115 代數學 · 考前完整版

11/05 考前完整版:定義、定理、證明與精確用語

先讀這份,再抄 a4.html。
用瀏覽器讀:complete.html(MathJax 已本地化)。
這份是「讀懂版」:把定義的量化寫法、定理的假設、證明的開頭與結尾寫清楚。A4 是「考試版」:只留索引、骨架與易錯。


0. 怎麼用這份

  1. 先逐節讀定義與定理,嘴巴講一次「假設是什麼、結論是什麼」。
  2. 證明不要背全文,背「第一行」與「最後一行」;中間用公理補。
  3. 讀完一節,回頭看 A4 對應欄位;如果 A4 那行你看不懂,代表這節沒讀通。
  4. 考前只看 A4,不再開新題。

1. 自然數與整數(Natural Numbers & Integers)

1.1 Peano 公理(Peano Axioms)

以 \(1\) 為起始元素:

  1. \(1\in\mathbb{N}\)。
  2. 對任意 \(n\in\mathbb{N}\),後繼 \(S(n)\in\mathbb{N}\)。
  3. 對任意 \(n\in\mathbb{N}\),\(S(n)\neq1\)。
  4. 對任意 \(m,n\in\mathbb{N}\),\(S(m)=S(n)\Rightarrow m=n\)。
  5. 歸納公理:若 \(A\subseteq\mathbb{N}\) 滿足 \(1\in A\),且 \(n\in A\Rightarrow S(n)\in A\),則 \(A=\mathbb{N}\)。

加法與乘法不是預先給定的,而是用 \(S\) 遞迴定義。考試若問「為什麼需要 Peano」,答案是:它把自然數的「起始、後繼、不會繞回、不會重複、可以歸納」說清楚。

1.2 等價關係與 Z 的建構(Equivalence Relations & Construction of Z)

等價關係(equivalence relation):集合 \(X\) 上的關係 \(\sim\) 滿足

等價類(equivalence class):\([a]=\{x\in X\mid x\sim a\}\)。商集合(quotient set):\(X/\sim=\{[a]\mid a\in X\}\)。

整數的建構(construction of Z):在 \(\mathbb{N}\times\mathbb{N}\) 上定義

\[ (a,b)\sim(c,d)\iff a+d=b+c. \]

則 \(\mathbb{Z}=(\mathbb{N}\times\mathbb{N})/\sim\),而 \([(a,b)]\) 代表 \(a-b\)。

注意 起始元素約定 若 \(\mathbb{N}=\{1,2,3,\dots\}\),自然數 \(n\) 的嵌入是 \(n\mapsto[(n+1,1)]\);若講義用 \(\mathbb{N}=\{0,1,2,\dots\}\),則是 \(n\mapsto[(n,1)]\)。考試以講義的約定為準,不要混用。

加法良定義(well-defined addition):定義 \([(a,b)]+[(c,d)]=[(a+c,b+d)]\)。要證它與代表元無關:

設 \((a,b)\sim(a',b')\)、\((c,d)\sim(c',d')\),即

\[ a+b'=b+a',\qquad c+d'=d+c'. \]

兩式相加並整理:

\[ (a+c)+(b'+d')=(b+d)+(a'+c'), \]

所以 \((a+c,b+d)\sim(a'+c',b'+d')\)。這就是「well-defined」的標準寫法:先設兩組代表元,再證結果落在同一個等價類。

乘法:\([(a,b)]\cdot[(c,d)]=[(ac+bd,ad+bc)]\),良定義的證法同理,只是展開較長。

1.3 良序原理與歸納法(Well-Ordering Principle & Induction)

良序原理(WOP):\(\mathbb{N}\) 的每個非空子集都有最小元素。

它與歸納公理等價。很多存在性證明用它:先取一個非空集合,取最小元素,再用「更小」制造矛盾。除法原理的存在性、循環群子群定理都用到它。

1.4 除法原理、gcd、Bézout(Division Algorithm, gcd, Bézout)

Division Algorithm:對任意 \(a\in\mathbb{Z}\)、\(b\in\mathbb{Z}\) 且 \(b\gt 0\),存在唯一 \(q,r\in\mathbb{Z}\) 使

\[ a=bq+r,\qquad 0\le r\lt b. \]

gcd(greatest common divisor):\(d=\gcd(a,b)\) 是同時整除 \(a,b\) 的最大正整數。等價地:\(d\mid a\)、\(d\mid b\),且任何公因數都整除 \(d\)。

