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第 16 章:补充证明:群、阶与欧拉函数计数
第10章已经从幂阶公式解释循环群的阶计数。这里保留一般群中的定义与完整证明,并补上“元素阶整除群阶”的陪集论证。群是概括模乘法的语言;下面先从可逆剩余类说明运算,再引入一般定义。概率符号的严格定义也放在本章末尾,供回查。
16.1 从模乘法进入群的语言
前面已经证明的模逆元、幂的周期与原根,可以用群的语言统一表达。群是带一种运算的集合,运算满足:封闭、结合律、有单位元、每个元素有逆元。若运算还满足交换律,称为交换群。群的阶是元素个数,记为 ;它与某个元素的阶是两种不同的数量。
对 ,模
的互质剩余类组成
其运算为剩余类乘法。第 13.4 节保证乘积仍互质,所以运算封闭;整数乘法给出结合律与交换律; 是单位元;第 13.3 节保证每个元素有逆元,而且逆元也与
互质。因此
是有限交换群,
。
对质数 ,
就是全部非零剩余类,阶为
。第 15 章已经完整证明原根存在,所以某个
的幂遍历
。这就是说
是循环群。这里“循环”表示一个元素的幂生成整个群;它是比“每个元素的幂都有周期”更强的性质。
一般模数不保证循环: 有四个元素,却没有阶为四的元素,因而任何单个元素都无法生成全群。
16.2 有限群中的元素阶与循环子群
以下暂用 表示群单位元。对有限群中的元素
,它的阶是满足
的最小正整数
。
先说明这个正整数一定存在。若 ,
共
项,必有两项相同。设
、
,乘以
得
。由良序原理可以取最小正指数。
与第 4.2 节同样作带余除法,可以证明对 ,
因此 两两不同,且任何非负整数幂都等于其中某一项。这个集合记为
。它包含单位元;两项乘积仍是一个幂;
的逆元为
,经指数取余仍在集合中。因此
是
的子群,恰有
个元素。
在一般群中也可以使用整数次幂,负次幂由逆元定义;这里的计数只用非负代表。
16.3 陪集划分与拉格朗日定理的完整证明
设 是有限群
的子群。对
,左陪集定义为
第一,每个陪集与 等大。 映射
是双射,逆映射为
,故
。
第二,两个陪集相交就相同。 若 ,其中
,则
记此元素为 ,有
。对子群内的
,
,所以
;反用
得反向包含。故两个陪集完全相同。
第三,陪集覆盖全群。 每个 都属于
,因为
。
综上,不同左陪集将 划分成若干互不重叠、每份恰有
个元素的集合。若有
个不同陪集,则
这就是拉格朗日定理。取 ,便得
证明没有使用交换律,适用于任意有限群。
整除条件不保证每个因数都实现为元素阶。 例如 的阶为
,其元素阶分别为
,没有阶为
的元素。后面按每个因数精确计数,依赖的是循环群这一额外条件。
16.4 循环群中的幂阶公式,包括零指数
设 ,
,即
的阶为
。每个元素唯一写为
,其中
。第 14.1 节的论证在群中原样成立:对
,
若 ,写
、
,
。对正整数
,
最后一步用 与互质消去律。因此最小正
为
。
若 ,
的阶为
,而
,公式同样给出
。这一步补足了概率计数必须包含单位元的边界。
16.5 为什么阶为 d 的元素恰好有欧拉函数那么多个
设 ,令
。由刚才的公式,
右边要求 ,写
。由于
,恰有
。并且
这个等式也可由第 13.9 节的质数指数逐项取最小值证明。因此
当 ,这样的
恰有
个,因为
不互质,统计范围与
等价;当
,只有
,且
,也与
一致。每个
对应不同的
,所以
若 ,由拉格朗日定理个数为
。由计数结果可见,在循环群中每个正因数确实都被实现。
取 ,各元素阶只能为
,
。其数量为
因为 时模
的互质代表恰为奇数,有一半。总数检查为
;没有遗漏其他阶。这就是第 10 章到达时间分布中的计数依据。
16.6 原根存在性的另一条证明:所有阶的最小公倍数
新增对话给出另一种证明,可以与第 14.4 节的逐个质数幂构造对照。设 ,令
每个阶均整除 ,故
。另一方面,每个非零剩余类都满足
。多项式
因而至少有
个根;由第 14.3 节的根数上界,
。于是
。
还需要说明有元素的阶恰好达到 。写
。由于是有限多个阶的最小公倍数,对于每个最大质数幂
,存在某个
,其阶为
,且
。取
,幂阶公式给出阶为
。这些阶两两互质,模乘法可交换,第 14.2 节给出
的阶为
。故
是原根。
单独取
即可。
这段“最小公倍数可以由一个元素的阶达到”的构造对有限交换群成立,不能去掉交换条件。例如三元素置换群 的元素由恒等、换位和三循环组成,阶分别为
,最小公倍数为
,却没有阶为
的元素。
16.7 样本空间、事件与随机变量
本篇只需要有限概率,不需要先学习连续分布或测度论。设有限样本空间 的每个结果
有概率
,并满足
。事件是其中一个子集
,其概率为
。互不相交事件的概率可以相加。
若所有结果等概率,称为均匀分布,此时
随机变量 是由结果决定的数或标签。事件
指所有满足这个条件的结果,因此
最后一个等式来自不同取值的事件将样本空间划分。并非任意一组概率的和都为 ;这里使用的是某个随机变量全部互斥取值的概率。
16.8 双射保持均匀,等大小原像也保持均匀
若 在有限集合
上均匀,
是一个映射,则对
,
这直接由均匀计数得到。如果 是双射,每个原像恰有一个元素,输出在
上均匀。如果
是满射,而且每个原像恰有相同的
个元素,则
,输出仍在
上均匀,概率为
。
输出均匀需要检验原像大小,不能仅因为输入均匀就断定。 例如均匀取 ,映射
取
的概率为
,取
的概率为
。
对 均匀取自
,映射
的每个原像为
恰有 项,故余数均匀。若
,
又是双射:相同像经互质消去律推出相同原像,有限同大小集合上的单射就是双射。两步合起来仍保持均匀。
16.9 条件概率、独立性与全概率公式
当 时,条件概率定义为
随机变量 独立,表示对其全部取值
,
因此,在 时,
。零概率条件事件不使用这个除法。
设 将样本空间划分成互不相交的事件,则
被
划分,所以
这就是有限全概率公式。等号的依据分别是事件划分和条件概率定义,并不需要先假设独立。
如果 独立,分别只依赖它们的
也独立。固定输出
,将原像事件展开:
这里强调“分别”:若两个新变量都依赖同一个输入,不能自动断言独立。