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第 10 章:为什么 S₅ 不可解,完整补上群论障碍
本章任务:为框架中的“ 不可解”提供一份可独立核对的证明。已熟悉
的读者,可以先读第 10.1、10.6 节。
10.1 真正要证明的是不存在任何可解列
找到一条 的链,并发现它有一个非阿贝尔商,只能说明这条链不满足可解定义;尚未排除别的可解列。
严谨路线是:证明 是非阿贝尔单群,从而它不可能有可解列;再由“可解群的任意子群仍可解”推出包含它的
不可解。
所谓单群,是只有平凡子群与自身这两个正规子群的非平凡群。
10.2 奇偶性与 A₅ 的大小
一个 循环可写成
个换位,所以其符号为
。奇偶性良定义,可用如下短证明核对:令
重排变量后,各无序对的因子仍出现一次,只可能改变符号,所以 ,其中
。任意换位使该乘积变号:被交换那对的因子变号,其余涉及它们的因子成对重排。复合变量置换给出
。因此不论把置换写成哪种换位分解,换位个数的奇偶性都相同。
符号映射 满射,其核是
。乘以一个固定换位给出偶置换与奇置换的双射,故
作为符号同态的核正规于
,并有
。但这个阿贝尔商本身不能消除
内部的障碍。
10.3 偶置换的全部循环类型与数量
把五个对象的置换分解成不相交循环。枚举 5 的分拆并检查符号,得到偶置换仅有以下四种类型。
| 类型 | 数量 | 计数理由 |
|---|---|---|
| 恒等置换 | 1 | 全部不动 |
| 三循环 | 20 | 选三对象有 |
| 两个不相交换位 | 15 | 选不动对象有 5 种,其余四对象有 3 种配对 |
| 五循环 | 24 | 固定循环开头后排列其余对象,有 |
总数 ,恰好覆盖
。
10.4 补充完整证明:共轭类大小是 1、20、15、12、12
对群 的元素
,其中心化子为
两个元素 给出同一共轭
,当且仅当
。所以共轭类与中心化子的左陪集一一对应,类大小为
。
三循环。取 。与它交换的置换必须保持支撑集
;在这三点上只能是
的三个幂,在
上可以恒等或交换。这使
有 6 个元素。
的幂均为偶置换,而
是奇置换,故
有 3 个元素。类大小
,所有三循环形成一个类。
双换位。取 。交换者必须固定唯一不动点 5。可把 1 送到四个支撑点中的任意一点,其像一确定,2 的像便由
确定;3 的像有剩下的两个选择,4 的像随之确定。恰有
个交换者。这些选择都保持
的两点轨道,确实满足交换。中心化子含奇置换
,乘以它给出奇偶元素的双射,因此偶交换者有 4 个。类大小
,所有双换位形成一个类。
五循环。取 。若
与
交换,
一确定,
决定其余全部像。五个选择分别给出
的五个幂,因此中心化子是
。它们全为偶置换,故在
中的中心化子大小为 5,类大小
。共有 24 个五循环,每个类都大小 12,所以分成两个类。
因此 的共轭类大小恰为
10.5 正规子群只能是共轭类并集,推出单群性
若 ,且
,则对每个
都有
。因此
是若干完整共轭类的并集,且必须包含恒等类。
所以 是 1 加上
中某些数的和。全部不同的可能值为
另一方面,Lagrange 定理要求 :左陪集相交则相等,各陪集都与
等大,而它们分割
,故
是
的整数倍。在上述名单中,仅 1 和 60 整除 60。于是
只能平凡或等于整个
,证明
单。
10.6 非阿贝尔单群不可解,所以 S₅ 不可解
取 、
,乘积从右向左作用,则
所以 ,
非阿贝尔。
若 存在可解列,删除重复项后,紧邻
的下一个真子群必须正规于
。单群性迫使它为
,于是第一层商群就是
本身,却非阿贝尔,矛盾。因此
不可解。
若 可解,其子群
应由第 8.3 节也可解,矛盾。所以
回到主线:结合第 2 章,已经独立证明通用五次方程的 不可解。