Euclidean Algorithm(輾轉相除法):

\[ \gcd(a,b)=\gcd(b,a\bmod b). \]

一直做到餘數 \(0\),最後的非零餘數就是 gcd。

Bézout's Identity(貝祖等式):若 \(d=\gcd(a,b)\),則存在 \(x,y\in\mathbb{Z}\) 使

\[ ax+by=d. \]

它是「乘法反元素存在 ⇔ gcd \(=1\)」的根據:若 \(\gcd(a,n)=1\),則 \(ax+ny=1\),取模 \(n\) 得 \(ax\equiv1\pmod{n}\)。

Euclid's Lemma(歐幾里得引理):若 \(p\) 是質數且 \(p\mid ab\),則 \(p\mid a\) 或 \(p\mid b\)。

Fundamental Theorem of Arithmetic(算術基本定理):每個 \(n\gt 1\) 都可以唯一分解成質數的乘積(不計因數順序)。

例:\(\gcd(252,198)\)。

\[ 252=1\cdot198+54,\quad 198=3\cdot54+36,\quad 54=1\cdot36+18, \]

故 \(\gcd=18\)。回代:

\[ 18=54-36=54-(198-3\cdot54)=4\cdot54-198=4\cdot252-5\cdot198. \]


2. 同餘與 Z_n(Congruences & Modular Arithmetic)

2.1 同餘、剩餘類、Z_n(Congruence, Residue Classes, Z_n)

同餘(congruence):\(a\equiv b\pmod{n}\) 定義為 \(n\mid(a-b)\)。

剩餘類(residue class):

\[ [a]=\{a+kn\mid k\in\mathbb{Z}\}. \]

\(\mathbb{Z}_n\):

\[ \mathbb{Z}_n=\{[0],[1],\dots,[n-1]\}. \]

它是商集合 \((\mathbb{Z}/\equiv_n)\);元素是「等價類」,不是單一數字。

運算:

\[ [a]+[b]=[a+b],\qquad [a][b]=[ab]. \]

良定義(加法):若 \(a\equiv a'\pmod{n}\)、\(b\equiv b'\pmod{n}\),則

\[ (a+b)-(a'+b')=(a-a')+(b-b') \]

是 \(n\) 的倍數,所以 \(a+b\equiv a'+b'\pmod{n}\)。

良定義(乘法):

\[ ab-a'b'=a(b-b')+(a-a')b' \]

也是 \(n\) 的倍數。

2.2 Unit 與 zero divisor(Units & Zero Divisors)

例:\(\mathbb{Z}_6\) 中 unit 是 \([1],[5]\);zero divisor 是 \([2],[3],[4]\)。

2.3 消去律(Cancellation Law)

定理(可以消)/Cancellation Law:若 \(\gcd(c,n)=1\) 且 \(ac\equiv bc\pmod{n}\),則 \(a\equiv b\pmod{n}\)。

證明:\(n\mid c(a-b)\)。因為 \(\gcd(c,n)=1\),由 Euclid's Lemma(或 Bézout)得 \(n\mid(a-b)\),即 \(a\equiv b\pmod{n}\)。

一般情形:若 \(d=\gcd(c,n)\),則

\[ ac\equiv bc\pmod{n}\Rightarrow a\equiv b\pmod{n/d}. \]

證明:寫 \(c=dc'\)、\(n=dn'\),則 \(\gcd(c',n')=1\),且 \(n'\mid c'(a-b)\),故 \(n'\mid(a-b)\)。

反例:\(2\cdot0\equiv2\cdot2\pmod4\),但 \(0\not\equiv2\pmod4\);因為 \(\gcd(2,4)=2\),只能推 \(0\equiv2\pmod2\)。

2.4 線性同餘(Linear Congruences)

定理:\(ax\equiv b\pmod{n}\),令 \(d=\gcd(a,n)\)。

\[ x\equiv x_0+k\frac{n}{d}\pmod{n},\qquad k=0,1,\dots,d-1. \]

