Sylow 定理是有限群论中最重要的结构定理之一,揭示了有限群的 p-子群结构。
基本概念
p-群
设 p 为素数。若群 P 的每个元素的阶都是 p 的幂,则称 P 为 p-群。
等价地:∣P∣=pk(k≥0)。
p-子群
G 的子群若为 p-群,则称为 G 的一个 p-子群。
Sylow p-子群
设 ∣G∣=pk⋅m,其中 p∤m。G 中阶为 pk 的子群称为 G 的一个 Sylow p-子群。
即:Sylow p-子群是 G 的极大的 p-子群。
Sylow 三大定理
第一定理(存在性)
设 p 为素数,∣G∣=pk⋅m(p∤m),则 G 存在至少一个 Sylow p-子群。
更一般地,对任意 0⩽i⩽k,G 存在 pi 阶子群。
第二定理(共轭性)
G 的任意两个 Sylow p-子群相互共轭。
即若 P,Q 均为 Sylow p-子群,则 ∃g∈G,使得 Q=gPg−1。
进一步,G 的任意 p-子群均包含在某个 Sylow p-子群中。
第三定理(计数定理)
设 np 为 G 中 Sylow p-子群的个数,则:
- np≡1(modp)(np 模 p 余 1)
- np∣m(np 整除 m,其中 ∣G∣=pk⋅m,p∤m)
- np=[G:NG(P)](np 等于正规化子的指数)
Sylow 子群的正规性
从 Mermaid 图中:
Sylow 子群唯一⟹该 Sylow 子群正规模
- 若 np=1,则唯一的 Sylow p-子群 P⊴G
- P⊴G⟺np=1⟺P 在共轭下不变
应用:判定群的结构
例 1:阶为 15 的群
∣G∣=15=3×5
- n3≡1(mod3) 且 n3∣5 ⟹n3=1
- n5≡1(mod5) 且 n5∣3 ⟹n5=1
唯一的 Sylow 3-子群和 Sylow 5-子群均正规,G≅Z3×Z5≅Z15。
例 2:阶为 12 的群
∣G∣=12=22×3
- n3≡1(mod3) 且 n3∣4 ⟹n3=1 或 4
- n2 为奇数且 n2∣3 ⟹n3=1 或 3
因此阶 12 的群不唯一(有 5 个同构类,含 A4)。
常见非交换群的 Sylow 结构
| 群 | 阶 | Sylow 2-子群 | Sylow 3-子群 | Sylow 5-子群 |
|---|
| S3 | 6 | Z2 (n2=3) | Z3 (n3=1) | — |
| A4 | 12 | V4 (n2=1) | Z3 (n3=4) | — |
| S4 | 24 | D8 (n2=3) | Z3 (n3=4) | — |
| A5 | 60 | V4 (n2=5) | Z3 (n3=10) | Z5 (n5=6) |
Sylow 定理的证明思路
| 定理 | 核心工具 |
|---|
| 第一定理 | 群作用在子集族上 + 轨道公式 |
| 第二定理 | Sylow p-子群在共轭作用下的轨道 |
| 第三定理 | p-群作用的不动点定理 + 正规化子 |
Sylow 定理证明非单性
Sylow 定理最经典的应用是证明某阶群不是单群(即必存在非平凡的正规子群)。
基本策略
- 对某个素数 p,分析 np 的可能值
- 若 np=1,则 Sylow p-子群正规 → 存在正规子群
- 若 np>1,利用 np 的上界和 ∣G∣ 的大小,考虑某个子群的指数,构造低次置换表示
例:证明 30 阶群不是单群
∣G∣=30=2×3×5。
- n5≡1(mod5) 且 n5∣6 → n5=1 或 6
- n3≡1(mod3) 且 n3∣10 → n3=1 或 10
若 n5=1,则 Sylow 5-子群正规 → 得证。
若 n5=6,则 30 阶群有 6 个 Sylow 5-子群,每个为 5 阶循环群。扣除这些元素(6×(5−1)=24 个 5 阶元),剩余 30−24=6 个元素。这 6 个元素必须包含一个 Sylow 3-子群。若 n3=10,则需要 10×(3−1)=20 个 3 阶元—但只余 6 个元素,矛盾!故 n3=1,Sylow 3-子群正规。
结论:任何 30 阶群必有正规的 Sylow 5-子群或正规的 Sylow 3-子群 → 不是单群。
例:证明 48 阶群不是单群
∣G∣=48=24×3。
n2≡1(mod2) 且 n2∣3 → n2=1 或 3。
若 n2=1 → Sylow 2-子群正规,得证。
若 n2=3,考虑 G 作用于 3 个 Sylow 2-子群的集合 Syl2(G)(共轭作用),得到同态 φ:G→S3。由于 ∣G∣=48>6=∣S3∣,φ 的核非平凡。核必为正规子群。
例:证明 72 阶群不是单群
∣G∣=72=23×32。
n3≡1(mod3) 且 n3∣8 → n3=1 或 4。
若 n3=1 → 正规子群存在。
若 n3=4,考虑共轭作用于 4 个 Sylow 3-子群,得 φ:G→S4。∣S4∣=24<72,核非平凡 → 存在正规子群。
置换表示法(Sylow 应用的高级技巧)
若 G 有指数为 n 的子群 H,则 G 在 G/H 上的左乘作用给出同态 φ:G→Sn,且 kerφ⊆H。
应用技巧
找到指数较小的子群 H(如 Sylow p-子群的正规化子),用置换表示构造同态。若 ∣G∣ 无法嵌入 Sn(即 ∣G∣∤n!),则该同态必有非平凡核 → 存在非平凡正规子群。
Sylow 定理综合应用策略
| 步骤 | 操作 |
|---|
| 1. 因数分解 | 分解 $ |
| 2. 列所有 np | 对每个 p,按两个条件列出 np |
| 3. 优先找 np=1 | 若任一 np=1,即刻得到正规子群 |
| 4. 计数排除 | 若所有 np>1,用元素计数推出矛盾或找到正规子群 |
| 5. 置换表示 | 若以上失败,对某个 Sylow 子群考虑置换表示 |