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对称群 SnS_n

定义

nn 个元素的集合上的全体置换构成的群,称为 nn对称群,记作 SnS_n

Sn=n!|S_n| = n!

SnS_n 的基本性质

性质说明
S1S_1平凡群
S2S_2Z2\cong \mathbb{Z}_2,交换
S3S_3最小非交换对称群,同构于二面体群 D6D_6
n3n \geq 3SnS_n 为非交换群
中心Z(Sn)={e}Z(S_n) = \{e\}n3n \geq 3

共轭类

SnS_n 中两个置换共轭     \iff 它们具有相同的轮换型(即轮换分解中各长度轮换的个数分布)。

因此 SnS_n 的共轭类与 nn整数分拆一一对应。

例子:S3S_3 的共轭类

轮换型代表元大小
1+1+11+1+1(1)(1)1
2+12+1(1  2)(1\;2)3
33(1  2  3)(1\;2\;3)2

交错群 AnA_n

偶置换全体构成 SnS_n 的正规子群,称为交错群,记作 AnA_n

An=n!2,[Sn:An]=2|A_n| = \frac{n!}{2}, \quad [S_n : A_n] = 2

AnSn,Sn/AnZ2A_n \trianglelefteq S_n, \quad S_n / A_n \cong \mathbb{Z}_2

AnA_n 的单性

AnA_nn5n \geq 5)是单群。这是 Abel-Ruffini 定理(五次以上方程无根式解)的核心群论依据。

SnS_n 的生成元

SnS_n 可由以下元素生成:

  • 全体对换 (i  j)(i\;j)
  • 相邻对换 (1  2),(2  3),,(n1  n)(1\;2), (2\;3), \ldots, (n-1\;n)
  • (1  2)(1\;2)(1  2    n)(1\;2\;\cdots\;n)

AnA_n 可由所有 3-轮换生成。

小阶对称群

| nn | Sn|S_n| | An|A_n| | 交换? | AnA_n 单? | |---|---|---|---|---|---| | 1 | 1 | 1 | ✓ | ✗ | | 2 | 2 | 1 | ✓ | ✗ | | 3 | 6 | 3 | ✗ | ✓ | | 4 | 24 | 12 | ✗ | ✗ | | 5 | 120 | 60 | ✗ | ✓ |

与二面体群的关系

S3D6S_3 \cong D_6(二面体群 D6D_6

一般地,D2nD_{2n}SnS_n 的子群(作为正 nn 边形的对称群)。