證明骨架:\(d\mid b\) 時,寫 \(b=db'\)、\(a=da'\)、\(n=dn'\),則 \(\gcd(a',n')=1\),方程化為 \(a'x\equiv b'\pmod{n'}\),有唯一解 \(x_0\);再加上 \(k(n/d)\) 得到 \(d\) 個解。

例:\(6x\equiv9\pmod{15}\),\(d=3\)。除以 \(3\):

\[ 2x\equiv3\pmod5. \]

\(2^{-1}\equiv3\pmod5\),所以 \(x\equiv9\equiv4\pmod5\),即

\[ x\equiv4,9,14\pmod{15}. \]

2.5 Fermat、Euler、Wilson、CRT(Fermat, Euler, Wilson, CRT)

Fermat's Little Theorem:\(p\) 質數、\(p\nmid a\),則

\[ a^{p-1}\equiv1\pmod{p}. \]

等價地,對所有 \(a\),\(a^p\equiv a\pmod{p}\)。

Euler's Theorem:若 \(\gcd(a,n)=1\),則

\[ a^{\phi(n)}\equiv1\pmod{n}. \]

Wilson's Theorem:對 \(n\gt 1\),

\[ n\text{ 為質數}\iff(n-1)!\equiv-1\pmod{n}. \]

CRT(兩兩互質版):若 \(m_1,\dots,m_k\) 兩兩互質,則

\[ x\equiv a_i\pmod{m_i}\quad(i=1,\dots,k) \]

在模 \(M=\prod m_i\) 下有唯一解。

CRT(一般條件):兩條方程 \(x\equiv a_1\pmod{m_1}\)、\(x\equiv a_2\pmod{m_2}\) 有解 ⇔

\[ \gcd(m_1,m_2)\mid(a_1-a_2). \]

若有解,則在模 \(\operatorname{lcm}(m_1,m_2)\) 下唯一。

注意 週期不是最小階 \(a^{\phi(n)}\equiv1\) 只說 \(\phi(n)\) 是一個「保證的週期」,不是最小週期。真正的最小階(order)整除 \(\phi(n)\)。Fermat 的 \(p-1\) 也一樣;例如 \(2^6\equiv1\pmod7\),但 \(2\) 的階是 \(3\)。

例:\(3^{103}\bmod100\)。

\[ \phi(100)=40,\qquad 103=2\cdot40+23, \]

所以

\[ 3^{103}\equiv3^{23}\equiv27\pmod{100}. \]


3. 群與子群(Groups & Subgroups)

3.1 二元運算與群公理(Binary Operations & Group Axioms)

二元運算(binary operation):映射

\[ *:G\times G\to G. \]

說一個運算是二元運算,要確認:每個 \((a,b)\) 都有定義、結果唯一、且結果落在 \(G\) 裡(封閉)。

群(group):\((G,*)\) 滿足

Abelian(交換群):群,且 \(\forall a,b\in G,\ ab=ba\)。

補充 課本與講義的編號 Fraleigh 課本用 \(\mathcal{G}_1\)(結合)、\(\mathcal{G}_2\)(單位)、\(\mathcal{G}_3\)(逆元),封閉含在二元運算的定義裡。講義用 G1(封閉)、G2(結合)、G3(單位)、G4(逆元)。答題時先把公理寫出來,不要只寫編號。

經典例子:

群 階 交換?
\((\mathbb{Z},+)\) 無限 是
\((\mathbb{Z}_n,+)\) \(n\) 是
\(\mathbb{Z}_n^\times\) \(\phi(n)\) 是
\(S_n\) \(n!\) \(n\ge3\) 否
\(D_n\) \(2n\) \(n\ge3\) 否
Klein \(V\) \(4\) 是(非循環)
\(GL(n,\mathbb{R})\) 無限 \(n\ge2\) 否

3.2 由公理推得的五個直接結論(Direct Consequences)

1. 單位元唯一

設 \(e,e'\) 都是單位元。則

\[ e=e*e'=e'. \]

2. 逆元唯一

設 \(b,c\) 都是 \(a\) 的逆元。則

\[ b=b*e=b*(a*c)=(b*a)*c=e*c=c. \]

3. 倒置律

\[ (ab)(b^{-1}a^{-1})=a(bb^{-1})a^{-1}=aa^{-1}=e. \]

