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。
定理 1: 令 A {\displaystyle A} 是任何集合。那麼,從 A {\displaystyle A} 到自身的雙射的集合 S A {\displaystyle S_{A}} , f : , A → A {\displaystyle f\,:,A\rightarrow A} ,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: ( f ∘ g ) ∘ h ( x ) = f ∘ g ( h ( x ) ) = f ( g ( h ( x ) ) ) = f ( g ∘ h ( x ) ) = f ∘ ( g ∘ h ) ( x ) {\displaystyle (f\circ g)\circ h(x)=f\circ g(h(x))=f(g(h(x)))=f(g\circ h(x))=f\circ (g\circ h)(x)} 其中複合運算是定義的。單位元是恆等函式,由 i d A ( a ) = a {\displaystyle \mathrm {id} _{A}(a)=a} 對所有 a ∈ A {\displaystyle a\in A} 給出。最後,函式 f {\displaystyle f} 的逆函式是函式 f − 1 {\displaystyle f^{-1}} ,它將 f ( a ) {\displaystyle f(a)} 對映到 a {\displaystyle a} 對所有 a ∈ A {\displaystyle a\in A} 。這個函式存在並且是唯一的,因為 f {\displaystyle f} 是一個雙射。因此,如所述, S A {\displaystyle S_{A}} 是一個群。 ∎
S A {\displaystyle S_{A}} 被稱為 *對 A {\displaystyle A} 的對稱群*。當 A = { 1 , 2 , . . . , n } , n ∈ N {\displaystyle A=\{1,2,...,n\}\,,\,n\in \mathbb {N} } 時,我們將它的對稱群寫成 S n {\displaystyle S_{n}} ,並將這個群稱為 *對 n {\displaystyle n} 個字母的對稱群*。它也被稱為 *對 n {\displaystyle n} 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 ι {\displaystyle \iota } 代替 e {\displaystyle e} ,來表示 S n {\displaystyle S_{n}} 中的恆等函式。
當 σ ∈ S n {\displaystyle \sigma \in S_{n}} 時,我們可以透過指定它將每個元素髮送到哪裡來指定 σ {\displaystyle \sigma } 。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 σ {\displaystyle \sigma } 識別為唯一 n × n {\displaystyle n\times n} 矩陣,在 ( i , σ ( i ) ) {\displaystyle (i,\sigma (i))} 項中具有值 1 {\displaystyle 1} ,而在其他地方為 0 {\displaystyle 0} 。然後,函式的合成對應於矩陣的乘法。實際上,對應於 ρ {\displaystyle \rho } 的矩陣在 ( i , ρ ( i ) ) {\displaystyle (i,\rho (i))} 項中具有值 1 {\displaystyle 1} ,這與 ( σ ( j ) , ρ ( σ ( j ) ) ) {\displaystyle (\sigma (j),\rho (\sigma (j)))} 相同,因此積在 ( j , ρ ( σ ( j ) ) ) {\displaystyle (j,\rho (\sigma (j)))} 項中具有值 1 {\displaystyle 1} 。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 2 × n {\displaystyle 2\times n} 矩陣 ( 1 2 … n σ ( 1 ) σ ( 2 ) … σ ( n ) ) {\displaystyle \left({\begin{array}{cccc}1&2&\dots &n\\\sigma (1)&\sigma (2)&\dots &\sigma (n)\end{array}}\right)} 來表示任何 σ ∈ S n {\displaystyle \sigma \in S_{n}} 。