 9 \equiv 1, 52=25≡15^2 = 25 \equiv 1, 72=49≡17^2 = 49 \equiv 1 — vier oplossingen {1‾,3‾,5‾,7‾}\{\overline1, \overline3, \overline5, \overline7\}, hoewel de veelterm X2−1X^2 - 1 graad 22 heeft. In het lichaam Z/7Z\Z/7\Z daarentegen betekent x2=1‾x^2 = \overline1 dat (x−1‾)(x+1‾)=0‾(x - \overline1)(x + \overline1) = \overline0, en een lichaam heeft geen nuldelers: x=±1‾x = \pm\overline1, slechts twee oplossingen. Het falen modulo 88 is na te speuren: (3−1)(3+1)=2×4=8≡0(3-1)(3+1) = 2 \times 4 = 8 \equiv 0 zonder dat een van beide factoren nul wordt. Moraal: de vertrouwde regel “een vergelijking van graad dd heeft hoogstens dd wortels” is een stelling over integriteitsdomeinen (Gevolg 8.8 bewijst haar over lichamen); in ringen met nuldelers faalt ze stilzwijgend — en precies daarom had het koppelbewijs van de stelling van Wilson (Oefening 6.11) een priem pp nodig.

Voorbeeld 7.27 (Rekenen in Z/nZ\Z/n\Z)

In Z/12Z\Z/12\Z zijn de eenheden 1‾,5‾,7‾,11‾\overline 1, \overline 5, \overline 7, \overline{11} (de klassen die relatief priem zijn met 1212), en elk is zijn eigen inverse (52=25≡15^2 = 25 \equiv 1, 72=49≡17^2 = 49 \equiv 1, 112=121≡111^2 = 121 \equiv 1). De vergelijking 3‾ x=6‾\overline 3\, x = \overline 6 heeft drie oplossingen (x∈{2‾,6‾,10‾}x \in \{\overline 2, \overline 6, \overline{10}\}): zonder inverteerbaarheid mag je niet schrappen. In Z/11Z\Z/11\Z daarentegen heeft elke vergelijking a‾x=b‾\overline a x = \overline b met a‾≠0‾\overline a \neq \overline 0 precies één oplossing.

Voorbeeld 7.28 (De groepsaxioma’s als oplosvergunning)

Los in de groep ((Z/7Z)∗,×)\bigl((\Z/7\Z)^*, \times\bigr) de vergelijking 3‾ x=5‾\overline 3\,x = \overline 5 op. Volgens Propositie 7.5 (3) bestaat de oplossing, is ze uniek en is ze gelijk aan 3‾−1 5‾\overline3^{-1}\, \overline5; omdat 3‾×5‾=15‾=1‾\overline3 \times \overline5 = \overline{15} = \overline1, is de inverse van 3‾\overline 3 gelijk aan 5‾\overline 5, zodat

x=5‾×5‾=25‾=4‾,controle: 3‾×4‾=12‾=5‾.x = \overline5 \times \overline5 = \overline{25} = \overline4, \qquad\text{controle: } \overline3 \times \overline4 = \overline{12} = \overline5 .

Het gaat minder om het antwoord dan om de garantie: in een groep is elke zulke vergelijking al vóór enige berekening op precies één manier oplosbaar, zodat een oplosprocedure nooit op “geen oplossing” of “meerdere” kan stuiten. Vergelijk 3‾ x=6‾\overline3\,x = \overline6 in Z/12Z\Z/12\Z hierboven, waar die garantie faalt — weten in welke structuur je zit, is weten wat je als vanzelfsprekend mag aannemen.

Voorbeeld 7.29 (Directe producten)

Zijn GG en HH groepen, dan is de productverzameling G×HG \times H met de componentsgewijze bewerking (g,h)(g′,h′)=(gg′,hh′)(g, h)(g', h') = (gg', hh') een groep: de axioma’s ga je coördinaat voor coördinaat na, met neutraal element (eG,eH)(e_G, e_H) en inversen (g−1,h−1)(g^{-1}, h^{-1}). Ordes combineren via het kgv: (g,h)m=(gm,hm)(g, h)^m = (g^m, h^m) is het neutrale element precies wanneer de orde van gg en die van hh beide mm delen. Zo heeft in Z/2Z×Z/2Z\Z/2\Z \times \Z/2\Z (additief) elk element ongelijk aan nul orde 22 — dat is precies de rechthoeksgroep van Voorbeeld 7.6 in coördinaten — terwijl Z/4Z\Z/4\Z een element van orde 44 bezit: een tweede, rekenvrij bewijs dat de twee groepen van grootte 44 niet isomorf zijn (een isomorfisme bewaart ordes). Producten zijn de makkelijkste manier om uit oude groepen nieuwe te maken, en het vlak R2=R×R\R^2 = \R \times \R van Hoofdstuk 18 is het belangrijkste geval van die constructie.

Opmerking 7.30 (Fermat, structureel bekeken)

In het lichaam Z/pZ\Z/p\Z vormen de klassen ongelijk aan nul een multiplicatieve groep met p−1p - 1 elementen, en de kleine stelling van Fermat (Stelling 6.23) zegt: elk element xx van die groep voldoet aan xp−1=1‾x^{p-1} = \overline 1. Dat is een geval van een algemeen feit over eindige groepen (de stelling van Lagrange), bewezen in het tweede jaar; het koppelbewijs van de stelling van Wilson (Oefening 6.11) had die groepentheoretische smaak al.

Opmerking 7.31 (Tussenspel: wat abstractie oplevert)

Je mag je afvragen wat er gewonnen werd door bijvoorbeeld Propositie 7.2 voor een abstracte bewerking te bewijzen in plaats van voor getallen. Het antwoord luidt: hefboomwerking. Dat argument van twee regels dekt nu in één klap: inversen van functies onder samenstelling (Stelling 1.24, waarvan het uniciteitsbewijs het woord voor woord herhaalt), inversen modulo nn (Propositie 6.20), inversen van reële getallen ongelijk aan nul, eenheden in elke ring, en — ongezien — de inverteerbare matrices van Hoofdstuk 21, waar de uniciteit van A−1A^{-1} geen enkele regel bewijs meer zal vergen. Dezelfde zuinigheid geldt voor Propositie 7.11 (één injectiviteitscriterium, hergebruikt voor lineaire afbeeldingen in Hoofdstuk 20) en voor het deelgroepcriterium. Abstractie is hier geen algemeenheid om de algemeenheid: het is de weigering hetzelfde lemma vijfmaal onder vijf namen te bewijzen. De prijs — bijhouden welke axioma’s elke uitspraak werkelijk gebruikte — is precies wat de oefeningen van dit hoofdstuk trainen.

Opmerking 7.32 (Waar dit hoofdstuk gebruikt wordt)

Het vocabulaire van dit hoofdstuk is de grammatica van de rest van het volume. Ringen en lichamen ordenen Hoofdstuk 8 (K[X]K[X] is een ring die Z\Z nabootst) en Hoofdstuk 9 (K(X)K(X) is haar breukenlichaam); vectorruimten (Hoofdstuk 18) zijn abelse groepen waarop een lichaam werkt; matrices (Hoofdstuk 21) vormen de eerste serieus niet-commutatieve ring van het volume, en hun inverteerbare elementen een groep waarvan de studie de lineaire algebra zelf is. Morfismen en kernen keren terug als lineaire afbeeldingen en kernen in Hoofdstuk 20 — Propositie 7.11 is het injectiviteitscriterium van dat hoofdstuk, hier eens en voor altijd bewezen. De symmetrische groep, de ster van de weekendopgave hieronder, levert de signatuur waarop de determinanten in Hoofdstuk 22 gebouwd worden.

