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Demostrar que $G$ sea un grupo bajo $\oplus$ la definida por $\bar{a} \oplus \bar{b} = \bar{a} \times_7 \bar{b} +_7 \bar{a} +_7 \bar{b}$ .

En este problema, me atasqué al encontrar la inversa de cada elemento en $G$ . Por favor, ayúdenme al menos a dar una pista para que pueda resolver este problema con claridad.

Problema

Dejemos que $\mathbb{Z}_7$ sea un grupo bajo $+_7$ y $\mathbb{Z}_{7}^{*}$ sea un grupo bajo $\times_7$ donde $\mathbb{Z}_{7}^{*} = \lbrace \bar{a} \in \mathbb{Z}_7 \mid \bar{a} \neq \bar{0} \rbrace$ . Sea un conjunto no vacío $G$ que se define como $G = \lbrace \bar{a} \in \mathbb{Z}_7 \mid \bar{a} \neq \bar{6} \rbrace$ y una operación binaria $\oplus$ en $G$ la definida por $$\bar{a} \oplus \bar{b} = \bar{a} \times_7 \bar{b} +_7 \bar{a} +_7 \bar{b}$$ para todos $\bar{a},\bar{b} \in \mathbb{Z}_7$ . Demostrar que $G$ es un grupo bajo $\oplus$ .

Mi solución.

Es fácil demostrar que $\oplus$ es una operación binaria asociativa.

Ahora, $\bar{0} \in G$ . Entonces, $\bar{0} \oplus \bar{a} = \bar{0} \times_7 \bar{a} +_7 \bar{0} +_7 \bar{a} = \overline{0+a} = \bar{a} = \bar{a} \oplus\bar{0}$ . Así, $\bar{0}$ sea un elemento de identidad de $G$ .

A continuación, encontraremos la inversa. Sea $\bar{a}, \bar{m} \in G$ donde $\bar{m}$ sea la inversa de $\bar{a}$ . Entonces, $\bar{0} = \bar{m} \oplus \bar{a} \Rightarrow \bar{m} = -\frac{\bar{a}}{\bar{a}+1} \notin G$ .

Me quedo atascado. Por favor, ayuden al menos a darme alguna pista. Gracias.

4voto

Ennar Puntos 1760

Estás confundiendo la inversa en $\mathbb R$ y la inversa en $\mathbb Z_7^*$ . Para comparar:

\begin{array}{c | c | c} x & x^{-1}\, \text{in}\,\mathbb R & x^{-1}\, \text{in}\,\mathbb Z_7^* \\ \hline 1 & 1 & 1\\ 2 & 1/2 & 4 \\ 3 & 1/3 & 5 \\ 4 & 1/4 & 2 \\ 5 & 1/5 & 3 \\ 6 & 1/6 & 6 \end{array}

Para ser justos, los elementos de $\mathbb R$ y elementos de $\mathbb Z_7^*$ son fundamentalmente diferentes cuando se trata de álgebra, por lo que utilizar los mismos símbolos para ellos tiende a confundir a los principiantes. Por eso, en el nivel introductorio, utilizamos algo como $\bar n$ para denotar la clase de equivalencia de $n\in\mathbb Z$ bajo alguna relación, aquí: $n\sim m \iff n-m\in 7\mathbb Z.$

Permítanme reescribir la tabla anterior utilizando esta notación:

\begin{align} \bar 1 \times_7 \bar 1 = \bar 1 &\implies (\bar 1)^{-1} = \bar 1,\\ \bar 2 \times_7 \bar 4 = \bar 8 = \bar 1 &\implies (\bar 2)^{-1} = \bar 4, (\bar 4)^{-1} = \bar 2,\\ \bar 3 \times_7 \bar 5 = \overline {15} = \bar 1 &\implies (\bar 3)^{-1} = \bar 5, (\bar 5)^{-1} = \bar 3,\\ \bar 6 \times_7 \bar 6 = \overline {36} = \bar 1 &\implies (\bar 6)^{-1} = \bar 6.\\ \end{align}

Podría haber adivinado esos, o mejor aún, podría haber hecho la tabla de multiplicar para $\mathbb Z_7^*$ :

\begin{array}{ c| c c c c c } \times_7 & \bar 1 & \bar 2 & \bar 3 & \bar 4 & \bar 5 & \bar 6\\ \hline \bar 1 & \bf{\color{red}{\bar 1}} & \bar 2 & \bar 3 & \bar 4 & \bar 5 & \bar 6\\ \bar 2 & \bar 2 & \bar 4 & \bar 6 & \bf{\color{red}{\bar 1}} & \bar 3 & \bar 5\\ \bar 3 & \bar 3 & \bar 6 & \bar 2 & \bar 5 & \bf{\color{red}{\bar 1}} & \bar 4\\ \bar 4 & \bar 4 & \bf{\color{red}{\bar 1}} & \bar 5 & \bar 2 & \bar 6 & \bar 3\\ \bar 5 & \bar 5 & \bar 3 & \bf{\color{red}{\bar 1}} & \bar 6 & \bar 4 & \bar 2\\ \bar 6 & \bar 6 & \bar 5 & \bar 4 & \bar 3 & \bar 2 & \bf{\color{red}{\bar 1}} \end{array}

Como puede ver, cada fila y cada columna tiene precisamente una $\bf{\color{red}{\bar 1}}$ por lo que cada elemento de $\mathbb Z_7^*$ tiene una única inversa.