另一邊同理,故 \((ab)^{-1}=b^{-1}a^{-1}\)。

4. 消去律

若 \(ab=ac\),左乘 \(a^{-1}\):

\[ (a^{-1}a)b=(a^{-1}a)c\Rightarrow eb=ec\Rightarrow b=c. \]

5. 線性方程的唯一解

\(ax=b\) 的唯一解是 \(x=a^{-1}b\);\(ya=b\) 的唯一解是 \(y=ba^{-1}\)。非交換群左右不同。

注意 精確用語 不要寫「兩邊同除以 \(a\)」,要寫「兩邊左乘 \(a^{-1}\)」。不要寫「把 \(a\) 消掉」,要寫「由消去律」。每一步要指出用了 G2 結合律、G3 單位元、G4 逆元,或哪個已證結論。

3.3 子群與子群判定法(Subgroups & Subgroup Tests)

子群(subgroup):\(H\le G\) 表示 \(H\subseteq G\)、\(H\neq\varnothing\),且 \(H\) 在 \(G\) 的限制運算下自身構成群。

三條件:

  1. 封閉:\(\forall a,b\in H,\ ab\in H\)。
  2. 單位元:\(e\in H\)。
  3. 逆元:\(\forall a\in H,\ a^{-1}\in H\)。

結合律自動繼承自 \(G\),不必重新證明。

一步子群判定法(one-step subgroup test):\(H\le G\) ⇔

\[ H\neq\varnothing,\qquad \forall a,b\in H,\ ab^{-1}\in H. \]

證明:

有限子群判定法(finite subgroup test):若 \(H\) 是 \(G\) 的有限非空子集,且對乘法封閉,則 \(H\le G\)。

證明骨架:對 \(a\in H\),序列 \(a,a^2,a^3,\dots\) 都在 \(H\)。因 \(H\) 有限,存在 \(m\gt n\) 使 \(a^m=a^n\),故 \(a^{m-n}=e\in H\),且 \(a^{-1}=a^{m-n-1}\in H\)。

反例:\(\mathbb{Z}^+=\{1,2,3,\dots\}\) 在加法下封閉,但不是 \(\mathbb{Z}\) 的子群——沒有 \(0\),也沒有負數逆元。它是無限子集,所以不能只用封閉性判定。

同構(isomorphism):雙射 \(\phi:G\to G'\) 滿足

\[ \phi(ab)=\phi(a)\phi(b). \]

同構的群有相同的群論性質(階、交換性、元素階等)。


4. 循環群(Cyclic Groups)

4.1 定義與階(Definition & Order)

循環群(cyclic group):存在 \(a\in G\) 使

\[ G=\langle a\rangle=\{a^k\mid k\in\mathbb{Z}\}. \]

群的階(order of a group):\(|G|\) 是 \(G\) 的元素個數。

元素的階(order of an element):

\[ \lvert a\rvert=\min\{n\in\mathbb{Z}_{\gt 0}\mid a^n=e\}. \]

若不存在這樣的正整數,稱 \(a\) 有無限階。並且

\[ \lvert a\rvert=\lvert\langle a\rangle\rvert. \]

例:\(\mathbb{Z}_{12}\) 中 \(|\bar4|=3\),因為

\[ \bar4+\bar4+\bar4=\bar{12}=\bar0, \]

而 \(\bar4,\bar8\) 都不是 \(\bar0\)。

4.2 循環群的基本性質(Basic Properties)

循環 ⇒ Abelian:若 \(G=\langle a\rangle\),則任意 \(g_1=a^r\)、\(g_2=a^s\),故

\[ g_1g_2=a^{r+s}=a^{s+r}=g_2g_1. \]

反之不成立:Klein \(V\) 是 Abelian,但每個非單位元的階都是 \(2\),生成不出 \(4\) 階群,所以不是循環群。

循環群的子群仍循環:設 \(G=\langle a\rangle\),\(H\le G\)。若 \(H=\{e\}\),顯然。否則取 \(H\) 中最小正指數 \(m\)(良序原理),證明 \(H=\langle a^m\rangle\):任取 \(a^n\in H\),用除法原理寫 \(n=mq+r\),\(0\le r\lt m\),則 \(a^r\in H\);由 \(m\) 的最小性,\(r=0\)。