7.5 Oefeningen

Oefening 7.1 ★

Definieer op E=R∖{1}E = \R \setminus \{1\} de bewerking x∗y=x+y−xyx * y = x + y - xy. Bewijs dat (E,∗)(E, *) een abelse groep is. (Wijs het neutrale element en de inverse van xx aan; ga de stabiliteit na: waarom is x∗y≠1x * y \neq 1?)

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.1.

Stabiliteit: x∗y=1  ⟺  x+y−xy=1  ⟺  (1−x)(1−y)=0x * y = 1 \iff x + y - xy = 1 \iff (1-x)(1-y) = 0, onmogelijk voor x,y≠1x, y \neq 1. De sleutelidentiteit is namelijk

1−x∗y=(1−x)(1−y):1 - x * y = (1 - x)(1 - y):

de afbeelding φ(x)=1−x\varphi(x) = 1 - x stuurt (E,∗)(E, *) naar (R∗,×)(\R^*, \times) met φ(x∗y)=φ(x)φ(y)\varphi(x * y) = \varphi(x)\varphi(y) — een bijectief morfisme. Alle axioma’s reizen nu mee: de associativiteit en de commutativiteit volgen uit die van ×\times; het neutrale element is φ−1(1)=0\varphi^{-1}(1) = 0 (controle: x∗0=xx * 0 = x); de inverse van xx is φ−1((1−x)−1)=1−11−x=xx−1\varphi^{-1}\bigl((1-x)^{-1}\bigr) = 1 - \frac{1}{1-x} = \frac{x}{x - 1} (en die is ≠1\neq 1). Dus is (E,∗)(E, *) een abelse groep.

Oefening 7.2 ★

Welke van de volgende zijn groepen?

  1. ((0, +∞),×)(\intoo{0}{+\infty}, \times);
  2. ({−1,0,1},+)(\{-1, 0, 1\}, +);
  3. (Q∗,×)(\Q^*, \times);
  4. de verzameling van de oneven gehele getallen onder optelling.
Oplossing

Oplossing van Oefening 7.2.

  1. Ja: een product van positieve getallen is positief, het neutrale element is 11, de inverse 1x\frac 1x, en de associativiteit wordt van R∗\R^* overgeërfd.
  2. Nee: niet stabiel (1+1=2∉{−1,0,1}1 + 1 = 2 \notin \{-1,0,1\}).
  3. Ja: het standaardvoorbeeld.
  4. Nee: niet stabiel (oneven ++ oneven == even), en geen neutraal element (00 is even).

Oefening 7.3 ★

Schrijf de samenstellingstabel van de symmetrische groep S3\mathfrak{S}_3 van {1,2,3}\{1,2,3\} op (zes bijecties: de identiteit, drie transposities en twee 33-cykels), en wijs twee elementen aan die niet commuteren.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.3.

Noteer id\mathrm{id}, de transposities τ12,τ13,τ23\tau_{12}, \tau_{13}, \tau_{23} (die de twee genoemde punten verwisselen), en de cykels c=(1 2 3)c = (1\,2\,3) (dus 1↦2↦3↦11 \mapsto 2 \mapsto 3 \mapsto 1) en c2=(1 3 2)c^2 = (1\,3\,2). De tabel van σρ\sigma\rho (rij σ\sigma, kolom ρ\rho, met ρ\rho eerst toegepast):

σ\ρ\sigma\backslash\rhoid\mathrm{id}ccc2c^2τ12\tau_{12}τ13\tau_{13}τ23\tau_{23}
id\mathrm{id}id\mathrm{id}ccc2c^2τ12\tau_{12}τ13\tau_{13}τ23\tau_{23}
ccccc2c^2id\mathrm{id}τ13\tau_{13}τ23\tau_{23}τ12\tau_{12}
c2c^2c2c^2id\mathrm{id}ccτ23\tau_{23}τ12\tau_{12}τ13\tau_{13}
τ12\tau_{12}τ12\tau_{12}τ23\tau_{23}τ13\tau_{13}id\mathrm{id}c2c^2cc
τ13\tau_{13}τ13\tau_{13}τ12\tau_{12}τ23\tau_{23}ccid\mathrm{id}c2c^2
τ23\tau_{23}τ23\tau_{23}τ13\tau_{13}τ12\tau_{12}c2c^2ccid\mathrm{id}

Een paar dat niet commuteert: τ12τ13=c2\tau_{12}\tau_{13} = c^2 terwijl τ13τ12=c\tau_{13}\tau_{12} = c. (Eén element ter controle: τ12τ13\tau_{12}\tau_{13} stuurt 1↦τ133↦τ1231 \xmapsto{\tau_{13}} 3 \xmapsto{\tau_{12}} 3, 3↦1↦23 \mapsto 1 \mapsto 2, 2↦2↦12 \mapsto 2 \mapsto 1: dat is 1↦3↦2↦11 \mapsto 3 \mapsto 2 \mapsto 1, de cykel c2=(1 3 2)c^2 = (1\,3\,2).)

Oefening 7.4 ★

Bewijs dat H={z∈C∗:∣z∣=1}H = \{z \in \C^* : \abs z = 1\} een deelgroep van (C∗,×)(\C^*, \times) is, en dat R+∗\R_+^* er nog een is; is H∪R+∗H \cup \R_+^* een deelgroep?

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.4.

HH: er is 1∈H1 \in H, en voor z,w∈Hz, w \in H is ∣zw−1∣=∣z∣/∣w∣=1\abs{zw^{-1}} = \abs z / \abs w = 1: het criterium is van toepassing. R+∗\R_+^*: net zo, met positiviteit in de plaats van ∣xy−1∣\abs{xy^{-1}}. Vereniging: i∈H\iu \in H en 2∈R+∗2 \in \R_+^*, maar 2i2\iu heeft modulus 2≠12 \neq 1 en is geen positief reëel getal: 2i∉H∪R+∗2\iu \notin H \cup \R_+^*, dus de vereniging is niet stabiel — geen deelgroep (zoals Oefening 7.6 voorspelt: geen van beide deelgroepen bevat de andere).

Oefening 7.5 ★★

Zij f ⁣:(R,+)→(C∗,×)f \colon (\R, +) \to (\C^*, \times), θ↦eiθ\theta \mapsto \eu^{\iu\theta}. Bewijs dat ff een morfisme is, bereken ker⁡f\ker f en im⁡f\operatorname{im} f, en leid uit Propositie 7.11 af dat ff niet injectief is. Beperk het domein zó dat ze injectief wordt op een zo groot mogelijk interval.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.5.