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: 令 σ , ρ ∈ S n {\displaystyle \sigma ,\rho \in S_{n}} . 那麼,積 σ ρ ≡ σ ∘ ρ {\displaystyle \sigma \rho \equiv \sigma \circ \rho } 是首先作用 ρ {\displaystyle \rho } ,然後作用 σ {\displaystyle \sigma } 所獲得的函式。也就是說, σ ρ ( x ) = σ ( ρ ( x ) ) {\displaystyle \sigma \rho (x)=\sigma (\rho (x))} . 在 S n {\displaystyle S_{n}} 中計算積時,這一點很重要。一些教科書試圖透過寫類似 ( x ) ρ σ {\displaystyle (x)\rho \sigma } 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 S n {\displaystyle S_{n}} 中的積。
例 3: 我們將展示 S 3 {\displaystyle S_{3}} 的乘法表。我們為 S 3 {\displaystyle S_{3}} 引入特殊符號: ι = ρ 0 {\displaystyle \iota =\rho _{0}} , ρ 1 = ( 1 2 3 2 3 1 ) {\displaystyle \rho _{1}=\left({\begin{array}{ccc}1&2&3\\2&3&1\end{array}}\right)} , ρ 2 = ( 1 2 3 3 1 2 ) {\displaystyle \rho _{2}=\left({\begin{array}{ccc}1&2&3\\3&1&2\end{array}}\right)} , μ 1 = ( 1 2 3 1 3 2 ) {\displaystyle \mu _{1}=\left({\begin{array}{ccc}1&2&3\\1&3&2\end{array}}\right)} , μ 2 = ( 1 2 3 3 2 1 ) {\displaystyle \mu _{2}=\left({\begin{array}{ccc}1&2&3\\3&2&1\end{array}}\right)} 和 μ 3 = ( 1 2 3 2 1 3 ) {\displaystyle \mu _{3}=\left({\begin{array}{ccc}1&2&3\\2&1&3\end{array}}\right)} 。那麼 S 3 {\displaystyle S_{3}} 的乘法表為
∘ ρ 0 ρ 1 ρ 2 μ 1 μ 2 μ 3 ρ 0 ρ 0 ρ 1 ρ 2 μ 1 μ 2 μ 3 ρ 1 ρ 1 ρ 2 ρ 0 μ 3 μ 1 μ 2 ρ 2 ρ 2 ρ 0 ρ 1 μ 2 μ 3 μ 1 μ 1 μ 1 μ 2 μ 3 ρ 0 ρ 2 ρ 1 μ 2 μ 2 μ 3 μ 1 ρ 1 ρ 0 ρ 2 μ 3 μ 3 μ 1 μ 2 ρ 2 ρ 1 ρ 0 {\displaystyle {\begin{array}{c|cccccc}\circ &\rho _{0}&\rho _{1}&\rho _{2}&\mu _{1}&\mu _{2}&\mu _{3}\\\hline \rho _{0}&\rho _{0}&\rho _{1}&\rho _{2}&\mu _{1}&\mu _{2}&\mu _{3}\\\rho _{1}&\rho _{1}&\rho _{2}&\rho _{0}&\mu _{3}&\mu _{1}&\mu _{2}\\\rho _{2}&\rho _{2}&\rho _{0}&\rho _{1}&\mu _{2}&\mu _{3}&\mu _{1}\\\mu _{1}&\mu _{1}&\mu _{2}&\mu _{3}&\rho _{0}&\rho _{2}&\rho _{1}\\\mu _{2}&\mu _{2}&\mu _{3}&\mu _{1}&\rho _{1}&\rho _{0}&\rho _{2}\\\mu _{3}&\mu _{3}&\mu _{1}&\mu _{2}&\rho _{2}&\rho _{1}&\rho _{0}\end{array}}}
定理 4: S n {\displaystyle S_{n}} 的階為 n ! {\displaystyle n!} .
