Nhóm cyclic

Trong lý thuyết nhóm, một nhóm cyclic (hay nhóm xyclic, hay nhóm monogenous) là một nhóm có thể được sinh ra từ một tập hợp sinh chỉ gồm một phần tử "g", phần tử này được gọi là phần tử sinh của nhóm. Nếu nhóm được viết theo lối phép nhân thì mỗi phần tử của nhóm là lũy thừa của "g", còn khi nhóm được viết theo lối phép cộng thì mỗi phần tử của nhóm là bội của "g".

== Định nghĩa ==
Một nhóm "G" được gọi là "nhóm cyclic" nếu trong "G" tồn tại phần tử "g" sao cho "G" = <"g"> = { "g" với mọi số nguyên "n" }. 
Chẳng hạn, nếu "G" = { "e", "g", "g", "g", "g", "g" }, thì "G" là cyclic, và "G" đẳng cấu với nhóm của tập { 0, 1, 2, 3, 4, 5 } cùng phép cộng modulo 6, đẳng cấu formula_1 có thể được định nghĩa qua ánh xạ formula_2.

Với mỗi số nguyên dương "n" có đúng một nhóm cyclic (sai khác một đẳng cấu) có cấp "n", và có đúng một nhóm cyclic vô hạn (nhóm các số nguyên với phép cộng). 
Trong trường hợp này tên gọi 'cyclic' có thể không mang ý nghĩa thông thường: nó có thể sinh ra nhiều vô hạn các phần tử và không phải là các cyclic (chu trình); nghĩa là mọi formula_3 là phân biệt (Người ta cũng nói nó là một chu trình độ dài vô hạn). Nhóm đó là nhóm cyclic vô hạn, nó đẳng cấu với nhóm cộng các số nguyên Z.

Vì các nhóm cyclic là nhóm Abel nên chúng thường được viết theo lối cộng và ký hiệu là Z. Tuy nhiên cách viết này có thể gặp vấn đề trong lý thuyết số vì nó mâu thuẫn với cách viết thông thường cho vành các số p-adic hoặc một ideal nguyên tố địa phương hóa. Cách viết nhóm thương Z/"n" hay Z/"n"Z là cách viết chuẩn thông dụng.

Cũng có thể viết chúng theo lối nhân và ký hiệu chúng là "C". (Chẳng hạn ta viết, "g""g" = "g" trong "C", ở đây 3 + 4 = 2 (mod 5) trong Z/5Z.)

Tất cả các nhóm cyclic hữu hạn là nhóm tuần hoàn (periodic group).

== Tính chất ==
Định lý cơ bản của các nhóm cyclic: Nếu formula_4 là một nhóm cyclic cấp formula_5 thì mọi nhóm con của formula_4 cũng là nhóm cyclic. Ngoài ra, bậc của một nhóm con của formula_4 là ước của formula_5 và với mỗi ước dương formula_9 của formula_5 , nhóm formula_4 có đúng một nhóm con cấp formula_9.

Mọi nhóm cyclic hữu hạn đẳng cấu với nhóm { 0, 1, 2..., "n" − 1 } (theo phép cộng modulo "n"), và nhóm cyclic vô hạn bất kỳ đẳng cấu với nhóm cộng các số nguyên Z. 
- G là nhóm abel; nghĩa là phép toán của nhóm có tính giao hoán: formula_13. Đó là vì formula_14.
- Nếu "n" là hữu hạn thì formula_15 vì "n" mod "n" = 0.
- Nếu "n" = ∞, thì "G" có đúng hai phần tử sinh: là 1 và −1 đối với Z, và là các ảnh của chúng qua một đẳng cấu với các nhóm cyclic vô hạn khác.
- Nếu "n" là hữu hạn, thì "G" có đúng φ(n) phần tử sinh trong đó φ(n) là phi hàm Euler
- Mọi nhóm con của "G" là nhóm cyclic. Mỗi nhóm con hữu hạn của "G" đẳng cấu với nhóm { 0, 1, 2, 3... "m" − 1} theo phép cộng modulo m. Mỗi nhóm con vô hạn của "G" đẳng cấu với "m"Z với "m" nào đó, là ảnh đơn cấu của Z.
- "G" là đẳng cấu với Z/"n" (nhóm thương của Z trên "nZ) vì Z/"n" = {0 + "nZ, 1 + "nZ, 2 + "nZ, 3 + "nZ, 4 + "nZ..., "n" − 1 + "n"Z} formula_16 { 0, 1, 2, 3, 4..., "n" − 1} theo phép cộng modulo "n".

Chính xác hơn, nếu "d" là một ước của "n", thì số các phần tử trong Z/"n" có cấp "d" là φ("d"). số các lớp kề của "m" là "n" / UCLN("n","m").

Nếu "p" là một số nguyên tố, thì chỉ có nhóm (sai khác một đẳng cấu) với "p" phần tử là nhóm cyclic "C" hoặc Z/"p".

Tích trực tiếp của hai nhóm cyclic Z/"n" và Z/"m" là cyclic nếu và chỉ nếu "n" và "m" llà nguyên tố cùng nhau. Chẳng hạn Z/12 là tích trực tiếp của Z/3 và Z/4, nhưng không là tích trực tiếp của Z/6 và Z/2.

