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第 3 章:奇偶性、交错群与子群 ​

本章对象:inv 表示一行排列的逆序数;\operatorname{sgn} 是取值为 ±1 的符号映射;A_{n} 是偶置换组成的交错群。

3.1 换位个数的奇偶性为何定义良好 ​

现在进入一个非常关键的概念:置换的奇偶性。它会自然产生 A_n,而 A_5 正是最后“五次方程为什么出问题”的核心对象。

第四步:为什么置换有“奇”和“偶”? ​

上一节我们知道:

任意置换都可以拆成若干个换位。

比如

(123)=(12)(23)

用了两个换位。

于是很自然会问:

一个置换能不能既拆成 2 个换位,又拆成 3 个换位?

如果可以,那么“用了奇数个还是偶数个换位”就没有意义。

神奇的地方就在这里:

\boxed{\text{不可能}}

同一个置换可能有很多不同的换位分解,但所有分解中换位个数的奇偶性一定相同。

所以我们可以定义:

  • 能拆成偶数个换位 \to 偶置换
  • 能拆成奇数个换位 \to 奇置换

1. 先看例子 ​
(12) ​

它本身就是一个换位:

(12).

用了 1 个。

所以它是:

\boxed{\text{奇置换}}

(123) ​

我们刚才有:

(123)=(12)(23).

用了 2 个换位。

所以:

\boxed{(123)\text{ 是偶置换}}

(1234) ​

例如:

(1234)=(14)(13)(12).

用了 3 个换位。

所以:

\boxed{(1234)\text{ 是奇置换}}

2. 一个 k-循环是什么奇偶性? ​

一般来说:

(a_1a_2\cdots a_k)

可以拆成:

(a_1a_k)(a_1a_{k-1})\cdots(a_1a_2).

总共用了:

k-1

个换位。

所以:

\boxed{k\text{-循环的奇偶性由 }k-1\text{ 决定}}

例如:

2\text{-循环}:1\text{ 个换位}\Rightarrow\text{奇}
3\text{-循环}:2\text{ 个换位}\Rightarrow\text{偶}
4\text{-循环}:3\text{ 个换位}\Rightarrow\text{奇}

3. 可是为什么奇偶性不会因为换一种拆法而改变? ​

这才是真正需要解释的地方。

我们先引入一个非常直观的量:

\boxed{\text{逆序数}}

英文叫:

inversion number


假设有排列:

2,3,1.

我们问:

有多少对数字的大小顺序被“颠倒”了?

正常顺序应该是:

1<2<3.

现在排列为:

2,3,1.

看每一对。

(2,3)

顺序正常,因为:

2<3.

不算逆序。

但:

(2,1)

反了,因为:

2>1.

算一个。

还有:

(3,1)

也反了。

所以总共有:

2

个逆序。

于是:

\operatorname{inv}(231)=2.

这是偶数。

而 231 对应的正是置换:

(123).

所以它是偶置换。


4. 再看一个 ​

排列:

2,1,3.

只有:

(2,1)

发生逆序。

所以:

\operatorname{inv}=1.

是奇数。

对应:

(12),

正好是奇置换。


5. 为什么交换两个元素一定改变奇偶性? ​

先看最简单的:交换两个相邻元素。

比如:

1,2,3

交换 2,3:

1,3,2.

逆序数从:

0

变成:

1.

奇偶性翻转。

再交换一次:

1,2,3

又从奇变偶。

所以:

\boxed{\text{相邻交换每做一次,逆序数奇偶性翻转一次}}

那如果交换两个不相邻元素呢?

例如:

1,2,3,4

交换 1 和 4:

4,2,3,1.

这种交换其实可以拆成奇数个相邻交换。

比如把 1 一步步移到右边:

1234
2134
2314
2341

然后把 4 往左移:

2431
4231

总共:

5

次。

也就是奇数次。

一般交换位置 i,j,需要:

2(j-i)-1

次相邻交换。

它永远是奇数。

因此:

\boxed{\text{任意一个换位都会让逆序数奇偶性翻转}}

6. 现在证明关键结论 ​

从恒等排列:

1,2,\dots,n

开始。

它的逆序数是:

0,

所以是偶数。

如果一个置换由 m 个换位得到,那么每做一次换位,逆序数的奇偶性就翻转一次。

因此:

  • m 为偶数 \to 最终逆序数为偶数;
  • m 为奇数 \to 最终逆序数为奇数。

但一个确定的排列,它的逆序数是确定的。

所以不可能同一个排列同时由:

\text{偶数个换位}

和

\text{奇数个换位}

得到。

于是:

\boxed{\text{置换的奇偶性是定义良好的}}

这就是我们需要的结论。


7. 偶置换自己形成一个群 ​

现在考虑 S_n 中的所有偶置换。

把它们收集起来:

A_n.