證明 :這可以透過計數論證得出。我們可以在 S n {\displaystyle S_{n}} 中指定一個唯一的元素,方法是指定每個 i ∈ { 1 , 2 , . . . , n } {\displaystyle i\in \{1,2,...,n\}} 對映到的位置。此外,任何排列都可以用這種方式指定。設 σ ∈ S n {\displaystyle \sigma \in S_{n}} 。在選擇 σ ( 1 ) {\displaystyle \sigma (1)} 時,我們完全自由,有 n {\displaystyle n} 種選擇。然後,在選擇 σ ( 2 ) {\displaystyle \sigma (2)} 時,我們必須從 { 1 , . . . , n } − { σ ( 1 ) } {\displaystyle \{1,...,n\}-\{\sigma (1)\}} 中選擇,總共有 n − 1 {\displaystyle n-1} 種選擇。以此類推,我們看到對於 σ ( i ) {\displaystyle \sigma (i)} ,我們必須從 { 1 , . . . , n } − { σ ( 1 ) , . . . , σ ( i − 1 ) } {\displaystyle \{1,...,n\}-\{\sigma (1),...,\sigma (i-1)\}} 中選擇,總共有 n + 1 − i {\displaystyle n+1-i} 種選擇。指定一個元素的總方法數,以及 S n {\displaystyle S_{n}} 中元素的總數,因此為 | S n | = ∏ i = 1 n ( n + 1 − i ) = n ( n − 1 ) . . . ⋅ 2 ⋅ 1 = n ! {\displaystyle |S_{n}|=\prod _{i=1}^{n}(n+1-i)=n(n-1)...\cdot 2\cdot 1=n!} ,證畢。 ∎
定理 5: S n {\displaystyle S_{n}} 對於所有 n ≥ 3 {\displaystyle n\geq 3} 都是非阿貝爾群。
證明 :設 σ = ( 1 2 3 … n 2 1 3 … n ) {\displaystyle \sigma =\left({\begin{array}{ccccc}1&2&3&\dots &n\\2&1&3&\dots &n\end{array}}\right)} 為僅交換 1 和 2 的函式, ρ = ( 1 2 3 … n 1 3 2 … n ) {\displaystyle \rho =\left({\begin{array}{ccccc}1&2&3&\dots &n\\1&3&2&\dots &n\end{array}}\right)} 為僅交換 2 和 3 的函式。那麼 σ ρ = ( 1 2 3 … n 2 3 1 … n ) {\displaystyle \sigma \rho =\left({\begin{array}{ccccc}1&2&3&\dots &n\\2&3&1&\dots &n\end{array}}\right)} 和 ρ σ = ( 1 2 3 … n 3 1 2 … n ) {\displaystyle \rho \sigma =\left({\begin{array}{ccccc}1&2&3&\dots &n\\3&1&2&\dots &n\end{array}}\right)} 。由於 σ ρ ≠ ρ σ {\displaystyle \sigma \rho \neq \rho \sigma } , S n {\displaystyle S_{n}} 不是阿貝爾群。∎
定義 6: 設 σ ∈ S n {\displaystyle \sigma \in S_{n}} 使得 σ k = ι {\displaystyle \sigma ^{k}=\iota } 對於某個 k ∈ Z {\displaystyle k\in \mathbb {Z} } 成立。那麼 σ {\displaystyle \sigma } 被稱為 k {\displaystyle k} -迴圈 ,其中 k {\displaystyle k} 是最小的正整數。設 σ ∗ {\displaystyle \sigma ^{*}} 是整數集 a {\displaystyle a} ,使得 σ ( a ) ≠ a {\displaystyle \sigma (a)\neq a} 。兩個迴圈 σ , ρ {\displaystyle \sigma ,\rho } 被稱為不相交 的,如果 σ ∗ ∩ ρ ∗ = ∅ {\displaystyle \sigma ^{*}\cap \rho ^{*}=\emptyset } 。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 a ∈ σ ∗ {\displaystyle a\in \sigma ^{*}} ,那麼 σ ( a ) {\displaystyle \sigma (a)} 也是。如果 σ ( a ) = b ≠ a {\displaystyle \sigma (a)=b\neq a} ,那麼如果 σ ( b ) = b {\displaystyle \sigma (b)=b} ,我們就有 σ {\displaystyle \sigma } 不是一一對映的。
