89-214 סמסטר א' תשעא/תקצירים

כאמור בדף הקורס, התוכנית מכסה ארבעה נושאים.

1. מבוא לתורת המספרים האלמנטרית (שעור אחד)
2. חבורות (שמונה שעורים)
3. חוגים (שלושה שעורים)
4. שדות (שעור אחד)

בהמשך יוצגו כאן תקצירי ההרצאות.

• חזרה ל89-214 סמסטר א' תשעא

הרצאה ראשונה

מבוא לתורת המספרים

הנחת המוצא היא שאתם מכירים את התכונות היסודיות של המספרים השלמים (תכונות של החיבור והכפל, של הקבועים 0 ו-1, ושל יחס הסדר). תרגיל: איך אפשר להגדיר את הקבועים ואת יחס הסדר, אם נתונים רק החיבור והכפל?

הגדרנו את יחס החלוקה (שהוא יחס סדר חלש על אוסף הזוגות [math]\displaystyle{ \ \pm n }[/math]), ואת המחלק המשותף המקסימלי (המחלק המשותף שהוא הגדול ביותר מכל המחלקים המשותפים, לפי היחס הרגיל), ואז הוכחנו שרשרת של טענות:

1. אפשר לבצע חילוק עם שארית ("אוקלידיות");

2. המחלק המשותף המקסימלי של a ו- b הוא צירוף שלם שלהם.

3. אם [math]\displaystyle{ \ a|bc }[/math] ו- a זר ל-b, אז [math]\displaystyle{ \ a|c }[/math].

הגדרנו מספר אי-פריק (לא ניתן לפרק באופן לא-טריוויאלי) ומספר ראשוני (אם הוא מחלק מכפלה אז הוא מחלק את אחד הגורמים), והבחנו שכל ראשוני הוא אי-פריק (זה קל). כעת אפשר להוכיח

4. כל שלם אי-פריק הוא ראשוני (כלומר, במספרים השלמים, "ראשוני" ו"אי-פריק" הם בעצם אותו מושג), ואז

5. המשפט היסודי של האריתמטיקה: לכל מספר שלם יש פירוק יחיד לגורמים אי-פריקים.

השרשרת הזו תופיע באופן כללי בהרבה בפרק השלישי של הקורס, כאשר נעסוק בתחומי שלמות (שהם סוג מיוחד של חוגים קומוטטיביים (שהם סוג מיוחד של חוגים)).

תרגיל. בכתה הגדרנו מחלק משותף מקסימלי לגבי יחס הסדר הרגיל, ואמרנו שלו היינו מגדירים לפי יחס החלוקה היינו מקבלים אותו הדבר. הוכיחו טענה זו. כלומר, הראו שכל מחלק משותף של a ו-b מחלק את המחלק המשותף המקסימלי.

הרצאה שניה

לסיום הפרק הראשון הגדרנו את יחס השקילות [math]\displaystyle{ \ a \equiv b \pmod{n} }[/math] (אם ורק אם [math]\displaystyle{ \ n|(a-b) }[/math]). מחלקות השקילות שלו הן [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n = \{[0],[1],\dots,[n-1]\} }[/math]. מתברר שפעולות החיבור והכפל לפי רכיבים מגדירות פעולות בין המחלקות. משפט השאריות הסיני קובע שאם n,m זרים, אז הפונקציה [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_{nm} \rightarrow \mathbb{Z}_n \times \mathbb{Z}_m }[/math] המוגדרת על-ידי [math]\displaystyle{ \ [x]_{nm} \mapsto ([x]_n,[x]_m) }[/math] (תרגיל: הוכח שהיא מוגדרת היטב; מה יש לבדוק?) היא חד-חד-ערכית ועל.

מערכת מתמטית כוללת קבוצה, פעולות, יחסים וקבועים (או חלק מהם). המשך הקורס יעסוק בכמה מערכות מתמטיות חשובות: חבורות, חוגים ושדות. לפני שנעסוק בחבורות באופן ישיר, נפגוש שני מבנים אלגבריים פשוטים יותר: חבורות למחצה ומונוידים.