Morfisme: ei(θ+φ)=eiθeiφ\eu^{\iu(\theta + \varphi)} = \eu^{\iu\theta}\eu^{\iu\varphi} (Stelling 3.7). Kern: eiθ=1  ⟺  θ∈2πZ\eu^{\iu\theta} = 1 \iff \theta \in 2\pi\Z, dus ker⁡f=2πZ≠{0}\ker f = 2\pi\Z \neq \{0\}: niet injectief. Beeld: elk complex getal van modulus 11 is eiθ\eu^{\iu\theta} voor een zekere θ\theta (poolvorm), dus im⁡f=U\operatorname{im} f = \mathbb{U}, de eenheidscirkel. De beperking van ff tot een halfopen interval van lengte 2π2\pi, zoals [0, 2π)\intco{0}{2\pi} of (−π, π]\intoc{-\pi}{\pi}, is injectief (twee hoeken met hetzelfde beeld verschillen een veelvoud van 2π2\pi, en per klasse past er precies één vertegenwoordiger in het interval); geen enkel langer interval voldoet, want dat bevat twee punten op afstand 2π2\pi.

Oefening 7.6 ★★

Zij H,KH, K deelgroepen van GG. Bewijs dat H∩KH \cap K een deelgroep is, en dat H∪KH \cup K alleen een deelgroep is wanneer H⊆KH \subseteq K of K⊆HK \subseteq H. (Als h∈H∖Kh \in H \setminus K en k∈K∖Hk \in K \setminus H, waar kan hkhk dan leven?)

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.6.

Doorsnede: e∈H∩Ke \in H \cap K, en voor x,y∈H∩Kx, y \in H \cap K ligt xy−1xy^{-1} zowel in HH als in KK. Vereniging: is H⊆KH \subseteq K, dan is de vereniging KK, een deelgroep (en symmetrisch). Omgekeerd, stel dat geen van beide inclusies geldt: kies h∈H∖Kh \in H \setminus K en k∈K∖Hk \in K \setminus H, en stel dat H∪KH \cup K een deelgroep zou zijn; dan is hk∈H∪Khk \in H \cup K. Is hk∈Hhk \in H, dan is k=h−1(hk)∈Hk = h^{-1}(hk) \in H: tegenspraak. Is hk∈Khk \in K, dan is h=(hk)k−1∈Kh = (hk)k^{-1} \in K: tegenspraak. Dus is H∪KH \cup K geen deelgroep.

Oefening 7.7 ★★

Een groep GG voldoet aan x2=ex^2 = e voor alle x∈Gx \in G. Bewijs dat GG abels is. (Werk (xy)2(xy)^2 uit.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.7.

Merk eerst op dat x2=ex^2 = e betekent dat x−1=xx^{-1} = x voor elke xx. Dan is voor x,y∈Gx, y \in G

xy=(xy)−1=y−1x−1=yx,xy = (xy)^{-1} = y^{-1} x^{-1} = yx ,

volgens Propositie 7.5 (2). Dus is GG abels.

Oefening 7.8 ★★

In Z/18Z\Z/18\Z: som de eenheden op en bepaal de inverse van 5‾\overline 5; los 5‾ x=7‾\overline 5\, x = \overline 7 op; los 6‾ x=3‾\overline 6\, x = \overline 3 en 6‾ x=12‾\overline 6\, x = \overline{12} op.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.8.

Eenheden van Z/18Z\Z/18\Z: de klassen die relatief priem zijn met 18=2×3218 = 2 \times 3^2: 1‾,5‾,7‾,11‾,13‾,17‾\overline 1, \overline 5, \overline 7, \overline{11}, \overline{13}, \overline{17}. Inverse van 5‾\overline 5: 5×11=55=3×18+15 \times 11 = 55 = 3\times 18 + 1, dus 5‾−1=11‾\overline 5^{-1} = \overline{11}.

5‾x=7‾\overline 5 x = \overline 7: vermenigvuldig met 11‾\overline{11}: x=77‾=5‾x = \overline{77} = \overline 5 (want 77=4×18+577 = 4\times 18 + 5). Eén oplossing.

6‾x=3‾\overline 6 x = \overline 3: de vergelijking 6x≡3(mod18)6x \equiv 3 \pmod{18} betekent 18∣6x−318 \mid 6x - 3. Maar 6x−3=3(2x−1)6x - 3 = 3(2x - 1) is oneven, terwijl 1818 even is: een even getal kan geen oneven getal delen. Geen oplossing.

6‾x=12‾\overline 6 x = \overline{12}: 6x≡12(mod18)  ⟺  x≡2(mod3)6x \equiv 12 \pmod{18} \iff x \equiv 2 \pmod 3: de oplossingen zijn x∈{2‾,5‾,8‾,11‾,14‾,17‾}x \in \{\overline 2, \overline 5, \overline 8, \overline{11}, \overline{14}, \overline{17}\} — zes stuks.

Oefening 7.9 ★★

Bewijs dat de verzameling Z[2]={a+b2:a,b∈Z}\Z[\sqrt 2] = \{a + b\sqrt 2 : a, b \in \Z\} een ring is (een deelring van R\R), en dat 1+21 + \sqrt 2 er een eenheid van is met oneindig veel verschillende machten — zodat Z[2]×\Z[\sqrt 2]^\times oneindig is, anders dan Z×\Z^\times.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.9.

Z[2]\Z[\sqrt 2] bevat 00 en 11 en is stabiel onder aftrekken en vermenigvuldigen:

(a+b2)(c+d2)=(ac+2bd)+(ad+bc)2,(a + b\sqrt 2)(c + d\sqrt 2) = (ac + 2bd) + (ad + bc)\sqrt 2 ,

dus is het een deelring van R\R (commutativiteit, associativiteit en distributiviteit worden overgeërfd). Eenheid: (1+2)(−1+2)=2−1=1(1 + \sqrt 2)(-1 + \sqrt 2) = 2 - 1 = 1, dus 1+21 + \sqrt 2 is inverteerbaar met inverse 2−1∈Z[2]\sqrt 2 - 1 \in \Z[\sqrt 2]. Haar machten (1+2)n(1 + \sqrt 2)^n zijn strikt stijgend (het grondtal is >1> 1) en dus twee aan twee verschillend, en elk is een eenheid (((1+2)n)−1=(2−1)n\bigl((1+\sqrt2)^n\bigr)^{-1} = (\sqrt 2 - 1)^n): de groep van de eenheden is oneindig.

Oefening 7.10 ★★★

(Booleaanse ringen) Zij AA een ring waarin x2=xx^2 = x voor elke xx. Bewijs dat x+x=0x + x = 0 voor alle xx, en dat AA commutatief is. (Werk (x+x)2(x+x)^2 en (x+y)2(x+y)^2 uit.) Geef een voorbeeld van zo’n ring met P(E)\mathcal{P}(E), waarbij je het symmetrisch verschil als optelling en de doorsnede als vermenigvuldiging neemt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.10.

x+x=(x+x)2=x2+x2+x2+x2=4x2=4xx + x = (x + x)^2 = x^2 + x^2 + x^2 + x^2 = 4x^2 = 4x — dus 2x=4x2x = 4x, wat 2x=02x = 0 geeft, oftewel x+x=0x + x = 0 (elk element is zijn eigen tegengestelde). Vervolgens is

x+y=(x+y)2=x2+xy+yx+y2=x+xy+yx+y,x + y = (x+y)^2 = x^2 + xy + yx + y^2 = x + xy + yx + y ,

dus xy+yx=0xy + yx = 0, oftewel xy=−yx=yxxy = -yx = yx (met −z=z-z = z). Bijgevolg is AA commutatief.