定理 7: 令 σ , ρ ∈ S n {\displaystyle \sigma ,\rho \in S_{n}} 。如果 σ ∗ ∩ ρ ∗ = ∅ {\displaystyle \sigma ^{*}\cap \rho ^{*}=\emptyset } ,那麼 σ ρ = ρ σ {\displaystyle \sigma \rho =\rho \sigma } 。
證明 : 對於任何整數 1 ≤ a ≤ n {\displaystyle 1\leq a\leq n} 使得 a ∈ σ ∗ {\displaystyle a\in \sigma ^{*}} 但 a ∉ ρ ∗ {\displaystyle a\not \in \rho ^{*}} ,我們有 σ ρ ( a ) = σ ( ι ( a ) ) = σ ( a ) = ι ( σ ( a ) ) = ρ ( σ ( a ) ) = ρ σ ( a ) {\displaystyle \sigma \rho (a)=\sigma (\iota (a))=\sigma (a)=\iota (\sigma (a))=\rho (\sigma (a))=\rho \sigma (a)} 。類似的論證適用於 a ∈ ρ ∗ {\displaystyle a\in \rho ^{*}} 但 a ∉ σ ∗ {\displaystyle a\not \in \sigma ^{*}} 。如果 a ∉ σ ∗ ∪ ρ ∗ {\displaystyle a\not \in \sigma ^{*}\cup \rho ^{*}} ,我們必須有 σ ρ ( a ) = σ ( a ) = a = ρ ( a ) = ρ σ ( a ) {\displaystyle \sigma \rho (a)=\sigma (a)=a=\rho (a)=\rho \sigma (a)} 。由於 σ ∗ ∩ ρ ∗ = ∅ {\displaystyle \sigma ^{*}\cap \rho ^{*}=\emptyset } ,我們現在已經窮盡了所有 a ∈ { 1 , . . . , n } {\displaystyle a\in \{1,...,n\}} ,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 σ ∈ S n {\displaystyle \sigma \in S_{n}} 。選擇一個元素 a ∈ σ ∗ {\displaystyle a\in \sigma ^{*}} 並計算 σ ( a ) , σ 2 ( a ) , . . . , σ k ( a ) = a {\displaystyle \sigma (a),\sigma ^{2}(a),...,\sigma ^{k}(a)=a} 。由於 S n {\displaystyle S_{n}} 是有限階數 n ! {\displaystyle n!} ,我們知道 k {\displaystyle k} 存在且 k ≤ n ! {\displaystyle k\leq n!} 。我們現在找到了一個 k {\displaystyle k} -迴圈 σ 1 {\displaystyle \sigma _{1}} 包含 a {\displaystyle a} 。由於 σ 1 ∗ = { a , σ ( a ) , . . . , σ k − 1 ( a ) } {\displaystyle \sigma _{1}^{*}=\{a,\sigma (a),...,\sigma ^{k-1}(a)\}} ,這個迴圈可以從 σ {\displaystyle \sigma } 中分解出來得到 σ = σ 1 σ ′ {\displaystyle \sigma =\sigma _{1}\sigma ^{\prime }} 。重複此過程,由於 σ ∗ {\displaystyle \sigma ^{*}} 是有限的,該過程將終止,我們已經構建了一個等於 σ {\displaystyle \sigma } 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 n {\displaystyle n} -迴圈 σ {\displaystyle \sigma } ,我們可以透過選擇任何元素 a ∈ σ ∗ {\displaystyle a\in \sigma ^{*}} 並寫成 σ = ( a σ ( a ) σ 2 ( a ) . . . σ n − 1 ( a ) ) {\displaystyle \sigma =\left(a\ \sigma (a)\ \sigma ^{2}(a)\ ...\ \sigma ^{n-1}(a)\right)} 來顯示它的作用。
定理 9: 任何 n {\displaystyle n} -迴圈可以表示為換位的組合。
證明 :令 σ = ( a σ ( a ) σ 2 ( a ) . . . σ n − 1 ( a ) ) {\displaystyle \sigma =\left(a\ \sigma (a)\ \sigma ^{2}(a)\ ...\ \sigma ^{n-1}(a)\right)} 。 那麼, σ = ( a σ 2 ( a ) . . . σ n − 1 ( a ) ) ( a σ ( a ) ) {\displaystyle \sigma =\left(a\ \sigma ^{2}(a)\ ...\ \sigma ^{n-1}(a)\right)\left(a\ \sigma (a)\right)} (驗證一下!),省略了複合符號 ∘ {\displaystyle \circ } 。重複此過程,得到 σ = ( a σ n − 1 ( a ) ) . . . ( a σ 2 ( a ) ) ( a σ ( a ) ) {\displaystyle \sigma =\left(a\ \sigma ^{n-1}(a)\right)...\left(a\ \sigma ^{2}(a)\right)\left(a\ \sigma (a)\right)} 。 ∎
