数学 抽象代数

Sylow定理

设群 的阶 , 其中 为素数, , 则对 , 中必有 阶子群, 其中 阶子群(即 的最高方幂阶子群)称为 的 Sylow -子群。

本页目录2 节

Sylow 定理 #

引理

设 n=plmn=p^lm, 其中 (m,p)=1(m,p)=1, pp 是素数, 则对 1⩽k⩽l1\leqslant k\leqslant l, 有

pl−k∣Cnpk,pl−k+1∤Cnpk.p^{l-k}|C_n^{p^k},\quad p^{l-k+1}\nmid C_n^{p^k}.
定理 Sylow 第一定理

设群 GG 的阶 n=plmn=p^lm, 其中 pp 为素数, (m,p)=1, l>0(m,p)=1,\ l>0, 则对 1⩽k⩽l1\leqslant k\leqslant l, GG 中必有 pkp^k 阶子群, 其中 plp^l 阶子群(即 pp 的最高方幂阶子群)称为 GG 的 Sylow pp-子群.

证明

设集合 Ω\Omega 中的元素形如:

A={a1,a2,…,apk},其中 ai∈G.A=\{a_1,a_2,\ldots,a_{p^k}\},\quad \text{其中}\ a_i\in G.

对于 g∈Gg\in G, 令

g∘A:={ga1,ga2,…,gapk}.g\circ A:=\{ga_1,ga_2,\ldots,ga_{p^k}\}.

容易验证这是 GG 在 Ω\Omega 上的作用.

我们取 Ω\Omega 的 GG-轨道完全代表系 {Ai}\{A_i\}, 从而 ∣Ω∣=∑i=1r∣G(Ai)∣|\Omega| = \sum\limits_{i=1}^r |G(A_i)|.

由引理可知, pl−k+1∤∣Ω∣p^{l-k+1} \nmid |\Omega|. 于是至少存在一个 ii 满足 pl−k+1∤∣G(Ai)∣p^{l-k+1}\nmid |G(A_i)|.

根据轨道稳定子定理 ∣G∣=∣G(Ai)∣∣GAi∣|G| = |G(A_i)||G_{A_i}|. 由 plp^l 恰好整除 ∣G∣|G|, 所以 ∣GAi∣|G_{A_i}| 含有的 pp 因子至少为 kk 阶. 即

∣GAi∣=pkq⩾pk.|G_{A_i}|=p^kq\geqslant p^k.

另一方面, 对于任意 g∈GAig\in G_{A_i}, 有 g∘Ai=Aig\circ A_i = A_i. 于是对于 a∈Aia\in A_i, 有 ga∈Aiga \in A_i.

从而

GAia={ga∣g∈GAi}⊆Ai.G_{A_i}a=\{ga|g\in G_{A_i}\}\subseteq A_i.

因此

∣GAi∣=∣GAia∣⩽∣Ai∣=pk.|G_{A_i}| = |G_{A_i}a|\leqslant|A_i| = p^k.

综上, ∣GAi∣=pk|G_{A_i}| = p^k. 从而 GAjG_{A_j} 就是 GG 的一个 pkp^k 阶子群.

定理 Sylow 第二定理

设群 GG 的阶 n=plmn=p^lm, 其中 pp 为素数, (m,p)=1,l>0(m,p)=1,l>0, 则

  • (1) 对于 1⩽k⩽l1\leqslant k \leqslant l, GG 的任一 pkp^k 阶子群一定包含于 GG 的某个 Sylow\t{Sylow} pp-子群中;
  • (2) GG 的任意两个 \Sy 在 GG 中共轭.
推论

有限群 GG 的 \Sy 是正规子群, 当且仅当 GG 的 \Sy 的个数为 11.

定理 Sylow 第三定理

设群 GG 的阶 n=plmn=p^lm, 其中 pp 为素数, (m,p)=1,l>0(m,p)=1,l>0, 则 GG 的\Sy 的个数 rr 满足

r≡1( mod  p),且 r∣m.r\equiv 1(\bmod\ p),\quad \t{且}\ r\mid m.
推论

2p2p 阶群或者是循环群, 或者同构于二面体群 DpD_p.

定义

形如 a+bi+cj+dka+b\t i+c\t j+d\t k, 且满足 a,b,c,d∈R,a,b,c,d \in \mathbb{R},

i2=j2=k2=−1,ij=−ji=k,jk=−kj=i,ki=−ik=j,\t i^2=\t j^2=\t k^2=-1,\quad \t i\t j=-\t j\t i=\t k,\quad \t j\t k=- \t k\t j=i,\quad \t k\t i=-\t i\t k=\t j,

称为四元数.

定义

称 Q={± 1,± i,± j,± k}Q=\{\pm\ 1,\pm\ \t i,\pm\ \t j,\pm\ \t k\} 为四元数群, 容易验证 QQ 对于上述乘法构成一个群.

练习

题目 #

证明: pp-群都可解.

证明

设群 GG 的阶为 pαp^\alpha.

根据 Sylow 第一定理, GG 有 pα−1p^{\alpha-1} 阶子群, 根据习题 \ref{prac:群作用} 题目 \ref{prac:群作用2} 可知 pα−1p^{\alpha-1} 阶群是正规子群.

从而存在 G1G_1 满足 G⊳G1G\rhd G_1, 且 G/G1G/G_1 是素数阶循环群.

如此反复, 我们可以取出 G⊳G1⊳G2⊳⋯⊳Gα={e}G\rhd G_1\rhd G_2\rhd\cdots\rhd G_{\alpha}=\{e\}. 因此 pp-群可解.

讨论

评论

正在加载评论…

输入关键词开始搜索。