本文提供了几个代数群的例子,以便您能对它们建立直观的认识。

群(group)是一个包含以下特征的集合:

<aside> 💡 💡 一句话理解:『群』就是一个『玩家名单 + 一种固定玩法』的套装,必须同时满足四条规矩。打个比方:名单是所有整数,玩法是『相加』。封闭=两个成员相加结果还在名单里($3+5=8$ 还是整数);结合律=$(2+3)+4$ 和 $2+(3+4)$ 算出来一样,加括号的位置随便;单位元=有个『什么都不改变』的成员(这里是 $0$,谁加 $0$ 都不变);逆元=每个成员都有个『搭档』,俩一凑就变回单位元($5$ 和 $-5$ 相加得 $0$)。四条全中,才配叫群。

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我们之前还讨论过阿贝尔群(abelian groups)。阿贝尔群有一个额外的要求,即二元运算符必须满足交换律。

现在是时候将群作为一种数学结构来进行讨论了。

使用整数加法作为群的例子时,一个令人困惑的地方是学生经常会问:“但你难道不能把整数相乘吗?”

不可否认,这确实容易让人混淆。还有其他的代数结构,比如环(rings)和域(fields),它们涉及两个二元运算符。但是,就目前而言,请将群看作是只有一个固定不变的二元运算符的结构,而且从群的视角来看,任何其他可能的二元运算符要么不存在,要么不需要关注。

更令人困惑的是:有时候二元运算符是其他二元运算符伪装的。

例如,在处理只有加法运算的群时,有时作者会随意提及乘法,即使该群并没有这个二元运算符。在这种语境下的乘法,实际上只是重复执行某次加法运算特定次数的简写形式。

<aside> 💡 💡 这里最绕的是:群里明明只有『加法』一种玩法,作者却突然写起了『乘法』。其实那是障眼法——这种『乘法』只是『连加好几次』的缩写。比如 $3 \times 5$ 在这里不是真的乘,而是『把 $5$ 加 $3$ 次』,即 $5+5+5$。就像你说『买 3 份套餐』,本质还是把同一份钱掏了 3 回,并没有引入新玩法。

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群的示例

感受群的最好方法就是看大量的例子。让我们开始吧。

1. 平凡群(The trivial group)

假设我们的群是一个由数字 $\set{0}$ 组成的集合,其二元运算符为加法。很明显,该二元运算符是封闭的且满足结合律

$$ (0 + 0) + 0 = (0 + 0) + 0 $$

而且每个元素都有一个单位元和逆元。