维普资讯 http://www.cqvip.com 第25卷第1期 广西师范大学学报:自然科学版 Vo1.25 No.1 2007年3月 Journal of Guangxi Normal University:Natural Science Edition Mar.2007 有限群自动机的若干环论与图论性质 阎航宇,易忠,邓培民 (广西师范大学数学科学学院,广西桂林541004) 摘要:通过研究有限群自动机的关联环和导图来刻画有限群自动机,给出了有限群自动机不可约和不可分 的一些判别法则。 关键词:有限群自动机;关联环;导图;不可约;不可分 中图分类号:TP301.1 文献标识码:A 文章编号:1001—6600(2007)01—0030—04 有限群自动机是代数自动机理论的一个较新的研究方向,代数自动机理论已有不少经典的专著[】q]。 已有一些论文通过群和矩阵这些代数工具研究了有限自动机的一些问题[4叫。。。文献[4]研究了一类有限 群自动机的关联环的Jacobson根,描述了相应的有限群自动机的结构。从文献r4-i中可以看到关联环是一 个研究有限群自动机的有力工具,本文通过研究关联环的环论性质给出了有限群自动机的一些性质。不可 约和不可分是两个很重要的代数概念,有限群自动机作为代数系统自然地要涉及不可约和不可分的研究, 本文利用有限群自动机的导图的图论性质给出了有限群自动机的不可约和不可分的一些判别法则。 1基本概念与记号 定义1有限群自动机是一个三元组M一(Q,G, ),Q是有限状态集,G是输入字母集为有限群, Q×G ̄Q是转移关系,且满足3(3(q,g), ) ̄-3(q, ) Q,VqE Q,g,h∈G。记 (g,g)一{rEQ f(g,g,r) ∈ ),简记为qg。令Q1 Q,G1 G,记3(Q1,G1)一{rEQ l(g1,gl,r)∈ ,q1∈Q ,g1∈G1),简记为Q1G1。 定义2设F—GF(户 )是阶为P 的有限域,记IM(F)为有限群自动机。M一(Q,G, )关于F的关联 环,它是F上以TM为基的向量空间,TM {(g;g,q )lg∈G,q∈Q,q ∈ (g,g)),乘法按照分配律和以下 规则给出: (g1;g1,g ).(g2;g2,g )一f 1 g ",0,q'xg≠2, qz, :=:g2, r.(g;g,g,)一(g;g,g,).r, Vg,gl,gz∈G,ql,q ,qz,q ,q,q ∈Q。 定义3 定义厂: (F)一坛(F[G]),令lQ l— ,若n>O,不妨把Q中的元素看成是1,2,…, , 厂( ( ; ,q ))一 ( ) ;若 一0,厂(0)一0;易知f是同构嵌入。 注:本文中涉及的其他概念和记号均参考文献[11]。 2 有限群自动机的若干环论与图论性质 先通过研究关联环的一些代数性质给出了有限群自动机的一些刻画。 收稿Et期:2006—09—27 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60473005);教育部“优秀青年教师资助计划”资助项目(2002—40);广西自然科 学基金资助项目(0640061) 作者简介:阎航宇(1981一),男,浙江宁波人,广西师范大学硕士研究生;易忠(1961一),男,湖南长沙人,广西师范大学 教授,博士。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 阎航宇等:有限群自动机的若干环论与图论性质 31 定理1设Q是非空有限集,l Q l—n,Q中的元素记为1,2,…,n,G是有限群,则唯一存在有限群自 动机M。一(Q,G,30)使得厂是同构,其中厂是定义3中的映射。 推论1设 一(Q,G, )是有限群自动机,则f是同构的充分必要条件为Vg∈Q,g∈G,有3(q,g)一 Q。 定理2设 一(Q,G, )是有限群自动机,e为G的单位元,则IM(F)是幂零代数的充分必要条件为 q qe,Vq∈Q。 证明 假设存在q∈Q,使得q∈qe,则有( ;g,g)∈TM,从而V,2∈N+,都有( ;g,g) 一( ;g,g)≠ 0。所以IM(F)不是幂零代数,这与题意相矛盾。故q qe,Vq∈Q。 假设IM(F)不是幂零代数,则V志∈N+,都有a …,a从∈IM(F),使得 … ≠0。