Succatervae Normales 正规子群
〔定义〕:
设 $G$ 为群,$N\leq G$,
若 $\forall\;g\in G,\quad g^{-1}Ng=N$,则称 $N$ 为 $G$ 的正规子群(normal subgroup),记为 $N\unlhd G$.
$G$ 的平凡子群 $\{e\}$ 与 $G$ 本身总是 $G$ 的正规子群,称为其平凡正规子群(trivial normal subgroup).
特别地,若 $N\unlhd G$ 且 $N\neq G$,则称 $N$ 为 $G$ 的真正规子群(proper normal subgroup),记为 $N\lhd G$.(1)
〔定理 6.1〕:
设 $N$ 是 $G$ 的子群,以下命题彼此等价:
(α) $N\unlhd G$,即 $\forall\;g\in G,\quad g^{-1}Ng=N$ (共轭不变);(2)
(β) $\mathrm N_G(N)=G$ (群自身是其正规子群的正规化子);
(γ) $N$ 自身是其在 $G$ 中唯一共轭子群;(3)
(δ) $\forall\;g\in G,\;n\in N,\quad g^{-1}ng\in N$ (正规子群包含其中所有元素的共轭);
(ε) $\forall\;g\in G,\quad gN=Ng$ (左右陪集相等);
(ζ) $G$ 对于 $N$ 的任一左陪集均为右陪集,反之亦然;
(η) $N$ 是 $G$ 中若干共轭类之并.
〔证明〕:
(α) $\Leftrightarrow$ (β): $\forall\;g\in G,\quad g^{-1}Ng=N\;\Leftrightarrow\;\mathrm N_G(N)=G$.
(β) $\Leftrightarrow$ (γ): 因为 $N\leq G$,所以 $N$ 的共轭子群数量为 $[G:\mathrm N_G(N)]=[G:G]=1$(Th. 5.2);〔$\Leftarrow$〕显然.
(α) $\Leftrightarrow$ (δ) 显然.
(α) $\Leftrightarrow$ (ε): $g^{-1}Ng=N\;\Leftrightarrow\;Ng=gN$.
(ε) $\Leftrightarrow$ (ζ):
〔$\Rightarrow$〕显然;
由 (δ) 有,$\forall\;g\in G,\;\exists\;g’\in G,\quad gN=Ng’$,
因为 $e\in N$,所以 $g=ge\in gN=Ng’$,
又因为 $g=eg\in Ng$,所以 $Ng=Ng’=gN$.
(δ) $\Leftrightarrow$ (η):
记 $n\in N$ 的共轭类为 $[n]$,因为 $\forall\;n\in N,\quad [n]\subseteq N$,所以 $\displaystyle\bigsqcup_{n\in N}\;[n]\subseteq N$,
又因为 $\forall\;n\in N,\quad n\in [n]$,所以 $N\subseteq\displaystyle\bigsqcup_{n\in N}\;[n]$,
进而得证 $\displaystyle\bigsqcup_{n\in N}\;[n]=N$;
〔$\Leftarrow$〕显然.
■
〔例〕:
任一阿贝尔群 $G$ 的所有子群都是其正规子群,因为 $\forall\;H\leq G,\,g\in G,\quad gH=Hg$.
任一群 $G$ 的中心 $\mathrm Z(G)$ 都是其正规子群,可由中心的定义得知.
设 $G$ 为群,$N<M<G$,则
$N\lhd G\;\Rightarrow\;N\lhd M$ 必然成立,而
$N\lhd M,\;M\lhd G\;\Rightarrow\; N\lhd G$ 不一定成立,即正规子群的关系是非传递的.
前一条的证明可由正规子群的定义显然得出,而后一条可以通过构造反例证明(将在后续的文章给出).
〔定理 6.2〕:
$N\unlhd G\;\Leftrightarrow$ 存在群同态 $\varphi:G\to H$,使得 $N=\operatorname{Ker} \varphi$.
〔证明〕:
〔$\Rightarrow$〕:定义映射 $\pi:G\to G/N,\quad a\mapsto aN$,易证该映射为群同态,则显然 $\operatorname{Ker} \pi=N$.
〔$\Leftarrow$〕:
若 $N=\operatorname{Ker}\varphi$,则 $\forall\;g\in G,\;n\in N$,有
$\varphi(g^{-1}ng)=\varphi(g)^{-1}\varphi(n)\varphi(g)$ $=\varphi(g)^{-1}e\varphi(g)=e$,
从而得知 $g^{-1}Ng\subseteq\operatorname{Ker} \varphi=N$.