Para resolver su problema, tenemos $G = \{\bar 0, \bar 1, \bar 2,\bar 3,\bar 4,\bar 5\}$ . Ahora haz una tabla de multiplicar como la anterior, sólo que utiliza tu operación $\oplus$ y buscar $\bf{\color{blue}{\bar 0}}$ .


Le recomiendo encarecidamente que haga lo anterior. El enfoque alternativo es menos elemental.

Fíjate en dos cosas, $\bar a\oplus \bar b +_7 \bar 1 = (\bar a +_7 \bar 1)\times_7 (\bar b +_7 \bar 1)$ y si añadimos $\bar 1$ a todos los elementos de $G$ obtenemos todos los elementos de $\mathbb Z_7^*$ es decir $f\colon G\to \mathbb Z_7^*$ , $f(\bar x) = \bar x +_7 \bar 1$ es una biyección con la inversa $g\colon \mathbb Z_7^*\to G$ , $g(\bar x) = \bar x -_7 \bar 1$ .

Estas dos cosas me dicen que hay una fuerte relación entre $G$ y $\mathbb Z_7^*$ . Además

$$f(\bar a\oplus \bar b) = \bar a\oplus\bar b +_7 \bar 1 = (\bar a+_7\bar 1)\times_7(\bar b+_7\bar 1) = f(\bar a)\times_7 f(\bar b)$$ y de manera similar $$g(\bar a\times_7 \bar b) = g(\bar a)\oplus g(\bar b).$$

(Compara esto con tu pregunta anterior y mi respuesta allí).

Ahora, puedo probar fácilmente que $G$ es un grupo (perderé el $\bar\cdot$ , $\times_7$ y $+_7$ aunque sea eso lo que se quiere decir):

  1. $(a\oplus b)\oplus c + 1 = (a\oplus b + 1)(c + 1) = (a+1)(b+1)(c+1) = \ldots =a\oplus(b\oplus c) + 1$ $\implies (a\oplus b)\oplus c = a\oplus(b\oplus c),$
  2. $a\oplus 0 + 1 = (a+1)(0 + 1) = a + 1 = (0+1)(a+1) = 0\oplus a + 1$ $\implies a\oplus 0 = a = 0\oplus a,$

Aquí es donde la cosa se complica:

\begin{align} 1\cdot 1 = 1 \implies (0+1)(0+1) = 1 &\implies 0\oplus 0 + 1 = 1 \implies 0\oplus 0 =0,\\ 2\cdot 4 = 1 \implies (1+1)(3+1) = 1 &\implies 1\oplus 3 + 1 = 1 \implies 1\oplus 3 = 0,\\ 3\cdot 5 = 1 \implies (2+1)(4+1) = 1 &\implies 2\oplus 4 + 1 = 1 \implies 2\oplus 4 = 0,\\ 6\cdot 6 = 1 \implies (5+1)(5+1) = 1 &\implies 5\oplus 5 + 1 = 1 \implies 5\oplus 5 = 0.\\ \end{align}

Así que, ahí tienes tus inversos.

Esencialmente, hemos establecido que $f$ y $g$ son isomorfismos de grupo de $G$ y $\mathbb Z_7^*$ , por lo que mapean inversas a inversas.

2voto

Shauna Puntos 3123

La asociatividad se desprende de la multiplicación y la suma de enteros.

Está claro que, efectivamente, $\bar{0}$ es la identidad.

A continuación se calcula la tabla de Cayley, con la ayuda de $\color{blue}{\text{commutativity}}$ de la multiplicación y la adición de números enteros (y, por tanto, de $\oplus$ ), de la siguiente manera:

$$\begin{array}{c|cccccc} \oplus & \bar{0} & \bar{1} & \bar{2} & \bar{3} & \bar{4} & \bar{5} \\ \hline \bar{0} & \bar{0} & \bar{1} & \bar{2} & \bar{3} & \bar{4} & \bar{5} \\ \bar{1} & \color{blue}{\bar{1}} & \bar{3} & \bar{5} & \bar{0} & \bar{2} & \bar{4} \\ \bar{2} & \color{blue}{\bar{2}} & \color{blue}{\bar{5}} & \bar{1} & \bar{4} & \bar{0} & \bar{3} \\ \bar{3} & \color{blue}{\bar{3}} & \color{blue}{\bar{0}} & \color{blue}{\bar{4}} & \bar{1} & \bar{5} & \bar{2} \\ \bar{4} & \color{blue}{\bar{4}} & \color{blue}{\bar{2}} & \color{blue}{\bar{0}} & \color{blue}{\bar{5}} & \bar{3} & \bar{1} \\ \bar{5} & \color{blue}{\bar{5}} & \color{blue}{\bar{4}} & \color{blue}{\bar{3}} & \color{blue}{\bar{2}} & \color{blue}{\bar{1}} & \bar{0} \end{array},$$

de lo que se puede deducir que

$$\begin{align} \bar{1}^{-1}&=\bar{3},\\ \bar{2}^{-1}&=\bar{4},\\ \bar{3}^{-1}&=\bar{1},\\ \bar{4}^{-1}&=\bar{2},\,\text{ and}\\ \bar{5}^{-1}&=\bar{5}. \end{align}$$

El cierre también está implícito en la tabla.

Así, $(G, \oplus)$ es un grupo.

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