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}