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第 8 章:A₅ 的结构:完整证明五次的群论障碍
本章对象:共轭类 是
;中心化子
是与
交换的元素组成的子群;单群只有两个正规子群。
8.1 从 S₄ 走到 S₅:单群障碍
好,我们现在正式进入分水岭:
前面对 ,我们找到:
并且每一层商群都是阿贝尔群。
现在尝试对 做同样的事。
首先最自然的子群还是:
而且和前面一样:
为什么?
因为置换的奇偶性在共轭下不改变。
如果:
那么看:
如果用“奇偶性乘法”来算:
其中:
因为 是偶置换。
并且:
所以:
因此:
所以:
然后看商群:
因为:
而:
所以:
因此:
所以第一层完全没问题:
真正的问题全部被压进了:
这和 很像。
但是 的时候,我们进入
后,还能继续找到:
于是继续拆:
但到了 ,奇怪的事情发生了:
准确地说:
的正规子群只有:
和
本身。
这种群就叫:
注意“单群”不是说它很简单。
恰恰相反,这里的 simple 意思是:
它已经不能通过正规子群继续拆开。
而 更麻烦的是:
所以如果我们尝试:
对应的商群就是:
但 本身不是阿贝尔群。
因此这条链不满足“每一层商群都是阿贝尔群”。
而又因为 没有中间的非平凡正规子群,所以没法像:
那样绕过去。
这就是关键障碍:
于是:
进而:
但这里最难的一步我们还没有证明:
这一步不能一句话带过。
下一步我们应该先把 里的元素按循环类型全部分类,然后再看一个正规子群如果包含某种元素,会被“共轭”迫使包含哪些其他元素。这样才能真正看出为什么它最后只能是整个
。
8.2 A₅ 的循环类型及元素数目
下一步先只做一件事:把 里面到底有哪些类型的置换弄清楚。这一步是证明
是单群的准备。
是
里的所有偶置换,所以一共有
个元素。
我们要问:
一个作用在
上的偶置换,它的不相交循环分解可能长什么样?
先从所有可能的循环类型开始。
1. 恒等置换
当然有
它什么都不动。
共:
个。
2. 一个换位,例如 (12)
换位是奇置换,所以:
因此这种类型全部排除。
3. 一个 3-循环,例如 (123)
一个 3-循环可以拆成两个换位:
所以它是偶置换。
因此:
所以 中有所有 3-循环。
现在数一共有多少个。
先从 5 个元素里挑 3 个:
对于选定的三个元素,例如 ,可以形成几个不同的 3-循环?
有:
和
注意
只是同一个循环换了起点,不算新的。
所以每组三个元素产生:
个 3-循环。
因此一共有:
所以:
4. 两个不相交的换位
例如:
这是两个换位的乘积,所以是偶置换。
因此也属于 。
这种类型叫:
例如:
现在数有多少个。
首先,有 5 个元素,其中必然有一个元素不动。
先选那个不动的元素:
种选择。
剩下 4 个元素要分成两对。
例如剩下:
可以配成:
正好 3 种。
所以总数:
因此:
5. 一个 4-循环
例如:
4-循环需要:
个换位。
3 是奇数,所以它是奇置换。
因此:
全部排除。
6. 一个 5-循环
例如:
5-循环需要:
个换位。
4 是偶数,所以:
现在数有多少个 5-循环。
对于 5 个固定元素,一个 5-循环可以写成:
总共有:
种排列方式。
但是同一个循环可以从任意位置开始写:
所以每个循环被重复计算了 5 次。
因此:
所以:
现在把所有偶置换类型加起来:
正好:
因此我们没有遗漏任何元素。
所以 的元素只有四种类型:
这张表后面非常重要。
接下来我们要利用“正规子群在共轭下必须保持不变”。
直觉上,如果某个正规子群 含有一个元素,比如:
那么它不能只含这一个 3-循环。
因为对 中各种
做
会把标签重新排列,从而强迫 同时包含很多其他 3-循环。
下一步就是仔细讲:
以及它如何限制正规子群。
8.3 共轭就是重新给循环贴标签
本段先解释共轭的作用,并列出需要验证的共轭类数量。三循环、双换位及五循环的类大小将在紧接着的补充证明中计算,不能只由“重新贴标签”这句话直接认定。
现在我们只讲:
为什么可以理解成“把 里的数字重新命名”。
假设
它的意思是:
现在取另一个置换 。比如
那么:
我们来看
结论是:
所以这里就是:
也就是
为什么?
