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第 5 章:正规子群和商群:让陪集乘法没有歧义 ​

本章对象:H\triangleleft G 表示 H 在 G 的共轭下稳定。G/H 的元素是陪集;单位元是陪集 H,不是 G 中的单个元素 e。

补充证明:正规性的等价条件,以及商群乘法为何要求正规性 ​

本节 G 是群,H\leq G 是子群,g 是 G 中元素。由集合等式两边右乘 g^{-1},得到

gH=Hg\quad\Longleftrightarrow\quad gHg^{-1}=H.

若对所有 g 都只有 gHg^{-1}\subseteq H,用 g^{-1} 代入再左右乘 g、g^{-1},会得到反向包含,因此实际也是等号。这就是共轭形式的正规性。它表示整个子群作为集合稳定,并不要求 g 与每个 h 交换。

商群乘法的充分性由原证明的代表元计算给出。必要性也可以证明:假设陪集乘法按代表元定义且良定义。h\in H 与 e\in H 是同一陪集的代表元,则 (hH)(gH)=(eH)(gH),故 hgH=gH,进而 g^{-1}hg\in H。这对所有 g,h 成立,故 H 正规。于是这个条件正好解决代表元歧义。

5.2 右陪集与正规子群 ​

现在只加一个新概念:右陪集。

前面我们有:

gH=\{gh\mid h\in H\},

这叫左陪集。

那么同样地,也可以把固定元素 g 放在右边:

Hg=\{hg\mid h\in H\}.

这就叫:

\boxed{\text{右陪集}}

还是用:

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

和

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

现在取:

g=(12).

我们前面已经算过左陪集:

(12)A_3.

现在算右陪集:

A_3(12).

也就是:

A_3(12)
=
\{e(12),(123)(12),(132)(12)\}.

第一个:

e(12)=(12).

再算:

(123)(12).

按照我们的约定,先做右边的:

(12),

再做左边的:

(123).

对 1:

1\to2\to3,

所以:

1\to3.

对 3:

3\to3\to1,

所以:

3\to1.

对 2:

2\to1\to2.

所以:

2\to2.

因此:

(123)(12)=(13).

再算:

(132)(12).

对 1:

1\to2\to1,

所以:

1\to1.

对 2:

2\to1\to3,

所以:

2\to3.

对 3:

3\to3\to2.

所以:

3\to2.

因此:

(132)(12)=(23).

所以:

\boxed{
A_3(12)=\{(12),(13),(23)\}
}

而前面:

(12)A_3=\{(12),(13),(23)\}.

于是:

\boxed{
(12)A_3=A_3(12)
}

这说明什么?

说明对于这个子群 A_3:

\text{左边乘整个 }A_3

和

\text{右边乘整个 }A_3

最后得到的是同一个集合。

这不是所有子群都有的性质。

如果一个子群 H\le G 满足:

gH=Hg

对所有

g\in G

都成立,那么我们就称:

\boxed{H\text{ 是 }G\text{ 的正规子群}}

英文:

\boxed{\text{normal subgroup}}

记作:

H\triangleleft G.

所以:

\boxed{
A_3\triangleleft S_3
}

但这里最容易产生一个误解。

正规子群并不是说:

gh=hg

对每一个 h\in H 都成立。

不是这个意思。

要求的是:

gH=Hg

这两个集合相同。

也就是说,左边乘以后得到的那一堆元素,和右边乘以后得到的那一堆元素一样。

具体某个 h 不一定和 g 交换。

例如:

(12)(123)\neq(123)(12).

实际上:

(12)(123)=(23),

而:

(123)(12)=(13).

二者不相等。

但整个集合仍然相等:

(12)A_3=A_3(12).

所以:

\boxed{\text{正规}\neq\text{每个元素都交换}}

这是非常重要的一点。

下一步最值得解释的是:

\boxed{\text{为什么我们非要关心正规子群?}}

答案是:因为只有对子群“足够正规”,我们才能把整个群按这些陪集压缩成一个新的群,也就是商群。而“可解群”最终正是靠一层一层的商群来定义的。

5.3 商群的元素为什么是陪集 ​

现在进入一个很关键、也很容易第一次看懵的概念:商群(quotient group)。

这一步我们慢一点,因为“正规子群为什么重要”就在这里。

先继续用:

A_3\triangleleft S_3.

我们已经知道 S_3 被 A_3 的陪集分成两块:

A_3

和

(12)A_3.

其中:

A_3=\{\text{所有偶置换}\},

而

(12)A_3=\{\text{所有奇置换}\}.

