Diskrete Strukturen

(1)

WS 2005/06

Diskrete Strukturen

Ernst W. Mayr

Fakultät für Informatik TU München

http://www14.in.tum.de/lehre/2005WS/ds/index.html.de

15. November 2005

Diskrete Strukturen 5.4 Untergruppen

Ernst W. Mayr

(2)

Satz 85

Sei G = hS, ◦, 1i, b ∈ G und sei

S

_b

:= {b

^m

; m ∈ Z } ⊆ S

die von b erzeugte Untergruppe von G. S

_b

ist die kleinste Untergruppe, die b enth¨ alt.

Das Bild einer Gruppe (Halbgruppe, Monoid) unter einem Homomorphismus ist wieder eine Gruppe (Halbgruppe, Monoid).

Seien G

1

= hS

₁

, ◦, 1i und G

2

= hS

₂

, ◦, 1i Untergruppen von G = hS, ◦, 1i. Dann ist auch

G

1

∩ G

2

= hS

₁

∩ S

2

, ◦, 1i eine Untergruppe von G.

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(3)

Beweis:

Trivial, lediglich zur letzten Behauptung:

a ∈ S

₁

∩ S

₂

⇒ a

⁻¹

∈ S

₁

∧ a

⁻¹

∈ S

₂

⇒ a

⁻¹

∈ S

₁

∩ S

₂

.

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(4)

5.5 Nebenklassen und Normalteiler Definition 86

SeiH=hT,◦,1ieine Untergruppe vonG=hS,◦,1iund seib∈G. Dann heißt

T◦b:=

c◦b; c∈T =:H◦b

einerechte NebenklassevonHinGund

b◦T :=

b◦c; c∈T =:b◦H

einelinke NebenklassevonHinG(engl.: coset).

Die Anzahl verschiedener Nebenklassen vonH inGheißt derIndexvonHin G:

ind(H) = ind_G(H).

HheißtNormalteilervonG, falls

H◦b=b◦H ∀b∈G

d. h.Hist Normalteiler genau dann, wenn∀b∈G:H=b◦H◦b⁻¹ (”konjugiert“).

Diskrete Strukturen 5.5 Nebenklassen und Normalteiler

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(5)

Beispiel 87

Betrachte h Z

^∗12

, ·

₁₂

, 1i = h{1, 5, 7, 11}, ·

₁₂

, 1i. Dann gilt: Die Untergruppe h{1, 5}, ·

₁₂

, 1i ist Normalteiler (folgt aus Definition).

Satz 88

Sei H Untergruppe von G, b ∈ G. Dann ist die Kardinalit¨ at von H ◦ b gleich der Kardinalit¨ at von H (ebenso f¨ ur b ◦ H).

Beweis:

Folgt aus der K¨ urzungsregel: Betrachte die Abbildung

H 3 h 7→ h ◦ b ∈ H ◦ b.

Diese Abbildung ist surjektiv und injektiv (K¨ urzungsregel!):

h

₁

◦ b = h

₂

◦ b ⇒ h

₁

= h

₂

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(6)

Satz 89

Sei H Untergruppe von G. Dann bildet die Menge der rechten (linken) Nebenklassen von H eine Partition (Zerlegung einer Menge in disjunkte Teilmengen) von G.

Beweis:

Klar ist, dass

G ⊆ [

b∈G

H ◦ b

Seien b, c ∈ G mit H ◦ b ∩ H ◦ c 6= ∅, etwa h

₁

◦ b = h

₂

◦ c. Dann ist

H ◦ c = H ◦ h

2−1

◦ h

1

◦ b = H ◦ b

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(7)

Eigenschaften von Nebenklassen:

H sei Untergruppe von G, b, c ∈ G.

Zwei Nebenklassen H ◦ b und H ◦ c sind entweder identisch oder disjunkt.

F¨ ur alle b ∈ G gilt |H ◦ b| = |H|.

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(8)

Satz 90 (Lagrange)

Sei G eine endliche Gruppe und H eine Untergruppe in G. Dann

1

haben alle Nebenklassen von H in G gleich viele Elemente;

2

ist |G| = ind

G

(H) · |H|;

3

teilt |H| die Kardinalit¨ at |G| von G ganzzahlig.

Beweis:

1

siehe oben;

2

folgt aus Satz 89;

3

folgt aus 2.

Mehr zu Joseph-Louis Lagrange!

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(9)

5.6 Satz von Fermat

Satz 91

Sei b ∈ N

0

und p ∈ N eine Primzahl. Dann gilt:

b

^p

≡ b mod p, (falls b 6≡ 0 mod p : b

^p−1

≡ 1 mod p)

(gemeint ist: die Gleichung b

^p

= b gilt modulo p)

Diskrete Strukturen 5.6 Satz von Fermat

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(10)

Beweis:

Z^∗p:=

n∈ {1, . . . , p−1}; ggT(n, p) = 1 1. Fall: b= 0:0^p= 0 modp

2. Fall: 1≤b < p: BetrachteS_b=

{b⁰, b¹, . . . , b^ord(b)−1}, · . S_bist Untergruppe vonZ^∗p.

