Рассмотрите двоичную операция на множестве целых чисел, определяемую как a * b = a + b + ab. Исследуйте, образует ли это ассоциативную группу на каком-либо подмножестве целых чисел, найдите нейтральный элемент и обратимые элементы или докажите их отсутствие
Операция задаётся: a∗b=a+b+ab.\;a*b=a+b+ab.a∗b=a+b+ab. 1) Связь с умножением: положим φ(a)=1+a\varphi(a)=1+aφ(a)=1+a. Тогда φ(a∗b)=1+(a+b+ab)=(1+a)(1+b)=φ(a)φ(b).
\varphi(a*b)=1+(a+b+ab)=(1+a)(1+b)=\varphi(a)\varphi(b). φ(a∗b)=1+(a+b+ab)=(1+a)(1+b)=φ(a)φ(b).
Отсюда ∗*∗ ассоциативна и коммутативна на Z\mathbb ZZ (так как умножение целых ассоциативно и коммутативно). 2) Нейтральный элемент eee ищем из a∗e=a\;a*e=aa∗e=a. Это даёт a+e+ae=a⇒e+ae=0⇒e(1+a)=0.
a+e+ae=a \quad\Rightarrow\quad e+ae=0\quad\Rightarrow\quad e(1+a)=0. a+e+ae=a⇒e+ae=0⇒e(1+a)=0.
Для всех a∈Za\in\mathbb Za∈Z это возможно лишь при e=0e=0e=0. Проверка: a∗0=a+0+0=aa*0=a+0+0=aa∗0=a+0+0=a. Значит нейтральный элемент 0\;00. 3) Обратимые элементы в Z\mathbb ZZ: bbb — обратимый к aaa, если a∗b=0a*b=0a∗b=0 (нейтральный элемент), т.е. 1+(a∗b)=(1+a)(1+b)=1⇒(1+a)(1+b)=1.
1+(a*b)=(1+a)(1+b)=1 \quad\Rightarrow\quad (1+a)(1+b)=1. 1+(a∗b)=(1+a)(1+b)=1⇒(1+a)(1+b)=1.
В кольце целых чисел уравнение (1+a)(1+b)=1(1+a)(1+b)=1(1+a)(1+b)=1 имеет решения только при 1+a=±11+a=\pm11+a=±1. Отсюда a=0a=0a=0 или a=−2a=-2a=−2. Для a=0a=0a=0 обратный тоже 000; для a=−2a=-2a=−2 имеем 1+a=−11+a=-11+a=−1 и обратный равен −2-2−2. То есть множества обратимых элементов в Z\mathbb ZZ под ∗*∗ — {0}\{0\}{0} (тривиальная группа) и {0,−2}\{0,-2\}{0,−2} (группа порядка 222, изоморфная {±1}\{\pm1\}{±1} при умножении). Вывод: на Z\mathbb ZZ операция даёт абелеву моноиду с нейтральным элементом 0\;00. Группы (максимальные по включению) в целых числах под этой операцией — тривиальная {0}\{0\}{0} и непустая нетривиальная {0,−2}\{0,-2\}{0,−2}.
1) Связь с умножением: положим φ(a)=1+a\varphi(a)=1+aφ(a)=1+a. Тогда
φ(a∗b)=1+(a+b+ab)=(1+a)(1+b)=φ(a)φ(b). \varphi(a*b)=1+(a+b+ab)=(1+a)(1+b)=\varphi(a)\varphi(b).
φ(a∗b)=1+(a+b+ab)=(1+a)(1+b)=φ(a)φ(b). Отсюда ∗*∗ ассоциативна и коммутативна на Z\mathbb ZZ (так как умножение целых ассоциативно и коммутативно).
2) Нейтральный элемент eee ищем из a∗e=a\;a*e=aa∗e=a. Это даёт
a+e+ae=a⇒e+ae=0⇒e(1+a)=0. a+e+ae=a \quad\Rightarrow\quad e+ae=0\quad\Rightarrow\quad e(1+a)=0.
a+e+ae=a⇒e+ae=0⇒e(1+a)=0. Для всех a∈Za\in\mathbb Za∈Z это возможно лишь при e=0e=0e=0. Проверка: a∗0=a+0+0=aa*0=a+0+0=aa∗0=a+0+0=a. Значит нейтральный элемент 0\;00.
3) Обратимые элементы в Z\mathbb ZZ: bbb — обратимый к aaa, если a∗b=0a*b=0a∗b=0 (нейтральный элемент), т.е.
1+(a∗b)=(1+a)(1+b)=1⇒(1+a)(1+b)=1. 1+(a*b)=(1+a)(1+b)=1 \quad\Rightarrow\quad (1+a)(1+b)=1.
1+(a∗b)=(1+a)(1+b)=1⇒(1+a)(1+b)=1. В кольце целых чисел уравнение (1+a)(1+b)=1(1+a)(1+b)=1(1+a)(1+b)=1 имеет решения только при 1+a=±11+a=\pm11+a=±1. Отсюда a=0a=0a=0 или a=−2a=-2a=−2. Для a=0a=0a=0 обратный тоже 000; для a=−2a=-2a=−2 имеем 1+a=−11+a=-11+a=−1 и обратный равен −2-2−2. То есть множества обратимых элементов в Z\mathbb ZZ под ∗*∗ — {0}\{0\}{0} (тривиальная группа) и {0,−2}\{0,-2\}{0,−2} (группа порядка 222, изоморфная {±1}\{\pm1\}{±1} при умножении).
Вывод: на Z\mathbb ZZ операция даёт абелеву моноиду с нейтральным элементом 0\;00. Группы (максимальные по включению) в целых числах под этой операцией — тривиальная {0}\{0\}{0} и непустая нетривиальная {0,−2}\{0,-2\}{0,−2}.