轨道的基本性质
轨道划分 X
设 G 作用于 X。定义关系:x∼y⟺∃g∈G,g⋅x=y,则 ∼ 是 X 上的等价关系,其等价类恰为轨道。
因此轨道给出 X 的一个划分:
X=⨆iOrb(xi)
其中 xi 取遍各轨道的代表元。
轨道的基本结论
| 性质 | 说明 |
|---|
| 轨道不相交 | x∼y 则 Orb(x)=Orb(y);否则 Orb(x)∩Orb(y)=∅ |
| 传递作用等价于单轨道 | G 在 X 上传递当且仅当 X 自身是一个轨道 |
| 轨道长度整除 | G |
稳定子群
设 G 作用于 X,x∈X。x 的稳定子群为:
Gx=Stab(x)={g∈G∣g⋅x=x}
可以验证 Gx⩽G 确实是子群。
同一轨道中的稳定子群
命题:同一轨道中任意两点的稳定子群互相共轭:
Gg⋅x=gGxg−1
这提供了一个重要技巧:研究轨道中任一点的稳定子群,就了解了整个轨道的稳定子群结构。
轨道-稳定子定理
定理(Orbit-Stabilizer Theorem):设 G 作用于 X,x∈X。则
∣Orb(x)∣=[G:Gx]
即轨道的大小等于稳定子群在 G 中的指数。若 G 有限,则有
∣G∣=∣Orb(x)∣⋅∣Gx∣
构造映射 ψ:G/Gx→Orb(x),ψ(gGx)=g⋅x。
- 良定义:若 gGx=hGx,则 h−1g∈Gx,故 (h−1g)⋅x=x,从而 g⋅x=h⋅x。
- 单射:若 g⋅x=h⋅x,则 (h−1g)⋅x=x,故 h−1g∈Gx,即 gGx=hGx。
- 满射:对任意 y∈Orb(x),存在 g∈G 使 y=g⋅x=ψ(gGx)。
因此 ψ 是双射,∣Orb(x)∣=∣G/Gx∣=[G:Gx]。
重要推论
- 元素的阶整除群的阶的推广:轨道的长度(而非元素的阶)整除 ∣G∣
- 计数公式:∣X∣=∑i[G:Gxi],其中 xi 取遍轨道代表元