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轨道与稳定子定理

轨道的基本性质

轨道划分 X

GG 作用于 XX。定义关系:xy    gG,gx=yx \sim y \iff \exists g \in G, g \cdot x = y,则 \simXX 上的等价关系,其等价类恰为轨道。

因此轨道给出 XX 的一个划分

X=iOrb(xi)X = \bigsqcup_{i} \operatorname{Orb}(x_i)

其中 xix_i 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xyx \sim yOrb(x)=Orb(y)\operatorname{Orb}(x) = \operatorname{Orb}(y);否则 Orb(x)Orb(y)=\operatorname{Orb}(x) \cap \operatorname{Orb}(y) = \varnothing
传递作用等价于单轨道GGXX 上传递当且仅当 XX 自身是一个轨道
轨道长度整除G

稳定子群

定义

GG 作用于 XXxXx \in Xxx稳定子群为:

Gx=Stab(x)={gGgx=x}G_x = \operatorname{Stab}(x) = \{g \in G \mid g \cdot x = x\}

可以验证 GxGG_x \leqslant 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: Ggx=gGxg1G_{g \cdot x} = g \, G_x \, g^{-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 GG 作用于 XXxXx \in X。则 Orb(x)=[G:Gx]|\operatorname{Orb}(x)| = [G : G_x] 即轨道的大小等于稳定子群在 GG 中的指数。若 GG 有限,则有 G=Orb(x)Gx|G| = |\operatorname{Orb}(x)| \cdot |G_x|

证明

构造映射 ψ:G/GxOrb(x)\psi: G/G_x \to \operatorname{Orb}(x)ψ(gGx)=gx\psi(gG_x) = g \cdot x

  1. 良定义:若 gGx=hGxgG_x = hG_x,则 h1gGxh^{-1}g \in G_x,故 (h1g)x=x(h^{-1}g) \cdot x = x,从而 gx=hxg \cdot x = h \cdot x
  2. 单射:若 gx=hxg \cdot x = h \cdot x,则 (h1g)x=x(h^{-1}g) \cdot x = x,故 h1gGxh^{-1}g \in G_x,即 gGx=hGxgG_x = hG_x
  3. 满射:对任意 yOrb(x)y \in \operatorname{Orb}(x),存在 gGg \in G 使 y=gx=ψ(gGx)y = g \cdot x = \psi(gG_x)

因此 ψ\psi 是双射,Orb(x)=G/Gx=[G:Gx]|\operatorname{Orb}(x)| = |G/G_x| = [G : G_x]

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|G|
  • 计数公式X=i[G:Gxi]|X| = \sum_i [G : G_{x_i}],其中 xix_i 取遍轨道代表元