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
G 共轭作用于自身:g⋅x=gxg−1。
- 轨道 = 共轭类:Conj(x)={gxg−1∣g∈G}
- 稳定子群 = 中心化子:CG(x)={g∈G∣gx=xg}
由轨道-稳定子定理:
∣Conj(x)∣=[G:CG(x)]
两类特殊的共轭类
| 共轭类大小 | 条件 | 含义 |
|---|
| 1 | gxg−1=x,∀g∈G | x∈Z(G),即 x 在中心 |
| ≥2 | ∃g,gxg−1=x | x∈/Z(G) |
类方程
类方程:设 G 为有限群。则
∣G∣=∣Z(G)∣+∑i[G:CG(xi)]
其中 Z(G)={g∈G∣∀h∈G,gh=hg} 是 G 的中心,求和遍历所有大小 ≥2 的共轭类的代表元。
将 G 分解为互不相交的共轭类的并集。大小为 1 的共轭类恰为 Z(G) 中的元素(共 ∣Z(G)∣ 个)。每个大小 ≥2 的共轭类 Conj(xi) 的大小为 [G:CG(xi)]。因此:
∣G∣=大小为 1 的共轭类∣Z(G)∣+∑i[G:CG(xi)]
其中 [G:CG(xi)]≥2 且 [G:CG(xi)]∣∣G∣。
类方程的应用
1. p-群的中心的非平凡性
定理:若 ∣G∣=pk(k≥1),则 ∣Z(G)∣≥p,特别地 Z(G)={e}。
证明:由类方程 pk=∣Z(G)∣+∑i[G:CG(xi)]。每个 [G:CG(xi)] 是 ∣G∣=pk 的真因子,故为 p 的倍数。因此 ∑i[G:CG(xi)]≡0(modp),推出 ∣Z(G)∣≡0(modp)。又 e∈Z(G) 故 ∣Z(G)∣≥1,从而 ∣Z(G)∣≥p。
2. p^2 阶群必为交换群
由 p-群中心非平凡知 ∣Z(G)∣=p 或 p2。若 ∣Z(G)∣=p,则 G/Z(G) 为 p 阶循环群,此时可证 G 交换,矛盾。故 ∣Z(G)∣=p2,即 G 交换。
3. Cauchy 定理的群作用证法
可利用类方程证明:若素数 p∣∣G∣,则 G 含 p 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 p-子群的正规性时非常有用——Sylow 第三定理 np≡1(modp) 本质上就是共轭作用于 Sylow p-子群集合上的类方程推论。