同理可证 $gNg^{-1}\subseteq\operatorname{Ker}\varphi=N$,即 $N\subseteq=g^{-1}Ng$,
所以 $N=g^{-1}Ng$,即得证 $N\unlhd G$.
■
- 不难看出,这里所定义的映射 $\pi$ 是满同态,称为典范满同态(canonical epimorphism).
Catervae Quotientis 商群
设 $N\unlhd G$,记 $\overline a=aN=Na$(群对其正规子群的左右陪集相等),集合 $\overline G=\{\overline a\mid a\in G\}$.
定义其上的二元运算 $\overline a\cdot \overline b:=\overline{ab}$,则可得
若 $\overline\alpha=\overline a,\;\overline\beta=\overline b$,即 $\alpha N=aN,\quad\beta N=bN$,
则 $\overline{\alpha\beta}=\alpha\beta N=\alpha\beta NN$(4)$=\alpha N\beta N=aNbN=\overline{ab}$,
由此可知该运算定义良好.
可以判断,集合 $\overline G$ 对于该运算形成群:
(封闭性): 因为 $\forall\;a,\,b\in G,\quad ab\in G$,所以 $\forall\;\overline a,\,\overline b,\quad \overline{ab}\in\overline G$;
(结合性): $\forall\;\overline a,\,\overline b,\,\overline c\in\overline G,\quad$$(\overline a\cdot\overline b)\cdot\overline c=\overline{(ab)c}=((ab)c)N=(a(bc))N=\overline{a(bc)}=\overline a\cdot(\overline b\cdot\overline c)$;
(单位元):
因为 $e\in G$,所以 $\overline e=eN=N\in\overline G$,
$\forall\;a\in G,\quad$$\overline a\cdot\overline e=\overline{ae}=\overline a=\overline{ea}=\overline e\cdot\overline a$;
(逆元):
$\forall\;a\in G,\quad$$\overline{a^{-1}}\cdot\overline a=\overline{a^{-1}a}=\overline e=\overline{aa^{-1}}=\overline a\cdot\overline{a^{-1}}$,
由此得,$\forall\;a\in G,\;\exists\;\overline{a^{-1}}=\overline a^{-1}\in G$.
由此,〔定义〕:
$\overline G=\{aN=Na\mid a\in G\}$ 称为群 $G$ 对正规子群 $N$ 的商群(quotient group)或因子群(factor group),记作 $G/N$ (5).$G/N$ 是关于正规子群 $N$ 的所有左陪集或右陪集所成的集族.
- 若 $G$ 为有限群,则 $|G/N|=[G:N]=|G|/|N|$.
〔例〕:
考虑实数加法群 $(\mathbb R,\,+)$,它是阿贝尔群,所以其任一子群均为正规子群.取 $2\mathbb R:=\{2k\mid k\in\mathbb R\}$,有 $2\mathbb R\lhd \mathbb R$.$\mathbb R$ 对于该子群的陪集形式为 $\ell+2\mathbb R=2\mathbb R+\ell=\{2k+\ell\mid k,\,\ell\in\mathbb R\}=\mathbb R\quad(\ell\in\mathbb R)$,于是商群 $\mathbb R/2\mathbb R=\{\mathbb R\}$ 为平凡群.又,$\{0\}$ 是 $(\mathbb R,\,+)$ 的一个平凡正规子群,$\mathbb R$ 对其陪集形式为 $k+\{0\}=\{0\}+k=\{k\}\quad(k\in\mathbb R)$,于是商群 $\mathbb R/\{0\}=\{\{k\mid k\in\mathbb R\}\}$ 亦为平凡群.
考虑 $\mathbb R$ 上的 $n$ 次一般线性群 $\mathrm{GL}_n(\mathbb R)$,其中心为 $n$ 阶实数量矩阵所成的子群 $\{k𝑰_n\mid k\in\mathbb R\setminus\{0\}\}=:N$,且该子群为正规子群.$\mathrm{GL}_n(\mathbb R)$ 对于子群 $N$ 的陪集形式为 $𝑴N=N𝑴=\{k𝑴\mid k\in\mathbb R\setminus\{0\},\;𝑴\in \mathrm{GL}_n\mathbb(R)\}$,即某一 $n$ 阶可逆实方阵与所有非零实数的乘积所成集合,于是商群 $\mathrm{GL}_n(\mathbb R)/N=\{\{k𝑴\mid k\in\mathbb R\setminus\{0\}\}\mid 𝑴\in\mathrm{GL}_n(\mathbb R)\}$.
