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群论补充:子群乘积与正规子群验证

子群的乘积

定义

H,KGH, K \leqslant GHHKK乘积定义为:

HK={hkhH,kK}HK = \{hk \mid h \in H, k \in K\}

注意HKHKGG 的子集,但不一定是子群

HKHK 何时是子群

定理HKG    HK=KHHK \leqslant G \iff HK = KH

  • HHKK 中至少一个是正规子群,则 HK=KHHK = KH,从而 HKGHK \leqslant G
  • HGH \trianglelefteq G,则 HK=KHHK = KH 对任意 KGK \leqslant G 成立

HK|HK| 的计数公式

HK=HKHK|HK| = \frac{|H| \cdot |K|}{|H \cap K|}

这个公式对任意有限子群 H,KH, K 成立——无论 HKHK 是否是子群。

举例

例 1G=S3G = S_3H={id,(1  2)}H = \{\text{id}, (1\;2)\}H=2|H| = 2),K={id,(1  3)}K = \{\text{id}, (1\;3)\}K=2|K| = 2)。

HK={id,(1  2),(1  3),(1  2)(1  3)=(1  3  2)}HK = \{\text{id}, (1\;2), (1\;3), (1\;2)(1\;3) = (1\;3\;2)\}HK=4|HK| = 4

S3S_3 没有 4 阶子群(4 不整除 6),故 HKHK 不是子群。验证:KHHKKH \neq HK

例 2G=Z6G = \mathbb{Z}_6(加法群),H=2={0,2,4}H = \langle 2 \rangle = \{0, 2, 4\}K=3={0,3}K = \langle 3 \rangle = \{0, 3\}

HK={0}H \cap K = \{0\}HK=(3×2)/1=6|HK| = (3 \times 2) / 1 = 6HK=GHK = G 是子群。

正规子群的乘积

N,MGN, M \trianglelefteq G,则 NMGNM \trianglelefteq G

特别地,若 NGN \trianglelefteq GMGM \trianglelefteq GNM={e}N \cap M = \{e\}G=NMG = NM,则 GN×MG \cong N \times M(内直积)。

正规子群的验证方法

要验证 NGN \leqslant G 是否正规,按优先级依次检查以下方法:

方法一:定义验证

gG,nN,  gng1N\forall g \in G, \forall n \in N, \; gng^{-1} \in N

gNg1NgNg^{-1} \subseteq N。由于 gNg1=N|gNg^{-1}| = |N|(共轭保大小),只需验证包含关系。

方法二:指数为 2

[G:H]=2[G : H] = 2,则 HGH \trianglelefteq G

这是最常用的判定之一。例如 AnSnA_n \trianglelefteq S_n[Sn:An]=2[S_n : A_n] = 2)。

方法三:利用交换性

GG 是交换群,则 GG任意子群都是正规子群。

方法四:利用中心

HZ(G)H \leqslant Z(G)HH 包含于中心),则 HGH \trianglelefteq G

特别地,中心 Z(G)GZ(G) \trianglelefteq G

方法五:Sylow 唯一性

np=1n_p = 1,则唯一的 Sylow pp-子群是正规子群。

方法六:验证双陪集

NG    gN=Ng,  gGN \trianglelefteq G \iff gN = Ng,\; \forall g \in G

举例:验证 AnSnA_n \trianglelefteq S_n

  • 方法:[Sn:An]=n!n!/2=2[S_n : A_n] = \dfrac{n!}{n!/2} = 2
  • 结论:指数为 2 的子群必正规

反例:非正规子群

S3S_3 中,H={id,(1  2)}H = \{\text{id}, (1\;2)\} 不是正规子群,因为 (1  3)H(1  3)={id,(2  3)}H(1\;3) H (1\;3) = \{\text{id}, (2\;3)\} \neq H