1. 半群的定义

一个半群(S,)(S, \cdot) 是一个集合 SS上定义了一种二元运算:乘法\cdot,满足以下公理:

1. 封闭性:a,bS, abS\forall a, b \in S,\ a \cdot b \in S

2. 结合律:(ab)c=a(bc)(a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)


2. 幺半群的定义

一个幺半群(M,) (M, \cdot) 是一个集合 M 上定义了一种二元运算:乘法 \cdot,满足以下公理:

1. 封闭性:a,bM, abM\forall a, b \in M,\ a \cdot b \in M

2. 结合律:(ab)c=a(bc)(a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)

3. 单位元:eM, s.t. ae=ea=a\exists e \in M,\ \text{s.t.}\ a \cdot e = e \cdot a = a


3. 群的定义

一个群(G,) (G, \cdot) 是一个集合 G 上定义了一种二元运算:乘法 \cdot,满足以下公理:

1. 封闭性:a,bG, abG\forall a, b \in G,\ a \cdot b \in G

2. 结合律:(ab)c=a(bc)(a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)

3. 单位元:eG, s.t. ae=ea=a\exists e \in G,\ \text{s.t.}\ a \cdot e = e \cdot a = a

4. 逆元:aG, a1G, s.t. aa1=a1a=e\forall a \in G,\ \exists a^{-1} \in G,\ \text{s.t.}\ a \cdot a^{-1} = a^{-1} \cdot a = e

若还满足交换律:ab=baa \cdot b = b \cdot a,则称为阿贝尔群


4. 环的定义

一个环 (R,+,)(R, +, \cdot) 是一个集合 RR 上定义了两种二元运算:加法 ++ 和乘法 \cdot,满足以下公理:

1. 加法群:(R,+)(R, +) 是一个阿贝尔群

  • 封闭性:a,bR, a+bR\forall a, b \in R,\ a + b \in R

  • 结合律:(a+b)+c=a+(b+c)(a + b) + c = a + (b + c)

  • 零元:0R, s.t. a+0=a\exists 0 \in R,\ \text{s.t.}\ a + 0 = a

  • 逆元:aR, aR, s.t. a+(a)=0\forall a \in R,\ \exists -a \in R,\ \text{s.t.}\ a + (-a) = 0

  • 交换律:a+b=b+aa + b = b + a

2. 乘法半群:(R,)(R, \cdot) 是一个半群

  • 封闭性:a,bR, abR\forall a, b \in R,\ a \cdot b \in R

  • 结合律:(ab)c=a(bc)(a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)

3. 分配律:乘法对加法满足左右分配律

  • 左分配律:a(b+c)=ab+aca \cdot (b + c) = a \cdot b + a \cdot c

  • 右分配律:(a+b)c=ac+bc(a + b) \cdot c = a \cdot c + b \cdot c


5. 整环的定义

一个整环

(D,+,)(D, +, \cdot)是一个集合DD上定义了两种二元运算:加法++和乘法 \cdot,满足以下公理:

1. 加法群:(D,+)(D, +) 是一个阿贝尔群

  • 封闭性:a,bD, a+bD\forall a, b \in D,\ a + b \in D

  • 结合律:(a+b)+c=a+(b+c)(a + b) + c = a + (b + c)

  • 零元:0D, s.t. a+0=a\exists 0 \in D,\ \text{s.t.}\ a + 0 = a

  • 逆元:aD, aD, s.t. a+(a)=0\forall a \in D,\ \exists -a \in D,\ \text{s.t.}\ a + (-a) = 0

  • 交换律:a+b=b+aa + b = b + a

2. 乘法幺半群:(D,)(D, \cdot) 是一个交换幺半群

  • 封闭性:a,bD, abD\forall a, b \in D,\ a \cdot b \in D

  • 结合律:(ab)c=a(bc)(a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)

  • 单位元:1D, s.t. a1=1a=a\exists 1 \in D,\ \text{s.t.}\ a \cdot 1 = 1 \cdot a = a

  • 交换律:ab=baa \cdot b = b \cdot a

3. 分配律:乘法对加法满足分配律

  • 分配律:a(b+c)=ab+aca \cdot (b + c) = a \cdot b + a \cdot c

4. 无零因子:a,bD, ab=0a=0 或 b=0\forall a, b \in D,\ a \cdot b = 0 \Rightarrow a = 0 \ \text{或}\ b = 0


6. 域的定义

一个域

(F,+,) (F, +, \cdot) 是一个集合F F 上定义了两种二元运算:加法+ + 和乘法 \cdot,满足以下公理:

