Wybrane zagadnienia algebry

Zagadnienia do egzaminu /przyk÷

ady tematów/

Trzeba równie·

z znać wszystkie poj ¾

ecia zwi ¾

azane z poni·

zszymi problemami.

1. Sformu÷

ować i udowodnić twierdzenie o podgrupie generowanej przez podzbiór.

2. Sformu÷

ować i udowodnić twierdzenie o charakteryzacji grup cyklicznych.

3. Podać de…nicje oraz w÷

asności lewych i prawych translacji w monoidzie. Sformu÷

ować

i udowodnić twierdzenie Cayley’a dla monoidów.

4. Wykazać, ·

ze je·

zeli G jest grup ¾

a, H < G, to dla ka·

zdego g 2 G zbiory gH oraz Hg s ¾

a

równoliczne.

5. Podać de…nicj ¾

e dzielnika normalnego (podgrupy normalnej) danej grupy. Wykazać, ·

ze

je·

zeli N jest dzielnikiem normalnym grupy G, to gN = N g dla ka·

zdego g 2 G.

6. Podać przyk÷

ad grupy G i jej podgrupy nieb ¾

ed ¾

acej dzielnikiem normalnym G.

7. Sformu÷

ówać i udowodnić pierwsze twierdzenie o izomor…zmie grup.

8. Niech G b ¾

edzie grup ¾

a. Wykazać, ·

ze centrum Z(G) grupy G jest dzielnikiem normalnym G oraz G=Z(G) = Inn(G).

9. Podać de…nicj ¾

e iloczynu kompleksowego AB podzbiorów A; B grupy G. Wykazać, ·

ze dla

dowolnych podzbiorów A; B; C grupy G zachodzi równość (AB)C = A(BC).

10. Wykazać, ·

ze je·

zeli A i B s ¾

a podgrupami grupy G, to iloczyn kompleksowy AB jest grup ¾

a

wtedy i tylko wtedy, gdy AB = BA.

11. Sformu÷

ować i udowodnić drugie twierdzenie o izomor…zmie grup.

12. Podać de…nicj ¾

e dzia÷

ania grupy na zbiór oraz de…nicj ¾

e reprezentacji grupy na zbiorze.

Podać przyk÷

ady dzia÷

ań grupy na zbiór. Wykazać, ·

ze ka·

zdemu lewemu dzia÷

aniu grupy

na zbiór odpowiada reprezentacja, oraz odwrotnie –ka·

zdej reprezentacji odpowiada pewne

lewe dzia÷

anie grupy na zbiór.

13. Podać de…nicj ¾

e relacji sprz ¾

e·

zenia wyznaczon ¾

a przez lewe dzia÷

anie grupy na zbiór oraz

wykazać, ·

ze jest to relacja równowa·

zności.

14. Sformu÷

ować de…nicje: orbity, stabilizatora lewego dzia÷

ania grupy G na zbiór X. Wykazać,

·

ze stabilizator ka·

zdego elementu zbioru X jest podgrup ¾

a grupy G.

15. Niech G b ¾

edzie grup ¾

a dzia÷

aj ¾

ac ¾

a lewostronnie na zbiór X, g 2 G, x 2 X. Wykazać, ·

ze

Stab(g x) = g Stab(x) g 1 oraz zbiór fh 2 G : h x = g xg jest warstw ¾

a równ ¾

a g Stab(x).

Udowodnić, ·

ze orbita Gx rozwa·

zanego dzia÷

ania jest bijektywna ze zbiorem ilorazowym

G= Stab(x).

16. Sformu÷

ować de…nicj ¾

e równania klas dla dzia÷

ania skończonej grupy na zbiór. Sformu÷

ować

i udowodnić twierdzenie o równaniu klas dla dzia÷

ania grupy skończonej.

17. Podać de…nicj ¾

e dzia÷

ania grupy obrotów na sfer ¾

e. Wyznaczyć orbity tego dzia÷

ania ze

wzgl ¾

edu na wymiar sfery (odpowiednie twierdzenia i dowody). Wykazać, ·

ze grupa izometrii

wektora en = (0; 0; : : : ; 0; 1) 2 Rn dzia÷ania grupy SO(n) na sfer ¾

e Sn 1 jest izomor…czna

z grup ¾

a SO(n

1).

18. Podać de…nicj ¾

e dzia÷

ania do÷¾

aczonego grupy G na zbiór G.

Wykazać, ·

ze stabilizator

ka·

zdego punktu x 2 G tego dzia÷ania jest centralizatorem punktu x. Napisać równanie klas dla dzia÷

ania do÷¾

aczonego w przypadku gdy grupa G jest skończona.

