习题1设A , B , C都是集合 , 试证明C‒(A⋂B)=(C‒A)⋃(C‒B) ,
注: 此题是证明两个集合相等 ,
而证明两个集合相等的基本手法是证明两个集合互相包含 ,
即对属于集合C‒(A⋂B)的任意x , 去证x属于集合(C‒A)⋃(C‒B) ;
反之 , 对属于集合(C‒A)⋃(C‒B)的任意x , 去证x属于C‒(A⋂B) ,
证明: 若x属于集合C‒(A⋂B) , 则x属于集合C且x不属于集合(A⋂B) ,
即x属于集合C且x不属于集合A或x不属于集合B ,
从而x属于集合C‒A或x属于集合C‒B ,
所以x属于集合(C‒A)⋃(C‒B) ,
若x属于集合(C‒A)⋃(C‒B) , 则x属于集合C‒A或x属于集合C‒B ,
从而x属于集合C且x不属于集合A ,
或x属于集合C且x不属于集合B , 则x属于集合C且x不属于集合(A⋂B) ,
所以x属于集合C‒(A⋂B) ,
故C‒(A⋂B)=(C‒A)⋃(C‒B)
习题2判断下列规则是否是映射
(1)φ : Q→Q , →mn , m , n属于N , n≠0 ;
(2)φ : N→N , m→m‒1 ;
(3)φ : Q→R , x→
解: 规则φ : A→B成为映射需要三个条件 :
1)A中每个元素有像 ;
2)A中每个元素的像在B中 ;
3)A中每个元素的像唯一
(1)不是映射 , 因为=的像不唯一 ,
(2)不是映射 , 因为φ(0)=‒1不属于N ,
(3)不是映射 , 因为0没有像 ,
习题3判新下列R到R+映射是否为单射、满射、双射
(1)x→2x+1
(2)x→2x
(3)当x≠0时 , x→x2 , 当x=0时 , x→1
(4)x→1 ,
解: (1)因为1没有原像 , 所以x→2x+1是单射 , 不是满射 ,
(2)x→2x既是单射又是满射 , 因而是双射 ,
(3)0和1的像相等 , 不是单射 , 但为满射 ,
(4)2没有原像 , 1和2的像又相等 , 所以x→1不是单射也不是满射 ,
习题4设σ , τ , 是集合A上的变换 , 证明:
(1)若σ , τ都是单变换 , 则στ是单变换 ;
(2)若σ , τ都是满变换 , 则στ是满变换 ;
(3)若σ , τ都是双变换 , 则στ是双变换 ,
证明: (1)设στ(a)=στ(b) , 因为σ是单变换 , 所以τ(a)=τ(b) ,
又因为τ也是单变换 , 所以a=b , 即στ是单变换 ,
(2)对属于集合A的任意a , 由σ是满变换知存在属于集合A的b , 使得σ(b)=a
对属于集合A的b , 因为τ是满变换 , 所以存在属于集合A的c , 使得τ(c)=b
从而στ(c)=a , 因为a有原像 , 故στ是满变换
(3)由(1)和(2)得证 ,
习题5设A是n元有限集合 , σ是A的一个变换 ,
则σ是可逆变换⟺σ是单变换⟺σ是满变换 ,
证明: 若σ是单变换 , 则不同元素的像不同 , 共有n个像 ,
这n个像刚好构成集合A ,
因此σ是满变换 ,
若σ是满变换 , 则有n个不同的像 , 而不同原像的个数也是n个 ,
所以σ是单变换 ,
习题6设φ是A={1 , 2 , 3}到A的满射 , 且φ(1)=2 , 求φ的个数 ,
解: 因为有限集合上的满变换也是单变换 , 所以φ只有两种 :
φ : 1→2 , 2→3 , 3→1
φ : 1→2 , 2→1 , 3→3
习题7设σ , σ'是A到B的映射 , τ : B→C是单射 , 证明若στ=τσ' , 则σ=σ'
证明: 对属于集合A的任意a , 有τσ(a)=τσ'(a) ,
因为τ是单射 , 所以σ(a)=σ'(a) , 从而σ=σ' ,
习题8设φ是A到B的映射 , A0包含于A ,
试证明A0包含于φ‒1(φ(A0)) , 并举例说明等号不一定成立 ,
