Мультипликативные полугруппы неотрицательных действительных чисел
Содержание
Введение
Основные понятия и определения
Глава 1. Делимость в мультипликативных полугруппах
§1. Свойства НОД и НОК
§ 2. Строение числовых НОД и НОК полугрупп
Глава 2. Мультипликативные полугруппы неотрицательных чисел со свойствами (*) и (**)
Библиографический список
Введение
В математических исследованиях множество действительных чисел R очень популярно как бескрайний источник простых примеров и как множество, использующееся во многих структурах.
Рассматриваемое в данной работе множество неотрицательных действительных чисел – это интересное легко интерпретируемое подмножество R.
Как известно, различные подалгебры множества R+ (например, полугруппа N) исследовались ранее. В этой работе мы продолжим изучение мультипликативных полугрупп неотрицательных действительных чисел с 0 и 1.
Работа состоит из двух глав. Первая глава содержит некоторые свойства наибольшего общего делителя и наименьшего общего кратного элементов целой полугруппы (§1). В этой же главе говорится о строении НОД и НОК полугрупп. Во второй главе получена топологическая классификация мультипликативных полугрупп SR+, обладающих одним из введенных специфических свойств:
(*) (a<b);
(**) (0<a<b).
Основные понятия и определения
Определение 1. Пусть Х – множество произвольной природы и t – семейство подмножеств Х, называемых открытыми, удовлетворяющее условиям:
пересечение конечного числа множеств из t принадлежит t,
объединение любого множества множеств из t принадлежит t,
и ЖОt.
Тогда называется топологическим пространством, t – топологией на Х.
Определение 2. Дополнения открытых множеств в Х называются замкнутыми множествами.
Определение 3. Пусть – топологическое пространство и . Введем на множестве Х1 топологию t1. Открытыми в пространстве назовем все множества вида , где U – произвольное открытое множество в Х. Тогда пространство называется подпространством топологического пространства , а топология t1 – топологией, индуцированной топологией t на множество Х1.
Определение 4. Семейство открытых множеств в топологическом пространстве называется базой топологии t, если любое открытое множество в Х является объединением множеств из этого семейства.
Пример. На числовой прямой R с естественной (евклидовой) топологией открытыми множествами являются всевозможные объединения интервалов, они и образуют базу этой топологии. На множестве неотрицательных чисел R+ эта топология индуцирует топологию, в которой открытым множеством будет, например, R+З (-1, 1).
Определение 5. Пространство Х1 называется плотным подпространством пространства Х, если любое непустое открытое множество в Х содержит точки множества Х1.
Очевидно, Х1 плотно в Х, если каждая точка подпространства Х1 является предельной точкой множества Х.
Определение 6. Множества в топологическом пространстве, являющиеся одновременно открытыми и замкнутыми, называются открыто-замкнутыми.
Определение 7. Топологическое пространство Х называется связным если открыто-замкнутыми множествами в нем являются лишь Х и Ж.
Определение 8. Множество Х1 в топологическом пространстве Х называется связным, если оно связно как топологическое подпространство пространства Х.
Примеры:
1. Множество точек плоскости является связным, если в нем любую пару точек можно соединить кривой.
2. На числовой прямой связными множествами являются лишь промежутки.
Определение 9. Топологическое пространство называется нульмерным, если оно обладает базой из открыто-замкнутых множеств.
Пример. Дискретное топологическое пространство, в котором все его подмножества являются открытыми, – нульмерно.
Далее везде будем обозначать символом S мультипликативную полугруппу.
Определение 10. Множество S с бинарной операцией умножения Ч называется мультипликативной полугруппой, если эта операция обладает свойством ассоциативности, т.е. .
Определение 11. Элемент bS называется делителем элемента аS, если для некоторого . При этом говорят, что делится на , или делит (|).
Определение 12. Общий делитель элементов и , делящийся на любой их общий делитель, называется наибольшим общим делителем элементов и и обозначается НОД.
Определение 13. Элемент S называется кратным элементу S, если a делится на b.
Определение 14. Общее кратное элементов и , на которое делится любое их общее кратное, называется наименьшим общим кратным элементов и и обозначается НОК.
Определение 15. Полугруппа S называется НОД-полугруппой (НОК-полугруппой), если любые два элемента из S имеют наибольший общий делитель (наименьшие общее кратное).
Определение 16. Элемент из S называется неприводимым, если он имеет ровно два делителя 1 и а. Неприводимые элементы не представимы в виде произведения неединичных элементов, т.е. если .
Определение 17. Элемент из S называется простым, если . Очевидно, простые элементы неприводимы.