1. 加法群:(F,+)(F, +) 是一个阿贝尔群

  • 封闭性:a,bF, a+bF\forall a, b \in F,\ a + b \in F

  • 结合律:(a+b)+c=a+(b+c)(a + b) + c = a + (b + c)

  • 零元:0F, s.t. a+0=a\exists 0 \in F,\ \text{s.t.}\ a + 0 = a

  • 逆元:aF, aF, s.t. a+(a)=0\forall a \in F,\ \exists -a \in F,\ \text{s.t.}\ a + (-a) = 0

  • 交换律:a+b=b+aa + b = b + a

2. 乘法群:(F{0},)(F \setminus \{0\}, \cdot) 是一个阿贝尔群

  • 封闭性:a,bF{0}, abF{0}\forall a, b \in F \setminus \{0\},\ a \cdot b \in F \setminus \{0\}

  • 结合律:(ab)c=a(bc)(a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)

  • 单位元:1F{0}, s.t. a1=1a=a\exists 1 \in F \setminus \{0\},\ \text{s.t.}\ a \cdot 1 = 1 \cdot a = a

  • 逆元:aF{0}, a1F{0}, s.t. aa1=a1a=1\forall a \in F \setminus \{0\},\ \exists a^{-1} \in F \setminus \{0\},\ \text{s.t.}\ a \cdot a^{-1} = a^{-1} \cdot a = 1

  • 交换律:ab=baa \cdot b = b \cdot a

3. 分配律:乘法对加法满足分配律

  • 分配律:a(b+c)=ab+aca \cdot (b + c) = a \cdot b + a \cdot c


7. 子群的定义

(G,) (G, \cdot) 是一个群,HGH \subseteq G H H \neq \varnothing,若 (H,)(H, \cdot) 也构成一个群,则称H H G G 子群,满足以下条件:

1. 封闭性:a,bH, abH\forall a, b \in H,\ a \cdot b \in H

2. 单位元:eHeG的单位元)e \in H(e 为 G 的单位元)

3. 逆元:aH, a1H\forall a \in H,\ a^{-1} \in H


8. 理想的定义

(R,+,)(R, +, \cdot) 是一个环,IRI \subseteq R I I \neq \varnothing,若I I 满足以下条件,则称I I R R 理想

1. 加法子群:(I,+)(I, +)(R,+) (R, +) 的子群

  • 封闭性:a,bI, a+bI\forall a, b \in I,\ a + b \in I

  • 零元:0I0 \in I

  • 逆元:aI, aI\forall a \in I,\ -a \in I

2. 吸收性:rR, aI, raIarI\forall r \in R,\ \forall a \in I,\ r \cdot a \in I 且 a \cdot r \in I


9. 商群的定义

(G,) (G, \cdot) 是一个群,NNG G 正规子群(即 gG, gNg1=N\forall g \in G,\ gNg^{-1} = N),则商集G/N={gNgG} G/N = \{gN \mid g \in G\} 在运算 (aN)(bN)=(ab)N(aN)(bN) = (ab)N 下构成一个群,称为G G 关于N N 商群:

1. 封闭性:(aN)(bN)=(ab)NG/N(aN)(bN) = (ab)N \in G/N

2. 结合律:(aN)(bN)(cN)=(abc)N(aN)(bN)(cN) = (abc)N

3. 单位元:N=eN为单位元N = eN 为单位元

4. 逆元:(aN)1=a1N(aN)^{-1} = a^{-1}N


10. 同态与同构的定义

群同态:设(G,) (G, \cdot) (H,) (H, ) 是两个群,映射φ:GH \varphi: G \to H 满足a,bG, φ(ab)=φ(a)φ(b) \forall a, b \in G,\ \varphi(a \cdot b) = \varphi(a) \varphi(b),则称φ \varphi 群同态

群同构:若群同态φ \varphi 是双射,则称φ \varphi 群同构,记作 GHG \cong H

环同态:设 (R,+,)(R, +, \cdot)(S,,) (S, \oplus, \otimes) 是两个环,映射φ:RS \varphi: R \to S 满足:

  • φ(a+b)=φ(a)φ(b)\varphi(a + b) = \varphi(a) \oplus \varphi(b)

  • φ(ab)=φ(a)φ(b)\varphi(a \cdot b) = \varphi(a) \otimes \varphi(b)

则称φ\varphi 环同态。若φ \varphi 是双射,则称为环同构


代数结构层级关系

结构 运算数 加法结构 乘法结构 附加条件
半群 1 半群
幺半群 1 幺半群 单位元
1 单位元、逆元
2 阿贝尔群 半群 分配律
整环 2 阿贝尔群 交换幺半群 分配律、无零因子
2 阿贝尔群 阿贝尔群(排除零元) 分配律