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抽象代數/群論/置換群

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置換群

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對於任何有限非空集S,A(S) 是S到S的所有一對一變換(對映)的集合,它形成一個稱為置換群的群,並且A(S) 的任何元素,即從S到自身的對映,被稱為置換。

對稱群

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定理 1: 是任何集合。那麼,從 到自身的雙射的集合 ,在函式的複合運算下形成一個群。

證明: 我們必須驗證群公理。結合律成立,因為函式的複合運算總是結合的: 其中複合運算是定義的。單位元是恆等函式,由 對所有 給出。最後,函式 的逆函式是函式 ,它將 對映到 對所有 。這個函式存在並且是唯一的,因為 是一個雙射。因此,如所述, 是一個群。

被稱為 *對 的對稱群*。當 時,我們將它的對稱群寫成 ,並將這個群稱為 *對 個字母的對稱群*。它也被稱為 *對 個字母的置換群*。正如我們很快就會看到,這是一個合適的名稱。

我們將使用不同的符號 代替 ,來表示 中的恆等函式。

時,我們可以透過指定它將每個元素髮送到哪裡來指定 。有很多方法可以用數學方法來編碼這些資訊。一個顯而易見的方法是將 識別為唯一 矩陣,在 項中具有值 ,而在其他地方為 。然後,函式的合成對應於矩陣的乘法。實際上,對應於 的矩陣在 項中具有值 ,這與 相同,因此積在 項中具有值 。這種表示法可能看起來很笨拙。幸運的是,存在一種更方便的表示法,我們將使用它。

我們可以用 矩陣 來表示任何 。我們顯然失去了函式合成與矩陣乘法之間的對應關係,但我們獲得了更易讀的符號。目前,我們將使用這種表示法。

注 2:. 那麼,積 是首先作用 ,然後作用 所獲得的函式。也就是說,. 在 中計算積時,這一點很重要。一些教科書試圖透過寫類似 的函式(即把引數寫在函式的左邊)來解決經常出現的混淆。我們不會這樣做,因為它不符合標準。讀者應該利用下面的例子和定理來感受在 中的積。

例 3: 我們將展示 的乘法表。我們為 引入特殊符號:。那麼 的乘法表為

定理 4: 的階為 .

證明:這可以透過計數論證得出。我們可以在 中指定一個唯一的元素,方法是指定每個 對映到的位置。此外,任何排列都可以用這種方式指定。設 。在選擇 時,我們完全自由,有 種選擇。然後,在選擇 時,我們必須從 中選擇,總共有 種選擇。以此類推,我們看到對於 ,我們必須從 中選擇,總共有 種選擇。指定一個元素的總方法數,以及 中元素的總數,因此為 ,證畢。

定理 5: 對於所有 都是非阿貝爾群。

證明:設 為僅交換 1 和 2 的函式, 為僅交換 2 和 3 的函式。那麼 。由於 不是阿貝爾群。

定義 6: 使得 對於某個 成立。那麼 被稱為 -迴圈,其中 是最小的正整數。設 是整數集 ,使得 。兩個迴圈 被稱為不相交的,如果 。另外,一個 2-迴圈被稱為對換

備註 3: 重要的是要認識到,如果 ,那麼 也是。如果 ,那麼如果 ,我們就有 不是一一對映的。

定理 7:。如果 ,那麼

證明: 對於任何整數 使得 ,我們有 。類似的論證適用於 。如果 ,我們必須有 。由於 ,我們現在已經窮盡了所有 ,我們完成了。

定理 8: 任何置換都可以表示為不相交迴圈的複合。

證明:令 。選擇一個元素 並計算 。由於 是有限階數 ,我們知道 存在且 。我們現在找到了一個 -迴圈 包含 。由於 ,這個迴圈可以從 中分解出來得到 。重複此過程,由於 是有限的,該過程將終止,我們已經構建了一個等於 的不相交迴圈的組合。