注10: 這種用對換乘積表示 σ {\displaystyle \sigma } 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 為偶數 。 否則,它是奇數 。 我們定義函式 sgn ( σ ) = 1 {\displaystyle \operatorname {sgn}(\sigma )=1} ,如果 σ {\displaystyle \sigma } 是偶數,並且 sgn ( σ ) = − 1 {\displaystyle \operatorname {sgn}(\sigma )=-1} ,如果 σ {\displaystyle \sigma } 是奇數。
引理12: 單位元 ι {\displaystyle \iota } 的奇偶性為偶數。
Proof : Observe first that ι ≠ ( a b ) {\displaystyle \iota \neq (a\ b)} for a ≠ b {\displaystyle a\neq b} . Thus the minimum number of transpositions necessary to represent ι {\displaystyle \iota } is 2: ι = ( a b ) ( a b ) {\displaystyle \iota =(a\ b)(a\ b)} . Now, assume that for any representation using less than k {\displaystyle k} transpositions must be even. Thus, let ι = ( a 1 b 1 ) . . . ( a k b k ) {\displaystyle \iota =(a_{1}\ b_{1})...(a_{k}\ b_{k})} . Now, since in particular ι ( a 1 ) = a 1 {\displaystyle \iota (a_{1})=a_{1}} , we must have a 1 ∈ ( a i b i ) ∗ {\displaystyle a_{1}\in (a_{i}\ b_{i})^{*}} for some 1 < i ≤ k {\displaystyle 1<i\leq k} . Since disjoint transpositions commute, and ( a r a s ) ( a i a r ) = ( a i a s ) ( a r a s ) {\displaystyle (a_{r}\ a_{s})(a_{i}\ a_{r})=(a_{i}\ a_{s})(a_{r}\ a_{s})} where a i ≠ a r ≠ a s {\displaystyle a_{i}\neq a_{r}\neq a_{s}} , it is always possible to configure the transpositions such that the first two transpositions are either ( a 1 b 1 ) ( a 1 b 1 ) = ι {\displaystyle (a_{1}\ b_{1})(a_{1}\ b_{1})=\iota } , reducing the number of transposition by two, or ( a 1 b 1 ) ( a 1 b 2 ) = ( a 1 b 2 ) ( b 1 b 2 ) {\displaystyle (a_{1}\ b_{1})(a_{1}\ b_{2})=(a_{1}\ b_{2})(b_{1}\ b_{2})} . In this case we have reduced the number of transpositions involving a 1 {\displaystyle a_{1}} by 1. We restart the same process as above. with the new representation. Since only a finite number of transpositions move a 1 {\displaystyle a_{1}} , we will eventually be able to cancel two permutations and be left with k − 2 {\displaystyle k-2} transpositions in the product. Then, by the induction hypothesis, k − 2 {\displaystyle k-2} must be even and so k {\displaystyle k} is even as well, proving the lemma. ∎
定理13: 置換的奇偶性,以及 sgn {\displaystyle \operatorname {sgn} } 函式是明確定義的。
