群在集合上的作用,轨道-稳定子定理
系统整理群作用、忠实作用与 Cayley 定理,推导轨道-稳定子定理、类方程和 Burnside 引理,并讨论 p-群应用。
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群在集合上的作用, 轨道-稳定子定理 #
定义
设 G 是一个群, Ω 是一个非空集合. 如果映射
σ:G×Ω(a,x)→↦Ωa∘x
满足:
(ab)∘x=a∘(b∘x),e∘x=x,∀ a,b∈G, ∀ x∈Ω,∀ x∈Ω.
那么称群 G 在集合 Ω 上有一个作用.
注
可理解为 a∘x 运算, 就是 G 中元素 a 在 Ω 上的作用.
更直接的, 我们任给 a∈G 就可以得到一个 Ω 到自身的映射 ψ(a):
ψ(a):Ωx→↦Ωa∘x.
容易验证 ψ(a) 是 Ω 上的可逆变换, 其逆映射就是 ψ(a−1), 从而 ψ(a) 是 Ω 到自身的双射, 即 ψ(a)∈SΩ.
由此, 我们令
ψ:Ga→↦SΩψ(a),
则 ψ 是 G 到 SΩ 的一个映射. 可以类似的验证 ψ 保持运算, 即 ψ 是 G 到 SΩ 的同态.
命题
设群 G 在集合 Ω 上有一个作用, 任给 a∈G, 令
ψ(a)x:=a∘x,∀ x∈Ω,
则 ψ:a↦ψ(a) 是 G 到 SΩ 的一个群同态.
定义
我们称同态 ψ 的核 Kerψ 为这个作用的核. 可以得到, a∈G 是这个作用的核 ⇔ a∘x=x,∀x∈G.
定义
当 Kerψ={e} 时, 称这个作用是忠实的, 此时 ψ 是一个单同态.
命题
设群 G 到非空集合 Ω 上的全变换群 SΩ 有一个同态 ψ, 令
a∘x:=ψ(a)x,∀ a∈G,∀ x∈Ω,
则 G 在 Ω 上有一个作用.
设 G 是一个群, 令
G×G(a,x)→↦Gax.
容易验证这是 G 在集合 G 上的作用, 称该作用为 G 在集合 G 上的左平移.
并且左平移的核 ⇔ ax=x⇔a=e, 即左平移是忠实的作用. 所以 G≅Imψ, 即 G 与 G 上的一个变换群同构.
定理 Cayley
- 2. 群 G 在左商集 (G/H)l 上的左平移
设 H 是 G 的子群, 令
G×(G/H)l(a,xH)→↦(G/H)laxH.
容易验证这是 G 在 (G/H)l 上的作用, 称之为 G 在 (G/H)l 上的左平移.
注: 当题目中有子群时, 优先考虑在其左商集上的左平移.
令
G×G(a,x)→↦Gaxa−1.
容易验证, 这是 G 在 G 上的作用, 称之为共轭作用.
定义
设 Z(G):={b∈G∣bx=xb,∀x∈G}, 易得 Z(G) 是共轭作用的核. 我们称 Z(G) 为群 G 的中心, 它是由与 G 中每个元素都可交换的元素组成的集合.
群 G 在集合 G 上的共轭作用引出了一个 G 到SG 的同态 σ, 把 a 在 σ 下的像记作 σa, 于是
σa(x)=a∘x=axa−1,∀ x∈G.
容易验证 σa 是 G 到自身的同构映射.
定义
群 G 到自身的一个同构映射称为 G 的一个自同构. 由 (\ref{共轭作用}) 式定义的 σa 称为 G 的一个内自同构.
此外, 群 G 的所有自同构组成的集合对于映射的乘法构成一个群, 称它为自同构群, 记作 Aut(G).
群 G 的所有内自同构组成的集合是上述的 Imσ, 它是 SG 的一个子群, 称它是 G 的内自同构群, 记作 Inn(G).
由于 G 的每个内自同构 σa 是 G 的一个自同构, 因此 Inn(G)<Aut(G).
更进一步的, 可以验证 Inn(G)⊲Aut(G).
定理
对于群 G 有
G/Z(G)≅Inn(G).
证明
由于 Kerσ=Z(G),Imσ=Inn(G), 根据群同态基本定理 G/Z(G)≅Inn(G).
引理
集合 Ω 上的二元关系:
y∼x:⇔∃ a∈G, s.t. y=a∘x.
是等价关系.
定义
我们称
G(x):={a∘x∣a∈G},
为 x 的 G-轨道. 且 G(x) 是等价关系(\ref{群作用划分二元关系})中的一个等价类. 于是 Ω 的所有 G-轨道组成的集合是 Ω 的一个划分. Ω 的任意两条轨道要么相等, 要么不交. 且所有轨道的并是 Ω.