解: 对属于集合A0的任意a , φ(a)属于φ(A0) , 从而a属于φ‒1(φ(A0)) ,
定义φ : Z→Z , n→|n| , 则Z+包含于φ‒1(φ(Z+)) , 但是Z+≠φ‒1(φ(Z+)) ,
习题9设φ是A到B的满射 , B0包含于B , 证明φ(φ‒1(B0))=B0
证明: 若b属于φ(φ‒1(B0)) ,
则存在属于集合φ‒1(B0)的a , 使得b=φ(a)属于B0 , 即b属于B0
若b属于B0 , 则存在属于集合A的a , 使得b=φ(a)属于B0
从而a属于φ‒1(B0) , b属于φ(φ‒1(B0))
综上 , φ(φ‒1(B0))=B0
习题10在S3中 , σ=(123) , φ=(12) , 试计算σ2φ ,
解: 置换的乘法运算可用数表完成 , 例如我们可以用下表计算σφ ,
当然 , 为了简洁我们也可以将箭头、映射符号省略不写 ,
习题11在S5中 , 计算στ , τ2 , σ‒1τσ , 其中
,
解:
习题12判断下列置换是否是偶置换 : (1536) , (78249) , (1536)(78249)
关于奇偶置换的判别 , 我们可以遵从定义将置换表示成对换合成的形式 ,
再根据对换的个数确定置换的奇偶性 ,
另外 , 根据长度为t的轮换可以表示成t‒1个对换的合成这个结论 ,
我们仅需将置换表示为轮换的合成就可以判断置换的奇偶性 ,
解: (1536)是长度为4的轮换 , 因此是奇置换 ;
(78249)是长度为5的轮换 , 因此是偶置换 ;
(1536)(78249)是偶置换与奇置换的合成 , 因此是奇置换 ,
习题13 试证明在剩余类集合Z3中 , 规则~⟺|a|>|b|不是Z3的一个关系 ,
证明: 因为|2|>|1| , |2|<|4| , 所以~ , ≁ ,
而在Z3中 , = , 所以~ , ≁ ,
即规则~⟺|a|>|b|不是Z3的一个关系 ,
习题14设A={a , b , c} ,
试在A中给出一个关系 , 满足对称性和传递性 , 但不满足反身性 ,
解: 集合A的一个二元关系~决定A×A的一个子集S={(a , b)|a , b∈A , a~b} ,
反之 , A×A的一个子集S决定A的一个二元关系~ : a~b⟺(a , b)属于S ,
通过A×A的一个子集S={(a , b) , (b , a) , (a , a) , (b , b)}可以给出满足条件的关系
习题15判断下列关系是否是等价关系 :
(1)在R中 , x~y⟺|x|⩾|y| ;
(2)在R中 , x~y⟺xy≠0 ;
(3)在Mn(R)中 , A~B⟺del(A‒B)=0 ;
(4)在R中 , x~y⟺x>y ;
(5)在Mn(R)中 , A~B⟺AT=B ;
(6)在R中 , x~y⟺|x|+|y|>|x‒y| ;
(7)在R中 , x~y⟺|x|+|y|⩾|x‒yl ;
(8)在Z中 , m~n⟺m‒n是偶数 ,
解: 注意 , (1) , (2) , (3)都仅满足等价关系的三个条件中的两条 ,
这说明等价关系的三个条件中的两个成立推不出第三个条件成立
(1)不是等价关系 , 满足反身性、传递性 , 但不满足对称性 ,
因为2和1有关系 , 但是1和2没关系
(2)不是等价关系 , 满足对称性、传递性 , 但不满足反身性 , 因为0和0没关系
(3)不是等价关系 , 满足反身性、对称性 , 但不满足传递性 ,
令A= , B= , c= , 则A~B , B~C , A≁C ,
(4)不是等价关系 , 不满足反身性、对称性 , 因为1≁1 , 2~1 , 1≁2 ,
(5)不是等价关系 , 不满足反身性 , 因为A=≠AT
(6)不是等价关系 , 不满足反身性 , 因为|0|+|0|=0 , 0≁0 ,