Определение 18. Полугруппа S называется топологической полугруппой, если на множестве S введена топология, и топологическая и алгебраическая структуры в S согласованы, т.е.
бS, Чс– полугруппа;
S – топологическое пространство;
полугрупповая операция Ч непрерывна в S:
.
Глава 1. Делимость в мультипликативных полугруппах
§1. Свойства НОД и НОК
Пусть S – коммутативная мультипликативная несократимая полугруппа с 1 и без делителей единицы. Такие полугруппы называются целыми, или коническими.
Элементы и из S называются взаимно простыми, если НОД(,)=1.
Предварительно рассмотрим простейшие свойства отношения делимости в целых полугруппах.
Свойства делимости в целых полугруппах
(1) ;
(2) – рефлексивность;
(3) – антисимметричность;
(4) – транзитивность;
(5) ;
(6) ;
(7) Любой простой элемент неприводим;
(8) р неприводим Ы ;
Свойство 1. НОД и НОК нескольких элементов определены однозначно, если существуют.
Доказательство. Проведем доказательство для НОД двух элементов а и b из S. Пусть (a,b) и (a,b). Тогда из определения НОД следует и . По свойству антисимметричности имеем .
Свойство 2. .
Доказательство. Импликации и очевидны. Пусть , т.е. для некоторого . Очевидно, b – общий делитель а и b. Возьмем произвольный общий делитель с элементов а и b. Для него существуют такой элемент , что и . Таким образом, с делит b. Это и означает, что . Аналогично доказывается .
Следствие 1. .
Следствие 2. и .
Свойство 3. и .
Доказательство следует из коммутативности операции умножения и свойств делимости.
Свойство 4. .
Доказательство. Обозначим d1=НОД(НОД(a,b),c). Так как d1 является общим делителем НОД(a,b) и c, то d1 – общий делитель и для элементов a,b и c. Верно и обратно: любой общий делитель этих трех элементов является общим делителем для НОД(a,b) и c. Аналогичным свойством обладает и элемент d2=НОД(a, (НОД(b,c)). Тогда элементы d1 и d2 делят друг друга. По свойству антисимметричности делимости получаем d1=d2.
Свойство 5. .
Доказательство. Обозначим k1=НОК(НОК(a,b),c). Так как k1 является общим кратным элементов НОК(a,b) и c, то k1 – общее кратное и для элементов a,b и c. Верно и обратно: любое общее кратное этих трех элементов является общим кратным для НОК(a,b) и c. Аналогичным свойством обладает и элемент k2=НОК(НОК(a,b),c). Тогда элементы k1 и k2 делят друг друга. По свойству антисимметричности делимости получаем k1=k2.
Свойство 6. Если элементы а и b не взаимно просты, то а и b имеют общий делитель, не равный 1.
Доказательство. По условию НОД(a,b)=d№1. Тогда по определению d и есть не равный единице общий делитель а и b.
Свойство 7. =.
Доказательство. Обозначим d=НОД(a,b). По свойству (6) делимости элемент сd делит любой общий делитель элементов ас и bс, следовательно, является их НОД. Свойство доказано.
Свойство 8. Если , то .
Доказательство. Из условия следует, что d делит любой общий делитель элементов а и b и . Тогда по свойству (6) делимости элемент делит любой общий делитель элементов , следовательно, является их НОД. Свойство доказано.
Свойство 9. Если и , то .
Доказательство. Пусть НОД и НОД(а,b) = 1, тогда среди делителей элементов b и с нет делителей элемента а. Следовательно, и среди делителей элемента bc нет делителей элемента а, что и означает, что .
Свойство 10. Если , то для любых N.
Доказательство. Докажем, что методом математической индукции. Пусть m = 1, тогда по условию, т.е. база индукции верна. Предположим, что для всех k < m. Покажем, что при k = m. по свойству (10) для с = b. Отсюда, для всех N. по свойству 3 делимости. Аналогичными рассуждениями получаем для любого N. Следовательно, .
Свойство 11. Если , то для любого .
Доказательство. Пусть , тогда а = sd и c = td для некоторых s,tS таких, что НОД(s,t) = 1. Поскольку , то НОД(s,b) = 1 и по свойству 9 НОД(s,tb) = 1. Следовательно, . Свойство доказано.
Свойство 12. Существование НОК(a,b) влечет существование НОД(a,b) и равенство НОД(a,b) НОК(a,b) = ab.
Доказательство. Если хотя бы одно из чисел или равно 0, то и равенство справедливо. Пусть элементы и ненулевые и . Поскольку