这个群叫:

\boxed{\text{alternating group}}

中文:

\boxed{\text{交错群}}

所以:

A_n\subset S_n.

为什么它是一个群?

因为:

  • 偶 × 偶 = 偶;
  • 单位元是偶置换;
  • 偶置换的逆仍然是偶置换。

所以:

A_n

本身就是一个群。


8. A₃ 是什么? ​

S_3 有 6 个元素:

e,\ (12),\ (13),\ (23),\ (123),\ (132).

其中:

e

是偶置换。

三个换位:

(12),(13),(23)

都是奇置换。

两个三循环:

(123),(132)

都是偶置换。

所以:

A_3=
\{e,(123),(132)\}.

一共三个元素。

正好是 S_3 的一半。

实际上:

|A_n|=\frac{n!}{2}\qquad(n\ge2).

因此:

|A_5|=\frac{5!}{2}=60.

而这 60 个偶置换组成的:

\boxed{A_5}

以后会成为整个故事的关键。

原因是:

\boxed{A_5\text{ 是非交换的}}

而且比“不交换”更严重:

\boxed{A_5\text{ 没有合适的非平凡正规子群}}

换句话说,它是一个:

\boxed{\text{非交换单群}}

而这正是一般五次方程无法通过一层层根式“拆开”的根本障碍。

不过现在“正规子群”和“单群”都还没学。

所以下一步我们应该先讲:

\boxed{\text{什么是子群?}}

然后再讲:

\boxed{\text{陪集}\rightarrow\text{正规子群}\rightarrow\text{商群}}

这条线很重要,因为“可解群”的定义就是建立在一层层正规子群和商群之上的。

3.2 把循环写成一行排列,再计算逆序数 ​

原问题:逆序数在括号的形式不好数吧

对,逆序数不是直接对循环括号记号来数的。它最自然是对“一行排列”来数。

比如置换

(123)

循环记号表示

1\to2,\quad 2\to3,\quad 3\to1.

如果要数逆序数,先把它写成一行形式:

[\sigma(1),\sigma(2),\sigma(3)]
=
[2,3,1].

然后看

2,3,1

里面有多少逆序对。

有:

(2,1),\quad (3,1),

所以逆序数是

2.

因此 (123) 是偶置换。

再比如

(12).

它对应

1\to2,\quad2\to1,\quad3\to3,

所以一行形式是

[2,1,3].

只有一个逆序:

(2,1),

所以逆序数是 1,是奇置换。

因此你可以区分三种常见表示法:

\boxed{
\text{循环记号 }(123)
}

适合看“元素怎么绕圈走”;

\boxed{
\text{一行记号 }[2,3,1]
}

适合数逆序数;

还有一种两行记号:

\begin{pmatrix}
1&2&3\\
2&3&1
\end{pmatrix},

它直接表示

1\mapsto2,\quad2\mapsto3,\quad3\mapsto1.

所以前面说“用逆序数证明奇偶性良定义”时,其实默认是把置换先转换成一行排列,再数逆序数。

而实际判断一个循环的奇偶性时,通常根本不会去数逆序数,而是直接用:

(a_1a_2\cdots a_k)

可以拆成 k-1 个换位,因此

\boxed{k\text{-循环的符号是 }(-1)^{k-1}}.