现在做一个思想实验:

我不再关心每一个具体置换是谁,我只关心它属于“偶的那一块”还是“奇的那一块”。

也就是说,把整个 A_3 看成一个“大元素”:

[A_3],

把所有奇置换那一块也看成另一个“大元素”:

[(12)A_3].

这样,原来有 6 个元素的 S_3,就被压缩成了只有 2 个“大元素”的东西。

也就是:

\boxed{S_3/A_3}

它的元素是:

A_3,\qquad (12)A_3.

现在最关键的问题来了:

这些“块”之间能不能像群元素一样相乘?

我们希望定义:

(gA_3)(hA_3)
=
(gh)A_3.

例如:

[(12)A_3]\cdot[(23)A_3].

因为 (12) 和 (23) 都是奇置换,所以它们都属于同一个陪集:

(12)A_3=(23)A_3.

那么“奇那一块 × 奇那一块”应该等于什么?

算:

(12)(23)=(123).

而 (123) 是偶置换,所以:

(123)\in A_3.

于是:

\boxed{\text{奇块}\times\text{奇块}=\text{偶块}}

同理:

\text{偶块}\times\text{偶块}=\text{偶块},
\text{偶块}\times\text{奇块}=\text{奇块},
\text{奇块}\times\text{偶块}=\text{奇块}.

你应该会发现,这和:

(+1)(+1)=+1,
(-1)(-1)=+1

很像。

所以:

S_3/A_3

本质上就是一个只有两个元素的群。


但这里藏着一个非常严重的问题。

假设我说:

(gH)(kH)=(gk)H.

问题是:

一个陪集 gH 往往可以用很多不同的 g 来表示。

比如在这里:

(12)A_3=(13)A_3=(23)A_3.

它们其实是同一块。

那么如果我选择不同的代表元,比如用 (12) 或 (13),最后乘出来的陪集会不会不同?

如果会不同,那么这个“乘法”就根本没有定义好。

我们希望:

gH=g'H,\qquad kH=k'H

时,一定有:

(gk)H=(g'k')H.

只有这样,陪集之间的乘法才是良定义的。

而这正是正规子群最重要的作用:

\boxed{H\triangleleft G}

恰好保证了:

\boxed{(gH)(kH)=(gk)H}

不会因为你选了不同代表元而产生歧义。

所以你可以把“正规子群”先理解成:

一个子群如果足够规则,使得“把它压成一个点以后”,剩下的块还能正常做群运算,那么它就是正规子群。

于是我们终于知道为什么普通子群还不够,而需要“正规子群”。

整个逻辑是:

\text{子群}

不一定能拿来“压缩”原群。

但:

\boxed{\text{正规子群}}

可以。

压缩之后得到:

\boxed{\text{商群}}

记作:

G/H.

在我们的例子里:

S_3/A_3

就是把:

\text{所有偶置换看成一个元素},

把:

\text{所有奇置换看成另一个元素}.

最后只剩两个元素。

下一步最适合讲的是:

\boxed{\text{为什么“商群”可以理解为把一个群中的某部分结构忽略掉}}

这层直觉非常重要,因为以后“可解群”本质上就是:不断找正规子群、不断取商群,把一个复杂群一层层剥简单。

5.4 代表元计算:陪集乘法的良定义 ​

关键就在这里。我们把它严格证明出来,不跳步。

假设

gH=g'H,\qquad kH=k'H.

这句话分别意味着什么?

因为 g' 属于 g'H,而 g'H=gH,所以

g'\in gH.

因此一定存在某个

h_1\in H

使得

g'=gh_1.

同理,因为

kH=k'H,

所以存在

h_2\in H

使得

k'=kh_2.

于是

g'k'
=
(gh_1)(kh_2)
=
gh_1kh_2.

现在真正的问题是:

gh_1kh_2

能不能写成

gk(\text{某个 }H\text{ 中的元素})?

因为如果能,那么它就属于

gkH.

难点就是中间这个:

h_1k.

我们想把 k 移到 h_1 左边。

在普通交换群里可以直接写成:

h_1k=kh_1,

但这里当然不能这么做。

正规性就是在这里起作用。

因为

H\triangleleft G,

等价地,对任意 k\in G 和任意 h_1\in H,都有

k^{-1}h_1k\in H.

先把这个新元素记成:

h_3=k^{-1}h_1k.

于是:

h_3\in H.

而且从

h_3=k^{-1}h_1k

两边左乘 k,得到:

kh_3=h_1k.

所以:

h_1k=kh_3.

代回刚才:

g'k'
=
gh_1kh_2

就变成

g'k'
=
gkh_3h_2.

因为:

h_3,h_2\in H

而 H 是群,所以封闭:

h_3h_2\in H.

记

h_4=h_3h_2\in H.