4.3 階的公式、生成元、子群結構(Order Formula, Generators, Subgroup Structure)

設 \(G=\langle a\rangle\) 且 \(|a|=n\)。

  1. 次方的階:

\[ \lvert a^s\rvert=\frac{n}{\gcd(n,s)}. \]

  1. 生成元:\(a^s\) 生成 \(G\) ⇔ \(\gcd(s,n)=1\)。生成元共有 \(\phi(n)\) 個。

  2. 子群結構:對每個 \(d\mid n\),恰有一個 \(d\) 階子群,由 \(a^{n/d}\) 生成。

  3. 分類:無限循環群同構於 \((\mathbb{Z},+)\);\(n\) 階循環群同構於 \((\mathbb{Z}_n,+)\)。

例:\(\mathbb{Z}_{18}\)。生成元是 \(\bar1,\bar5,\bar7,\overline{11},\overline{13},\overline{17}\),共 \(\phi(18)=6\) 個。子群階數為 \(1,2,3,6,9,18\)。

注意 公式的前提 \(|a^s|=n/\gcd(n,s)\) 的前提是 \(|a|=n\)。如果 \(a\) 不是 \(G\) 的生成元,\(n\) 不能代 \(|G|\);要用 \(|a|\)。


5. 生成集與 Cayley Digraph(Generating Sets & Cayley Digraphs)

5.1 生成集(Generating Sets)

由子集生成的子群(subgroup generated by a subset):\(\langle S\rangle\) 是包含 \(S\) 的最小子群,也等於 \(S\) 中元素及其逆元的所有有限乘積。

有限生成群(finitely generated group):存在有限子集 \(S\) 使 \(G=\langle S\rangle\)。

5.2 Cayley digraph(Cayley Digraphs)

給定群 \(G\) 與生成集 \(S\)。

四大性質:

  1. 連通:\(S\) 生成 \(G\),所以任兩點間有路徑。
  2. 出入度:對每個 \(g\in S\),每個頂點恰有一條 \(g\)-出邊與一條 \(g\)-入邊。
  3. 邊的唯一性:給定 \(x\) 與 \(g\),\(xg\) 唯一,所以同型邊不重複。
  4. 平移一致性:從任一點走同一字詞,到達的點是原點的右乘平移。

例:

5.3 D3 的 6×6 Cayley table(D3 Cayley Table, ρ/τ version)

老師上課用正三角形,把六個對稱寫成

\[ \rho_0,\rho_1,\rho_2,\tau_1,\tau_2,\tau_3, \]

其中 \(\rho_0\) 是恆等,\(\rho_1\) 是旋轉 \(120^\circ\),\(\rho_2\) 是旋轉 \(240^\circ\);\(\tau_1,\tau_2,\tau_3\) 是三個反射。用置換的兩行記法:

\[ \rho_0=\begin{pmatrix}1&2&3\\1&2&3\end{pmatrix},\quad \rho_1=\begin{pmatrix}1&2&3\\2&3&1\end{pmatrix},\quad \rho_2=\begin{pmatrix}1&2&3\\3&1&2\end{pmatrix}, \]

\[ \tau_1=\begin{pmatrix}1&2&3\\1&3&2\end{pmatrix},\quad \tau_2=\begin{pmatrix}1&2&3\\3&2&1\end{pmatrix},\quad \tau_3=\begin{pmatrix}1&2&3\\2&1&3\end{pmatrix}. \]

約定:下表「列(Row)=先做的運算,行(Column)=後做的運算」,表格值=先列後行。也就是第 \(x\) 列、第 \(y\) 行的值是「先 \(x\) 再 \(y\)」。

