質問<3024>
「「証明」」
日付 2006/3/12
質問者 貴雄


(1)
4数から成るしゅうごうBが乗法・除法に関して閉じていれば
{1、-1、ⅰ、-ⅰ}となることを1、b、bの2乗、bの3乗、
bの4乗を用いて証明せよ。
という問題で0は含まない、
B∋1は証明できたのですがbの2乗、bの3乗、bの4乗をという
ところが解りません…

(2)
二次行列の集合
X=|a b|a、b、c、d∈R、ab-cd≠0
 |c d|
 は行列の積について群になることを示せ。
という問題で
①演算に閉じていること
②結合律は実行列より環をみたすから存在する。
③単位元|10|が存在する
    |01|
④逆行列がab-cd≠0となることから存在する。
というとこまでわかるのですが証明ができないです。

本当に申し訳ないのですが教えてください。御願いします

★希望★完全解答★

お便り
日付 2006/4/16
回答者 bossf


(1)まずb∈Bなるbが存在するとBは除法に関して閉じているから \(\frac{b}{b}\)=1∈B

さて、b∈B ∧ |b|≠1,0 とすると

|b|,|\(b^{2}\)|,|\(b^{3}\)|,|\(b^{4}\)|,|\(b^{5}\)|…は全て異なるから
b,\(b^{2}\),\(b^{3}\),\(b^{4}\),\(b^{5}\)…は全て異なり、これは矛盾

よって、b∈Bならば、|b|=1,0
ところが、0は含まないから|b|=1 …①

さて、b∈B、0<arg(b)<π/2 とすると
0<arg(b)<arg(\(b^{2}\))<arg(b^3)<arg(b^4)<2π
だから、1とあわせて、最低5つの元を持つから矛盾

同様に b∈B、π/2<arg(b)<π 
    b∈B、π<arg(b)<3π/2
    b∈B、3π/2<arg(b)<2π 
の時も矛盾を示せるから
            arg(b)=kπ/2 (k;整数)…②
①②より B={\(\pm\)1、\(\pm\)i}

なんかもっと綺麗な証明ができそうなんですがすみません(^^;;


(2)Wikipediaの群論によりますと、

「群(通常の定義)
積(二項演算、二項算法) a × b が定義された空でない集合 G が以下の 3 つの条件

積 × に関する結合法則が成立する;
(a × b)× c = a ×(b × c) (for all a, b, c ∈ G)。

単位元 e が存在する; a × e = e × a = a (for all a ∈ G)
G の任意の元 a に対しその逆元 a-1 が存在する; a × a-1 = a-1 × a = e。
を満たすならば、G は群であるまたは G は(演算 × に関して)群を成すという。
ここで、「二項演算が定義されている」というのは

任意の積 a × b は G の中に存在する; a × b ∈ G (for all a, b ∈ G)。
という条件を意味するものである。 また、演算の記号 × は普通省略されて a×b は
単に ab と書かれる。」

すると、もう証明は終わってるのでは?

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}