Voorbeeld: definieer op P(E)\mathcal{P}(E) de bewerkingen A+B=(A∪B)∖(A∩B)A + B = (A \cup B) \setminus (A \cap B) (het symmetrisch verschil) en A×B=A∩BA \times B = A \cap B. Je gaat na: (P(E),+)(\mathcal{P}(E), +) is een abelse groep met neutraal element ∅\emptyset waarin elke verzameling haar eigen inverse is; ∩\cap is associatief en commutatief met neutraal element EE; en de distributiviteit A∩(B+C)=(A∩B)+(A∩C)A \cap (B + C) = (A \cap B) + (A \cap C) geldt (een element ligt in het linkerlid precies wanneer het in AA ligt en in precies één van B,CB, C). En A∩A=AA \cap A = A: elk element is idempotent, zoals gevraagd.

Oefening 7.11 ★★★

Zij GG een groep waarin, voor een zekere vaste n≥1n \geq 1, geldt (xy)n=xnyn(xy)^n = x^n y^n, (xy)n+1=xn+1yn+1(xy)^{n+1} = x^{n+1}y^{n+1} en (xy)n+2=xn+2yn+2(xy)^{n+2} = x^{n+2}y^{n+2} voor alle x,yx, y. Bewijs dat GG abels is. (Leid uit de drie identiteiten eerst ynx=xyny^n x = x y^n af, dan yn+1x=xyn+1y^{n+1} x = x y^{n+1}, en besluit.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.11.

Schrijf de hypothese voor nn en n+1n+1 op:

(xy)n+1=xn+1yn+1en(xy)n+1=(xy)(xy)n=xy xnyn.(xy)^{n+1} = x^{n+1} y^{n+1} \quad\text{en}\quad (xy)^{n+1} = (xy)(xy)^n = xy\,x^n y^n .

Gelijkstellen geeft xn+1yn+1=x y xn ynx^{n+1} y^{n+1} = x\,y\,x^n\,y^n; schrap links xx en rechts yny^n: xny=yxnx^n y = y x^n. Dezelfde berekening één graad hoger (n+1n+1 en n+2n+2) geeft xn+1y=yxn+1x^{n+1} y = y x^{n+1}. Dan is

y xn+1=xn+1y=x (xny)=x y xn,y\,x^{n+1} = x^{n+1} y = x\,(x^n y) = x\,y\,x^n ,

en na xnx^n rechts te schrappen in yx⋅xn=xy⋅xny x \cdot x^n = x y \cdot x^n volgt yx=xyyx = xy. Dus is GG abels.

Oefening 7.12 ★★

  1. Bepaal alle groepsmorfismen van (Z,+)(\Z, +) naar (Z,+)(\Z, +).
  2. Bewijs dat het enige groepsmorfisme van (Q,+)(\Q, +) naar (Z,+)(\Z, +) het nulmorfisme is. (Vergelijk voor x∈Qx \in \Q en n∈N∗n \in \N^* de waarden f(x)f(x) en n f(x/n)n\,f(x/n).)
Oplossing

Oplossing van Oefening 7.12.

  1. Zij f ⁣:Z→Zf \colon \Z \to \Z additief en a=f(1)a = f(1). Met inductie is f(k)=kaf(k) = ka voor k∈Nk \in \N, en f(−k)=−f(k)=−kaf(-k) = -f(k) = -ka: dus is ff de vermenigvuldiging met aa. Omgekeerd is elke afbeelding k↦akk \mapsto ak een morfisme: de morfismen (Z,+)→(Z,+)(\Z,+) \to (\Z,+) zijn precies de vermenigvuldigingen met een vast geheel getal.
  2. Zij f ⁣:Q→Zf \colon \Q \to \Z een morfisme, x∈Qx \in \Q en n∈N∗n \in \N^*. Dan is

    f(x)=f(xn+⋯+xn⏟n)=n f(xn),f(x) = f\Bigl(\underbrace{\tfrac xn + \dots + \tfrac xn}_{n}\Bigr) = n\,f\Bigl(\frac xn\Bigr) ,

    zodat het gehele getal f(x)f(x) door elke n≥1n \geq 1 deelbaar is. Het enige zulke gehele getal is 00: f≡0f \equiv 0.

7.6 Opgave: de symmetrische groep en de schuifpuzzel

Probleem 7.1

De groep Sn\mathfrak S_n van de permutaties van [ ⁣[1, n] ⁣]\intint1n is de oudste groep in de wiskunde en nog altijd de leerzaamste. Deze opgave bouwt haar structuurtheorie vanaf nul op — cykels, voortbrenging door transposities, het morfisme signatuur ε ⁣:Sn→{±1}\varepsilon \colon \mathfrak S_n \to \{\pm1\} (waarvan het bestaan werkelijk niet-triviaal is), en de alternerende groep An\mathfrak A_n voortgebracht door 33-cykels — en verzilvert die dan op een klassieke puzzel: in het schuifspel van 3×33 \times 3 kan geen enkele reeks zetten twee steentjes verwisselen en al het overige op zijn plaats laten. Permutaties werken op [ ⁣[1, n] ⁣]\intint1n; het product στ\sigma\tau betekent “pas eerst τ\tau toe”; en [ v1,…,vn][\,v_1, \dots, v_n] noteert de permutatie die ii naar viv_i stuurt.

Deel I — Cykels en transposities.

  1. Verantwoord ∣Sn∣=n!\abs{\mathfrak S_n} = n! (Stelling 2.12). Bereken in S3\mathfrak S_3 beide producten van σ=[2,3,1]\sigma = [2, 3, 1] en τ=[1,3,2]\tau = [1, 3, 2], en besluit dat S3\mathfrak S_3 niet abels is.
  2. Een kk-cykel (a1 a2 … ak)(a_1\ a_2\ \dots\ a_k) (k≥2k \geq 2, de aia_i twee aan twee verschillend) stuurt a1↦a2↦⋯↦ak↦a1a_1 \mapsto a_2 \mapsto \dots \mapsto a_k \mapsto a_1 en houdt al het overige vast; zijn drager is {a1,…,ak}\{a_1, \dots, a_k\}. Bewijs dat twee cykels met disjuncte dragers commuteren.
  3. Bewijs dat elke σ∈Sn\sigma \in \mathfrak S_n een product is van cykels met twee aan twee disjuncte dragers, en dat die ontbinding uniek is op de volgorde van de factoren na. (Beschouw voor elke ii de rij i,σ(i),σ2(i),…i, \sigma(i), \sigma^2(i), \dots: ze moet naar ii terugkeren; de zo verkregen banen partitioneren [ ⁣[1, n] ⁣]\intint1n, en σ\sigma werkt op elk ervan als een cykel.)
  4. Ontbind σ=[4,1,5,2,3,7,8,6]∈S8\sigma = [4, 1, 5, 2, 3, 7, 8, 6] \in \mathfrak S_8 in disjuncte cykels. Definieer de orde van σ\sigma als in Definitie 7.14, bewijs dat de orde van een product van disjuncte cykels het kgv van hun lengtes is, en bereken de orde van deze σ\sigma.
  5. Bewijs de telescoperende identiteit

    (a1 a2 … ak)=(a1 ak)(a1 ak−1)⋯(a1 a2),(a_1\ a_2\ \dots\ a_k) = (a_1\ a_k)(a_1\ a_{k-1})\cdots(a_1\ a_2) ,

    en besluit dat elke permutatie een product van transposities is. Schrijf de σ\sigma van vraag 4 als zo’n product.