1

19. Wykazać, ·

ze jeśli rz ¾

ad grupy G jest pot ¾

eg ¾

a liczby pierwszej, to grupa ta ma nietrywialne

centrum.

20. Wykazać, ·

ze je·

zeli p jest liczb ¾

a pierwsz ¾

a, to ka·

zda grupa rz ¾

edu p2 jest albo cykliczna, albo

jest izomor…czna z grup ¾

a Zp

Zp.

21. Wykazać, ·

ze grupa G jest abelowa wtedy i tylko wtedy, gdy jej pochodna (komutant) jest grup ¾

a trywialn ¾

a.

22. Uzasdadnić, ·

ze dla ka·

zdego naturalnego n

3 pochodn ¾

a grupy Sn jest grupa alternuj ¾

aca

An.

23. Wykazać, ·

ze pochodna [G; G] grupy G jest dzielnikiem normalnym grupy G oraz grupa G= [G; G] jest abelowa.

24. Podać de…nicj ¾

e abelanizacji grupy G. Sformu÷

ować i udowodnić twierdzenie o uniwersalnej

w÷

asności abelanizacji.

25. Wykazać, ·

ze dla ka·

zdego naturalnego n

5 grupa Sn nie jest rozwi ¾

azalna.

26. Niech G b ¾

edzie grup ¾

a. Wykazać, ·

ze G jest prost ¾

a grup ¾

a abelow ¾

a wtedy i tylko wtedy, gdy

rz ¾

ad grupy G jest liczb ¾

a pierwsz ¾

a.

27. Niech E; F; G b ¾

ed ¾

a przestrzeniami wektorowymi nad tym samym cia÷

em K. Wykazać, ·

ze

przestrzeń wektorowa B(E; F ; G) wszystkich odwzorowań dwuliniowych z przestrzeni E

F w przestrzeń G jest izomor…czna z przestrzeni ¾

a wszystkich odwzorowań liniowych dzi-

a÷

aj ¾

acych z przestrzeni E w przestrzeń L(F ; G) wszystkich odwzorowań liniowych z F w G, czyli wykazać, ·

ze B(E; F ; G) = L(E; L(F ; G)). Wykazać, ·

ze B(E; F ; G) = L(F ; L(E; G))

28. Podać de…nicje: odwzorowania dwuliniowego skośnie symetrycznego, odwzorowania dwuliniowego alternuj ¾

acego. Niech V b ¾

edzie przestrzeni ¾

a wektorow ¾

a nad cia÷

em K. Wykazać,

·

ze ka·

zde dwuliniowe odwzorowanie alternuj ¾

ace ! : V

V ! K jest skośnie symetryczne.

Podać przyk÷

ad odwzorowania skośnie symetrycznego, które nie jest alternuj ¾

ace. Wykazać,

·

ze jeśli cia÷

o K jest charakterystyki ró·

znej od 2, to ka·

zde dwuliniowe odwzorowanie skośnie

symetryczne jest alternuj ¾

ace.

29. Wykazać, ·

ze jeśli przestrzeń dwuliniowa (V; ( ; )) jest re‡eksywna, to (x; y) (z; x) = (x; z) (y; x)

dla dowolnych x; y; z 2 V .

30. Wykazać, ·

ze przestrzeń dwuliniowa (V; ( ; )) jest re‡eksywna wtedy i tylko wtedy, gdy !

jest funkcjona÷

em symetrycznym lub alternuj ¾

acym.

31. Niech (V; !) b ¾

edzie dwuwymiarow ¾

a przestrzeni ¾

a dwuliniow ¾

a nad dowolnym cia÷

em K.

Niech

1 2 1

V =

w pewnej bazie przestrzeni V .

1 2 1

Pokazać, ·

ze radL(V; !) 6= radR(V; !).

32. Niech (V; !) b ¾

edzie przestrzeni ¾

a dwuliniow ¾

a nad cia÷

em K. Wykazać, ·

ze (K )2CK . Podać

de…nicj ¾

e wyznacznika przestrzeni dwuliniowej (V; !); wykazać, ·

ze de…nicja wyznacznika

(V; !) nie zale·

zy od wyboru repera przestrzeni V . Podać de…nicj ¾

e przestrzeni dwuliniowej

nieosobliwej i przyk÷

ady takich przestrzeni. Wykazać, ·

ze skończenie wymiarowa przestrzeń

dwuliniowa jest nieosobliwa wtedy i tylko wtedy, gdy ma niezerowy wyznacznik.

33. Niech (V; !) b ¾

edzie skończenie wymiarow ¾

a, nieosobliw ¾

a przestrzeni ¾

a wektorow ¾

a nad cia÷

em

K, W podprzestrzeni ¾

a wektorow ¾

a przestrzeni V . Wykazać, ·

ze je·

zeli f 2 W , to istniej ¾

a

takie u; v 2 V , ·

ze f = !(u; )jW = !( ; v)jW .