Quadri-Caterva Kleini Klein 四元群
〔定义〕:
设集合 $V=\{e,\,a,\,b,\,c\}$ 关于乘法形成群, $e$ 为单位元,且有
$\forall\;x\in V,\quad x^2=e$,
$ab=ba=c$,
这样的群 $V$ 称为 Klein(克莱因)(6)四元群(Klein four-group,或以德语原名 Vierergruppe “四之群” 称之),一些资料中也会记作 $K_4$.
随之而有群论中的一个重要事实,任一 $4$ 阶群均同构于 Klein 四元群或 $4$ 阶循环群其一,即犹言 $4$ 阶群本质上只有 Klein 四元群与 $4$ 阶循环群两个,这同时也说明 Klein 四元群是阶数最低的非循环群(质数阶群均为循环群).
对上述事实可以证明如下:
设 $G$ 为 $4$ 阶群,记 $4$ 阶循环群为 $C_4$,
若存在 $g\in G,\;|g|=4$,则 $G\cong C_4$.
否则其所有非单位元的阶均为 $2$, (Th. 3.4)
从而任取非单位元 $a\in G$,有 $a^2=e$,且 $a=a^{-1}$,
于是 $\langle a\rangle=\{e,\,a\}$ 为 $2$ 阶循环群,且 $\langle a\rangle\lhd G$(阿贝尔群均为正规子群),
从而商群 $\overline G:=G/\langle a\rangle$ 的阶为 $\dfrac{|G|}{|\langle a\rangle|}=2$,
令 $\overline G=\{\langle a\rangle,\,b\langle a\rangle\}$,而 $b\langle a\rangle=\langle a\rangle b=\{b,\,ab=ba\}$,且 $b\in G\setminus\langle a\rangle$,
所以 $b\neq e$,且 $b\neq a$,而因为 $ab\langle a\rangle=\langle a\rangle b\langle a\rangle=b\langle a\rangle$,所以 $ab\not\in\langle a\rangle$,即 $ab\neq e,\;ab\neq a$,
又因为 $a\neq e$,所以 $ab\neq b$,所以 $ab$ 为 $G$ 中不等于 $e,\,a,\,b$ 的元素,记作 $c$,则 $G=\{e,\,a,\,b,\,c\}$,即 Klein 四元群.
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- 对所有非单位元 $a\in V$,商群 $V/\langle a\rangle=\{\langle a\rangle,\,b\langle a\rangle\}$.
- $ac=ca=a^2b=eb=b$,$bc=cb=b^2a=ea=a$.
Problemata 习题
〔6.A〕:
证明 对于群 $G$ 的所有指数为 $2$ 的子群 $H$,都有 $H\lhd G$.
〔参考解答〕:
因为 $[G:H]=2$,所以考虑陪集分解,对于任一 $g\in G\setminus H$,均有 $G=H\sqcup gH=H\sqcup Hg$,从而 $gH=Hg$,这就证明了 $H\lhd G$.
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〔6.B〕:
证明 若群 $G$ 对其中心 $\mathrm Z(G)$ 的商群 $G/\mathrm Z(G)$ 为循环群,则 $G$ 为阿贝尔群.
〔参考解答〕:
设 $G/\mathrm Z(G)=\langle g\mathrm Z(G)\rangle\;(g\in G\setminus\mathrm Z(G))$,则 $\forall\;a,\,b\in G,\;$ $\exists\;c,\,d\in \mathrm Z(G),\;m,\,n\in\mathbb N,\quad$ $a=g^mc,\;b=g^nd$,
从而 $ab=g^mcg^nd$,由中心元素的交换性可知 $ab=g^ndg^mc=ba$,得证.
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Annotationes 注释
(1). 不少资料中无论是否有 $N=G$,均只记作 $N\lhd G$.此处为了保持符号的系统性(参考 $\subseteq\;\leq$)而区分二者. ↩
(2). 因此早期的资料也称正规子群为不变子群(invariant subgroup). ↩
(3). 由此早期的资料也称正规子群为自共轭子群(self-conjugated subgroup). ↩
(4). 因为 $N\leq G$,所以 $NN=\{ab\mid a,\,b\in N\}$,并且群中任一元素均可用两个元素的乘积表示(考虑 $\forall\; a\in G,\quad a=ae$),从而 $NN=N$.这一性质对任何子群均适用,并且由此可以类推得到:$H\leq G\;\Rightarrow\;H=HH=H\cdots H$(任意有限个 $H$). ↩
(5). 英语中读作 $G$ mod $N$. ↩
(6). 菲利克斯·克莱因(Felix Klein),德国数学家,主要贡献于非欧几何与群论等领域,其提出的 Klein 瓶(Klein bottle)是无定向平面的知名例子. ↩