\(R\backslash C\) \(\rho_0\) \(\rho_1\) \(\rho_2\) \(\tau_1\) \(\tau_2\) \(\tau_3\)
\(\rho_0\) \(\rho_0\) \(\rho_1\) \(\rho_2\) \(\tau_1\) \(\tau_2\) \(\tau_3\)
\(\rho_1\) \(\rho_1\) \(\rho_2\) \(\rho_0\) \(\tau_2\) \(\tau_3\) \(\tau_1\)
\(\rho_2\) \(\rho_2\) \(\rho_0\) \(\rho_1\) \(\tau_3\) \(\tau_1\) \(\tau_2\)
\(\tau_1\) \(\tau_1\) \(\tau_3\) \(\tau_2\) \(\rho_0\) \(\rho_2\) \(\rho_1\)
\(\tau_2\) \(\tau_2\) \(\tau_1\) \(\tau_3\) \(\rho_1\) \(\rho_0\) \(\rho_2\)
\(\tau_3\) \(\tau_3\) \(\tau_2\) \(\tau_1\) \(\rho_2\) \(\rho_1\) \(\rho_0\)

檢查:

\[ \rho_0^{-1}=\rho_0,\quad \rho_1^{-1}=\rho_2,\quad \rho_2^{-1}=\rho_1,\quad \tau_i^{-1}=\tau_i\ (i=1,2,3). \]

注意 表格會轉置 若你採用課本慣例「乘積 \(ab\) 表示先 \(b\) 後 \(a\)」,同一組元素的 Cayley table 會是這張表的轉置。考試時先在表頭寫清楚「列先、行後」或「行先、列後」,不要把兩張表混用。


6. 證明的精確用語(Precise Proof Language)

這一節是「把話說對」的清單。考試寫證明時,寧可短,但每個量詞與方向要正確。

6.1 量詞與存在性(Quantifiers & Existence)

要說的意思 精確寫法 不要寫
任意取一個 任取 \(a\in G\)、設 \(a\in G\) 為任意元素 「隨便一個」
存在 存在 \(x\in G\) 使… 「有一個」但沒說存在
唯一 存在唯一的 \(x\) 「只有一個」但沒證
恰有一個 存在且僅存在一個 「剛好一個」口語
若且唯若 \(P\iff Q\),兩方向都要證 只證 \(P\Rightarrow Q\)
非空 \(H\neq\varnothing\) 「\(H\) 有東西」

6.2 群證明的固定句式(Proof Templates)

6.3 常見錯句(Common Wrong Phrases)

錯句 為什麼錯 正確
「兩邊同除 \(a\)」 群不一定有除法 「兩邊左乘 \(a^{-1}\)」
「\(ab=ba\)」 只有 Abelian 群才成立 非交換群不能交換順序
「\(H\) 封閉,所以 \(H\le G\)」 無限子集反例 \(\mathbb{Z}^+\) 有限非空才可用;否則用一步法
「\(\phi(n)\) 是最小階」 只是保證的週期 最小階整除 \(\phi(n)\)
「\(\lvert a^s\rvert=\lvert G\rvert/\gcd\)」 \(n\) 應是 \(\lvert a\rvert\) \(\lvert a^s\rvert=\lvert a\rvert/\gcd(\lvert a\rvert,s)\)
「\(abc=e\Rightarrow c^{-1}=ba\)」 非交換群不能換序 \(c^{-1}=ab\)
「\(xa=x\) 只對一個 \(x\),不能推 \(a=e\)」 群裡 \(x\) 有逆元 左乘 \(x^{-1}\) 得 \(a=e\)
「\(abc=acb\Rightarrow G\) 是 Abelian」 只證明 \(b,c\) 可交換 不能推全群

7. 三個作業證明(Three Homework Proofs)

7.1 最大公因數存在且唯一(Existence & Uniqueness of gcd)

定理:設 \(a,b\in\mathbb{Z}\) 不全為 \(0\)。則存在唯一的正整數 \(d\) 滿足:

  1. \(d\mid a\) 且 \(d\mid b\);
  2. 若 \(c\mid a\) 且 \(c\mid b\),則 \(c\mid d\)。

稱 \(d=\gcd(a,b)\)。

存在性:考慮

\[ S=\{ax+by\mid x,y\in\mathbb{Z},\ ax+by\gt 0\}. \]

\[ r=a-dq=a(1-x_0q)+b(-y_0q). \]

若 \(r\gt 0\),則 \(r\in S\) 且 \(r\lt d\),與 \(d\) 的最小性矛盾;故 \(r=0\),即 \(d\mid a\)。同理 \(d\mid b\)。

