正規子群

正規子群

設G是一個群 ,H是其子群。 若H的左陪集與右陪集總是相等(對任何的a∈G,aH=Ha), 則稱H是G的正規子群或不變子群,記為H⊴G。 註:(1) 任何群G都有正規子群,因為G的兩個平凡子群G和e都是G的正規子群。 (2) 若G是交換群, 則G的所有子群都是正規子群。

定義

設G是一個群 ,H是其子群。 若且唯若H滿足如下條件之一,稱H是G的 正規子群不變子群,記為H⊴G。

1. H的左陪集與右陪集總是相等。

正規子群 正規子群

2. ,aH = Ha。

判定條件

除了定義,判定H是G的正規子群。有如下一些等價的條件:

正規子群 正規子群
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1. , ;

證: 必要性:任取a ∈ G , n ∈H , 由於H是正規子群, an ∈aH=Ha , 故∃n1 ∈ H,

正規子群 正規子群

使得an =n1a, 從而。

正規子群 正規子群
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充分性 : 任取an ∈aH , 由條件,,故∃n 1 ∈ H , 使得,從而

an =n 1a ∈ Ha ,故 aH ⊆ Ha .

正規子群 正規子群
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反之, 任取na ∈Ha , 由於,故由條件,, 因此必∃n 1 ∈ H , 使得,從而na = an 1 ∈aH , 故Ha ⊆ an .

由以上兩方面知, aH=Ha ( ∀a ∈ G ), 因而H是G的正規子群.

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2. a∈G,;

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證:任取a ∈ G,有,故H是G的正規子群。

3. 對任何a∈G, aH=Ha;

4. 對任何a∈G,b∈G,如果ab∈H,那么總有ba∈H;

5. 商集G/H上有群運算: (aH)(bH)=(ab)H

6. H是 G 的若干共軛類的交集。

7. 有在其中 H為核的某個 G 上的群同態。

正規子群的實例

•n次 交錯群 A_n (即所有偶置換)是n元對稱群S_n的正規子群。

•特殊線性群 SL_n 是一般線性群GL_n的正規子群。

•任何交換群的子群都是其正規子群。

•一個群G總有兩個平凡的正規子群H={e}和H=G。

•{e}和G自身總是G的正規子群。如果G只有這兩個正規子群,就叫做單群。

•群G的中心是G的正規子群。

•群G的交換子群是G的正規子群。

•一個阿貝爾群(或交換群)的所有子群都是它的正規子群,因為顯然有gH = Hg。不是阿貝爾群,但全部子群都是正規子群的群叫做哈密爾頓群(Hamiltonian group),階數最小的例子是四元數單位 對乘法構成的群 。

•任何有限維歐幾里得空間中,平移群都是歐幾里得群的正規子群。比如說在3維空間中,先鏇轉,平移,再作原來鏇轉的逆,結果是原來的平移。先做鏡面對稱,平移,再作原來鏡面對稱的逆,還是原來的平移。將平移按長度分類,就得到一個等價類。平移群是各種長度的平移的並集。

•設A={1,2,3},f,f,…,f是A上的雙射函式。其中

f={<1,1>,<2,2>,<3,3>}, f={<1,2>,<2,1>,<3,3>}
f={<1,3>,<2,2>,<3,1>},  f={<1,1>,<2,3>,<3,2>}
f={<1,2>,<2,3>,<3,1>},  f={<1,3>,<2,1>,<3,2>}
令G={f,f,…,f},則G關於函式的複合運算構成群。G的全體子群是:
H={f}, H={f,f},  H={f,f}
H={f,f}, H={f,f,f}, H=G
不難驗證,H,H和H是G的正規子群,而H,H和H不是正規子群。

性質及相關概念

滿同態保持正規子群的性質,逆映射也是一樣。

直積保持正規子群的性質。

G的正規子群的正規子群不一定是 G的正規子群,即是說正規子群沒有傳遞性。但是, G的正規子群的特徵子群總是 G的正規子群。

G的所有2階的子群都是正規子群。 G中每個階為 n的子群都包含一個G的正規子群 K,它對G的階整除 n! 。特別地,當p是|G|的最小質因數時, G的所有p階的子群都是正規子群。

群同態基本定理

任何群同態σ:G→G' 的核Ker σ 都是G的正規子群。

(群同態基本定理) 商群G/Ker σ≌Im σ.

利用群同態的核構造正規子群是一種常用方法。

單群

正規子群 正規子群

單群就是指不含非平凡正規子群的群。伽羅華(Galois)證明了交錯群 是單群(伽羅華理論)。這一結論和5次以上一元多項式方程是否根式可解密切相關。

一種只有一個運算的、比較簡單的代數結構;是可用來建立許多其他代數系統的一種基本結構。

設G為一個非空集合,a、b、c為它的任意元素。如果對G所定義的一種代數運算“·”(稱為“乘法”,運算結果稱為“乘積”)滿足:

(1)封閉性,a·b∈G;

(2)結合律,即(a·b)c = a·(b·c);

(3)對G中任意元素a、b,在G中存在惟一的元素x,y,使得a·x= b,y·a=b,則稱G對於所定義的運算“·”構成一個群。例如,所有不等於零的實數,關於通常的乘法構成一個群;時針轉動(關於模12加法),構成一個群。

滿足交換律的群,稱為交換群。

群是數學最重要的概念之一,已滲透到現代數學的所有分支及其他學科中。凡是涉及對稱,就存在群。例如,可以用研究圖形在變換群下保持不變的性質,來定義各種幾何學,即利用變換群對幾何學進行分類。可以說,不了解群,就不可能理解現代數學。

1770年,拉格朗日在討論代數方程根之間的置換時,首先引入群的概念,而它的名稱,是伽羅華在1830年首先提出的。

子群

子群是群的特殊的非空子集。群G的非空子集H,若對G的乘法也成為群,則稱H為G的子群,記為H≤G。若子群H≠G,則稱H為G的真子群,記為HG或簡記為H<G。任何一個非單位元群G至少有兩個子群,G自身以及由單位元e作成的單位元群{e}(或用{1}或1表示),稱它們為G的平凡子群。不是平凡子群的子群稱為非平凡子群。群G的非空子集H為G的子群的充分必要條件是:對任意的a,b∈H,恆有ab∈H。若{H|i∈I}是G的子群的集合,I是一個指標集,則所有H的交H是G的一個子群。

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