Từ định nghĩa này thấy ngay rằng các nhóm cyclic có biểu diễn nhóm đơn giản "C" = < "x" | "x" >.

Định lý cơ bản của các nhóm abel hữu hạn sinh: mọi nhóm abel hữu hạn sinh là tích trực tiếp của hữu hạn nhóm cyclic với một nhóm abel tự do.

Z/"n" và Z cũng là các vành giao hoán. Nêu "p" là số nguyên tố, thì Z/"p" là trường hữu hạn ký hiệu là F hay GF("p"). Mọi trường hữu hạn với "p" phần tử là đẳng cấu với trường này.

Các đơn vị của vành Z/"n" là các số nguyên tố với "n". Chúng tạo thành một nhóm theo phep nhân modulo "n"với φ("n") phàn tử. Nó được ký hiệu là (Z/n). Chẳng hạn, ta có (Z/"n") = {1,5} với "n" = 6, và có (Z/n) = {1,3,5,7} với "n" = 8.

Thực ra, người ta đã biết rằng (Z/"n") là cyclic nếu và chỉ nếu "n" là 2 hoặc 4 hoặc "p" hoặc 2 "p" với một số nguyên tố lẻ "p" và "k" ≥ 1, trong trường hợp này mọi phần tử sinh của (Z/"n") được gọi là một căn nguyên thủy modulo n. Chẳng hạn, (Z/"n") là cyclic với "n" = 6, nhưng không là cyclic với "n" = 8 (nó đẳng cấu với nhóm 4 Klein.

Nhóm (Z/p) là cyclic với "p" − 1 phần tử với mọi số nguyên tố "p", và được ký hiệu là (Z/p) vì nó chỉ chứa các phần tử khác không. Tổng quát hơn, mọi nhóm con hữu hạn của một "trường" là cyclic.

== Ví dụ ==
Trong nhóm đối xứng 2D và 3D với hình đối xứng quay là "C", của nhóm hữu hạn dạng Z.

Chú ý rằng nhóm "S" gồm tất cả các phép quay của một hình tròn (nhóm tròn) không là "cyclic", ví nó là không đếm được.

Các căn bậc "n" của đơn vị tạo thành một n nhóm cyclic cấp "n" với phép nhân. nghĩa là, formula_17 trong đó formula_18 formula_19 với phép nhân là cyclic.

Nhóm Galois của mọi mở rộng trường hữu hạn là một nhóm cyclic; ngược lại, cho trường hữu hạn "F" và nhóm cyclic group "G", có một mở rộng trường hữu hạn của "F" mà nhóm Galoas của nó bằng "G".

== Biểu diễn nhóm ==
Đồ thị chu trình của các nhóm cyclic hữu hạn đều là các đa giác "n"-cạnh vớí các phần tử của nhóm nằm ở các đỉnh. Các đỉnh màu đen trong các đồ thị chu trình dưới đây luôn biểu diễn phần tử đơn vị và các đỉnh khác biểu diễn các phần tử khác của nhóm. Một chu trình nối các lũy thừa kế tiếp của phần tử sinh.

== Các nhóm con và ký hiệu ==
Tất cả các nhóm con và nhóm thương của các nhóm cyclic cũng là nhóm cyclic. Đặc biệt, tất cả các nhóm con của Z đều có dạng "mZ, với "m" là số tự nhiên. Tất cả các nhóm này là phân biệt, và tất cả chúng từ nhóm con tầm thường (vớí "m"=0) đều đẳng cấu với Z. [[Lưới của các nhóm con của Z là đẳng cấu với [[đối ngẫu (lý thuyết thứ tự|đối ngẫu]] của lưới các số tự nhiên sắp thứ tự bởi quan hệ chia hết. Tất cả các nhóm thương của Z là hữu hạn, trừ trường hợp tầm thường Z / {0}. Với mỗi ước dương "d" của "n", nhóm thương Z/"nZ có đúng một nhóm con bậc "d", sinh ra bởi lớp đồng dư của "n"/"d". Ngoài ra chúng không có các nhóm con nào khác. Lưới của các nhóm con như vậy là đẳng cấu với tập hợp các ước của "n", sắp thứ tự theo quan hệ chia hết. Một nhóm cyclic là [[nhóm đơn]] nếu và chỉ nếu bậc (hay số phần tử của nó) là số nguyên tố.

Người ta thường sử dụng ký hiệu nhóm thương Z/"n"Z để chỉ nhóm cyclic cộng với "n" phần tử.

Trong [[lý thuyết vành]], nhóm con "n"Z cũng là "ideal" ("n"), do đó vành thương cũng được ký hiệu là Z/("n") hoặc Z/"n".

== Xem thêm ==
- [[Point groups in three dimensions#Symmetry groups in 3D which are cyclic as abstract group|Cyclic symmetry groups in 3D]]
- [[Cyclic extension]]
- [[Cyclic module]]
- [[Modular arithmetic]]

==Tham khảo==
[[Thể loại:Nhóm Abel]]
[[Thể loại:Nhóm hữu hạn]]
[[Thể loại:Thuộc tính nhóm]]
[[Thể loại:Lý thuyết nhóm giao hoán]]