חבורה למחצה היא קבוצה עם פעולה בינארית אסוציאטיבית. דוגמא כללית: אוסף כל הפונקציות מקבוצה X לעצמה. (במובן מסויים, כל חבורה למחצה היא אוסף של פונקציות מקבוצה מתאימה לעצמה [בעתיד נוכיח תוצאה דומה על חבורות]). שימו לב שכדי שקבוצה חלקית של אוסף כל הפונקציות מ-X ל-X תהיה חבורה למחצה, די בכך שהיא תהיה סגורה להרכבה (משום שהאסוציאטיביות היא אוטומטית).

איבר של חבורה למחצה המקיים את התנאי [math]\displaystyle{ \ ex=xe=x }[/math] לכל x הוא "איבר יחידה". לא תמיד יש כזה, אבל אם הוא קיים - הוא יחיד. חבורה למחצה שבה יש איבר יחידה, נקראת מונויד (או "יחידון").

הרצאה שלישית

איבר y של מונויד M הוא "הפכי של x" אם xy=yx=1. אם יש ל-x הפכי, אז הוא יחיד --- ולאיבר הזה קוראים "ההפכי של x". איבר שיש לו הפכי הוא "איבר הפיך". לדוגמא, איבר היחידה הוא הפיך --- אבל יש מונוידים שבהם אין אף איבר הפיך אחר. מונויד שכל האיברים שלו הפיכים נקרא חבורה. מתברר שבכל מונויד M, אוסף האיברים ההפיכים [math]\displaystyle{ \ U(M) }[/math] הוא חבורה.

המונויד מקיים את תכונת הצמצום משמאל אם מ-xy=xz תמיד נובע y=z. לדוגמא, המונויד של המספרים עד n עם פעולת המקסימום אינו מקיים את התכונה הזו. מונויד המוכל בחבורה מקיים את תכונת הצמצום (אבל יש דוגמאות - קשות יחסית - למונוידים המקיימים את תכונת הצמצום ואינם מוכלים באף חבורה).

משפט. מונויד סופי בעל תכונת הצמצום משמאל הוא חבורה.

דוגמאות לחבורות.

1. [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] ביחס לפעולת החיבור.
2. אוסף האברים ההפיכים ב-[math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] ביחס לפעולת הכפל. לחבורה הזו קוראים חבורת אוילר מסדר n, ויש בה [math]\displaystyle{ \ \varphi(n) }[/math] אברים.
3. החבורה הסימטרית [math]\displaystyle{ \ S_n }[/math] היא חבורת התמורות על n עצמים. אפשר לכתוב כל תמורה כמכפלה של מחזורים זרים, באופן יחיד.
4. החבורה הדיהדרלית [math]\displaystyle{ \ D_n }[/math] כוללת, על-פי ההגדרה, את הפעולות המותרות על מצולע משוכלל בן n צלעות. אפשר להציג אותה כחבורת האברים [math]\displaystyle{ \ \{\sigma^i \tau^j\} }[/math] עם היחסים [math]\displaystyle{ \ \sigma^n = \tau^2 = 1 }[/math], [math]\displaystyle{ \ \tau \sigma \tau^{-1} = \sigma^{-1} }[/math]; וגם כחבורה של מטריצות סיבוב ושיקוף מסדר 2. שימו לב ש-[math]\displaystyle{ \ D_3 }[/math] היא בעצם החבורה [math]\displaystyle{ \ S_3 }[/math], משום שכל תמורה של הקודקודים שומרת על המשולש במקומו (מה שאינו נכון כשמספר הקודקודים גדול יותר).
5. לכל שדה F, המטריצות ההפיכות מסדר n מעל F מהוות חבורה, [math]\displaystyle{ \ \operatorname{GL}_n(F) }[/math].

לסיום, הגדרנו מכפלה ישרה חיצונית, שהיא המכפלה הקרטזית של שתי חבורות נתונות עם הפעולה לפי רכיבים, כדרך לבנות חבורה חדשה מחבורות נתונות.

תרגיל. הוכיחו ש- [math]\displaystyle{ \ U_{8} \cong \mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2 }[/math] וש- [math]\displaystyle{ \ U_{10} \cong \mathbb{Z}_4 }[/math].