證明 :設 σ ∈ S n {\displaystyle \sigma \in S_{n}} ,並將 σ {\displaystyle \sigma } 寫成兩種不同方式的轉置乘積: σ = τ 1 . . . τ k = τ 1 ′ . . . τ k ′ ′ {\displaystyle \sigma =\tau _{1}...\tau _{k}=\tau _{1}^{\prime }...\tau _{k^{\prime }}^{\prime }} 。那麼,由於 ι {\displaystyle \iota } 具有偶校驗性,根據引理 11,以及 ι = σ σ − 1 = τ 1 . . . τ k τ k ′ ′ . . . τ 1 ′ {\displaystyle \iota =\sigma \sigma ^{-1}=\tau _{1}...\tau _{k}\tau _{k^{\prime }}^{\prime }...\tau _{1}^{\prime }} 。因此, k + k ′ ≡ 0 m o d 2 {\displaystyle k+k^{\prime }\equiv 0\ \mathrm {mod} \ 2} ,並且 k ≡ k ′ m o d 2 {\displaystyle k\equiv k^{\prime }\ \mathrm {mod} \ 2} ,所以 σ {\displaystyle \sigma } 具有唯一確定的校驗性,因此 sgn {\displaystyle \operatorname {sgn} } 是定義良好的。 ∎
定理 14: 設 σ , ρ ∈ S n {\displaystyle \sigma ,\rho \in S_{n}} 。然後, sgn ( σ ρ ) = sgn ( σ ) sgn ( ρ ) {\displaystyle \operatorname {sgn}(\sigma \rho )=\operatorname {sgn}(\sigma )\operatorname {sgn}(\rho )} 。
證明 :將 σ {\displaystyle \sigma } 和 ρ {\displaystyle \rho } 分解成對換: σ = μ 1 . . . μ k {\displaystyle \sigma =\mu _{1}...\mu _{k}} , ρ = ν 1 . . . ν l {\displaystyle \rho =\nu _{1}...\nu _{l}} 。然後 σ ρ = μ 1 . . . μ k ν 1 . . . ν l {\displaystyle \sigma \rho =\mu _{1}...\mu _{k}\nu _{1}...\nu _{l}} 的奇偶性由 k + l {\displaystyle k+l} 給出。如果兩者都是偶數或奇數, k + l {\displaystyle k+l} 是偶數,實際上 sgn ( σ ) sgn ( ρ ) = 1 ⋅ 1 = 1 = sgn ( σ ρ ) {\displaystyle \operatorname {sgn}(\sigma )\operatorname {sgn}(\rho )=1\cdot 1=1=\operatorname {sgn}(\sigma \rho )} 。如果一個是奇數,另一個是偶數, k + l {\displaystyle k+l} 是奇數,並且再次 sgn ( σ ) sgn ( ρ ) = ( − 1 ) ⋅ 1 = − 1 = sgn ( σ ρ ) {\displaystyle \operatorname {sgn}(\sigma )\operatorname {sgn}(\rho )=(-1)\cdot 1=-1=\operatorname {sgn}(\sigma \rho )} ,證明了定理。∎
引理 15: S n {\displaystyle S_{n}} 中偶排列的數量等於奇排列的數量。
證明 :令 σ {\displaystyle \sigma } 為任何偶置換, τ {\displaystyle \tau } 為一個對換。則由定理 14 可知 τ σ {\displaystyle \tau \sigma } 的奇偶性為奇。令 E {\displaystyle E} 為偶置換的集合, O {\displaystyle O} 為奇置換的集合。則由 f ( σ ) = τ σ {\displaystyle f(\sigma )=\tau \sigma } 給出的函式 f : E → O {\displaystyle f:E\rightarrow O} 對於任何 σ ∈ E {\displaystyle \sigma \in E} 和一個固定的對換 τ {\displaystyle \tau } ,是一個雙射。(事實上,它是在 S S n {\displaystyle S_{S_{n}}} 中的對換!)因此 E {\displaystyle E} 和 O {\displaystyle O} 具有相同數量的元素,如所述。 ∎
定義 16: 令 S n {\displaystyle S_{n}} 中所有偶置換的集合表示為 A n {\displaystyle A_{n}} 。 A n {\displaystyle A_{n}} 被稱為關於 n {\displaystyle n} 個字母的交錯群 。
定理 17: A n {\displaystyle A_{n}} 是 一個群,並且是 S n {\displaystyle S_{n}} 的一個子群,其階為 n ! 2 {\displaystyle {\frac {n!}{2}}} 。