于是:

g'k'=gkh_4.

所以:

g'k'\in gkH.

也就是说:

g'k'H=gkH.

因此,无论你选择 gH 的代表元 g 还是 g',选择 kH 的代表元 k 还是 k',最终得到的陪集都是:

\boxed{gkH}.

所以定义

\boxed{(gH)(kH)=(gk)H}

是没有歧义的。


你可以把整个证明压缩成最关键的一步:

gh_1kh_2

之所以能够变成

gk(\text{某个 }H\text{ 中的元素}),

就是因为正规性允许我们把

h_1k

改写成

kh_3,\qquad h_3\in H.

也就是:

\boxed{\text{正规性允许 }H\text{ 中的元素“穿过”外面的群元素,但穿过去后可能变成另一个 }H\text{ 中的元素。}}

注意它不是说

h_1k=kh_1,

而是说:

\boxed{h_1k=kh_3}

其中 h_3 仍然属于 H。

这其实就是“正规子群”最值得建立的直觉。

5.5 检查商群的全部群公理 ​

既然刚才已经证明了“陪集乘法”在正规子群时是良定义的,下一步就该把最重要的一件事补完整:

为什么 G/H 真的构成一个群?

设

H\triangleleft G.

我们定义商集

G/H=\{gH\mid g\in G\},

并定义乘法

(gH)(kH)=(gk)H.

现在逐条检查群公理。

先看封闭性。两个元素

gH,\ kH\in G/H

相乘得到

(gH)(kH)=(gk)H.

而 gk\in G,所以

(gk)H

还是 G/H 中的一个陪集。因此封闭。


再看结合律。

取三个陪集:

gH,\quad kH,\quad lH.

左边:

[(gH)(kH)](lH)

先算:

(gH)(kH)=(gk)H,

所以

[(gH)(kH)](lH)
=
((gk)H)(lH)
=
((gk)l)H.

另一种括号:

(gH)[(kH)(lH)]

得到:

(gH)((kl)H)
=
(g(kl))H.

因为原群 G 中满足结合律:

(gk)l=g(kl),

所以:

((gk)l)H=(g(kl))H.

因此商群也满足结合律。

这里你可以看到一个常见规律:

商群很多性质,是从原群 G 继承下来的。


第三个,单位元是什么?

原群的单位元记作 e。

商群里面对应的陪集是:

eH.

但

eH=H.

所以商群的单位元其实就是:

\boxed{H}.

验证:

H\cdot gH
=
(eH)(gH)
=
(eg)H
=
gH.

同样:

(gH)H=gH.

所以:

\boxed{\text{商群中,整个 }H\text{ 被当成了单位元}}

这句话非常重要。

它其实揭示了“取商”的本质。


比如我们有

S_3/A_3.

在这里,原来 A_3 中有三个元素:

e,(123),(132).

但是取商以后,这三个元素全部被压成:

A_3.

而这个“大元素”就是商群的单位元。

所以从商群的角度来看:

e,\ (123),\ (132)

之间的区别被彻底忽略了。

这就是为什么我前面说:

取商群,可以理解为“把 H 内部的区别抹掉”。


最后看逆元。

商群中有一个元素:

gH.

它的逆是什么?

应该是:

g^{-1}H.

因为:

(gH)(g^{-1}H)
=
(gg^{-1})H
=
eH
=
H.

而 H 正是商群的单位元。

所以:

\boxed{(gH)^{-1}=g^{-1}H}.

四条全部成立,因此:

\boxed{G/H\text{ 是一个群}}

前提就是:

\boxed{H\triangleleft G}.

现在我们已经有了一个很有力量的操作:

G
\longrightarrow
G/H.

它做的事情是:

把 H 中的所有变化都视为“不重要”,只看不同陪集之间的区别。

例如:

S_3

有 6 个元素,但取

S_3/A_3

以后,只剩:

\boxed{2}

个元素。

因为它只区分:

\text{偶置换}

和

\text{奇置换}.

于是:

|S_3/A_3|=2.

而:

|S_3|=6,\qquad |A_3|=3.

你会看到:

\boxed{|S_3/A_3|=\frac{|S_3|}{|A_3|}}

一般有限群中,如果 H\triangleleft G,也有:

\boxed{|G/H|=\frac{|G|}{|H|}}.

到这里,我们终于已经有足够工具开始接近“可解群”了。

但下一步我不会直接给定义。

我们先拿 S_3 做一件非常具体的事情:

\boxed{\{e\}\triangleleft A_3\triangleleft S_3}

然后看看把 S_3 一层一层“剥掉”以后,会剩下什么。

这正是以后所谓“可解”的核心直觉。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。