(7)是等价关系 ,
(8)是等价关系 ,
习题16 A , B属于Mn(R) , 判断下列关系是否是等价关系 :
(1)A~B⟺存在可逆矩阵P , Q使得A=PBQ ;
(2)A~B⟺存在可逆矩阵P使得A=P‒1BP ;
(3)A~B⟺存在可逆矩阵P使得A=PTBP ,
解: 以上三种关系分别是矩阵的相抵关系、相似关系和相合关系 ,
它们都是等价关系
习题17 给出集合A={ax2+bx+c=0|a , b , c∈R , a≠0}的一个分类 ,
解: 令b2‒4ac=Δ ,
A1={ax2+bx+c=0|Δ>0} ,
A2={ax2+bx+c=0|Δ=0} ,
A3={ax2+bx+c=0|Δ<0} ,
则{A1 , A2 , A3 }是A的一个分类 ,
习题18 设H={(13) , (14) , (23)} , K={(1) , (12)(34) , (13)(24) , (14)(23)} ,
请说明S4上的乘法运算是否是H , K上的乘法运算 ,
解: 因为(13)(14)=(143)不属于H , 即S4的乘法运算在H上不封闭 ,
所以S4上的乘法运算不是H上的乘法运算 ,
因为(1)a=a=a(1) , a2=(1) , a属于K ,
(12)(34)(13)(24)=(14)(23) , (12)(34)(14)(23)=(13)(24) ,
(13)(24)(12)(34)=(14)(23) , (13)(24)(14)(23)=(12)(34) ,
(14)(23)(12)(34)=(13)(24) , (14)(23)(13)(24)=(12)(34) ,
即S4的乘法运算在K上封闭 ,
所以S4上的乘法运算不是H上的乘法运算 ,
习题19 设属于集合S7的σ是长度为4的轮换 ,
问k为何值时 , σk是轮换 , 并求轮换的长度
解: 不妨设σ=(1234) , 则σ2=(13)(24) , σ3=(1432) , σ4=(1) ,
因此 , k=4n时 , σk是长度为1的轮换 , k=4n±1时 , σk是长度为4的轮换 ,
本题也说明轮换的合成不一定是轮换 ,
习题20判断下列运算∘是否满足交换律、结合律 :
(1)在Z中 , x∘y=x+y‒xy ;
(2)在Mn(R)中 , A∘B=AB‒BA ;
(3)在Zn中 , ∘= ;
(4)在Zn中 , ∘= ,
解: (1)两个运算规律都满足 ,
(2)两个运算规律都不满足 ,
(3)当n=2时 , 两个运算规律都满足 ; 当n≠2时 , 两个运算规律都不满足 ,
(4)当n=2时 , 两个运算规律都满足 ; 当n≠2时 , 满足交换律 , 不满足结合律
习题21设代数系统{A ; ∘}有单位元e且运算满足结合律 ,
若对属于集合A的a , b , 是可逆元 , 证明(a∘b)‒1=b‒1∘a‒1 , (a‒1)‒1=a ,
证明: 因为(a∘b)∘(b‒1∘a‒1)=e=(b‒1∘a‒1)∘(a∘b) , 所以b‒1∘a‒1是a∘b的逆元 ,
因为a∘a‒1=a‒1∘a=e , 所以(a‒1)‒1=a ,
习题22求代数系统{Z6 ; +}的每个元素的逆元 ,
解: 是{Z6 ; +}的单位元 ,
所以易知 , , , , , 的逆元依次为 , , , , , ,
习题23证明集合Z5‒{}关于Z5的乘法运算是代数系统 ,
并求其单位元及每个元素的逆元 ,
证明: 由于Z5的乘法运算在子集合Z5‒{}上封闭可知第一个结论成立 ,
单位元为 , 元素 , , , 的逆元依次为 , , , ,
习题24设φ是代数系统{A ; ⦁}到{B ; ∘}的满同态映射 , e是A的右单位元 ,
试证明φ(e)是B的右单位元 ,