  6. Toon bovendien aan dat de naburige transposities (i  i+1)(i\ \ i{+}1) volstaan: voor a<ba < b is

    (a b)=(a  a+1)(a+1  a+2)⋯(b−1  b)⋯(a+1  a+2)(a  a+1),(a\ b) = (a\ \ a{+}1)(a{+}1\ \ a{+}2)\cdots(b{-}1\ \ b) \cdots(a{+}1\ \ a{+}2)(a\ \ a{+}1),

    een product van 2(b−a)−12(b - a) - 1 naburige transposities — een oneven aantal (die pariteit doet er hieronder tweemaal toe).

Deel II — De signatuur bestaat. Zij voor σ∈Sn\sigma \in \mathfrak S_n

N(σ)=#{(i,j):i<j, σ(i)>σ(j)}N(\sigma) = \#\bigl\{(i, j) : i < j,\ \sigma(i) > \sigma(j)\bigr\}

haar aantal inversies, en zet ε(σ)=(−1)N(σ)\varepsilon(\sigma) = (-1)^{N(\sigma)}.

  1. Bereken NN en ε\varepsilon voor de identiteit, voor een transpositie (i  i+1)(i\ \ i{+}1), en voor [2,3,1][2, 3, 1].
  2. Bewijs dat voor elke σ\sigma en elke naburige transpositie τ=(i  i+1)\tau = (i\ \ i{+}1) geldt: N(στ)=N(σ)±1N(\sigma\tau) = N(\sigma) \pm 1. (Rechts samenstellen met τ\tau verwisselt de waarden op de plaatsen ii en i+1i + 1; precies één paar verandert van inversiestatus.)
  3. Leid met vraag 6 af dat voor elke transpositie τ\tau geldt ε(στ)=−ε(σ)\varepsilon(\sigma\tau) = -\varepsilon(\sigma); besluit dat wanneer σ\sigma een product van pp transposities is, ε(σ)=(−1)p\varepsilon(\sigma) = (-1)^p — in het bijzonder hangt de pariteit van pp alleen van σ\sigma af en niet van de gekozen ontbinding — en dat ε ⁣:Sn→{±1}\varepsilon \colon \mathfrak S_n \to \{\pm 1\} een groepsmorfisme is.
  4. Toon aan dat een kk-cykel signatuur (−1)k−1(-1)^{k-1} heeft, en dat in het algemeen ε(σ)=(−1)n−c(σ)\varepsilon(\sigma) = (-1)^{n - c(\sigma)}, waarbij c(σ)c(\sigma) het aantal banen van σ\sigma is (vaste punten meegerekend).
  5. De alternerende groep is An=ker⁡ε\mathfrak A_n = \ker\varepsilon. Verantwoord dat het een deelgroep is en bewijs ∣An∣=n!2\abs{\mathfrak A_n} = \frac{n!}2 voor n≥2n \geq 2. (Leg een transpositie τ0\tau_0 vast en beschouw σ↦στ0\sigma \mapsto \sigma\tau_0.)
  6. Controle op σ=[4,1,5,2,3,7,8,6]\sigma = [4, 1, 5, 2, 3, 7, 8, 6]: bereken ε(σ)\varepsilon(\sigma) op drie manieren — door de inversies te tellen, uit het cykeltype via vraag 10, en uit je aantal transposities in vraag 5.

Deel III — An\mathfrak A_n wordt voortgebracht door 33-cykels.

  1. Zij a,b,c,da, b, c, d twee aan twee verschillend. Ga de twee identiteiten

    (a b)(a c)=(a c b),(a b)(c d)=(a c b)(a c d)(a\ b)(a\ c) = (a\ c\ b), \qquad (a\ b)(c\ d) = (a\ c\ b)(a\ c\ d)

    na.

  2. Bewijs dat voor n≥3n \geq 3 elk element van An\mathfrak A_n een product van 33-cykels is. (Een even permutatie is een product van een even aantal transposities; slik ze twee aan twee in.)
  3. Schrijf (1 2)(3 4)(1\ 2)(3\ 4) en de 55-cykel (1 2 3 4 5)(1\ 2\ 3\ 4\ 5) expliciet als producten van 33-cykels.
  4. Bewijs de conjugatieformule: voor elke σ∈Sn\sigma \in \mathfrak S_n geldt

    σ (a1 … ak) σ−1=(σ(a1) … σ(ak)).\sigma\,(a_1\ \dots\ a_k)\,\sigma^{-1} = \bigl(\sigma(a_1)\ \dots\ \sigma(a_k)\bigr) .

Deel IV — De schuifpuzzel. De steentjes 1,…,81, \dots, 8 schuiven in een raamwerk van 3×33 \times 3 met één leeg vakje; een zet schuift een steentje dat aan het lege vakje grenst daarin. Nummer de vakjes 1,…,91, \dots, 9 (rij voor rij; in de opgeloste stand ligt steentje ii in vakje ii en is vakje 99 leeg). Behandel het lege vakje als een negende steentje, zodat een stand een permutatie σ∈S9\sigma \in \mathfrak S_9 is (steentje σ(i)\sigma(i) ligt in vakje ii).

  1. Toon aan dat een zet σ\sigma vervangt door σ∘τ\sigma \circ \tau, waarbij τ\tau de transpositie van de twee betrokken vakjes is; leid af dat elke zet ε(σ)\varepsilon(\sigma) omklapt.
  2. Zij d(σ)d(\sigma) de manhattanafstand (rijen plus kolommen) tussen het huidige vakje van het lege vakje en zijn thuisvakje 99. Toon aan dat elke zet dd met ±1\pm1 verandert, zodat elke zet ook (−1)d(σ)(-1)^{d(\sigma)} omklapt. Besluit dat

    I(σ)=ε(σ)⋅(−1)d(σ)I(\sigma) = \varepsilon(\sigma)\cdot(-1)^{d(\sigma)}

    invariant is onder elke zet.

  3. Bewijs de klassieke onmogelijkheid van de puzzel: de stand waarin de steentjes 77 en 88 verwisseld zijn en al het overige (het lege vakje inbegrepen) op zijn plaats ligt, is vanuit de opgeloste stand onbereikbaar.
  4. We nemen de omkering aan (het bewijs is een leerzame maar lange inductie): elke stand met I=+1I = +1 is bereikbaar. Leid af dat precies de helft van de 8!8! standen met het lege vakje thuis oplosbaar is, dat wil zeggen 8!2=20 160\frac{8!}2 = 20\,160.
  5. Leid uit vraag 20 af dat de bereikbare schikkingen van de steentjes met het lege vakje thuis precies de deelgroep A8≤S8\mathfrak A_8 \leq \mathfrak S_8 vormen.
  6. Toepassingen van de invariant: kun je (a) de stand bereiken waarin de steentjes 1,2,31, 2, 3 cyclisch verwisseld zijn en al het overige, het lege vakje inbegrepen, thuis ligt? (b) de stand waarin steentje 55 en het lege vakje van plaats gewisseld zijn en alle andere steentjes thuis liggen? Verantwoord beide antwoorden met II.