הרצאה רביעית

תת-קבוצה לא-ריקה H של חבורה G היא תת-חבורה אם H מהווה חבורה בזכות עצמה ביחס לפעולות המצומצמות מ-G. זה שקול לכך שהיא סגורה לכפל וללקיחת הפכי (בחבורה סופית, די בכך שהקבוצה סגורה לכפל). תת-החבורות הטריוויאליות הן G עצמה, והקבוצה הכוללת רק את איבר היחידה.

אם H תת-חבורה של G, קבוצה מהצורה [math]\displaystyle{ \ Ha = \{xa: x\in H\} }[/math] נקראת קוסט ימני של H. הקוסטים הימניים זרים זה לזה, והם מכסים את החבורה. מכיוון שלכולם אותו גודל (השווה לסדר של H), מתקבל משפט לגרנז': הסדר של חבורה (סופית) מתחלק בסדר של כל תת-חבורה.

חיתוך של אוסף כלשהו של תת-חבורות הוא תת-חבורה, וכך אפשר להגדיר את החבורה הנוצרת על-ידי קבוצה S, כתת-החבורה הקטנה ביותר המכילה את S. אבריה של תת-החבורה הזו הם המכפלות של אברי S וההפכיים שלהם.

הסדר של איבר [math]\displaystyle{ \ g \in G }[/math] הוא n>0 הקטן ביותר שעבורו [math]\displaystyle{ \ g^n=1_G }[/math] (אם יש כזה; אחרת הסדר הוא אינסוף). כל איבר g יוצר תת-חבורה [math]\displaystyle{ \ \langle g \rangle }[/math], הכוללת בדיוק את החזקות של g; סדר החבורה הזו שווה לסדר האיבר. חבורות כאלה, הנוצרות על-ידי איבר אחד, נקראות חבורות ציקליות.

לדוגמא, החבורה [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] ציקלית, משום שהיא נוצרת על-ידי המחלקה [math]\displaystyle{ \ [1] }[/math]. כל החבורות הציקליות מאותו סדר איזומורפיות זו לזו. חישבנו שהסדר של a בחבורה הזו הוא [math]\displaystyle{ \ n/(a,n) }[/math], ולכן יש בדיוק [math]\displaystyle{ \ \phi(n/e) }[/math] אברים מכל סדר n/e. בפרט, יש לחבורה [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] בדיוק [math]\displaystyle{ \ \phi(n) }[/math] יוצרים.

הרצאה חמישית

כל תת-חבורה של [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] נוצרת על-ידי איבר המחלק את n; אם a|n, אז הסדר של החבורה הנוצרת על-ידי a הוא n/a, ולכן, אם H תת-חבורה של [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_n }[/math] מסדר d, היא שווה לחבורה הציקלית <n/d>. כלומר, לחבורות ציקליות יש תת-חבורה יחידה מכל סדר שמשפט לגרנז' מתיר.

הוכחנו ש- [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_{nm} \cong \mathbb{Z}_n \times \mathbb{Z}_m }[/math] אם ורק אם n,m זרים. (על-ידי בניית העתקה מפורשת: [math]\displaystyle{ \ [x]_{nm} \mapsto ([x]_{n},[x]_m) }[/math]). מכאן נובע למשל ש- [math]\displaystyle{ \ \mathbb{Z}_{12} \times \mathbb{Z}_{15} \cong \mathbb{Z}_3 \times \mathbb{Z}_{60} }[/math]: לחבורה האבלית שמות רבים.

מגדירים את המכפלה של תת-חבורות כקבוצה של כל המכפלות האפשריות: [math]\displaystyle{ \ AB=\{ab | a\in A, b\in B\}$ }[/math]. באופן דומה אפשר להגדיר, לכל קבוצה בחבורה, [math]\displaystyle{ \ S^{-1}=\{s^{-1} | s\in S\} }[/math]. הוכחנו שאם A,B תת-חבורות, אז המכפלה AB תת-חבורה אם ורק אם AB=BA.

