形式陈述
群公理库群Group配备结合二元运算、单位元,并且每个元素都有逆元的集合。 称为循环群,若存在 使
这样的 称为生成元; 是生成子群公理库生成子群Generated subgroup · Subgroup generated by a set包含指定元素集的最小子群,也就是生成元及其逆元的一切有限乘积。在单元素集合上的情形。加法记号下写成 。
考察同态
生成 当且仅当 满射;因此 循环当且仅当存在 使这个同态满射。若 没有有限正阶,则 ,于是 ;若 的阶为 ,则 ,于是 。因此每个循环群都同构于 或某个 ,有限循环群的同构类型由阶 确定。
当 时, 两两不同,且 只由 决定。任意幂的阶满足
因为 等价于 ,最小正解正是 。特别地, 仍生成全群当且仅当 。
直觉
循环群只有一种基本动作,所有元素都是把它向前或向后重复若干次。若永远不回到单位元,群沿整数轴无限延伸;若最早在第 步回到单位元,之后的运动便以 为周期。生成元把整个群压缩成一个动作及其周期,但它不一定唯一。
这种单源结构使循环群自动成为阿贝尔群公理库阿贝尔群Abelian group · Commutative group运算还满足交换律的群,通常用加法记号表达其叠加结构。:
反过来,运算交换并不意味着存在单个生成元。交换律只允许重排多个基本方向,循环性却要求所有方向本来就是同一个方向的整数倍。
有限循环群的图像可以看成匀速走表盘。步长 每次把位置加 ;它能走遍全部 个刻度,恰好在 与 互素时成立。这里的最大公因数公理库最大公约数Greatest common divisor · GCD同时整除两个整数且被所有公约数整除的非负整数。精确测量步长会把表盘拆成多少个独立循环。
例子与边界
的生成元恰好是 和 ,每一个都能单独生成全群;一般整数 生成的是 。在 中, 是生成元,因为它与 互素; 的阶为 ,只走过 。
复数中的 次单位根
在乘法下由 生成。这个例子把抽象周期变成几何旋转:乘一次生成元就是在单位圆上转过 ,其子群对应只访问某组等距顶点。
Klein 四元群 是阿贝尔群却不循环,因为每个非单位元的阶都是 ,没有元素能生成四个元素。 也不循环: 只落在同一直线上的点 ,无法同时产生 和 。
推论与应用
循环群的每个子群仍循环。对无限情形, 的子群都是 ;对 、,每个 对应唯一的 阶子群
有限情形中,,所以使 的最小正整数 总是存在。若 ,将 写成 ,其中 ,就有 。由 的最小性,,故 ;再取 得到 。这也包含 、 的情形。
无限情形中,非零子群 含有最小正整数 ,带余除法同样给出 ;零子群则对应 。
阶循环群的生成元恰好是与 互素的指数所对应的幂,因此生成元数为 Euler 函数 。
Lagrange 定理公理库拉格朗日定理Lagrange's theorem有限群的阶等于子群阶与指数之积,因此子群阶必整除群阶。给出一个反向入口:若有限群 的阶为素数 ,任取 ,子群 的阶既大于 又整除 ,只能等于 ,所以 必循环。这个结论由群阶的算术推出,无需预先假定交换律。
循环群是有限生成阿贝尔群结构定理的基本因子,也把周期运算转化为模算术:在 阶群 中,,指数按模 相加。有限域 的非零元素在乘法下构成 阶循环群,选定生成元后,每个非零元素都唯一写成 ,其中 。从元素恢复这个指数,就是相对于 的离散对数问题。
参考资料
- David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004, §2.3.
- Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011, §2.4.