Deel V — Synthese.

  1. Bewijs dat voor n≥3n \geq 3 de enige groepsmorfismen f ⁣:Sn→{±1}f \colon \mathfrak S_n \to \{\pm 1\} het constante morfisme en ε\varepsilon zijn. (Toon met vraag 16 en de commutativiteit van {±1}\{\pm1\} aan dat ff op alle transposities dezelfde waarde aanneemt.)
  2. Waar precies gebruikte de opgave: (i) het begrip morfisme en Propositie 7.11; (ii) de telprincipes van Hoofdstuk 2; (iii) de kwestie van de welgedefinieerdheid die de vragen 8–9 beslechten? Eén zin per onderdeel.
  3. Synthese, in een korte alinea: één pariteitsfunctie, één keer welgedefinieerd bewezen, ordent tegelijk de inwendige structuur van Sn\mathfrak S_n (de deelgroep An\mathfrak A_n), beslist een fysieke puzzel, en zal — via de formule det⁡=∑σε(σ)⋯\det = \sum_\sigma \varepsilon(\sigma)\cdots — de determinanten in Hoofdstuk 22 definiëren. Becommentarieer het terugkerende patroon: invarianten zetten “probeer alle reeksen zetten” om in één berekening.
Oplossing

Oplossing van Probleem 7.1.

1. Een permutatie is een bijectie van [ ⁣[1, n] ⁣]\intint1n, dat wil zeggen een nn-variatie van nn objecten: er zijn er n!n! (Stelling 2.12). Met σ=[2,3,1]\sigma = [2,3,1] en τ=[1,3,2]\tau = [1,3,2]: στ\sigma\tau stuurt 1↦1↦21 \mapsto 1 \mapsto 2, 2↦3↦12 \mapsto 3 \mapsto 1, 3↦2↦33 \mapsto 2 \mapsto 3, dus στ=[2,1,3]\sigma\tau = [2,1,3]; en τσ\tau\sigma stuurt 1↦2↦31 \mapsto 2 \mapsto 3, 2↦3↦22 \mapsto 3 \mapsto 2, 3↦1↦13 \mapsto 1 \mapsto 1, dus τσ=[3,2,1]≠στ\tau\sigma = [3,2,1] \neq \sigma\tau.

2. Zij γ,γ′\gamma, \gamma' met disjuncte dragers S,S′S, S'. Voor x∈Sx \in S is γ′(x)=x\gamma'(x) = x en γ(x)∈S\gamma(x) \in S, dus γγ′(x)=γ(x)=γ′γ(x)\gamma\gamma'(x) = \gamma(x) = \gamma'\gamma(x). Symmetrisch voor x∈S′x \in S'; en beide leden houden elke x∉S∪S′x \notin S \cup S' vast. Dus γγ′=γ′γ\gamma\gamma' = \gamma'\gamma.

3. Voor i∈[ ⁣[1, n] ⁣]i \in \intint1n leven de waarden i,σ(i),σ2(i),…i, \sigma(i), \sigma^2(i), \dots in een eindige verzameling, dus is σa(i)=σb(i)\sigma^a(i) = \sigma^b(i) voor zekere a<ba < b; de injectiviteit geeft σb−a(i)=i\sigma^{b-a}(i) = i: de rij keert naar ii terug. Noem de baan van ii de verzameling {i,σ(i),…,σk−1(i)}\{i, \sigma(i), \dots, \sigma^{k-1}(i)\}, met k≥1k \geq 1 minimaal zodat σk(i)=i\sigma^k(i) = i. Twee banen die elkaar in één punt ontmoeten vallen samen (beide zijn de voorwaartse σ\sigma-beelden van dat punt), zodat de banen [ ⁣[1, n] ⁣]\intint1n partitioneren; σ\sigma werkt op elke baan van grootte k≥2k \geq 2 als de kk-cykel (i σ(i) ⋯ σk−1(i))(i\ \sigma(i)\ \cdots\ \sigma^{k-1}(i)) en houdt de singletons vast. Het product van die disjuncte cykels stemt overal met σ\sigma overeen. Uniciteit: in elke ontbinding in disjuncte cykels moet de cykel door ii gelijk zijn aan (i σ(i) ⋯ )(i\ \sigma(i)\ \cdots) — de cykels zijn gedwongen de banen met hun geïnduceerde werking te zijn.

4. De banen volgend: 1→4→2→11 \to 4 \to 2 \to 1, 3→5→33 \to 5 \to 3, 6→7→8→66 \to 7 \to 8 \to 6:

σ=(1 4 2)(3 5)(6 7 8).\sigma = (1\ 4\ 2)(3\ 5)(6\ 7\ 8) .

Is σ=γ1⋯γr\sigma = \gamma_1\cdots\gamma_r met disjuncte cykels van lengte k1,…,krk_1, \dots, k_r, dan geeft de commutativiteit (vraag 2) dat σm=γ1m⋯γrm\sigma^m = \gamma_1^m\cdots\gamma_r^m, en omdat de dragers disjunct zijn, is σm=id\sigma^m = \mathrm{id} precies wanneer elke γim=id\gamma_i^m = \mathrm{id}, dus wanneer ki∣mk_i \mid m voor alle ii (een kk-cykel heeft orde kk: γm\gamma^m stuurt a1a_1 naar a1+(m mod k)a_{1 + (m \bmod k)}). De kleinste zulke mm is lcm⁡(k1,…,kr)\operatorname{lcm}(k_1, \dots, k_r). Hier: lcm⁡(3,2,3)=6\operatorname{lcm}(3, 2, 3) = 6.

5. Pas het rechterlid punt voor punt toe, met de meest rechtse factor eerst. a1↦a2a_1 \mapsto a_2 door (a1 a2)(a_1\ a_2), waarna elke latere factor a2a_2 vasthoudt: netto a1↦a2a_1 \mapsto a_2. Voor 2≤i<k2 \leq i < k blijft aia_i onaangeroerd tot (a1 ai)(a_1\ a_i) hem naar a1a_1 stuurt, waarna de eerstvolgende factor (a1 ai+1)(a_1\ a_{i+1}) het element a1a_1 naar ai+1a_{i+1} stuurt en niets het daarna nog verplaatst: netto ai↦ai+1a_i \mapsto a_{i+1}. Ten slotte wordt aka_k door alle factoren vastgehouden behalve door de meest linkse, die hem naar a1a_1 stuurt. Dat is precies de cykel. Omdat elke permutatie een product van cykels is (vraag 3), is ze een product van transposities. Voor de σ\sigma van vraag 4:

σ=(1 2)(1 4)  (3 5)  (6 8)(6 7),\sigma = (1\ 2)(1\ 4)\;(3\ 5)\;(6\ 8)(6\ 7),

vijf transposities.

6. Inductie naar b−ab - a. Voor b=a+1b = a + 1 is de identiteit triviaal (1=2⋅1−11 = 2\cdot1 - 1 factor). Voor b>a+1b > a + 1 ga je rechtstreeks na dat (a b)=(a  a+1) (a+1  b) (a  a+1)(a\ b) = (a\ \ a{+}1)\,(a{+}1\ \ b)\,(a\ \ a{+}1): het rechterlid stuurt a↦a+1↦b↦ba \mapsto a{+}1 \mapsto b \mapsto b, b↦b↦a+1↦ab \mapsto b \mapsto a{+}1 \mapsto a en a+1↦a↦a↦a+1a{+}1 \mapsto a \mapsto a \mapsto a{+}1, en houdt de rest vast. Volgens de inductiehypothese is (a+1  b)(a{+}1\ \ b) een palindroom product van 2(b−a−1)−12(b - a - 1) - 1 naburige transposities, zodat (a b)(a\ b) er een van 2(b−a)−12(b - a) - 1 is: een oneven aantal.

