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类方程

将轨道分解应用于共轭作用,得到群论中极为重要的类方程——它是分析有限群结构的核心工具。

共轭作用的轨道分解

GG 共轭作用于自身:gx=gxg1g \cdot x = gxg^{-1}

  • 轨道 = 共轭类Conj(x)={gxg1gG}\operatorname{Conj}(x) = \{gxg^{-1} \mid g \in G\}
  • 稳定子群 = 中心化子CG(x)={gGgx=xg}C_G(x) = \{g \in G \mid gx = xg\}

由轨道-稳定子定理: Conj(x)=[G:CG(x)]|\operatorname{Conj}(x)| = [G : C_G(x)]

两类特殊的共轭类

共轭类大小条件含义
1gxg1=x,gGgxg^{-1} = x, \forall g \in GxZ(G)x \in Z(G),即 xx 在中心
2\geq 2g,gxg1x\exists g, gxg^{-1} \neq xxZ(G)x \notin Z(G)

类方程

类方程:设 GG 为有限群。则 G=Z(G)+i[G:CG(xi)]|G| = |Z(G)| + \sum_{i} [G : C_G(x_i)]

其中 Z(G)={gGhG,gh=hg}Z(G) = \{g \in G \mid \forall h \in G, gh = hg\}GG中心,求和遍历所有大小 2\geq 2 的共轭类的代表元。

推导

GG 分解为互不相交的共轭类的并集。大小为 11 的共轭类恰为 Z(G)Z(G) 中的元素(共 Z(G)|Z(G)| 个)。每个大小 2\geq 2 的共轭类 Conj(xi)\operatorname{Conj}(x_i) 的大小为 [G:CG(xi)][G : C_G(x_i)]。因此:

G=Z(G)大小为 1 的共轭类+i[G:CG(xi)]|G| = \underbrace{|Z(G)|}_{\text{大小为 1 的共轭类}} + \sum_{i} [G : C_G(x_i)]

其中 [G:CG(xi)]2[G : C_G(x_i)] \geq 2[G:CG(xi)]G[G : C_G(x_i)] \mid |G|

类方程的应用

1. p-群的中心的非平凡性

定理:若 G=pk|G| = p^kk1k \geq 1),则 Z(G)p|Z(G)| \geq p,特别地 Z(G){e}Z(G) \neq \{e\}

证明:由类方程 pk=Z(G)+i[G:CG(xi)]p^k = |Z(G)| + \sum_i [G : C_G(x_i)]。每个 [G:CG(xi)][G : C_G(x_i)]G=pk|G| = p^k 的真因子,故为 pp 的倍数。因此 i[G:CG(xi)]0(modp)\sum_i [G : C_G(x_i)] \equiv 0 \pmod{p},推出 Z(G)0(modp)|Z(G)| \equiv 0 \pmod{p}。又 eZ(G)e \in Z(G)Z(G)1|Z(G)| \geq 1,从而 Z(G)p|Z(G)| \geq p

2. p^2 阶群必为交换群

pp-群中心非平凡知 Z(G)=p|Z(G)| = pp2p^2。若 Z(G)=p|Z(G)| = p,则 G/Z(G)G/Z(G)pp 阶循环群,此时可证 GG 交换,矛盾。故 Z(G)=p2|Z(G)| = p^2,即 GG 交换。

3. Cauchy 定理的群作用证法

可利用类方程证明:若素数 pGp \mid |G|,则 GGpp 阶元素。这是类方程的一个经典应用。

类方程与 Sylow 定理

类方程在研究 Sylow pp-子群的正规性时非常有用——Sylow 第三定理 np1(modp)n_p \equiv 1 \pmod{p} 本质上就是共轭作用于 Sylow pp-子群集合上的类方程推论。