数学 抽象代数

陪集与 Lagrange 定理:把群分成等大的块

从整数同余理解左右陪集,证明陪集划分与 Lagrange 定理,并用例子区分必要条件和存在性。

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本章目录 · 前置:群与子群、循环群 · 后续:同态与商群

从整数同余看陪集 #

整数按模 33 的余数分成三类:3Z3\mathbb Z、1+3Z1+3\mathbb Z、2+3Z2+3\mathbb Z。每类都是子群 3Z3\mathbb Z 的一个平移;同一类有许多代表,例如 1+3Z=4+3Z1+3\mathbb Z=4+3\mathbb Z。

群中也可以这样平移子群,只是一般不能交换乘法次序。设 H≤GH\le G,g∈Gg\in G,定义

gH={gh:h∈H},Hg={hg:h∈H}.gH=\{gh:h\in H\},\qquad Hg=\{hg:h\in H\}.

它们分别称为 HH 的左陪集和右陪集。左、右说的是代表元 gg 放在哪一侧。陪集是 GG 的子集,gg 是一个代表元;二者不要混为一谈。

陪集一般不是子群。事实上 gHgH 是子群当且仅当 g∈Hg\in H:若是子群,必有 e∈gHe\in gH,于是 e=ghe=gh 给出 g=h−1∈Hg=h^{-1}\in H;反之 g∈Hg\in H 时 gH=HgH=H。

判别同一块,再证明划分 #

对任意 a,b∈Ga,b\in G,

aH=bH⟺a−1b∈H.aH=bH\quad\Longleftrightarrow\quad a^{-1}b\in H.

若陪集相同,则 b∈aHb\in aH,故 b=ahb=ah。反过来,若 b=ahb=ah 且 h∈Hh\in H,则 bH=ahH=aHbH=ahH=aH,因为 hH=HhH=H。

这也可以写为 b−1a∈Hb^{-1}a\in H,因为子群对逆元封闭;但不能随意把它改成 ab−1∈Hab^{-1}\in H。右陪集的对应判据是

Ha=Hb⟺ab−1∈H.Ha=Hb\quad\Longleftrightarrow\quad ab^{-1}\in H.

左陪集把 GG 划分为互不相交的块。首先 g=ge∈gHg=ge\in gH,所以所有元素都被覆盖。其次,若 x∈aH∩bHx\in aH\cap bH,写成 x=ah1=bh2x=ah_1=bh_2,便有 a−1b=h1h2−1∈Ha^{-1}b=h_1h_2^{-1}\in H,故 aH=bHaH=bH。因此两个左陪集只可能完全相同或互不相交。

映射 h↦ghh\mapsto gh 是 HH 到 gHgH 的双射,逆映射是 x↦g−1xx\mapsto g^{-1}x。所以每个左陪集与 HH 等大。右陪集也有同样的结论;以上论证没有使用有限性。

指数与 Lagrange 定理 #

不同左陪集的个数称为 HH 在 GG 中的指数,记为 [G:H][G:H]。右陪集个数相同:取逆把左陪集 gHgH 变成右陪集 Hg−1Hg^{-1},再取逆即返回原集合,因而得到双射。

现在才假设 GG 有限。将所有不同左陪集记作 g1H,…,grHg_1H,\ldots,g_rH,其中 r=[G:H]r=[G:H]。它们互不相交、覆盖 GG,且每块有 ∣H∣|H| 个元素,因此

∣G∣=[G:H] ∣H∣.|G|=[G:H]\,|H|.

这就是 Lagrange 定理,特别地 ∣H∣∣∣G∣|H|\mid |G|。证明真正使用的是“划分”和“每块等大”,并未要求群交换,也未要求左右陪集相同。

从子群的阶回到元素的阶 #

对 a∈Ga\in G,取 H=⟨a⟩H=\langle a\rangle,利用 ∣⟨a⟩∣=ord⁡(a)|\langle a\rangle|=\operatorname{ord}(a),得到

ord⁡(a)∣∣G∣,a∣G∣=e.\operatorname{ord}(a)\mid |G|,\qquad a^{|G|}=e.

若 ∣G∣=p|G|=p 是素数,任选 a≠ea\ne e。它的阶大于 11 又整除 pp,只能等于 pp,所以 G=⟨a⟩G=\langle a\rangle。这证明了每个素数阶群都是循环群。

不要把必要条件倒过来:d∣∣G∣d\mid |G| 不保证存在 dd 阶元素。例如四元素群 Z/2Z×Z/2Z\mathbb Z/2\mathbb Z\times\mathbb Z/2\mathbb Z 中,每个非零元素的阶都是 22,没有 44 阶元素。关于某阶子群是否存在,Lagrange 定理本身也不提供逆向保证。

更细的幂阶公式和循环群计数见群元素的阶。

左右陪集为何要分开 #

在 S3S_3 中按从右到左的顺序复合置换。取 H={e,(12)}H=\{e,(12)\},g=(123)g=(123)。直接计算得

gH={(123),(13)},Hg={(123),(23)}.gH=\{(123),(13)\},\qquad Hg=\{(123),(23)\}.

两个集合不相同。这里的三循环 (123)(123) 将 1,2,31,2,3 依次送到 2,3,12,3,1;换位 (ij)(ij) 交换 i,ji,j。

左右陪集数量相同,并不意味着同一个代表元对应的左右陪集相同。后一个性质正是下一节引入正规子群的起点。

三道自检 #

1. 在循环群中实际分块 #

设 G=⟨a⟩G=\langle a\rangle 的阶为 1212,H=⟨a4⟩H=\langle a^4\rangle。写出所有不同陪集及指数。

解答

H={e,a4,a8}H=\{e,a^4,a^8\}。四个陪集是 arH={ar,ar+4,ar+8}a^rH=\{a^r,a^{r+4},a^{r+8}\},其中 r=0,1,2,3r=0,1,2,3。指数为 44,且 12=4⋅312=4\cdot3。指数记录块数,∣H∣=3|H|=3 记录每块大小。

2. 无限群能否有有限指数 #

计算 [Z:3Z][\mathbb Z:3\mathbb Z] 与 [Z:{0}][\mathbb Z:\{0\}],解释为什么不能用“无限除以无限”计算指数。

解答

前者为 33,陪集按模 33 余数分类;后者为无限,每个整数单独构成一个陪集。Z\mathbb Z 与 3Z3\mathbb Z 都是可数无限集,但指数由陪集划分决定,不能把有限群的整数商公式当作无穷量的除法。

3. 指数为二为什么特别 #

设 [G:H]=2[G:H]=2。证明每个 g∈Gg\in G 都满足 gH=HggH=Hg,不要求 GG 有限。

解答

若 g∈Hg\in H,两边都等于 HH。若 g∉Hg\notin H,左陪集划分只有 HH 和 gHgH,故 gH=G∖HgH=G\setminus H;右陪集也恰有两个,同理 Hg=G∖HHg=G\setminus H。于是两者相等。用的是指数为二,而不是子群的阶为二。

继续到商群 #

已经知道可以把群分块,下一步是问:能否直接对这些块做乘法?答案需要检查代表元变化是否影响结果,见同态、正规子群与商群。

教材定位:丘维声《近世代数》(北京大学出版社,2015 年第 1 版)§1.4,第 42—43 页;指数为二的正规性见 §1.6,第 54 页。本文先用左陪集组织证明,教材在相应段落先介绍右陪集;判别式须随方向一起改变。

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