小学代数笔记-群论

群论

群

封闭性+结合律+单位元+逆元

半群:封闭性+结合律

幺半群:封闭性+结合律+单位元

交换幺半群:幺半群+交换律

Abel群(交换群、加群):群+交换律

子群

HH 为 GG 的子群,记作 H≤GH\le G

判断子幺半群:封闭性+单位元

判断子群:封闭性+逆元

生成子群

<S>={s1s2...sk∣si∈G或Si−1∈G}<S>=\{s_1s_2...s_k\mid s_i\in G或S_i^{-1}\in G\}

生成子幺半群:<S>={s1s2...sk∣si∈M}<S>=\{s_1s_2...s_k\mid s_i\in M\}

有限生成群 G=<g1,g2,...,gm>G=<g_1,g_2,...,g_m> 的有限指数子群 HH 也是有限生成群。

证明:

不妨设 S={g1,...,gm},gi−1∈SS=\{g_1,...,g_m\}, g_i^{-1}\in S

设 {Hx1,Hx2,...,Hxn}\{Hx_1,Hx_2,...,Hx_n\} 为 HH 的右陪集, x1=1x_1=1

设 xigj∈Hxi′x_ig_j\in Hx_{i'} ,记 uij=xigjxi′−1∈Hu_{ij}=x_ig_jx_{i'}^{-1}\in H

∀h=gi1gi2...gil∈H,gij∈H\forall h=g_{i_1}g_{i_2}...g_{i_l}\in H, g_{i_j}\in H

则 h=x1gi1gi2...gil=u1i1x1′gi2...gi;=...=u1i1...unilxl′∈H=Hx1h=x_1g_{i_1}g_{i_2}...g_{i_l}=u_{1i_1}x_{1'}g_{i_2}...g_{i_;}=...=u_{1i_1}...u_{ni_l}x_{l'}\in H=Hx_1

∴l′=1,H=<{uij}>\therefore l'=1, H=<\{u_{ij}\}>

Cayley定理

幺半群 MM ,aL:M→Ma_L:M\to M ,aL(x)=axa_L(x)=ax , ML={aL∣a∈M}M_L=\{a_L\mid a\in M\} ,则 M≅MLM\cong M_L (若 MM 是群同理)

常见群

符号 名称 备注
SnS_n 对称群
AnA_n 交错群 SnS_n中所有偶置换
K4K_4 Klein4元群 C2×C2C_2\times C_2
D2nD_{2n} 二面体群 <x,y∣xn=y2=1,xyx=y><x,y\mid x^n=y^2=1,xyx=y>
GLnGL_n 一般线性群 n×nn\times n可逆矩阵
SLnSL_n 特殊线性群 行列式为1
OnO_n 正交群 n×nn\times n正交阵
SOnSO_n 特殊正交群 行列式为±1\pm 1
UnU_n 酉群 n×nn\times n酉矩阵
SUnSU_n 特殊酉群 行列式为1

15阶以下群的分类:https://zhuanlan.zhihu.com/p/260343968

群的乘积的阶

∣AB∣=∣A∣∣B∣∣A∩B∣|AB|=\frac{|A||B|}{|A\cap B|}

https://www.zhihu.com/question/275458609

单群

没有非平凡正规子群的群

Abel单群一定是素数阶循环群

非Abel单群最小的是 A5A_5,第二小的是 PSL(2,7)PSL(2,7)

自由群

{as1as2...asn∣si=1,2,...,r,ai∈S或ai−1∈S}\{a_{s_1}a_{s_2}...a_{s_n}\mid s_i=1,2,...,r,a_i\in S或a_i^{-1}\in S\}

自由Abel群:<a1,a2,...,ar>→Zr<a_1,a_2,...,a_r>\to \Z^r

自由幺半群:{as1as2...asn∣si=1,2,...,r}\{a_{s_1}a_{s_2}...a_{s_n}\mid s_i=1,2,...,r\}

元素的阶

o(a)=min⁡{r∣ar=1}o(a)=\min\{r\mid a^r=1\}

对合:群中阶数为2的元素

群的指数:exp⁡G=min⁡{r∣∀g∈G,gr=1}\exp G=\min \{r\mid \forall g\in G, g^r=1\}

Abel群: exp⁡G=max⁡{o(g)∣g∈G}\exp G=\max \{o(g)\mid g\in G\}

置换的循环分解

不相交的置换满足交换律

Lagrange定理

若 H≤GH\le G,则 ∣G∣=[G:H]∣H∣|G|=[G:H]|H|

同余关系

若 ∼\sim 为 GG 上的等价关系,且 ∀a1∼a2,b1∼b2  ⟹  a1b1∼a2b2\forall a_1\sim a_2,b_1\sim b_2\implies a_1b_1\sim a_2b_2,

则 ∼\sim 为同余关系。G/∼G/\sim 为商群。

正规子群 K⊴GK\unlhd G 对应的同余关系: g1∼g2  ⟺  g1g2−1∈Kg_1\sim g_2\iff g_1g_2^{-1}\in K

同余关系 ∼\sim 对应的正规子群: 1ˉ\bar{1}

同态

若φ:M→M′\varphi: M\to M'满足:

  1. ∀a,b∈M,φ(ab)=φ(a)φ(b)\forall a,b\in M, \varphi(ab)=\varphi(a)\varphi(b)

  2. φ(1)=1′\varphi (1)=1' (若 MM 是群,则可由第1点推出)

则φ\varphi是 MM 到 M′M' 的同态。记作M∼M′M\sim M'。

同态核:ker⁡φ=φ−1(1)\ker \varphi =\varphi^{-1}(1)

同构:φ\varphi为双射,记作M≅M′M\cong M'。

自同构:双射 φ:M→M\varphi:M\to M

自同构群:AutM\text{Aut}M

内自同构: φ(x)=uxu−1\varphi(x)=uxu^{-1}

内自同构群: InnM\text{Inn}M

外自同构群:OutM=AutM/InnM\text{Out}M=\text{Aut}M/\text{Inn}M

群同态基本定理

若有同态 f:G→Hf:G\to H,则 $$G/\ker f\cong\text{Im} f$$

证明:

记N=ker⁡fN=\ker f,定义φ:G/N→Imf,φ(gN)=f(g)\varphi: G/N\to \text{Im} f, \varphi(gN)=f(g)

先证φ\varphi为双射:

f(g1)=f(g2)  ⟺  f(g1−1g2)=1  ⟺  g1−1g2∈N  ⟺  g1N=g2Nf(g_1)=f(g_2)\iff f(g_1^{-1}g_2)=1\iff g_1^{-1}g_2\in N\iff g_1N=g_2N

再证φ\varphi为同态:

φ(g1N⋅g2N)=φ(g1g2N)=f(g1g2)=f(g1)f(g2)=φ(g1N)φ(g2N)\varphi(g_1N\cdot g_2N)=\varphi(g_1g_2N)=f(g_1g_2)=f(g_1)f(g_2)=\varphi(g_1N)\varphi(g_2N)

第一同构基本定理

若 K⊴G,K⊆H≤GK\unlhd G, K\subseteq H\le G。
记 Hˉ=H/K,Gˉ=G/K\bar{H}=H/K, \bar{G}=G/K,则

Hˉ≤Gˉ\bar{H}\le\bar{G}

证明显然。

H1=H2  ⟺  H1ˉ=H2ˉH_1=H_2\iff \bar{H_1}=\bar{H_2}

证明:

H1=H2  ⟹  H1ˉ=H2ˉH_1=H_2\implies \bar{H_1}=\bar{H_2} 显然

H1ˉ=H2ˉ  ⟹  ∀h1∈H1,∃h2∈H2,h1K=h2K  ⟹  ∀h1∈H1,∃h2∈H2,k∈K,h1=h2k∈H2  ⟹  H1⊆H2\bar{H_1}=\bar{H_2}\\\implies \forall h_1\in H_1, \exists h_2\in H_2, h_1K=h_2K\\\implies \forall h_1\in H_1, \exists h_2\in H_2, k\in K, h_1=h_2k\in H_2\\\implies H_1\subseteq H_2

同理H2⊆H1H_2\subseteq H_1

∴H1=H2\therefore H_1=H_2

H⊴G  ⟺  Hˉ⊴Gˉ  ⟹  G/H≅Gˉ/HˉH\unlhd G\iff \bar{H}\unlhd \bar{G}\implies G/H\cong \bar{G}/\bar{H}

证明:

H⊴G  ⟺  ∀h∈H,g∈G,ghg−1∈H  ⟺  ∀hK∈Hˉ,gK∈Gˉ,ghg−1K∈Hˉ  ⟺  Hˉ⊴GˉH\unlhd G\\\iff \forall h\in H,g\in G, ghg^{-1}\in H\\\iff \forall hK\in \bar{H},gK\in \bar{G}, ghg^{-1}K\in \bar{H}\\\iff \bar{H}\unlhd \bar{G}

定义τ:G→Gˉ/Hˉ,τ(g)=gˉHˉ\tau: G\to \bar{G}/\bar{H}, \tau(g)=\bar{g}\bar{H}

显然 τ\tau 为满同态,且 ker⁡τ=H\ker \tau=H

由同态基本定理,G/H≅Gˉ/HˉG/H\cong \bar{G}/\bar{H}

第二同构基本定理

若H≤G,K⊴GH\le G, K\unlhd G,则

HK≤GHK\le G

证明:

封闭性: h1k1⋅h2k2=h1h2⋅k1′k2∈HK(∃k1′∈K)h_1k_1\cdot h_2k_2=h_1h_2\cdot k_1'k_2\in HK (\exists k_1'\in K)

逆元:(hk)−1=k−1h−1=h−1k′−1∈HK(∃k′∈K)(hk)^{-1}=k^{-1}h^{-1}=h^{-1}k'^{-1}\in HK (\exists k'\in K)

H∩K⊴HH\cap K\unlhd H

证明显然。

HK/K≅H/(H∩K)HK/K\cong H/(H\cap K)

证明:
定义φ:H→HK/K\varphi: H\to HK/K,φ(h)=hK\varphi(h)=hK

显然 φ\varphi 为满同态,且 ker⁡φ=H∩K\ker \varphi =H\cap K

由同态基本定理,H/(H∩K)≅HK/KH/(H\cap K)\cong HK/K

群作用

若存在同态

T:G→SymST: G\to \text{Sym}S

则称(g,x)→T(g)x(g,x)\to T(g)x为GG在SS上的作用。
记T(g)x=gxT(g)x=gx。

忠实的作用:TT为单同态(即ker⁡T={1}\ker T=\{1\})。
传递作用(可迁作用):SS只有一个轨道(即Gx=S,∀x∈SGx=S, \forall x\in S)。
e.g. 共轭作用:G=S,T(g)x=gxg−1G=S, T(g)x=gxg^{-1}。

轨道

GG作用在SS上。
定义等价关系:x∼y  ⟺  ∃g∈G,y=gxx\sim y\iff \exists g\in G, y=gx
轨道(即等价类):Ox=GxO_x=Gx,OH=GH/HO_H=GH/H

e.g. 共轭类:Ox={gxg−1∣g∈G}O_x=\{gxg^{-1}|g\in G\}

传递的变换群:只有1个轨道

稳定化子

GG作用在SS上。
xx的稳定化子:Gx=StabGx={g∈G∣gx=x}G^x=\text{Stab}_Gx=\{g\in G|gx=x\}
HH的点不变稳定化子:G{H}=StabG{H}={g∈G∣gx=x,∀x∈H}G^{\{H\}}=\text{Stab}_G\{H\}=\{g\in G|gx=x, \forall x\in H\}
HH的集不变稳定化子:GH=StabGH={g∈G∣gH=H}G^H=\text{Stab}_GH=\{g\in G|gH=H\}

xx的中心化子:CG(x)={g∈G∣gxg−1=x}C_G(x)=\{g\in G|gxg^{-1}=x\}
HH的中心化子:CG(H)={g∈G∣gxg−1=x,∀x∈H}C_G(H)=\{g\in G|gxg^{-1}=x, \forall x\in H\}
正规化子:NG(H)={g∈G∣gHg−1=H}N_G(H)=\{g\in G|gHg^{-1}=H\}

轨道稳定子定理:∣G∣=∣Gx∣∣Ox∣|G|=|G^x||O_x| ,即 ∣Ox∣=[G:StabGx]|O_x|=[G:\text{Stab}_Gx]

商集

GG作用在SS上。
商集:S/G={Ox∣x∈S}S/G=\{O_x|x\in S\}

类方程

GG作用在SS上。
{xi}\{x_i\}为SS所有轨道的一组代表元。

∣S∣=∑∣Oxi∣=∑[G:StabGxi]|S|=\sum |O_{x_i}|=\sum [G:\text{Stab}_G{x_i}]

若 GG 为 GG 上的共轭作用, {yi}\{y_i\}为GG所有非单元轨道的一组代表元。

∣G∣=∣C∣+∑[G:CG(yi)]|G|=|C|+\sum [G:C_G(y_i)]

Burnside引理

GG作用在XX上。
Xg={x∈X∣gx=x}X^g=\{x\in X|gx=x\}。

∣X/G∣=1∣G∣∑g∈G∣Xg∣|X/G|=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}|X^g|

证明:
∑g∈G∣Xg∣=∑x∈XStabGx=∑x∈X∣G∣∣Ox∣=∣G∣∣X/G∣\sum_{g\in G}|X^g|=\sum_{x\in X}\text{Stab}_Gx=\sum_{x\in X}\frac{|G|}{|O_x|}=|G||X/G|

Polya定理

c(g)c(g)为置换gg能拆分成的不相交的循环置换数量

XX的每个元素有mm种颜色可选,因此∣Xg∣=mc(g)|X^g|=m^{c(g)}

∣X/G∣=1∣G∣∑g∈Gmc(g)|X/G|=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}m^{c(g)}

半直积

内半直积

若 N⊴G,H≤GN\unlhd G, H\le G,NH=G,N∩H={1}NH=G, N\cap H=\{1\}

则 GG 为 NN 和 HH 的内半直积。记作 G=N⋊HG=N\rtimes H。

外半直积

若 N,HN, H 为群,有同态 ϕ:H→AutN\phi: H\to \text{Aut}N

定义 NN 和 HH 的外半直积:N⋊HN\rtimes H。

运算规则 (n1,h1)(n2,h2)=(n1(h1n2),h1h2)(n_1,h_1)(n_2,h_2)=(n_1(h_1n_2),h_1h_2)

圈积

HH 为 GSG^S 上的作用

G≀H=GS⋊HG\wr H=G^S\rtimes H

(hf)(s)=f(h−1s)(hf)(s)=f(h^{-1}s)

Cauchy引理

  • 若 GG 为有限Abel群,pp 为素数,p∣∣G∣p\mid |G|,则 GG 必含 pp 阶子群。

证明:
任取 a∈Ga\in G ,若 p∣o(a)p\mid o(a),则 o(ao(a)p)=po(a^\frac{o(a)}{p})=p。
否则,考虑 G/<a>G/<a> 。
由归纳假设,G/<a>G/<a> 存在 pp 阶元素 bˉ\bar{b}
∴∀b∈bˉ,p∣o(b)\therefore \forall b\in \bar{b}, p\mid o(b)

另一种证法:https://zhuanlan.zhihu.com/p/62364786

Sylow第一定理

参考: https://zhuanlan.zhihu.com/p/358852225

  • 若pp为素数,GG为群,pk∣∣G∣p^k\mid |G|,则GG必含pkp^k阶子群。

证明:

∣G∣=∣C∣+∑[G:C(yi)]|G|=|C|+\sum [G:C(y_i)]

若 p∤∣C∣p\nmid |C| ,则 ∃yi,p∤[G:C(yi)]\exists y_i, p\nmid [G:C(y_i)]
而 ∣G∣=∣C(yi)∣[G:C(yi)]|G|=|C(y_i)|[G:C(y_i)] ,因此 pk∣∣C(yi)∣p^k\mid |C(y_i)|
由归纳假设,C(yi)C(y_i) 有 pkp^k 阶子群

若 p∣∣C∣p\mid |C| ,由Cauchy引理,∃a∈C,o(a)=p\exists a\in C, o(a)=p 。
考虑 G/<a>G/<a> ,pk−1∣∣G/<a>∣p^{k-1}\mid |G/<a>| 。
由归纳假设,∣G/<a>∣|G/<a>| 有 pk−1p^{k-1} 阶子群 Hˉ\bar{H} 。
∴∃H≤G,H/<a>=Hˉ\therefore \exists H\le G, H/<a>=\bar{H}
∴∣H∣=∣H/<a>∣∣<a>∣=pk\therefore |H|=|H/<a>||<a>|=p^k

若pk+1∤∣G∣p^{k+1}\nmid |G|,称pkp^k阶子群为Sylow-pp子群。

引理

  • 若 PP 为 GG 的Sylow-pp子群,H≤N(P),∣H∣=pjH\le N(P), |H|=p^j,则H⊆PH\subseteq P。

证明:
∵H≤N(P),P⊴N(P)\because H\le N(P), P\trianglelefteq N(P)
由第二同构基本定理, HP/P≅H/(H∩P)HP/P\cong H/(H\cap P)
∴∣HP/P∣=pk,k≤j\therefore |HP/P|=p^k, k\le j
∴∣HP∣=∣P∣⋅pk\therefore |HP|=|P|\cdot p^k
∴k=0\therefore k=0
∴HP=P\therefore HP=P
∴H⊆P\therefore H\subseteq P

Sylow第二定理

  1. GG 的Sylow- pp 子群两两共轭
  2. GG 的Sylow- pp 子群个数是 [G:P][G:P] 的因子,且模 pp 余1,PP 是任一Sylow-pp子群。
  3. GG 的任意 pkp^k 子群均包含于一个Sylow-pp子群。

证明:

令 Π\Pi 为 GG 的Sylow- pp 子群组成的集合。

考虑 GG 在 Π\Pi 上的共轭作用。

令 Σ\Sigma 为该作用下的一个轨道。

取 P∈ΣP\in \Sigma,考虑 PP 在 Σ\Sigma 上的共轭作用,则 {P}\{P\} 是唯一大小为1的轨道,其他轨道的大小都是 pp 的倍数(根据引理可证)

∴∣Σ∣≡1(modp)\therefore |\Sigma|\equiv 1 \pmod p

假设 Π≠Σ\Pi\ne \Sigma,取 P∈Π−ΣP\in \Pi-\Sigma,考虑 PP 在 Σ\Sigma 上的共轭作用,可得 ∣Σ∣≡0(modp)|\Sigma|\equiv 0\pmod p,矛盾

∴Π=Σ\therefore \Pi=\Sigma ,即 GG 的 Sylow- pp 子群两两共轭

又 ∣Π∣=[G:N(P)],P⊴N(P)|\Pi|=[G:N(P)], P\unlhd N(P)

∴[G:P]∣∣Π∣\therefore [G:P]\mid |\Pi|

∀H∈P,∣H∣=pk\forall H\in P, |H|=p^k

考虑 HH 在 Σ\Sigma 上的共轭作用,由于 ∣Π∣≡1(modp)|\Pi|\equiv 1\pmod p,必存在轨道{P}\{P\}

∴H≤N(P)\therefore H\le N(P)

根据引理,H⊆PH\subseteq P