2

34. Niech (V; !) b ¾

edzie skończenie wymiarow ¾

a przestrzeni ¾

a dwuliniow ¾

a nad cia÷

em K, W pod-

przestrzeni ¾

a wektorow ¾

a przestrzeni V . Wykazać, ·

ze je·

zeli V jest nieosobliwa lub W jest

nieosobliwa, to

dim W !

L = dim W !

R = dim V

dim W:

35. Wykazać, ·

ze jeśli (V; !) jest skończenie wymiarow ¾

a, nieosobliw ¾

a przestrzeni ¾

a dwuliniow ¾

a,

to (W !)! = W = (W !)!.

L R

R L

36. Sformu÷

ować i udowodnić twierdzenie o rzucie ortogonalnym.

37. Wykazać, ·

ze skończenie wymiarowe przestrzenie dwuliniowe (U; ), (V; ) nad tym samym cia÷

em K s ¾

a izometryczne wtedy i tylko wtedy, gdy istniej ¾

a repery tych przestrzeni, wzgl ¾

e-

dem których macierze przestrzeni (U; ), (V; ) s ¾

a takie same.

38. Niech (U; ), (V; ) b ¾

ed ¾

a skończenie wymiarowymi przestrzeniami dwuliniowymi nad tym samym cia÷

em K oraz niech A b ¾

edzie macierz ¾

a przestrzeni (U; ) wzgl ¾

edem pewnego repera

U , B – macierz ¾

a (V; ) wzgl ¾

edem pewnego repera V . Wykazać, ·

ze wówczas przestrzenie

(U; ), (V; ) s ¾

a izometryczne wtedy i tylko wtedy, gdy macierze A; B s ¾

a kongruentne.

39. Wykazać, ·

ze wyznacznik skończenie wymiarowej przestrzeni wektorowej jest niezmien-nikiem izometrii (sformu÷

ować równie·

z odpowiednie twierdzenie).

40. Wykazać, ·

ze zbiór wszystkich wektorów nieizotropowych przestrzeni dwuliniowej jest nie-zmiennikiem izometrii tej przestrzeni. Korzystaj ¾

ac z tego wykazać, ·

ze R3 ze standardowym

iloczynem skalarnym nie jest izometryczna z R3 wyposa·

zon ¾

a w funkcjona÷dwuliniowy

! : R3

R3 ! R, !((x1; x2; x3); (y1; y2; y3)) = x1y1

x2y2

x3y3.

41. Niech (V; !) b ¾

edzie przestrzeni ¾

a dwuliniow ¾

a wymiaru n 2 N. Niech (v1; : : : ; vn) 2 F (V ) oraz niech

(V; !) = A w reperze (v1; : : : ; vn) :

Wykazać, ·

ze Izom(V; !) = Izom(n; K) = S 2 GL(n; K) : ST AS = A .

42. Podać de…nicj ¾

e symetrii. Wykazać, ·

ze ka·

zda symetria jest izometri ¾

a.

43. Pdać de…nicj ¾

e formy kwadratowej, formu÷¾

e polaryzacyjn ¾

a (z dowodem). Wykazać, ·

ze jeśli

(V; !) jest symetryczn ¾

a przestrzeni ¾

a dwuliniow ¾

a oraz funkcjona÷! nie jest zerowy, to w tej

przestrzeni istnieje wektor nieizotropowy.

44. Podać de…nicj ¾

e, w÷

asności i interpretacj ¾

e geometryczn ¾

a odbicia. Pokazać, ·

ze ka·

zde odbicie

jest izometri ¾

a.

45. Sformu÷

ować i udowodnić twierdzenie Cartana.

46. Wykazać, ·

ze je·

zeli v jest nieizotropowym wektorem symetrycznej przestrzeni dwuliniowej (V; !) oraz F 2 Izom(V; !), to wektory v +F (v) i v F (v) s ¾

a ortogonalne oraz co najmniej

jeden z wektorów v + F (v), v

F (v) jest nieizotropowy.

47. Niech V b ¾

edzie skończenie wymiarow ¾

a przestrzeni ¾

a wektorow ¾

a nad cia÷

em K. De…niujemy

! : (V

V )

(V

V ) ! K;

!(( 1; v1); ( 2; v2)) = 2(v1)

1(v2):

Wykazać, ·

ze ((V

V ) ; !) jest przestrzenia symplektyczn ¾

a.