那么由IM(F) 的定义可知,存在( ; ,ql ),…,(g从;g g 2一g^3,…,ql^一1-=qkk。 )∈TM,使得(gk ;qk ,ql1)…(gkk;qkk, )≠o,所以ql 一 2, 令lQ l一,2,取志一,2+1,则对于q(计1)l,…,g(计1)(计 )必存在两个相等。不妨记为q(计1)l—g(计Ⅲ一g, < ,i,J∈{1,…,,2+1),g( +1) …g +1)(,一1)一g,那么有: (g +1) ;g +1) ,g +1) )…(g( +1)(,一1);g +1)(,一1),g +1)(,一1))一(g;g +1) ,g( +1),)一(g;g,g)。 令lG l— ,则有g 一 ,所以由(g;g,g)∈TM可知:(g;g,g) 一(g ;g,g)一( ;g,g)∈TM。所以有q∈ ,这与题意相矛盾。故IM(F)是幂零代数。证毕。 推论2设 一(Q,G, )是有限群自动机,e为G的单位元,则IM(F)是诣零代数的充分必要条件为 q qe,VqEQ。 证明因为IM(F)是有限维结合代数,所以IM(F)是诣零代数当且仅当IM(F)是幂零代数[1引。所以根 据定理2可知,结论成立。证毕。 定理3设 一(Q,G, )是有限群自动机,IM(F)≠0,则IM(F)是无零因子环的充分必要条件为G一 {e),且 q。∈Q,使得 一{( ;g。,qo))。 证明 因为IM(F)≠O,所以r,M≠ 。设(g;g ,q2)∈TM,则由IM(F)是无零因子环可知:(g;g , q2)(g;g ,q2)≠O,所以q 一g2。所以r,M中的元素必为形式(g ;g,g),q∈Q,g ∈G。 设(g ;g:,q:),(g ;g ,q )∈TM,因为IM(F)是无零因子环,所以(g ;g ,q )(g ;g ,q )≠O。所以q:一 q 。记e为G的单位元,又因为qe:/: ∞gg≠ ,VgEG,q∈Q。所以 qo∈Q,TM={(g;go,qo)l VgEG)。 现证lG l一1。假设l G l≠1,则存在gEG,D(g)一点>1。因为e,g,…,g卜 互不相同,显然有: ( ;go,qo)一(g;go,qo)≠0,( ;qo,qo)+(g;qo,qo)+…+( _。;qo,go)≠0。 但有(( ;g。,qo)一(g;g。,qo))((e;g。,qo)+(g;qo,qo)+…+( _。;go,qo))一0,这与题意相矛盾。所以假设 不成立,G一{e)。 由题意知IM(F)的元素必为k( ;g。,q。),e∈G,k∈F,所以Va, ∈IM(F),口, ≠0,必有k ,k2≠0, k1,k2∈F,使得a=k1( ;go,qo), 一点2( ;go,qo)。所以口 一(志1k2)(elqo,qo)≠O。所以IM(F)是无零因子环。 证毕。 关联环由基完全确定,下面研究基r,M。 命题1设 一(Q,G, )是有限群自动机,且r,M≠ ,e是G的单位元,则TM是幺半群的充分必要 条件为 g。∈Q,使得TM一{(g;g。,qo)l VgE G)。 推论3设 一(Q,G, )是有限群自动机,若存在q。∈Q,使得TM {(g;go,qo)J VgEG),则IM(F)是 含幺环。 推论3的逆命题不一定成立。如Q一{q ,q2),G一{e),3(q , )-=q ,i一1,2。则有TM{( ;g ,q ),( ; q2,q2)),容易验iiE(e;g ,q1)+(e;g2,q2)是IM(F)的幺元,但TM不是TM {(g;go,qo)l VgEG)这种形式。 定理4设 一(Q,S, )是有限半群自动机,若IM(F)是单环,则 的导图是连通的。 一般情况下,定理4的逆命题不一定成立。如:取Q一{q ,q:),S一{s),定义3(q ,s)一{q ,qz),3(qz,s) 一 ,S是半群,易验证 一(Q,S, )是有限半群自动机, 的导图是连通的,但IM(F)不是单环,因为容 维普资讯 http://www.cqvip.com 广西师范大学学报:自然科学版 第25卷 易验证F(s;g ,qz)是IM(F)的非平凡理想。 下面给出有限群自动机的不可约和不可分的一些判别法则。 命题2设 一(Q,G, )是有限群自动机,且lQ l>1,则M是不可约的充分必要条件为Vg∈Q,qG U {q)一Q。 命题3设 一(Q,G, )是有限群自动机,且JQ l>1,则 是不可约的当且仅当 是连接的。 