所以例如:

(12345)

是一个 5-循环,

5-1=4

是偶数,因此它是偶置换。

你这个问题非常重要,因为它说明了循环记号和逆序数其实是两套不同用途的表示工具。

补充证明:逆序数、符号同态与交错群的大小 ​

一行记号 [\sigma (1),\ldots ,\sigma (n)] 的逆序数,是满足 i<j 且 \sigma (i)>\sigma (j) 的数对 (i,j) 的数量。交换两个相邻位置时,只有这两个数彼此的大小次序改变;其他数字与它们产生的逆序总数不变,所以逆序数恰好改变 1。交换相距 j-i 的两个位置可以用 2(j-i)-1 次相邻交换完成:先把左边的数向右移,再把原来右边的数向左移。这是奇数,故任何换位都改变逆序数的奇偶性。

从恒等排列开始做 m 次换位,最终逆序数模 2 就是 m 模 2。因此同一置换不可能有奇偶性不同的换位分解。若 \sigma、\tau 分别拆成 p、q 个换位,把两串分解接起来就是 \sigma \tau 的分解,所以

\operatorname{sgn}(\sigma\tau)=(-1)^{p+q}
=\operatorname{sgn}(\sigma)\operatorname{sgn}(\tau).

这说明 \operatorname{sgn} 是到乘法群 {1,−1} 的群同态。对 n\geq 2,固定一个换位 t,映射 \sigma \mapsto t\sigma 给出偶置换与奇置换之间的双射,逆映射也是乘以 t。因此两者数量相同,|A_{n}|=n!/2。n=1 时不适用这个一半公式,A_{1}=S_{1} 都只有一个元素。

3.4 逐条检查偶置换确实构成群 ​

原问题:太快了,为什么偶置换自己就成为一个群了

对,这里确实跳得太快了。我们先只回答一个问题:

为什么所有偶置换放在一起,仍然满足“群”的四条要求?

我们一点一点检查。

假设我们把 S_n 中所有偶置换拿出来,组成集合

A_n.

要证明它是一个群,就必须检查群的四条性质。


先看第一条:封闭性 ​

我们需要证明:

如果

\sigma,\tau\in A_n,

那么

\sigma\tau\in A_n.

因为 \sigma 是偶置换,所以它可以写成偶数个换位:

\sigma=t_1t_2\cdots t_{2k}.

同理,

\tau=s_1s_2\cdots s_{2m}.

那么:

\sigma\tau
=
t_1t_2\cdots t_{2k}s_1s_2\cdots s_{2m}.

总共用了:

2k+2m=2(k+m)

个换位。

仍然是偶数。

所以:

\boxed{\text{偶}\times\text{偶}=\text{偶}}

于是:

\sigma\tau\in A_n.

所以封闭性成立。


第二条:结合律 ​

这一条甚至不用重新证明。

因为 A_n 里的运算,和 S_n 里的运算完全一样,都是“置换复合”。

而我们已经知道所有置换的复合满足:

(\sigma\tau)\rho=\sigma(\tau\rho).

既然这在整个 S_n 里成立,那么当然在 A_n 这个更小的集合里也成立。

所以结合律自动继承下来。


第三条:单位元在不在里面? ​

群必须有一个单位元:

e.

它什么都不做。

现在要问:

e

是不是偶置换?

是。

因为我们可以认为它由:

0

个换位组成。

而

0

是偶数。

所以:

e\in A_n.

因此单位元也有。


第四条:逆元还在不在 Aₙ 里面? ​

这是最值得仔细看的。

假设:

\sigma=t_1t_2\cdots t_{2k}.

也就是 \sigma 由偶数个换位组成。

那么逆置换:

\sigma^{-1}

是什么?

利用:

(ab)^{-1}=b^{-1}a^{-1},

得到:

\sigma^{-1}
=
t_{2k}^{-1}\cdots t_2^{-1}t_1^{-1}.

但每个换位都等于自己的逆。

例如:

(12)^{-1}=(12).

所以:

\sigma^{-1}
=
t_{2k}\cdots t_2t_1.

你会发现:

仍然有:

2k

个换位。

所以:

\sigma^{-1}

仍然是偶置换。

因此:

\boxed{\text{偶置换的逆仍然是偶置换}}

所以逆元条件也满足。


于是四条全部成立:

\begin{aligned}
1.&\ \text{偶置换复合后仍是偶置换}\\
2.&\ \text{结合律成立}\\
3.&\ e\text{ 是偶置换}\\
4.&\ \text{偶置换的逆仍是偶置换}
\end{aligned}

因此:

\boxed{A_n\text{ 是一个群}}

更准确地说:

\boxed{A_n\text{ 是 }S_n\text{ 的一个子群}}

你可以先把这里理解成一个非常朴素的原则:

从一个大群里挑出一部分元素,如果这部分元素在“做运算、找单位元、找逆元”时都不会跑出去,那么它自己也组成一个小群。

这就是“子群”的直觉。

下一步最好就只讲这个:

\boxed{\text{什么叫子群,以及为什么有时只检查两三件事就够了}}

先不碰陪集、正规子群。

3.5 交错群作为对称群的子群 ​

我们就沿着“偶置换群 A_n”继续,而且慢一点。

下一步先把一个概念讲清楚:

\boxed{A_n\text{ 为什么叫 }S_n\text{ 的子群}}
1. 什么是子群? ​

假设有一个群 G。

如果我们从里面挑出一部分元素,形成一个集合 H,并且 H 自己在同样的运算下也构成一个群,那么就说:

\boxed{H\le G}

意思是:

H\text{ 是 }G\text{ 的子群}

英文叫:

subgroup

例如:

A_n\subset S_n.

因为 A_n 里的元素本来就是 S_n 的置换,只不过我们只挑出了偶置换。

而且刚才已经证明了:

  • 偶置换乘偶置换还是偶置换;
  • 单位元是偶置换;
  • 偶置换的逆还是偶置换。

所以:

\boxed{A_n\le S_n}

2. 用 S₃ 看最清楚 ​

我们知道:

S_3=
\{e,(12),(13),(23),(123),(132)\}.

其中偶置换是:

e,\quad (123),\quad (132).

所以:

A_3=
\{e,(123),(132)\}.

现在你可以把它理解成:

S_3

是一个有 6 个元素的大群,

而

A_3

是它里面一个有 3 个元素的小群。


3. 为什么 A₃ 自己真的“关起门来”就能运算? ​

我们随便算。

例如:

(123)(123).

做两次 (123)。

第一次:

1\to2,\quad2\to3,\quad3\to1.

再做一次:

1\to3,\quad
2\to1,\quad
3\to2.

所以:

(123)^2=(132).

而:

(132)\in A_3.

再算:

(123)(132)=e.

也还在 A_3。

再算:

(132)^2=(123).

仍然在 A_3。

所以你会发现:

\{e,(123),(132)\}

无论怎么复合,都不会跑到:

(12),(13),(23)

这些奇置换里面去。

这就是“封闭”的直观意义。


4. 为什么 Aₙ 恰好有 Sₙ 一半那么多元素? ​

这个结论很重要:

|A_n|=\frac{n!}{2}.

我们先别急着证明一般情况,先看 S_3。

S_3 一共有:

6

个置换。

其中:

3

个偶置换,

3

个奇置换。

刚好一半一半。


再看一个非常巧妙的对应。

假设 \sigma 是偶置换。

我们固定拿一个奇置换,比如:

(12).

然后做:

(12)\sigma.

因为:

\text{奇}\times\text{偶}=\text{奇},

所以结果一定是奇置换。

反过来,如果 \tau 是奇置换,那么:

(12)\tau

就是:

\text{奇}\times\text{奇}=\text{偶}.

所以固定乘一个换位 (12),会在:

\text{偶置换}

和

\text{奇置换}

之间建立一一对应。

因此两边数量必然相同。

而:

|S_n|=n!.

所以:

\boxed{|A_n|=\frac{n!}{2}}.

例如:

|A_3|=3,
|A_4|=12,
|A_5|=60.

5. 现在先记住一个结构 ​

我们目前有:

A_n\le S_n.

可以想象成:

\boxed{
\text{所有置换 }S_n
}

里面分成两半:

\boxed{
\text{偶置换 }A_n
}

和

\boxed{
\text{奇置换}
}

但这里有个很重要的不对称:

偶置换自己构成一个群,而奇置换自己不构成群。

为什么?

因为两个奇置换相乘:

\text{奇}\times\text{奇}=\text{偶}.

所以奇置换集合不封闭。

比如:

(12)(23)=(123).

左边两个都是奇置换,

右边:

(123)

却是偶置换。

所以奇置换不能自己组成群。


到这里先停一下。

下一步最自然的是继续讲:

\boxed{\text{为什么 }A_n\text{ 不只是子群,而是一个“正规子群”}}

但“正规子群”不能直接定义,否则又会跳太快。

所以更合理的下一步是先引入:

\boxed{\text{左陪集和右陪集}}

因为“正规子群”本质上就是:

\text{左陪集}=\text{右陪集}.

而且从 A_n\subset S_n 这个例子出发,陪集会非常直观。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。