7. N(id)=0N(\mathrm{id}) = 0 en ε=+1\varepsilon = +1. Voor (i  i+1)(i\ \ i{+}1) is het enige omgekeerde paar (i,i+1)(i, i+1): N=1N = 1 en ε=−1\varepsilon = -1. Voor [2,3,1][2, 3, 1] zijn de omgekeerde paren (1,3)(1, 3) (waarden 2>12 > 1) en (2,3)(2, 3) (waarden 3>13 > 1): N=2N = 2 en ε=+1\varepsilon = +1.

8. De waardenlijsten van σ\sigma en στ\sigma\tau verschillen alleen door de verwisseling van de plaatsen ii en i+1i + 1. Voor een paar plaatsen dat i,i+1i, i+1 niet betreft, verandert er niets. Voor k<ik < i wisselen de twee paren (k,i)(k, i) en (k,i+1)(k, i+1) van inversiestatus (dezelfde twee waarden worden met σ(k)\sigma(k) vergeleken, in de andere volgorde van plaatsen): hun totale bijdrage blijft ongewijzigd; evenzo voor k>i+1k > i + 1. Het ene resterende paar (i,i+1)(i, i+1) klapt van status om. Bijgevolg is N(στ)=N(σ)±1N(\sigma\tau) = N(\sigma) \pm 1.

9. Zij τ=(a b)\tau = (a\ b) een willekeurige transpositie: volgens vraag 6 is ze een product van een oneven aantal naburige transposities, zodat rechts vermenigvuldigen met τ\tau het getal NN in totaal met een oneven aantal verandert (vraag 8, herhaald toegepast): ε(στ)=−ε(σ)\varepsilon(\sigma \tau) = -\varepsilon(\sigma). Is nu σ=τ1⋯τp\sigma = \tau_1\cdots \tau_p (transposities), bouw haar dan vanaf de identiteit op met pp vermenigvuldigingen rechts: ε(σ)=(−1)pε(id)=(−1)p\varepsilon(\sigma) = (-1)^p\varepsilon(\mathrm{id}) = (-1)^p. Omdat ε(σ)\varepsilon(\sigma) via de inversies gedefinieerd is — onafhankelijk van elke ontbinding — is de pariteit van pp een invariant van σ\sigma. Morfisme: schrijf σ\sigma met pp en σ′\sigma' met qq transposities, dan gebruikt σσ′\sigma\sigma' er p+qp + q: ε(σσ′)=(−1)p+q=ε(σ)ε(σ′)\varepsilon(\sigma\sigma') = (-1)^{p+q} = \varepsilon(\sigma)\varepsilon(\sigma').

10. Een kk-cykel is een product van k−1k - 1 transposities (vraag 5): ε=(−1)k−1\varepsilon = (-1)^{k-1}. Voor een algemene σ\sigma met banen van grootte k1,…,krk_1, \dots, k_r (met ki≥2k_i \geq 2) plus ff vaste punten is c(σ)=r+fc(\sigma) = r + f en n=k1+⋯+kr+fn = k_1 + \dots + k_r + f, dus

ε(σ)=∏i=1r(−1)ki−1=(−1)∑iki−r=(−1)n−f−r=(−1)n−c(σ).\varepsilon(\sigma) = \prod_{i=1}^r (-1)^{k_i - 1} = (-1)^{\sum_i k_i - r} = (-1)^{n - f - r} = (-1)^{n - c(\sigma)} .

11. An=ker⁡ε\mathfrak A_n = \ker\varepsilon is een deelgroep als kern van een morfisme (Definitie 7.10). Leg een transpositie τ0\tau_0 vast (die bestaat voor n≥2n \geq 2). De afbeelding σ↦στ0\sigma \mapsto \sigma\tau_0 is een bijectie van Sn\mathfrak S_n (haar eigen inverse) die An\mathfrak A_n verwisselt met de verzameling van de oneven permutaties (vraag 9). Die twee verzamelingen partitioneren Sn\mathfrak S_n en zijn even groot: ∣An∣=n!2\abs{\mathfrak A_n} = \frac{n!}2.

12. Inversies van [4,1,5,2,3,7,8,6][4, 1, 5, 2, 3, 7, 8, 6]: bij waarde 44: boven 1,2,31, 2, 3: drie; bij 55: boven 2,32, 3: twee; bij 77: boven 66: één; bij 88: boven 66: één. N=7N = 7 en ε=−1\varepsilon = -1. Cykeltype: c=3c = 3 banen en n=8n = 8: ε=(−1)8−3=−1\varepsilon = (-1)^{8-3} = -1. Aantal transposities: vijf in vraag 5: (−1)5=−1(-1)^5 = -1. Alle drie komen overeen.

13. (a b)(a c)(a\ b)(a\ c) (meest rechtse eerst): a↦c↦ca \mapsto c \mapsto c; c↦a↦bc \mapsto a \mapsto b; b↦b↦ab \mapsto b \mapsto a: de 33-cykel (a c b)(a\ c\ b). En (a c b)(a c d)(a\ c\ b)(a\ c\ d): a↦c↦ba \mapsto c \mapsto b; b↦b↦ab \mapsto b \mapsto a; c↦d↦dc \mapsto d \mapsto d; d↦a↦cd \mapsto a \mapsto c: dat is (a b)(c d)(a\ b)(c\ d), zoals beweerd.

14. Zij σ∈An\sigma \in \mathfrak A_n: volgens vraag 9 is σ=τ1⋯τ2m\sigma = \tau_1\cdots\tau_{2m} met een even aantal transposities. Groepeer ze in opeenvolgende paren τ2i−1τ2i\tau_{2i-1}\tau_{2i}: zijn de twee gelijk, dan is het paar de identiteit en verdwijnt het; delen ze precies één punt, dan schrijft de eerste identiteit van vraag 13 het paar als één 33-cykel; zijn ze disjunct, dan schrijft de tweede identiteit het als twee 33-cykels. Bijgevolg is σ\sigma een product van 33-cykels (of de identiteit, een leeg product — en voor n≥3n \geq 3 ook (1 2 3)3(1\ 2\ 3)^3).

15. (1 2)(3 4)=(1 3 2)(1 3 4)(1\ 2)(3\ 4) = (1\ 3\ 2)(1\ 3\ 4) (vraag 13 met a=1,b=2,c=3,d=4a{=}1, b{=}2, c{=}3, d{=}4). Voor de 55-cykel: volgens vraag 5 is (1 2 3 4 5)=(1 5)(1 4)(1 3)(1 2)(1\ 2\ 3\ 4\ 5) = (1\ 5)(1\ 4)(1\ 3)(1\ 2), en per paar: (1 5)(1 4)=(1 4 5)(1\ 5)(1\ 4) = (1\ 4\ 5) en (1 3)(1 2)=(1 2 3)(1\ 3)(1\ 2) = (1\ 2\ 3):

(1 2 3 4 5)=(1 4 5)(1 2 3).(1\ 2\ 3\ 4\ 5) = (1\ 4\ 5)(1\ 2\ 3) .