命题4设 一(Q,G, )是有限群自动机,且lQ l>1,则M是不可约的充分必要条件为 不存在真 稳定子集。 定理5设 一(Q,G, )是有限群自动机,且JQ f>1,则下列条件彼此等价:① 是不可约的;②Vg ∈Q,qGU{q)一Q;③M是连接的;④M不存在真稳定子集。 定理6设 一(Q,G, )是有限群自动机,lQ l>1,则M是不可分的当且仅当 是弱连通的。 证明 假设 不是弱连通的,记 是DM的基图,则W不是连通的,那么 至少有两个连通分 支,任取 的两个连通分支为 ( 一1,2)。设 的顶点集为Q ,因为 是 的连通分支,所以 一 (Q ,G, lQ ×G×Q )是有限群自动机,Q\Q ≠ ,(Q\Q )G Q\Q 。所以 一(Q\Q ,G, l(Q\Q )×G× (Q\Q ))是有限群自动机。 又因为Q ≠ ,所以根据定义可知, 是可分的,这与“ 是不可分的”相矛盾。所以假设不成立。故 是弱连通的。 假设 是可分的,则存在Q ,Q Q,Q ,Q ≠Q,满足Q UQ =Q,Q NQ 一 ,且 =(Q ,G, fQ ×G×Q )是有限群自动机,i一1,2。又因为JQ l>1,所以Q ≠ ,Q ≠ ,Q G Q ,Q G Q 。所以DM 的基图不是连通的,即 不是弱连通的,这与“ 是弱连通的”相矛盾,所以假设不成立,从而 是不可分 的。证毕。 定理7设 =(Q,G, )是有限群自动机,且Q≠ ,则M可以分解为一些不可分的有限群自动机的 并。 证明 设D是由 一(Q,G, )导出的有向赋值图, 是D的基图。由于 是有限图,从而 可以分 解为一些连通分支的并[1 。不妨设W=W U…U ,其中 ( 一1,…,n)是W的不相交的连通分支。设 的顶点集合为Q ,令 一(Q ,G, l Q ×G×Qf),因为 是 的一个连通分支,所以有 是有限群 自动机,且 是 的极大弱连通分支。由 是弱连通的可知, 是不可分的。显然有 —V ,故 可 以分解为一些不可分的有限群自动机的并。 下面给出证明当有限群自动机是幺式时,有限群自动机的三个概念“连通 弱连通 连接”是等价的。 引理1设 =(Q,G, )是幺式有限群自动机, 为G的单位元,对于q ,q EQ,则q 可达q 的充分 必要条件为q 可达q 。 命题5设 一(Q,G, )是幺式有限群自动机,则M是连通的当且仅当 是连接的。 命题6设 一(Q,G, )是幺式有限群自动机,则M是连通的充分必要条件为 是弱连通的。 定理8设 =(Q,G, )是幺式有限群自动机,则下列条件彼此等价:① 是连通的;② 是连接的; ③ 是弱连通的。 最后用有向赋值图刻画有限群自动机的一个结果作为结束。 定理9设 一(Q ,G, )是有限群自动机,i一1,2,则M 与 的导图与 的导图赋值同构。 证明记 的导图为D =(Q ,E ,G), 一1,2。 在G上等价的充分必要条件为 因为 与 z在G上等价,所以存在双射 :Q 一Qz,使得 (g g)= (g )g,Yq EQ ,gEG。要证 D1与D2赋值同构,只需证(g1,qi) EE1甘( (g1), g )) EE2,VglEQl,gEG。 若(ql,qi) E E1,则有qi E qlg。所以 (g:)E (glg)一 (g1)g。所以( (g1), (gi)) E E2。若( (g1), (g )) EE2,则有 (g )E (g1)g— (glg)。又因为 是双射,所以q:E qlg。所以(gl,gi) E El。所以(gl, qi) ∈El甘( (g1), (gi)) EE2,VqlEQ1,gEG。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 阎航宇等:有限群自动机的若干环论与图论性质 33 若D 与D 赋值同构,则存在双射 :Q 一Q ,使得(g ,q:) ∈E 学( (g ), (g:)) ∈Ez,Yq ∈Q , gEG。所以 (g1)g一 (g1g),Yq1∈Q1,gE G。故M1与M2在G上等价。证毕。 参考文献: [1] HOLCOMBE W M L.Algebraic auotmata theory[M].Cambridge:Cambridge University Press,1982. 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