הגדרנו הומומורפיזם (העתקה מחבורה G לחבורה H, השומרת על הכפל (ולכן גם על איבר היחידה ועל פעולת ההיפוך)). התמונה של הומומורפיזם היא תת-חבורה של H, והגרעין הוא תת-חבורה של G. הומומורפיזם הוא חד-חד-ערכי אם ורק אם הגרעין שלו טריוויאלי. ראינו שכל תת-חבורה יכולה להיות תמונה של הומומורפיזם כלשהו. מאידך, לא כל תת-חבורה יכולה להיות גרעין של הומומורפיזם: לתת-חבורות כאלה נקרא בשעור הבא "תת-חבורות נורמליות", ובינתיים אנו מגדירים אותן על-פי התכונה [math]\displaystyle{ \ aH=Ha }[/math] לכל a, ותכונות השקולות לה.

הרצאה ששית

תת-חבורה H של G המקיימת את התנאי [math]\displaystyle{ \ aHa^{-1} \subset H }[/math] לכל [math]\displaystyle{ \ a\in G }[/math], (או כל אחד מהתנאים השקולים לכך) נקראת תת-חבורה נורמלית. אם [math]\displaystyle{ \ N\leq G }[/math] תת-חבורה נורמלית, מסמנים [math]\displaystyle{ \ N \triangleleft G }[/math]. הוכחנו שתת-חבורה היא נורמלית אם ורק אם הפעולה הטבעית של כפל קוסטים - מוגדרת היטב. את האוסף הזה אפשר להפוך לחבורה, הקרויה חבורת המנה, [math]\displaystyle{ \ G/N }[/math]. כמובן, [math]\displaystyle{ \ |G/N| = [G:N] }[/math]. קיומה של חבורת המנה מאפשר להוכיח קריטריון נוסף: תת-חבורה היא נורמלית אם ורק אם היא גרעין להומומורפיזם כלשהו (ההעתקה [math]\displaystyle{ \ \theta : G \rightarrow G/N }[/math] לפי [math]\displaystyle{ \ \theta(x) = xN }[/math] היא הומומורפיזם, ו- [math]\displaystyle{ \ \operatorname{Ker}(\theta) = N }[/math]). כלומר: תת-חבורות נורמליות של G = גרעינים של הומומורפיזמים מ-G.

הוכחנו את משפט האיזומורפיזם הראשון: לכל הומומורפיזם [math]\displaystyle{ \ \phi : G \rightarrow H }[/math], [math]\displaystyle{ \ G/\operatorname{Ker}(\phi) \cong \operatorname{Im}(\phi) }[/math]. מעכשיו, אם נרצה להוכיח ש- [math]\displaystyle{ \ G/K \cong H }[/math], מספיק יהיה לבנות אפימורפיזם (=הומומורפיזם על( [math]\displaystyle{ \ G \rightarrow H }[/math] שהגרעין שלו הוא K.

ראינו שנורמליות מחלחלת כלפי מטה: אם [math]\displaystyle{ \ K \triangleleft G }[/math] ו- [math]\displaystyle{ \ H \leq G }[/math], אז [math]\displaystyle{ \ K \cap H \triangleleft H }[/math]. בפרט (אם מניחים [math]\displaystyle{ \ K \sub H }[/math]) נורמליות עוברת בתורשה לתת-חבורה. מאידך, נורמליות אינה טרנזיטיבית: יתכן ש- [math]\displaystyle{ N \triangleleft H \triangleleft G }[/math] ובכל זאת [math]\displaystyle{ \ N \not \triangleleft G }[/math].

אם [math]\displaystyle{ \ N \triangleleft G }[/math] ו- [math]\displaystyle{ \ H \leq G }[/math] אז [math]\displaystyle{ \ NH }[/math] תמיד תת-חבורה; יתרה מזו, המכפלה של תת-חבורות נורמליות היא נורמלית.

הגדרנו מתי חבורה G היא מכפלה ישרה פנימית של שתי תת-חבורות שלה (הן צריכות להיות נורמליות, בעלות חיתוך טריוויאלי, וכך שמכפלתן היא כל החבורה). הוכחנו שכל מכפלה ישרה חיצונית היא גם מכפלה ישרה פנימית, ושמכפלה ישרה פנימית איזומורפית למכפלה ישרה חיצונית של תת-החבורות.