(Controle op 33: (1 2 3)(1\ 2\ 3) stuurt 3→13 \to 1, waarna (1 4 5)(1\ 4\ 5) het element 1→41 \to 4 stuurt: netto 3→43 \to 4, correct.)

16. Pas beide leden toe op een willekeurig punt. Voor i=σ(aj)i = \sigma(a_j) geeft het linkerlid σ((a1 … ak)(aj))=σ(aj+1)\sigma\bigl((a_1\ \dots\ a_k)(a_j)\bigr) = \sigma(a_{j+1}) (indices modulo kk), en dat is wat het rechterlid met σ(aj)\sigma(a_j) doet. Is ii niet van die vorm, dan ligt σ−1(i)\sigma^{-1}(i) buiten de drager, zodat het linkerlid ii vasthoudt, en het rechterlid eveneens. Overal gelijk.

17. Het steentje uit vakje c′c' in het lege vakje cc schuiven verwisselt de inhoud van de vakjes cc en c′c' (steentje 99, het lege vakje, gaat naar c′c'). Lag steentje σ(i)\sigma(i) in vakje ii, dan is de nieuwe stand σ′=σ∘(c c′)\sigma' = \sigma \circ (c\ c'): dezelfde inhoud, behalve dat de vakjes c,c′c, c' elkaars vroegere inhoud lezen. Volgens vraag 9 is ε(σ′)=−ε(σ)\varepsilon(\sigma') = -\varepsilon(\sigma).

18. Een zet stuurt het lege vakje naar een aangrenzend vakje: zijn rij of zijn kolom verandert met precies 11, zodat de manhattanafstand dd tot vakje 99 met ±1\pm1 verandert en (−1)d(-1)^d omklapt. Omdat elke zet zowel ε(σ)\varepsilon(\sigma) als (−1)d(σ)(-1)^{d(\sigma)} omklapt, blijft hun product I(σ)I(\sigma) bij elke zet ongewijzigd: een invariant.

19. De opgeloste stand heeft ε=+1\varepsilon = +1 en d=0d = 0: I=+1I = +1. De doelstand (steentjes 7,87, 8 verwisseld, lege vakje thuis) is de transpositie van de inhoud van de vakjes 77 en 88: ε=−1\varepsilon = -1 en d=0d = 0, dus I=−1I = -1. Omdat II invariant is en de twee waarden verschillen, verbindt geen enkele reeks zetten ze.

20. Een stand met het lege vakje thuis is een permutatie van de 88 steentjes over de vakjes 1,…,81, \dots, 8, dus een element van S8\mathfrak S_8; ze heeft d=0d = 0, zodat I=ε(σ)I = \varepsilon(\sigma). Bereikbaarheid dwingt I=+1I = +1 af, dus σ∈A8\sigma \in \mathfrak A_8; de aangenomen omkering zegt dat heel A8\mathfrak A_8 bereikt wordt. Telling: ∣A8∣=8!2=20 160\abs{\mathfrak A_8} = \frac{8!}2 = 20\,160 (vraag 11).

21. Volgens vraag 20 vormen de bereikbare schikkingen met het lege vakje thuis precies A8\mathfrak A_8 — in het bijzonder een deelgroep van S8\mathfrak S_8: twee oplosbare verhaspelingen samenstellen, of er één inverteren, blijft oplosbaar, wat met puur puzzelredeneren verre van vanzelfsprekend is.

22. (a) Een 33-cykel van steentjes met het lege vakje thuis: ε=+1\varepsilon = +1 (vraag 10), d=0d = 0, dus I=+1I = +1: bereikbaar (wegens de aangenomen omkering) — drie steentjes cyclisch verwisselen kan. (b) Steentje 55 en het lege vakje verwisseld: de stand is de transpositie van de inhoud van de vakjes 55 en 99, dus ε=−1\varepsilon = -1; het lege vakje ligt in het midden, op manhattanafstand d=2d = 2 van thuis, dus (−1)d=+1(-1)^d = +1 en I=−1I = -1: onbereikbaar. Je kunt het lege vakje niet zomaar “in het midden parkeren” met de steentjes voor het overige op orde.

23. Zij f ⁣:Sn→{±1}f \colon \mathfrak S_n \to \{\pm1\} een morfisme. Voor elke twee transposities τ,τ′\tau, \tau' levert vraag 16 een σ\sigma met στσ−1=τ′\sigma\tau\sigma^{-1} = \tau' (beeld de twee verplaatste punten op de twee andere af; n≥3n \geq 3 garandeert de ruimte daarvoor, al is zelfs n=2n = 2 hier triviaal). Dan is f(τ′)=f(σ)f(τ)f(σ)−1=f(τ)f(\tau') = f(\sigma)f(\tau)f(\sigma)^{-1} = f(\tau), want {±1}\{\pm1\} is abels: ff is constant op de transposities. Is die constante +1+1, dan is f=1f = 1 op alle producten van transposities, dus overal (vraag 5). Is ze −1-1, dan is f(σ)=(−1)p=ε(σ)f(\sigma) = (-1)^p = \varepsilon(\sigma) op een product van pp transposities. Dus f∈{1,ε}f \in \{1, \varepsilon\}.

24. (i) De morfisme-eigenschap van ε\varepsilon en de machinerie van de kern gaven An\mathfrak A_n haar deelgroepstructuur en haar grootte, en redeneringen in de trant van Propositie 7.11 lopen door de vragen 11 en 21. (ii) Tellen: ∣Sn∣=n!\abs{\mathfrak S_n} = n!, het halveringsargument van vraag 11 en de telling 20 16020\,160 van vraag 20 zijn Hoofdstuk 2 aan het werk. (iii) De vragen 8–9 beslechten een echt probleem van welgedefinieerdheid — “de pariteit van het aantal transposities” veronderstelt dat die pariteit niet van de ontbinding afhangt, net zoals de bewerkingen van Z/nZ\Z/n\Z onafhankelijkheid van de vertegenwoordigers vergden in Definitie 7.24.

25. De signatuur is één enkele berekening met waarden in {±1}\{\pm1\}, één keer welgedefinieerd bewezen, en ze doet drie dingen tegelijk: intern snijdt ze Sn\mathfrak S_n doormidden en isoleert ze An\mathfrak A_n met haar voortbrengende 33-cykels; extern beslist ze in één regel een vraag (“kunnen deze twee steentjes verwisseld worden?”) die zoeken nooit kon beslechten, want geen enkele eindige lijst mislukte zetreeksen bewijst onmogelijkheid; en structureel is ze de motor van de wisselende tekens in de formule det⁡A=∑σε(σ) a1σ(1)⋯anσ(n)\det A = \sum_\sigma \varepsilon(\sigma)\, a_{1\sigma(1)}\cdots a_{n\sigma(n)} van Hoofdstuk 22. Het patroon — zoek een grootheid die door elke elementaire zet bewaard blijft, en bereken haar in de begin- en in de doelstand — is het standaardwapen van de wiskundige tegen vragen van het type “kan het?”, en het keert terug telkens als een groep op een verzameling toestanden werkt.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst