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群论

2019-02-09·Abstract Algebra

群作用的基本概念

  • 群 GG 在集合 XX(GG-集) 上的(左)作用∘\circ: GG 为群, XX 为非空集合,若 ∀g∈G,x∈X,!∃g∘x∈X\forall g\in G, x\in X, !\exists g\circ x\in X 且
    • ∀x∈X(e∘x=x)\forall x\in X(e\circ x=x)
    • g1∘(g2∘x)=(g1g2)∘xg_1\circ(g_2\circ x) = (g_1g_2) \circ x
  • 定理:GG 在 XX 上的群作用与 GG 到 S(X)S(X) 的同态构成双射
  • 轨道:Ox=Gx={g∘x:g∈G}O_x=Gx=\{g\circ x:g\in G\},是 XX 上的等价类
    • X/G={Ox∣x∈G}X/G=\{O_x|x\in G\}
    • 若Ox=XO_x=X,则 GG 在 XX 上可迁
    • X=⨆OxX=\bigsqcup O_x
  • 稳定化子(stabilizers):Gx=stab(x)={g∈G:g∘x=x}⩽GG_x=\text{stab}(x)=\{g\in G: g\circ x=x\}\leqslant G
    • [G:Gx]=∣Ox∣[G:G_x]=|O_x|
  • 作用核:ker(X)=∩x∈XGx={g∈G:∀x∈X,g∘x=x}\text{ker}(X)=\cap_{x\in X}G_x=\{g\in G:\forall x\in X, g\circ x=x\}
    • ker(X)⊴G\text{ker}(X)\trianglelefteq G 且 G/ker(X)G/\text{ker}(X) 可嵌入到 S(X)S(X) 中
  • gg-不动点(invariant set):Xg=fix(g)={x∈X:g∘x=x}X_g=\text{fix}(g)=\{x\in X:g\circ x=x\}
  • 不动点:fix(G)=∩g∈GXg={x∈X:∀g∈G(g∘x=x)}\text{fix}(G)=\cap_{g\in G}X_g=\{x\in X: \forall g\in G(g\circ x=x)\}
  • Burnside引理: ∣X/G∣=1∣G∣∑g∈G∣Xg∣|X/G|=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}|X_g|
  • 定理:非不动点个数可表达成 ∣G∣|G| 的一些素因子相加(可重复)
  • ∣Ox∣=1  ⟺  x∈fix(G)|O_x|=1\iff x\in \text{fix}(G)

Pólya Theory of Counting

  • Mπ(x1,x2,⋯ ,xn)=∏i=1kxliM_\pi(x_1,x_2,\cdots,x_n)=\prod_{i=1}^k x_{l_i}
  • cycle index of GG: PG(x1,x2,⋯ ,xn)=1∣G∣∑π∈GMπ(x1,x2,⋯ ,xn)P_G(x_1,x_2,\cdots,x_n) = \frac{1}{|G|}\sum_{\pi\in G}M_\pi(x_1,x_2,\cdots,x_n)
  • pattern inventory: FG(y1,y2,⋯ ,ym)=∑vavy1n1y2n2⋯ymnmF_G(y_1,y_2,\cdots,y_m)=\sum_{v}a_vy_1^{n_1}y_2^{n_2}\cdots y_m^{n_m}
    • v=(n1,n2,⋯ ,nm),∑i=1m=nv=(n_1,n_2,\cdots,n_m),\sum_{i=1}^m = n
  • Pólya's enumeration formula: FG(y1,y2,⋯ ,ym)=PG(∑i=1myi,∑i=1myi2,⋯ ,∑i=1myin)F_G(y_1,y_2,\cdots,y_m)=P_G(\sum_{i=1}^my_i,\sum_{i=1}^my_i^2,\cdots,\sum_{i=1}^my_i^n)

pp群与 Sylow 定理

  • pp群:pαp^\alpha阶群
  • 定理:
    • pp群作用在XX上,则∣X∣≡∣Fix(G)∣( mod p)|X|\equiv|Fix(G)| (\bmod p)
      • p∤ ∣X∣p\not|\ |X|, 则必有不动点
    • pp群中心Z(G)Z(G)有非单位元
    • p2p^2阶群为AbelAbel 群
  • ordp(a)=nord_p(a)=n:pn ∣∣ ap^n\ ||\ a
  • Sylow pp子群:∣H∣=pordp∣G∣|H| = p^{ord_p|G|}
  • GG 必有p(p ∣ ∣G∣)p(p\ |\ |G|)阶元
  • Sylow 定理:
    • Sylow 第一定理(存在性):GG 必有Sylow pp子群
    • Sylow 第二定理(关系):HH为有限群 GG 的一个Sylow pp子群,则 GG 的任一个 pp子群 KK 都被包含在某个与 HH 共轭的子群中
      • {G\{G 的Sylow pp子群}={aHa−1:a∈G}\}=\{aHa^{-1}:a\in G\}
      • pp为有限群 GG 的 Sylow pp子群,则 p⊴G  ⟺  pp\trianglelefteq G\iff p是唯一的 Sylow pp子群
      • (Fratinni) HH 是群 GG 的有穷正规子群,PP是 HH 的 Sylow pp-子群,则 G=HNG(P)G=HN_G(P)
    • Sylow 第三定理(数量):∣G∣=pαm|G|=p^\alpha m,则
      • np∣mn_p|m
      • np≡1( mod p)n_p\equiv 1(\bmod p)
      • np=[G:NG(H)],Hn_p=[G:N_G(H)],H为任一Sylow pp子群

群作用的例子

  • GG 为群,HH 为子群。h∈H,x∈X=Gh\in H,x\in X=G, h∘x=hxh\circ x=hx
    • Ox=HxO_x=Hx,轨道分解即为右陪集分解
    • stab(x)={e}stab(x)=\{e\}
    • ∣Hx∣=∣Ox∣=[H:stabx]=∣H∣|Hx|=|O_x|=[H:stab_x]=|H|
  • X=G,∀g∈G,x∈X,g∘x=gxg−1X=G, \forall g\in G,x \in X, g\circ x=gxg^{-1}
    • Ox=C(x)O_x=C(x) 为 xx 所在的共轭类
    • stab(x)=CG(x)={g∈X:gx=xg}stab(x)=C_G(x)=\{g\in X: gx=xg\} 为中心化子
    • ker(X)=Z(X)ker(X)=Z(X) 为中心
    • G/Z(G)≅Inn(G)G/Z(G)\cong Inn(G) 可嵌入 S(G)S(G) 中
  • H⩽G,X=G/HH\leqslant G,X=G/H(所有左陪集)g∘(xH)=gxHg\circ (xH)=gxH
    • Ox=XO_x=X
    • stab(x)=xHx−1stab(x)=xHx^{-1}
    • [G:xHx−1]=∣X∣=[G:H][G:xHx^{-1}]=|X|=[G:H]
    • ker(X)=HGker(X)=H_G 为 HH 在 GG 中的正规核
    • G/HGG/H_G 可嵌入 S(G/H)S(G/H)
      • [G:H][H:HG]=∣G/HG∣ ∣ ∣S(G/H)∣=[G:H]!⇒[H:HG] ∣ ([G:H]−1)![G:H][H:H_G] = |G/H_G|\ |\ |S(G/H)|=[G:H]!\Rightarrow [H:H_G]\ |\ ([G:H]-1)!
      • [G:H][G:H] 为 ∣G∣|G| 中的最小素因子pp时,H⊴GH\trianglelefteq G
  • H⊴GH\trianglelefteq G, X={aHa−1:a∈G},g∘(aHa)=(ga)H(ga)−1X=\{aHa^{-1}:a\in G\}, g\circ (aHa)=(ga)H(ga)^{-1}
    • Ox=XO_x=X
    • stab(aHa−1)=NG(H)stab(aHa^{-1})=N_G(H)
    • [G:NG(H)]=∣Ox∣=∣X∣[G:N_G(H)]=|O_x|=|X|,与HH共轭的GG的子群个数等于正规化子的指标

正规群列与合成群

  • G0={e}⊴G1⊴G2⊴⋯⊴Gn=GG_0=\{e\}\trianglelefteq G_1\trianglelefteq G_2 \trianglelefteq\cdots\trianglelefteq G_n=G 则称此为 GG 的一个正规群列,nn 为正规群长度,相应的商群 G1/G0,G2/G1,⋯ ,Gn/Gn−1G_1/G_0, G_2/G_1,\cdots, G_n/G_{n-1}
  • 若一个正规群列的子群(1)都在另一个正规群列(2)中出现,则称(2)为(1)的加细。若不存在异于自身的加细,则称(1)为群 GG 的一个合成群列
    • 合成群列  ⟺  Gi−1\iff G_{i-1}为GiG_i的极大正规群  ⟺  Gi/Gi−1\iff G_i/G_{i-1} 为单群
  • 列(1)与列(2)等价指 m=nm=n 且 σ∈Sn\sigma\in S_n,使 Gi/Gi−1≅Hσ(i)/Hσ(i)−1G_i/G_{i-1}\cong H_{\sigma(i)}/H_{\sigma(i)-1}
  • GG 的极大正规群 HH:H⊴GH\trianglelefteq G 且没有 GG 的正规子群 KK 使 H<K<GH<K<G
  • Schreier 定理:群 GG 的任两个正规群列有等价的加细
  • Jordan-Holder 定理:群 GG 的有合成群列
    • GG 的每个正规群列可加细成合成群列
    • GG 任何两个合成群列等价
  • HH 在 GG 中次正规:存在从HH到GG的正规群列
    • HH 是群 GG 的指标有穷的次正规子群,则存在从 HH 到 GG 的合成群列
      • 有限群必有合成群列
    • H,K⩽GH,K\leqslant G, HH 在 GG 中次正规
      • H∩KH\cap K 在 KK 中次正规
      • K⊴GK\trianglelefteq G,HKHK 在 GG 中次正规

导群与可解群

  • x, y的换位子(commutator):[x,y]=x−1y−1xy=(yx)−1xy[x,y]=x^{-1}y^{-1}xy=(yx)^{-1}xy
  • H,K⩽GH,K\leqslant G,[H,K]=⟨[h,k]:h∈H,k∈K⟩[H,K]=\langle [h,k]:h\in H, k\in K\rangle
  • 导群(换位子群):G′=[G,G]=⟨[x,y]:x,y∈G⟩G'=[G,G]=\langle [x,y]:x,y\in G\rangle
  • [x,y]=e  ⟺  xy=yx[x,y]=e\iff xy=yx
  • [x,y]−1=[y,x][x,y]^{-1}=[y,x]
  • [H,K]=[K,H][H,K]=[K,H]
  • H,K⊴G⇒[H,K]⊴GH,K\trianglelefteq G\Rightarrow[H,K]\trianglelefteq G,H⊴G⇒H′⊴GH\trianglelefteq G\Rightarrow H'\trianglelefteq G
  • G/HG/H 为 Abel 群的最小正规子群 H=G′H=G'
    • GG 为 Abel 群   ⟺  G′={e}\iff G'=\{e\}
  • G(0)=G,G(1)=G′,G(n)=(G(n−1))′G^{(0)}=G,G^{(1)}=G',G^{(n)}=(G^{(n-1)})', G(n)G^{(n)} 为 GG 的 nn 阶导群
  • n∈Nn\in N,则 G(n)⊴GG^{(n)}\trianglelefteq G。H⊴GH\trianglelefteq G 时,(G/H)(n)=G(n)H/H(G/H)^{(n)}=G^{(n)}H/H
  • 导列:G=G(0)⊵G(1)⊵⋯G=G^{(0)}\trianglerighteq G^{(1)}\trianglerighteq \cdots。若G(n)=G(n+1)G^{(n)}=G^{(n+1)},则导列长度为 nn
  • 可解群:GG 的群列 G0={e}⊴G1⊴⋯⊴GnG_0=\{e\}\unlhd G_1\unlhd \cdots \unlhd G_n 相应的商群 G1/G0,G2/G1,⋯ ,Gn/Gn−1G_1/G_0, G_2/G_1,\cdots, G_n/G_{n-1} 都是 Abel 群,则 GG 其为 Abel 列。有 Abel 列的群为可解群
    • GG 可解   ⟺  ∃n∈N(G(n)={e})\iff \exists n\in N(G^{(n)}=\{e\})
    • 可解群 GG 的导列是下降最快的 Abel 列
  • 可解单群为素数阶循环群
  • ∣G∣=pn|G|=p^n 为可解群,且 GG 有 pip^i 阶正规子群 HiH_i,{e}=H0⊴H1⊴⋯Hn=G\{e\}= H_0\unlhd H_1\unlhd\cdots H_n=G
  • 有限群 GG 可解  ⟺  ∃\iff\exists 正规群列 G0={e}⊴G1⊴G2⊴⋯⊴Gn=GG_0=\{e\}\unlhd G_1 \unlhd G_2 \unlhd \cdots \unlhd G_n=G 其中 Gi/Gi−1G_i/G_{i-1} 为素数阶循环群
  • 定理
    • 可解群的子群和商群为可解
    • H⊴GH\unlhd G,若 HH 与 G/HG/H 皆可解,则 GG 可解
    • H⊴G,K⊴GH\unlhd G, K\unlhd G,则 G/(H∩K)G/(H\cap K) 可解   ⟺  G/H\iff G/H 可解且 G/KG/K 可解
  • Burnside 定理:paqbp^aq^b 阶群可解
    • p2qp^2q 阶群可解
  • Feit-Thompson 定理(1963):奇数阶群可解
    • 不可解单群必须为偶数阶(奇合数单群不可解)
  • 有限单群的分类(2004)
    • 26散在单群,最大的散在单群(魔群)阶为 240⋅320×59⋅76⋅112⋅133⋅17⋅19⋅23⋅29⋅31⋅41⋅47⋅59⋅71≈8⋅10532^{40}\cdot3^{20}\times5^{9}\cdot7^{6}\cdot11^{2}\cdot13^3\cdot17\cdot19\cdot23\cdot29\cdot31\cdot41\cdot47\cdot59\cdot71\approx 8\cdot10^{53}
  • 定理
    • n∈Z+,Sn′=Ann\in Z^+, S_n'=A_n
    • n≤3,Sn′′=An′={e}n\leq 3,S_n''=A_n'=\{e\}
    • n=4,S4′′=A4′n=4,S_4''=A_4' 为 Klein 四元群 {(1),(12)(34),(13)(24),(14)(23)}\{(1),(12)(34),(13)(24),(14)(23)\},S4′′′={e}S_4'''=\{e\}
  • Galois:n≥5n\geq 5
    • AnA_n 为单群 (证明复杂没听)
    • SnS_n 与 AnA_n 不可解

Abel 群结构

  • 幂指数exp(G)exp(G): ∀x,xn=e\forall x,x^n=e 最小的 nn
    • exp(G)=lcm(o(xi))exp(G)= lcm(o(x_i))
  • 有限 Abel 群 GG,a,b∈Ga,b\in G 且 (o(a),o(b))=1(o(a),o(b))=1, 则 o(ab)=o(a)o(b)o(ab)=o(a)o(b)
  • 有限 Abel 群 GG,exp(G)=maxg∈Go(g)exp(G)=max_{g\in G}o(g)
    • n1,n2,…,nkn_1,n_2,\dots,n_k 两两互素,则 Cn1×Cn2×…Cnk≅Cn1n2…ckC_{n_1}\times C_{n_2}\times \dots C_{n_k} \cong C_{n_1n_2\dots c_k}
  • 有限 Abel 群 ∣G∣=p1α1⋯pnαn|G|=p_1^{\alpha_1}\cdots p_n^{\alpha_n},则 G≅G1×⋯GnG\cong G_1\times\cdots G_n,其中 GiG_i 为 GG 的 Sylow pip_i子群
  • 有限 Abel 群的结构定理:GG 为阶大于1的有限 Abel 群
    • 有唯一的一组正整数 n1,…,nkn_1,\dots,n_k使1<n1∣n2∣n3∣⋯∣nk1<n_1|n_2|n_3|\cdots|n_k 且 G≅C1×⋯×CnkG\cong C_1\times\cdots\times C_{n_k}
    • 可以唯一表示成一些循环 pp群的直积
  • 有限生成的 Abel 群的结构定理:
    • Tor(G)={a∈G:o(a)有穷}Tor(G)=\{a\in G:o(a)有穷\} 为 GG 的有限子群(挠子群,torsion subgroup)
    • G≅Tor(G)×Z×⋯×ZG\cong Tor(G)\times Z\times\cdots\times Z(rr个),rank(G)=rrank(G)=r
  • Mordell-Weil 定理

其它

  • 几何研究不变量的,代数研究结构
  • 群论与组合
    • (Haul) G={g1,…,gn}G=\{g_1,\dots,g_n\} 为 nn 阶加法 Abel 群,a1,a2,…,an∈Ga_1,a_2,\dots,a_n\in G,∑ai=0\sum{a_i}=0,一定存在σ\sigma 使得 aσ(i)+g=Ga_\sigma(i)+g=G
    • (Snevily猜想) 0<k<n,a1,…,ak∈Z0<k<n,a_1,\dots,a_k\in Z,则有 1,…,k1,\dots,k 的排列 i1,…,iki_1,\dots,i_k 使得 ai+kia_i+k_i 模 nn 的余数两两不同
      • k≤n+12k\leq\frac{n+1}{2} 时猜想成立