質問<2614>
「「集合」」
日付 2005/10/8
質問者 さんさん


①A={1,-1,i,-i}は乗法と除法に関して
 閉じていることを確かめよ
②4数から成る集合Bが乗法と除法に関して閉じていれば、
 B=Aであることを証明せよ

この問題の証明の仕方がわかりません。教えてください。

★希望★答え希望★

お便り
日付 2005/10/30
回答者 たなか


(1①)
{1、-1、i、-i}が、乗法について閉じていること、
縦横に、1、-1、i、-iを書いて乗法の結果を表にしましょう。
結果は、{1、-1、i、-i}のどれかですよね。
ということで、乗法について、閉じている。

(1②)
{1、-1、i、-i}が、除法について閉じていること、
 同様に縦横に、1、-1、i、-iを書いて除法の結果を表にしましょう。
結果は、{1、-1、i、-i}のどれかですよね。
ということで、除法についても、閉じている。

(2)
まず、α∈Bとすると、α÷α=1∈B、従って1∈B
 次に、1=β×β∈Bとなるβが存在するから、β=1またはβ=-1
集合の要素は、4つなので、β=-1∈B
 次に、-1=γ×γ∈Bとなるγが存在するから、γ=iまたはγ=-i
従ってi∈B、-i∈B

従って、A=B

(※少し記号等を換えましたが、これでいいでしょうか?管理人談)

お便り
日付 2006/4/17
回答者 bossf


何度も質問がきているようなので、ミスがないように丁寧にやります(=^・^=)

[解]
4数からなる集合Bが乗法と除法に関して閉じてる…①
まずBは①により0を元に持たないことに注意する

∀a∈Bに対し\(\frac{a}{a}\)=1だから、①より1∈B

さて1以外のBの元の一つをbとおくと

①より{1,b,\(b^{2}\),\(b^{3}\),\(b^{4}\)}⊆Bだから、

1,b,\(b^{2}\),\(b^{3}\),\(b^{4}\)の少なくとも一つは一致する
ここで、b≠1よりb≠\(b^{2}\),\(b^{2}\)≠\(b^{3}\),\(b^{3}\)≠\(b^{4}\)に注意すると
1=\(b^{2}\),1=\(b^{3}\),1=\(b^{4}\),b=\(b^{3}\),b=\(b^{4}\),\(b^{2}\)=\(b^{4}\)
i.e.
1=\(b^{2}\),1=\(b^{3}\),1=\(b^{4}\)

(i)\(b^{2}\)=1のとき
 b≠1だからb=-1
 ∴c∈B ∧c≠\(\pm\)1…② なるcが存在
 すると(-1)・c=-c∈Bで,c≠\(\pm\)1より-c≠\(\pm\)1だから
 \(\pm\)1,\(\pm\)c は異なる4数
 よって①より\(c^{2}\)=\(\pm\)1,\(\pm\)c これと②よりc=\(\pm\)i
i.e. B={\(\pm\)1,\(\pm\)i}が必要

(ii)\(b^{3}\)=1
b≠1だからb=ω (\(x^{3}\)=1の虚根の一つをωとすると他方はω^2で、
 それらは互いに共役であることは既知とします)
  明らかにω^2∈B なので
 c∈B ∧c≠1,ω,ω^2…②なるcが存在せねばならない
するとcω=1,ω,ω^2,c(≠0)
すなわち c=ω^2,1,ω またはω=1
これは矛盾 よって\(b^{3}\)=1の時①は成立しない

(iii)\(b^{4}\)=1のとき
  b=-1,\(\pm\)i
b=-1なら(i)で示したごとく残りは\(\pm\)i
  b=iなら \(b^{2}\)=-1 と残りは -i
b=-iなら \(b^{2}\)=-1 と残りは i
いずれにせよB={\(\pm\)1,\(\pm\)i}が必要

十分性は明らかなので
以上より
   ①⇔B={\(\pm\)1,\(\pm\)i}