唯一性:設 \(d_1,d_2\) 都滿足定義。把 \(d_2\) 看成公因數、\(d_1\) 看成 gcd,得 \(d_2\mid d_1\);反之得 \(d_1\mid d_2\)。兩者都是正整數,故 \(d_1=d_2\)。

注意 邊界 若 \(a=b=0\),\(\gcd\) 未定義(或約定為 \(0\))。考試先寫「\(a,b\) 不全為 \(0\)」,並取 \(d\gt 0\)。

7.2 Division Algorithm(帶餘除法)

定理:對任意 \(a\in\mathbb{Z}\)、\(b\in\mathbb{Z}\) 且 \(b\gt 0\),存在唯一 \(q,r\in\mathbb{Z}\) 使

\[ a=bq+r,\qquad 0\le r\lt b. \]

存在性:考慮

\[ S=\{a-bk\mid k\in\mathbb{Z},\ a-bk\ge0\}. \]

\[ a-ba=a(1-b)\ge0, \]

故 \(a-ba\in S\)。因此 \(S\neq\varnothing\)。

由良序原理,取 \(r=a-bq\) 為 \(S\) 的最小元。若 \(r\ge b\),則

\[ r-b=a-b(q+1)\in S \]

且 \(r-b\lt r\),與 \(r\) 的最小性矛盾。故 \(r\lt b\)。於是 \(a=bq+r\)、\(0\le r\lt b\)。

唯一性:設 \(a=bq+r=bq'+r'\),且 \(0\le r,r'\lt b\)。相減得

\[ b(q-q')=r'-r. \]

另一方面,\(-b\lt r'-r\lt b\),即 \(|r'-r|\lt b\)。一個絕對值嚴格小於 \(b\) 的 \(b\) 的倍數只能是 \(0\),故 \(r'=r\)。代回得 \(b(q-q')=0\);因為 \(b\gt 0\),所以 \(q=q'\)。

注意 邊界 定理要求 \(b\gt 0\)。若 \(b\lt 0\),先換成 \(|b|\);若 \(b=0\),除法無定義。

7.3 算術基本定理(Fundamental Theorem of Arithmetic)

定理:每個整數 \(n\gt 1\) 都可寫成質數的乘積;若不計順序,分解唯一。

存在性(強歸納法):

Euclid's Lemma:若 \(p\) 是質數且 \(p\mid ab\),則 \(p\mid a\) 或 \(p\mid b\)。

推廣:若 \(p\) 是質數且 \(p\mid q_1q_2\cdots q_s\),其中 \(q_j\) 都是質數,則 \(p=q_j\) 對某個 \(j\) 成立。證明:\(s=1\) 時,\(p\mid q_1\) 且 \(q_1\) 質數,故 \(p=q_1\)。設 \(s-1\) 成立;對 \(s\),由 Euclid's Lemma,\(p\mid q_1\cdots q_{s-1}\) 或 \(p\mid q_s\)。前者用歸納假設,後者因 \(q_s\) 質數得 \(p=q_s\)。

唯一性(強歸納法):

\[ n=p_1p_2\cdots p_r=q_1q_2\cdots q_s. \]

因為 \(p_1\mid q_1\cdots q_s\),由推廣得 \(p_1=q_j\) 對某個 \(j\)。由於 \(q_1\) 是最小的,\(p_1=q_j\ge q_1\)。同理 \(q_1\ge p_1\),故 \(p_1=q_1\)。

由整數消去律,兩邊消去 \(p_1\):

\[ n'=\frac{n}{p_1}=p_2\cdots p_r=q_2\cdots q_s. \]

若 \(n'=1\),則 \(r=s=1\);若 \(n'\gt 1\),則 \(n'\lt n\),由歸納假設,\(n'\) 的分解唯一,故 \(r=s\) 且 \(p_i=q_i\)(\(i\ge2\))。結合 \(p_1=q_1\),得 \(r=s\) 且所有 \(p_i=q_i\)。