若 Ω 的子集 I={xi} 使得
Ω=i∈I⋃G(xi),
且当 i=j 时有 G(xi)∩G(xj)=∅. 那么就称 I 为 Ω 的 G-轨道的完全代表系.
定义
我们称
Gx:={g∈G∣g∘x=x},
为 x 的稳定子群.
容易验证 Gx 是 G 的子群. 且 Gx 中的每个元素作用 x 保持 x 不变.
引理
任给 a,b∈G, aGx=bGx⇔b−1a∈Gx⇔a∘x=b∘x.
因此 Gx 的某个陪集中的元素对 x 的作用是相同的. 从而考虑
φ:(G/Gx)laGx→↦G(x)a∘x,
由引理 \ref{稳定子群陪集作用相同} 可知 φ 是 (G/Gx)l 到 G(x) 的一个单射, 从其定义可知这也是个满射, 由此 φ 是双射. 于是我们有 ∣G(x)∣=∣(G/Gx)l∣.
定理 轨道-稳定子定理
设群 G 在集合 Ω 上有一个作用, 则对于任给 x∈Ω, 有
∣G(x)∣=∣(G/Gx)l∣=[G:Gx]
推论
如果有限群 G 在 Ω 上有一个作用, 那么对于 x∈Ω 有
∣G∣=∣Gx∣∣G(x)∣.
下面考虑上述讨论在共轭作用中的应用.
定义
我们称共轭作用中的 G-轨道 G(x)={axa−1∣a∈G} 为 x 的共轭类.
当且仅当 x∈Z(G) 时, 有 ∣G(x)∣=1.
定义
当 G 为有限群时, 我们称
∣G∣=∣Z(G)∣+j=1∑r∣G(xj)∣
为有限群 G 的类方程. 其中 Z(G) 为 G 的中心, {x1,x2…,xr} 为 G 的非中心元素的共轭类的完全代表系.
定义
在共轭作用下, 我们称 CG(x):=Gx={g∈G∣g∘x=x}={g∈G∣gx=xg} 为 x 在 G 里的中心化子.
推论
运用轨道-稳定子定理可知, ∣G(x)∣=[G:CG(x)].
以上就是在共轭作用中的特殊例子.
定义
如果群 G 在 Ω 上的作用只有一条轨道, 即 ∀ x,y∈Ω, ∃ g∈G, s.t.y=g∘x, 那么称 G 在 Ω 上的这个作用是传递的. 并称 Ω 是群 G 上的一个齐性空间.
命题
设群 G 在集合 Ω 上有一个作用, 则对任一给定 x∈Ω, 对于轨道 G(x) 有 ∀ y∈G(x), Gx 和 Gy 彼此共轭, 即存在 a∈G, 使得 Gy=aGxa−1. 从而 ∣Gx∣=∣Gy∣,[G:Gx]=[G:Gy].
定义
对于给定的 g∈G, 我们称 F(g):={x∈Ω∣g∘x=x} 为 g 的不动点集. 即 g 存在于哪些 x 的稳定子群中.
定理 Burnside 引理
设有限群 G 在有限集合 Ω 上有一个作用, 则 Ω 的 G-轨道条数 r 为
r=∣G∣1g∈G∑∣F(g)∣.
证明
考虑集合
S={(g,x)∣g∘x=x}.
一方面, ∣S∣=x∈Ω∑∣Gx∣=r∣G∣.
由命题 \ref{prop:群作用1} 同一条轨道上的元素的稳定子群阶数相同, 从而同一条轨道上元素的稳定子群阶数和为 ∣G∣.
另一方面, ∣S∣=g∈G∑∣F(g)∣.
定义
设群 G 在集合 Ω 上有一个作用, 对于 x∈Ω, 若 x 的 G-轨道只含一个元素(即 x 自身), 则称 x 是群 G 的一个不动点. 群 G 的所有不动点组成的集合称为群 G 的不动点集, 记作 Ω0.
定义
若有限群 G 的阶是素数 p 的方幂, 即 ∣G∣=pm, (m⩾1), 则称 G 是 p-群.
命题
设 p-群 G 在集合 Ω 上有一个作用, 则
∣Ω0∣≡∣Ω∣(modp).
推论
p-群 G 必有非平凡中心, 即 Z(G)={e}.
推论
设 p 是素数, 则 p2 阶群要么是循环群, 要么同构于 (Zp,+)⊕(Zp,+), 从而 p2 阶群都是 Abel 群.
练习
题目 #
设 G 是一个群. 证明: 如果 G/Z(G) 是循环群, 那么 G 是 \Abel 群.
题目 #
(书本习题 1.8/28) 设 G 为一个有限群, p 为 ∣G∣ 的最小素因子. 证明: 指数为 p 的子群必为正规子群.
讨论
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