我们直接跟踪一个元素。
比如先看 。
对 作用
第一步,最右边的 :
然后做 :
最后做 :
所以:
同理:
于是:
所以就是:
因此:
这就是“共轭就是重新贴标签”。
现在来看为什么这对正规子群重要。
假设:
正规意味着:
对所有
都成立。
所以如果:
那么:
换句话说:
只要
含有一个元素,它就必须同时包含这个元素在
中的所有共轭元素。
这就非常强。
例如如果:
那么所有形如:
的元素也必须在 里。
而这些都是 3-循环。
事实上,在 中所有 20 个 3-循环彼此共轭。
所以:
同理,15 个双换位也形成一个共轭类。
所以:
但 5-循环这里稍微特殊一点:
在
中,24 个 5-循环全部彼此共轭; 但在
中,它们会裂成两个共轭类,每类 12 个。
这个细节后面证明 单群时很重要。
所以 的共轭类大小实际上是:
总和:
下一步我们就利用这个事实:
正规子群必须是若干个共轭类的并,并且一定包含单位元。
然后看这些共轭类大小能不能拼出一个既整除 60、又严格介于 1 和 60 之间的正规子群大小。
补充证明:A₅ 的共轭类为什么是 1、20、15、12、12
先定义中心化子 ,它是一个子群。共轭映射
的两个输入
得到同一个输出,当且仅当
。因此共轭类与中心化子的左陪集一一对应,有限群中
这一步只用了已经证明的陪集计数,不需要提前调用其他群论定理。
对三循环 ,交换它的置换必须保持集合 {1,2,3},在这个集合上只能是
;在剩下的 {4,5} 上可选
或 (45)。
中中心化子有 6 个元素,其中偶置换恰好 3 个。因此
中这个共轭类有 60/3=20 个元素,正好覆盖全部三循环。
对双换位 ,交换它的置换必须固定唯一不动点 5。它可以决定把 {1,2} 送到两对中的哪一对(2 种),以及每对内的顺序(各 2 种),故
的中心化子有 8 个元素。奇置换 (12) 在该中心化子中,乘以它给出中心化子内偶、奇元素的双射,所以偶元素有 4 个。共轭类大小为 60/4=15,正好覆盖全部双换位。
对五循环 ,与它交换的置换
一旦确定
,其余像由
决定。因此中心化子恰好是
,其中所有元素均为偶置换。每个
共轭类大小为 60/5=12。五循环总共有 24 个,所以分成恰好两个类。单位元独自一类,于是得到 1、20、15、12、12。
补充检查:非阿贝尔单群为什么不可解
令 、
,乘积从右向左作用。
把 3 送到 4,
把 3 送到 1,因此
。故
非阿贝尔。若它存在可解列,删除重复项后,最后一个真子群必须正规于
。单群性迫使这个真子群为
,于是最后的商群就是
本身,却不是阿贝尔群,矛盾。再利用已证明的“可解群的子群仍可解”,推出
不可解。
8.5 用共轭类并集与整除条件证明 A₅ 单群
现在我们利用刚才得到的 共轭类大小
来证明:
先只看第一个关键点。
如果
并且 ,那么对任意
,
所以只要 含有一个
,它就必须把
的整个共轭类都包含进去。
因此:
并且因为任何子群都必须包含单位元 ,所以大小为 1 的共轭类
必然包含。
于是正规子群 的大小只能由下面这些数字拼出来:
也就是说一定是
现在第二个条件来自刚才学过的 Lagrange 定理。
因为
而
所以:
60 的正因数只有:
所以我们只需要看看:
用
中的若干项相加,能不能得到这些因数中的某一个?
我们逐渐加。
只取单位元:
这对应:
这是平凡正规子群。
如果再加入一个 12 元共轭类:
但:
不行。
加入 15 元类:
而
不行。
加入 20 元类:
也不整除 60。
再尝试两个非平凡共轭类:
没有一个整除 60。
三个:
也都不整除 60。
最后全部都要:
这就是整个 。
因此正规子群的大小只有两种可能:
或者
所以:
不存在中间的非平凡正规子群。
因此:
但我们还需要另一半:
不是阿贝尔群。
这个很容易,例如:
但一般有
所以 是:
这就直接造成“可解”失败。
因为如果想构造:
而 没有任何中间正规子群,那么只能是:
对应唯一的非平凡商群:
可是它不是阿贝尔群。
所以:
进而因为
且 已经是不可解的障碍,所以:
到这里,我们已经完成了纯群论这半边:
下一步就要开始真正搭桥到方程:
在进入这个桥之前,我们首先必须学一个新对象:域(field)。因为“知道哪些数”和“加入一个平方根以后知道哪些新数”都要用域来精确描述。