48. Wykazać, ·

ze dla ka·

zdej przestrzeni symplektycznej (V; !) skończonego dodatniego wymiaru nad cia÷

em K charakterystyki ró·

znej od 2 istnieje reper przestrzeni V , wzgl ¾

edem którego

macierz ¾

a formy symplektycznej ! jest

0n

In

2 Sp(n; K)

GL(2n; K)

In 0n

3

dla pewnego naturalnego n.

Wywnioskować st ¾

ad, ·

ze ka·

zda przestrzeń symplektyczna

skończonego dodatniego wymiaru nad cia÷

em charakterystyki ró·

znej od 2 ma baz ¾

e sym-

plektyczn ¾

a oraz ma wymiar parzysty.

49. Niech (V; !) b ¾

edzie przestrzeni ¾

a symplektyczn ¾

a wymiaru 2n nad cia÷

em K charakterystyki

0

ró

n

In

·

znej od 2 oraz niech J =

2 Sp(n; K). Wykazać, ·

ze

In 0n

Sp(V ) = Sp(n; K) = X 2 GL(2n; K) : XT JX = J :

50. Sformu÷

ować i udowodnić twierdzenie o postaci macierzy symplektycznej.

51. Wykazać, ·

ze je·

zeli F1; F2 s ¾

a podprzestrzeniami re‡eksywnej przestrzeni dwuliniowej (V; !), to (F1 + F2)! = (F1)! \ (F2)! oraz (F1)! + (F2)!

(F1 \ F2)!.

52. Wykazać, ·

ze je·

zeli F1; F2 s ¾

a podprzestrzeni ¾

a nieosobliwej, skończenie wymiarowej przestrzeni re‡eksywnej (V; !), to (F1 \ F2)! = (F1)! + (F2)!.

53. Niech (V; !) b ¾

edzie re‡eksywn ¾

a, skończenie wymiarow ¾

a przestrzeni ¾

a dwuliniow ¾

a oraz F1; F2

jej ca÷

kowicie izotropowymi przestrzeniami. Pokazać, ·

ze (F1+F2)\(F1 + F2)! = (F1 \ F !

2 )+

(F !

1 \ F2).

54. (Twierdzenie o ortogonalnym dope÷

nieniu przestrzeni ca÷

kowicie izotropowej) Niech (V; !)

b ¾

edzie symetryczn ¾

a, nieosobliw ¾

a przestrzeni ¾

a dwuliniow ¾

a skończonego wymiaru. Wykazać,

·

ze dla dowolnych ca÷

kowicie izotropowych podprzestrzeni F1; F2 nast ¾

epuj ¾

ace warunki s ¾

a

równowa·

zne:

(a) F1 + F2 jest nieosobliw ¾

a symetryczn ¾

a podprzestrzeni ¾

a V ,

(b) V = F1

(F2)!,

(c) V = F2

(F1)!.

Pokazać, ·

ze warunki (a)–(c) implikuj ¾

a równość dim F1 = dim F2. Wykazać, ·

ze je·

zeli

char K 6= 2, to dla ka·

zdej ca÷

kowicie izotropowej podprzestrzeni F1

V istnieje ca÷

kowicie

izotropowa podprzestrzeń F2, taka ·

ze spe÷

nione s ¾

a warunki (a)–(c).

55. Sformu÷

ować i udowodnić twierdzenie Witta o przed÷

u·

zaniu izometrii.

56. Wykazać, ·

ze ka·

zda podprzestrzeń antyizotropowa (nieizotropowa) przestrzeni dwuliniowej jest przestrzeni ¾

a nieosobliw ¾

a.

57. Wykazać, ·

ze je·

zeli (V; !) jest skończenie wymiarow ¾

a re‡eksywn ¾

a przestrzeni ¾

a dwuliniow ¾

a

oraz F1 i F2 s ¾

a jej maksymalnie izotropowymi podprzestrzeniami , to rad(F1+F2) = F1\F2.

58. Wykazać, ·

ze je·

zeli (V; !) jest skończenie wymiarow ¾

a, re‡eksywn ¾

a przestrzeni ¾

a dwulin-

iow ¾

a oraz F1 i F2 s ¾

a jej maksymalnie izotropowymi podprzestrzeniami , to F1 + F2 jest nieosobliwa wtedy i tylko wtedy, gdy F1 \ F2 = 0.

59. Wykazać, ·

ze je·

zeli F1 i F2 s ¾

a maksymalnie izotropowymi podprzestrzeniami skończenie wymiarowej symetrycznej przestrzeni dwuliniowej (V; !), to przestrzeń (F1 + F2)=(F1 \F2) z indukowanym odwzorowaniem dwuliniowym jest nieosobliwa oraz dim F1 = dim F2:

60. Wykazać jednoznaczność rozk÷

adu Witta (rozk÷

adu z twierdzenia Witta) z dok÷

adności ¾

a

do izometrycznych podprzestrzeni.

4