證明 :我們首先證明 A n {\displaystyle A_{n}} 在合成運算下是一個群。然後它自動成為 S n {\displaystyle S_{n}} 的一個子群。根據定理 14, A n {\displaystyle A_{n}} 在合成運算下是封閉的,並且結合律從 S n {\displaystyle S_{n}} 繼承而來。此外,恆等置換是偶置換,因此 ι ∈ A n {\displaystyle \iota \in A_{n}} 。因此 A n {\displaystyle A_{n}} 是一個群,也是 S n {\displaystyle S_{n}} 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 | A n | = | S n | 2 = n ! 2 {\displaystyle |A_{n}|={\frac {|S_{n}|}{2}}={\frac {n!}{2}}} ,證明了定理。 ∎
定理 18: 設 n ≥ 3 {\displaystyle n\geq 3} 。那麼 A n {\displaystyle A_{n}} 由 S n {\displaystyle S_{n}} 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 a , b , c , d ∈ S n {\displaystyle a,b,c,d\in S_{n}} 是不同的。那麼,透過一些分類討論,
i) ( a b ) ( a b ) = ( a b c ) 3 {\displaystyle (a\ b)(a\ b)=(a\ b\ c)^{3}} ,
ii) ( a b ) ( b c ) = ( c a b ) {\displaystyle (a\ b)(b\ c)=(c\ a\ b)} ,以及
iii) ( a b ) ( c d ) = ( a d c ) ( a b c ) {\displaystyle (a\ b)(c\ d)=(a\ d\ c)(a\ b\ c)} ,
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 A 4 {\displaystyle A_{4}} ,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 C 3 {\displaystyle C_{3}} 的子群中新增任何其他元素,它將生成整個群 A 4 {\displaystyle A_{4}} 。我們把這一點留給讀者證明。
這些線代表正六邊形的反射對稱
二面體群 D 16 {\displaystyle D_{16}} 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 n {\displaystyle n} -邊形有 n {\displaystyle n} 個旋轉對稱和 n {\displaystyle n} 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 2 n {\displaystyle 2n} 的二面體群 ,記為 D 2 n {\displaystyle D_{2n}} ,是正 n {\displaystyle n} -邊形的旋轉和反射群。
定理 20: D 2 n {\displaystyle D_{2n}} 的階數恰好是 2 n {\displaystyle 2n} 。
證明 : 令 ρ {\displaystyle \rho } 為一個旋轉,它在 D 2 n {\displaystyle D_{2n}} 中生成一個階為 n {\displaystyle n} 的子群。顯然, ⟨ ρ ⟩ {\displaystyle \langle \rho \rangle } 然後捕獲了所有規則 n {\displaystyle n} -邊形的純旋轉。現在設 μ {\displaystyle \mu } 為 D 2 n {\displaystyle D_{2n}} 中的任何旋轉。剩下的元素可以透過將 ⟨ ρ ⟩ {\displaystyle \langle \rho \rangle } 中的每個元素與 μ {\displaystyle \mu } 合成來找到。我們得到一個元素列表 D 2 n = { ι , ρ , . . . , ρ n − 1 , μ , μ ρ , . . . , μ ρ n − 1 } {\displaystyle D_{2n}=\{\iota ,\rho ,...,\rho ^{n-1},\mu ,\mu \rho ,...,\mu \rho ^{n-1}\}} 。因此, D 2 n {\displaystyle D_{2n}} 的階為 2 n {\displaystyle 2n} ,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 { ρ , μ } {\displaystyle \{\rho ,\mu \}} 是 G {\displaystyle G} 的生成集,並且所有元素都可以透過寫出 ρ {\displaystyle \rho } 和 μ {\displaystyle \mu } 的任意乘積,並根據規則 ρ n = ι {\displaystyle \rho ^{n}=\iota } , μ 2 = ι {\displaystyle \mu ^{2}=\iota } 和 ρ μ = μ ρ − 1 {\displaystyle \rho \mu =\mu \rho ^{-1}} 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。