Lagrange: ord(b) =

|S_b|

|Z^∗p| =p−1

⇒(∃q∈N)[q·ord(b)] =p−1

Dab^ord(b)= 1(Einselement) ist, gilt:

b^p=b^p−1·b=b^q·ord(b)·b= 1^q·b=bmodp 3. Fall: b≥p: Dann gilt:

(∃q, r∈N0,0≤r < p)[b=q·p+r].

Damit:

b^p= (q·p+r)^p^(∗)=r^pmodp^(∗∗)= rmodp=bmodp

(∗)Binomialentwicklung, die erstenpSummanden fallen weg, da jeweils

= 0 modp;

(∗∗)Fall 1 bzw. 2

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(11)

Die umgekehrte Richtung

Satz 92

Sei n ∈ N, n ≥ 2. Dann gilt:

b

ⁿ⁻¹

≡ 1 mod n f¨ ur alle b ∈ Z

n

\ {0} = ⇒ n ist prim.

Beweis:

[durch Widerspruch] Annahme: r|n f¨ ur ein r ∈ N, r > 1. Dann

r

ⁿ⁻¹

− 1 ≡ (r mod n)

ⁿ⁻¹

− 1

^{n. V.}

≡ 0 mod n ,

also

r

ⁿ⁻¹

− 1 = q · n = q · q

⁰

· r da r|n .

Daraus folgt aber, dass r|1, n also keinen nichttrivialen Teiler besitzen kann.

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(12)

Pierre de Fermat (1601–1665)

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(13)

Definition 93 (Eulersche phi-Funktion) Sei n ∈ N , n > 1. Dann bezeichnet

ϕ(n) := | Z

^∗_n

|

die Anzahl der zu n teilerfremden Reste.

Satz 94

Sei n ∈ N , n > 1. Dann gilt in der Gruppe h Z

^∗n

, ×

_n

, 1i:

b

^ϕ(n)

= 1 f¨ ur alle b ∈ Z

^∗n

.

Beweis:

Folgt sofort aus dem Satz von Lagrange!

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(14)

Leonhard Euler (1707–1783)

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(15)

Leonhard Euler (1707–1783)

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(16)

5.7 Zyklische Gruppen

Definition 95

Eine Gruppe G = hS, ◦, 1i heißt zyklisch, wenn es ein b ∈ G gibt, so dass

G = S

_b

wobei S

_b

= h{b

ⁱ

|i ∈ Z }, ◦, 1i.

Satz 96

Sei G eine zyklische Gruppe. Falls G unendlich ist, ist G zu h Z , +, 0i isomorph; falls G endlich ist, dann ist G isomorph zu h Z

m

, +

m

, 0i f¨ ur ein m ∈ N.

Diskrete Strukturen 5.7 Zyklische Gruppen

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(17)

Beweis:

1. Fall: SeiGunendlich. Wir wissen:G={bⁱ|i∈Z}f¨ur ein geeignetesb∈G, nach Voraussetzung. Betrachte die Abbildung

h:Z3i7→bⁱ∈G

Behauptung:hist bijektiv.

Nach Voraussetzung isthsurjektiv.

Die Injektivit¨at beweisen wir mittels Widerspruch.

Annahme: (∃i, j, i6=j)[bⁱ=b^j] Daraus folgt:

b^i−j= 1 Daher istGendlich, es gilt n¨amlich:

G⊆ {b^k; 0≤k <|i−j|}

Dies ist ein Widerspruch zur Annahme,Gsei unendlich!

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(18)

2. Fall: G endlich:

Wiederum ist die Abbildung h nach Voraussetzung surjektiv.

Nach dem Schubfachprinzip

(∃i, j, i 6= j)[b

ⁱ

= b

^j

] .

Nach der K¨ urzungsregel k¨ onnen wir j = 0 w¨ ahlen. Falls i > 0 und i minimal gew¨ ahlt wird, folgt sofort

G isomorph h Z

i

, +

_i

, 0i .

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(19)

Satz 97

Jede Untergruppe einer zyklischen Gruppe ist wieder zyklisch.

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(20)

Beweis:

Sei

G

zyklisch,

H⊆G

Untergruppe von

G.

1. Fall: |G|=∞, alsoG∼=hZ,+,0i

(

∼=

isomorph).

Sei

H⁰

die durch den Isomorphismus gegebene Untergruppe von

hZ,+,0i, dieH

entspricht.

Zu zeigen ist:

H⁰

ist zyklisch.

Sei

i:= minn

k∈H⁰;k >0o

. Die Behauptung ist:

H =Si.

Es gilt sicher:

Si⊆H⁰.

Falls ein

k∈H⁰\S_i

existiert, folgt

kmodi∈H⁰

. Dies stellt einen Widerspruch zur Wahl von

i

dar. Also ist

H⁰ =Si

, damit ist gezeigt, dass

H

zyklisch ist.

2. Fall: |G|<∞: Der Beweis l¨

auft analog.

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