現在我們已經證明了所有置換都只是不相交迴圈的組合,我們可以引入置換的最終簡寫符號。對於一個 -迴圈 ,我們可以透過選擇任何元素 並寫成 來顯示它的作用。

定理 9:任何 -迴圈可以表示為換位的組合。

證明:令 。 那麼, (驗證一下!),省略了複合符號。重複此過程,得到

注10:這種用對換乘積表示的方式不是唯一的。 然而,正如我們現在將要看到的,這種表示的“奇偶性”是明確定義的。

定義11:如果一個置換可以表示為偶數個對換的乘積,則該置換的奇偶性偶數。 否則,它是奇數。 我們定義函式,如果是偶數,並且,如果是奇數。

引理12:單位元的奇偶性為偶數。

Proof: Observe first that for . Thus the minimum number of transpositions necessary to represent is 2: . Now, assume that for any representation using less than transpositions must be even. Thus, let . Now, since in particular , we must have for some . Since disjoint transpositions commute, and where , it is always possible to configure the transpositions such that the first two transpositions are either , reducing the number of transposition by two, or . In this case we have reduced the number of transpositions involving by 1. We restart the same process as above. with the new representation. Since only a finite number of transpositions move , we will eventually be able to cancel two permutations and be left with transpositions in the product. Then, by the induction hypothesis, must be even and so is even as well, proving the lemma.

定理13:置換的奇偶性,以及函式是明確定義的。

證明:設 ,並將 寫成兩種不同方式的轉置乘積: 。那麼,由於 具有偶校驗性,根據引理 11,以及 。因此,,並且 ,所以 具有唯一確定的校驗性,因此 是定義良好的。

定理 14:。然後,

證明:將 分解成對換:。然後 的奇偶性由 給出。如果兩者都是偶數或奇數, 是偶數,實際上 。如果一個是奇數,另一個是偶數, 是奇數,並且再次 ,證明了定理。

引理 15: 中偶排列的數量等於奇排列的數量。

證明:令 為任何偶置換, 為一個對換。則由定理 14 可知 的奇偶性為奇。令 為偶置換的集合, 為奇置換的集合。則由 給出的函式 對於任何 和一個固定的對換 ,是一個雙射。(事實上,它是在 中的對換!)因此 具有相同數量的元素,如所述。

定義 16: 中所有偶置換的集合表示為 被稱為關於 個字母的交錯群

定理 17: 一個群,並且是 的一個子群,其階為

證明:我們首先證明 在合成運算下是一個群。然後它自動成為 的一個子群。根據定理 14, 在合成運算下是封閉的,並且結合律從 繼承而來。此外,恆等置換是偶置換,因此 。因此 是一個群,也是 的一個子群。根據引理 14,偶置換和奇置換的數量相等,因此我們有 ,證明了定理。

定理 18:。那麼 中的 3-迴圈生成。

證明:我們必須證明任何偶置換都可以分解成 3-迴圈。只要證明對一對換位成立就足夠了。設 是不同的。那麼,透過一些分類討論,

i) ,
ii) ,以及
iii) ,

證明了定理。

在前面的章節中,我們證明了拉格朗日定理:任何子群的階數都整除其母群的階數。但是,反過來,即一個群對於其階數的每個除數都存在一個子群,則是錯誤的!最小的反例是交錯群 ,它的階數是 12,但沒有階數為 6 的子群。它有階數為 3 和 4 的子群,分別對應於階數為 3 的迴圈群和克萊因四元群。然而,如果我們向對應於 的子群中新增任何其他元素,它將生成整個群 。我們把這一點留給讀者證明。

二面體群

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這些線代表正六邊形的反射對稱
二面體群 的元素,作為停車標誌的旋轉和反射。

二面體群是正多邊形的對稱群。因此,它們是對稱群的子群。一般來說,一個正 -邊形有 個旋轉對稱和 個反射對稱。二面體群透過包含相關的旋轉和反射來捕獲這些對稱性。

定義 19:階數為 的二面體群,記為 ,是正 -邊形的旋轉和反射群。

定理 20: 的階數恰好是

證明: 令 為一個旋轉,它在 中生成一個階為 的子群。顯然, 然後捕獲了所有規則 -邊形的純旋轉。現在設 中的任何旋轉。剩下的元素可以透過將 中的每個元素與 合成來找到。我們得到一個元素列表 。因此, 的階為 ,證明了其符號並證明了定理。

備註 21: 從這個證明中我們也可以看到 的生成集,並且所有元素都可以透過寫出 的任意乘積,並根據規則 進行簡化表示式。事實上,從圖中可以看出,旋轉與反射的合成是新的反射。

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