正规子群

这篇博客探讨了群论中的正规子群概念,它是指对于群G的任意元素g,其与子群H的乘积再取逆仍然属于H的子群。由于这个性质,所有阿贝尔群的子群都是正规的。正规子群在商群和直和等群论构造中扮演关键角色,确保这些构造保持群的交换性。

H是G的子群,如果对所有g∈G,都有gHg−1=H则称H是G的正规子群H是G的子群,如果对所有g\in G,都有gHg^{-1}=H\\ 则称H是G的正规子群HGgG,gHg1=HHG

正规子群,或者说正规性体现了群的交换性,阿贝尔群的任何子群都是正规子群
(所有阿贝尔群的子群都是正规子群,所以每个子群都引发商群。阿贝尔群的子群、商群和直和也是阿贝尔群。)
### 正规子群链的定义 设 \(G\) 是一个群,若存在群 \(G\) 的一系列子群 \(G_0, G_1, \cdots, G_n\),满足 \(G = G_0 \triangleright G_1 \triangleright \cdots \triangleright G_n=\{e\}\),其中符号 \(\triangleright\) 表示“正规包含”,即对于 \(i = 0,1,\cdots,n - 1\),\(G_{i + 1}\) 是 \(G_i\) 的正规子群,则称序列 \(G = G_0 \triangleright G_1 \triangleright \cdots \triangleright G_n=\{e\}\) 为群 \(G\) 的一个正规子群链。 ### 正规子群链的性质 - **商群性质**:对于正规子群链 \(G = G_0 \triangleright G_1 \triangleright \cdots \triangleright G_n=\{e\}\),可以得到一系列商群 \(G_0/G_1, G_1/G_2, \cdots, G_{n - 1}/G_n\)。这些商群的性质在研究群 \(G\) 的结构中起着重要作用。例如,若所有的商群 \(G_i/G_{i + 1}\) 都是阿贝尔群,则称群 \(G\) 是可解群。 - **传递性**:正规子群的包含关系具有传递性。若 \(H\triangleleft K\) 且 \(K\triangleleft G\),虽然一般情况下 \(H\) 不一定是 \(G\) 的正规子群,但在正规子群链中,每一步的正规包含关系是明确的。 ### 相关证明示例 #### 可解群判定证明 证明:若群 \(G\) 有一个正规子群链 \(G = G_0 \triangleright G_1 \triangleright \cdots \triangleright G_n=\{e\}\),且商群 \(G_i/G_{i + 1}\) 都是阿贝尔群,则 \(G\) 是可解群。 设 \(x,y\in G_i\),考虑它们在商群 \(G_i/G_{i + 1}\) 中的像 \(\overline{x}=xG_{i + 1}\) 和 \(\overline{y}=yG_{i + 1}\)。因为 \(G_i/G_{i + 1}\) 是阿贝尔群,所以 \(\overline{x}\overline{y}=\overline{y}\overline{x}\),即 \((xG_{i + 1})(yG_{i + 1})=(yG_{i + 1})(xG_{i + 1})\)。根据商群的运算规则,\(xyG_{i + 1}=yxG_{i + 1}\),这意味着 \(xy(yx)^{-1}=xyx^{-1}y^{-1}\in G_{i + 1}\)。通过对正规子群链的逐步推导,可以得出群 \(G\) 满足可解群的定义。 #### 正规子群链存在性证明 对于有限群 \(G\),一定存在正规子群链。可以通过以下方法构造: 设 \(G\) 是有限群,若 \(G\) 是单群(即 \(G\) 除了 \(\{e\}\) 和 \(G\) 本身外没有其他正规子群),则正规子群链为 \(G\triangleright \{e\}\)。若 \(G\) 不是单群,则存在非平凡正规子群 \(G_1\),使得 \(G\triangleright G_1\)。对 \(G_1\) 重复上述过程,由于 \(G\) 是有限群,经过有限步后一定可以得到正规子群链 \(G = G_0 \triangleright G_1 \triangleright \cdots \triangleright G_n=\{e\}\)。 ```python # 这里只是简单示意,实际群论计算在 Python 中需要更复杂的实现 # 假设我们有一个简单的群表示为列表 G = [1, 2, 3, 4] # 这里只是示例,实际正规子群的判断需要根据群的运算规则 G1 = [1, 2] G2 = [1] normal_chain = [G, G1, G2] print(normal_chain) ```
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