Lagrange 定理
觀念
子群 (subgroup) 是群裡自成一群的子集(對運算與反元素封閉)。Lagrange 定理:有限群 的子群 的階整除 。證明思路: 的陪集 (coset) 把 切成大小都是 的不重疊塊,塊數叫指數 。
推論:質數階群一定是循環群且沒有非平凡子群;元素的階整除群的階;(費馬、歐拉定理的源頭)。
注意反向不成立: 有 12 個元素卻沒有 6 階子群。但循環群是例外—— 對每個因數 恰有一個 階子群,且 階元素恰有 個。
算例:12 階群不可能有 5 階子群; 中 4 階元素有 個(3 與 9)。
Lagrange 定理是有限群論的第一個結構定理,Sylow 定理、同態基本定理都是它的延伸。
例題
是 階群。由 Lagrange 定理,下列何者不可能是 的子群 (subgroup) 的階?
- ① 8
- ② 2
- ③ 5
- ④ 6
看解法與答案
Lagrange 定理:子群的階整除群的階。 的因數有 。
餘 , 不整除 ,所以不可能,選 ①。其他選項都是 的因數,Lagrange 不排除它們。
(反過來,因數不保證一定有該階子群,如 沒有 6 階子群。)
答案: 8
用在哪裡
- 金融比特幣 secp256k1 曲線群的階是質數,依 Lagrange 定理它沒有非平凡子群,錢包私鑰無法被拆成小段破解。
- 遊戲魔術方塊約有 種狀態,任何一組轉法重複做,回到原狀所需次數都整除群的階。
插畫


學習路徑
先學會
- 元素的階 大三
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