次數版本:把相同質數合併成 \(n=p_1^{a_1}\cdots p_k^{a_k}\);由上述唯一性,質數種類與各質數的次數都唯一。

7.4 NotebookLM 寫法檢查(Review)

項目 檢查結果
\(D_3\) 6×6 table 表格數值在「列先、行後」的約定下正確;但 NotebookLM 說「左邊元素(來自直欄/行)」措辭不精確,且沒有先講 convention。若用課本「乘積 \(ab\)=先 \(b\) 後 \(a\)」,整張表會轉置。
gcd 存在且唯一 證明正確。補上「\(a,b\) 不全為 \(0\)」與「\(d\gt 0\)」;良序原理取最小元,最小元唯一是顯然,不必另證。
Division Algorithm 證明正確。\(a\lt 0\) 時取 \(k=a\) 合法,但跳了「\(a(1-b)\ge0\)」這步;另外要說明 \(b\gt 0\),並注意 \(S\) 含 \(0\) 時最小元可以是 \(0\)。
FTA 證明正確。唯一性用強歸納+Euclid's Lemma;「兩邊同時除以 \(p_1\)」應寫成「由整數消去律」。沒有實質缺口。

結論:這三個證明的骨架都可以用;照本文版本寫,補上假設、量詞與「用了哪個定理」,就不會被扣分。

7.5 proof.pdf 的表格核對(Table Check)

你給的 proof.pdf 有五張表;我逐格看過(OCR 層不可靠,以下按手寫內容判斷):

所以這份 PDF 的表格不用重抄;只要把左上角的 0 改成 \(\circ\),並在表頭註明「列先、行後」即可。


8. 考前 50 分鐘與 A4 對照(Exam Strategy & A4)

A4 對照:

9. English Terminology(中英對照)

考試題目是英文時,先把這些字認出來。A4 因空間限制只留中文與符号;完整英文對照看這裡。

單元 中文 English
1 皮亞諾公理 Peano Axioms
1 後繼函數 successor function
1 數學歸納法 mathematical induction
1 良序原理 well-ordering principle (WOP)
1 等價關係 equivalence relation
1 等價類 equivalence class
1 商集合 quotient set
1 良定義 well-defined
1 代表元 representative
1 除法原理 division algorithm
1 商數/餘數 quotient / remainder
1 整除性 divisibility
1 最大公因數 greatest common divisor (gcd)
1 最小公倍數 least common multiple (lcm)
1 輾轉相除法 Euclidean algorithm
1 貝祖等式 Bézout's identity
1 歐幾里得引理 Euclid's lemma
1 算術基本定理 fundamental theorem of arithmetic (FTA)
2 同餘 congruence
2 剩餘類/同餘類 residue class / congruence class
2 模 n 剩餘類集合 set of residue classes modulo n
2 歐拉 φ 函數 Euler's totient function
2 互質 coprime / relatively prime
2 可逆元 unit
2 乘法反元素 multiplicative inverse
2 零因子 zero divisor
2 消去律 cancellation law
2 費馬小定理 Fermat's little theorem
2 歐拉定理 Euler's theorem
2 威爾森定理 Wilson's theorem
2 中國剩餘定理 Chinese remainder theorem (CRT)
2 線性同餘方程 linear congruence
2 原根 primitive root
3 二元運算 binary operation
3 群 group
3 封閉性 closure
3 結合律 associativity
3 單位元 identity
3 逆元 inverse
3 交換群/阿貝爾群 Abelian group
3 子群 subgroup
3 真子群/非真子群 proper / improper subgroup
3 平凡子群 trivial subgroup
3 子群判定法 subgroup test
3 一步子群判定法 one-step subgroup test
3 有限子群判定法 finite subgroup test
3 同構 isomorphism
3 一般線性群 general linear group
3 對稱群/置換群 symmetric group / permutation group
3 二面體群 dihedral group
3 克萊因四元群 Klein 4-group
4 循環群 cyclic group
4 生成元 generator
4 群的階 order of a group
4 元素的階 order of an element
4 無限階 infinite order
4 循環子群 cyclic subgroup
5 生成集 generating set
5 有限生成群 finitely generated group
5 凱萊有向圖 Cayley digraph
5 頂點 vertex
5 弧/有向邊 arc / directed edge
5 右乘 right multiplication
5 自逆元素 self-inverse element
5 連通 connected
5 路徑 path

來源:NotebookLM 對話、Fraleigh A First Course in Abstract Algebra Ch.1 §1–7、iLearning 講義。定理號以課本為準。

115 代數學|Fraleigh Ch.1 §1–7 + 講義 回到頂端 ↑