证明: 对属于集合B的任意b , 存在属于集合A的a使得φ(a)=b ,
因为b∘φ(e)=φ(a)∘φ(e)=φ(a⦁e)=φ(a)=b , 所以φ(e)是B的右单位元 ,
习题25设{Mn(R) ; ⦁}是实数域上n阶方阵关于矩阵乘法构成的代数系统 ,
{R ; ⦁}是实数关于数的乘法构成的代数系统 , ,
试证明φ : Mn(R)→R , φ(A)=det(A)是{Mn(R) ; ⦁}到{R ; ⦁}的满同态
证明: 因为det(AB)=det(A)det(B) , 所以φ(AB)=φ(A)φ(B) ,
对属于集合R的任意a ,
令A= , 则det(A)=a ,
即φ是{Mn(R) ; ⦁}到{R ; ⦁}的满同态 ,
习题26试证明代数系统{Z ; ⦁}和{Mn(R) ; ⦁}不同构 ,
证明: 两个代数系统同构 , 仅需要给出它们之间的一个同构映射 ,
而要证明不同构 , 必须指明它们之间没有同构映射 ,
这就需要证明任意映射都不是同构映射 , 要逐一验证是不可能的 ,
因此 , 论证不同构可以从下面两个方面考虑 :
(1)通过看两个代数系统的运算律、特殊元素来判别 ,
例如{Z ; ⦁}与{Mn(R) ; ⦁} ,
因为{Z ; ⦁}的运算满足交换律 , {Mn(R) ; ⦁}的运算不满足交换律 ,
所以{Z ; ⦁}与{Mn(R) ; ⦁}不同构 ,
再例如{Z ; ⦁}与{2Z ; ⦁} ,
因为{Z ; ⦁}有单位元 , {2Z ; ⦁}没有单位元 , 所以{Z ; ⦁}与{2Z ; ⦁}不同构
(2)利用反证法判别 ,
例如{R‒{0} ; ⦁}与{R ; +} ,
假设{R‒{0} ; ⦁}与{R ; +}同构 , 则存在同构映射φ , 使得φ(1)=0 ,
设φ(‒1)=a , 则φ(1)=φ(‒1)+φ(‒1)=2a , 从而a=0 , 矛盾 , 所以二者不同构
习题27证明Z的加法和乘法运算满足的运算律在Zn中同样满足 ,
解: 我们可以直接验证Zn的运算规律 ,
也可以通过给出{Z ; + , ⦁}到{Zn ; + , ⦁}的满同态映射 ,
从而可知Z的运算规律在Zn中都成立 ,
Zn是Z的一个分类方法 , 因此Z到Zn有一个满射 φ : Z→Zn , a→ ,
事实上 , 这个映射也是{Z ; + , ⦁}到{Zn ; + , ⦁}的满同态映射 ,
因为φ(a+b)==+=φ(a)φ(b) , φ(ab)===φ(a)φ(b) ,
所以Zn的运算与Zn的运算满足相同的运算律 ,
习题28试证明Mn(R)上的运算A∘B=AB‒BA不满足结合律 ,
称此运算为Mn(R)上的李乘 ,
证明: 令Eij表示i , j位置为1 , 其余位置为0的n阶矩阵 ,
计算可知(E11∘E12)∘E21=E11‒E22 , E11∘(E12∘E21)=O
这说明此运算不满足结合律 ,
习题29 试证明Mn(R)上的李乘运算是反称矩阵集合上的运算 ,
但不是对称矩阵集合上的运算 ,
证明: 若A , B是反称矩阵或是对称矩阵 ,
则(AB‒BA)T=BTAT‒ATBT=BA‒AB=‒(AB‒BA) , 即A∘B是反称矩阵 ,
从而Mn(R)上的方括号运算是反称矩阵集合上的运算 ,
不是对称矩阵集合上的运算 ,
习题30试求An(n⩾4)中的乘积(123)(134)和(134)(123) ,
解:
习题31令R*表示去掉0后的实数的子集合 ,
试证明映射det: GLn(R)→R* , A→det(A)是代数系统{GLn(R) ; ⦁}到{R* ; ⦁}的满同态
证明: 因为det(AB)=det(A)det(B) , 所以det是同态 ,
对属于R*的任意a , 令 ,
则det(A)=a , 即det是{CLn(R) ; ⦁}到{R* ; ⦁}的满同态 ,