子群的乘积
设 H,K⩽G。H 与 K 的乘积定义为:
HK={hk∣h∈H,k∈K}
注意:HK 是 G 的子集,但不一定是子群。
HK 何时是子群
定理:HK⩽G⟺HK=KH。
- 若 H 与 K 中至少一个是正规子群,则 HK=KH,从而 HK⩽G
- 若 H⊴G,则 HK=KH 对任意 K⩽G 成立
∣HK∣ 的计数公式
∣HK∣=∣H∩K∣∣H∣⋅∣K∣
这个公式对任意有限子群 H,K 成立——无论 HK 是否是子群。
例 1:G=S3,H={id,(12)}(∣H∣=2),K={id,(13)}(∣K∣=2)。
HK={id,(12),(13),(12)(13)=(132)},∣HK∣=4。
但 S3 没有 4 阶子群(4 不整除 6),故 HK 不是子群。验证:KH=HK。
例 2:G=Z6(加法群),H=⟨2⟩={0,2,4},K=⟨3⟩={0,3}。
H∩K={0},∣HK∣=(3×2)/1=6,HK=G 是子群。
正规子群的乘积
若 N,M⊴G,则 NM⊴G。
特别地,若 N⊴G,M⊴G,N∩M={e} 且 G=NM,则 G≅N×M(内直积)。
正规子群的验证方法
要验证 N⩽G 是否正规,按优先级依次检查以下方法:
方法一:定义验证
∀g∈G,∀n∈N,gng−1∈N
即 gNg−1⊆N。由于 ∣gNg−1∣=∣N∣(共轭保大小),只需验证包含关系。
方法二:指数为 2
若 [G:H]=2,则 H⊴G。
这是最常用的判定之一。例如 An⊴Sn([Sn:An]=2)。
方法三:利用交换性
若 G 是交换群,则 G 的任意子群都是正规子群。
方法四:利用中心
若 H⩽Z(G)(H 包含于中心),则 H⊴G。
特别地,中心 Z(G)⊴G。
方法五:Sylow 唯一性
若 np=1,则唯一的 Sylow p-子群是正规子群。
方法六:验证双陪集
N⊴G⟺gN=Ng,∀g∈G
举例:验证 An⊴Sn
- 方法:[Sn:An]=n!/2n!=2
- 结论:指数为 2 的子群必正规
反例:非正规子群
S3 中,H={id,(12)} 不是正规子群,因为 (13)H(13)={id,(23)}=H。