群论入门

一课一度的抄课件环节。

群

定义

群是一种代数系统,定义一个群 \((G,\oplus )\),满足以下条件:

  • $\oplus $ 是一个 满足结合律的二元运算。

  • \(G\) 是一个集合,存在单位元 \(e\)。

  • \(a\in G\implies a^{-1}\in G,a\oplus a^{-1}=e\)。

  • 群 \((G,\oplus )\) 运算封闭。

    也即:

    1. \(a\in G,b\in G\implies a\oplus b\in G\)
    2. \(a\in G\implies a^{-1}\in G\)
    3. \(a\oplus e=e\oplus a=a\)

运算 $\oplus $ 不需要满足交换律。

特别地,若运算 $\oplus $ 满足交换律,则称为 交换群。

阶

  • 当群中只有有限多个元素时,群的阶是元素个数,也就是 \(|G|\)。
  • 元素 \(x\) 的阶定义为最小的正整数 \(k\) 满足 \(x^k=e\),\(x^k\) 指的是连续 \(k\) 个 \(x\) 做运算 $\oplus $。
  • 对于无限群而言,元素的阶不一定存在,例如加法运算定义的整数群,其单位元为 \(0\)。

子群

定义

定义群 \((H,\oplus)\) 是群 \((G,\oplus)\) 的子群,当且仅当满足以下条件:

  1. \(H\subseteq G\)。
  2. \((H,\oplus)\) 是一个合法的群,并且 \(e\in H\)。

性质

设 \((H,\oplus ),(K,\oplus )\) 都是群 \((G,\oplus )\) 的子群。

  1. \((H\cap K,\oplus )\) 是 \((G,\oplus )\) 的子群。

  2. \((H\cup K,\oplus )\) 是 \((G,\oplus )\) 的子群当且仅当该运算发生退化。

    也即 \(K\subseteq H\) 或者 \(H\subseteq K\)。

判定

设 \(H\subseteq G,H\neq \varnothing\),则 \((H,\oplus)\) 是 \((G,\oplus )\) 的子群,当且仅当:

  • \(\forall a\in H,b\in H,a\oplus b\in H,a^{-1}\in H\)。

推论:

  1. 该条件可以等价转述为:\(\forall a,b\in H,a\oplus b^{-1}\in H\)。

    1. \(a\oplus a^{-1}=e\in H\)
    2. \(e\oplus a^{-1}=a^{-1}\in H\)
    3. \(a\oplus (b^{-1})^{-1}=a\oplus b\in H\)
  2. 若 \(H\) 是 \(G\) 的非空有穷子集,则可以等价描述为 \(a,b\in H\implies a\oplus b\in H\),可以略去求逆。

一些特殊的子群

设群 \((G,\oplus )\)。

  • 定义群 \((S(a),\oplus )\),其中 \(S(a)=\lbrace a^i|i\in \mathbb{Z}\rbrace,a\in G\)。

    则 \((S(a),\oplus )\) 为 \((G,\oplus )\) 的子群,称其为 \(a\) 的生成子群,\(a\) 为生成元。

    值得指出的是,这是一个循环群,其定义在后面。

  • 定义群 \((N(a),\oplus )\),其中 \(N(a)=\lbrace x|x\in G,a\oplus x=x\oplus a\rbrace\)。

    显然也是 \((G,\oplus )\) 的子群,称 \(N(a)\) 是 \(G\) 关于 \(a\) 的正规化子。

  • 设 \((H,\oplus )\) 为 \((G,\oplus )\) 的子群,对于 \(x\in G\),定义子群 \((xHx^{-1},\oplus)\),其中 \(xHx^{-1}=\lbrace x\oplus h\oplus x^{-1}|h\in H\rbrace\) 。

    称 \((xHx^{-1},\oplus)\) 为 群 \((H,\oplus )\) 与 \(x\) 的共轭子群。

一些特殊的群

循环群

  • \(G=S(a)=\lbrace a^i|i\in \mathbb{Z}\rbrace\),在运算 $\oplus $ 意义下,则称 \((G,\oplus )\) 为循环群,\(a\) 为生成元

  • \(n\) 阶循环群与在模 \(n\) 意义下的加法剩余系同构

置换群

定义函数 \(f\),其定义域和值域均为 \(G\),且函数 \(f\) 为一个双射函数,则称函数 \(f\) 为 \(G\) 上的一个置换。

  • 特别地,若 $G $ 是一个非空有穷集,将元素分别标号为 \(1\sim |G|\),则可以将置换 \(f\) 看做一个排列。

    也即一个置换可以用一个大小为 \(|G|\) 的排列表示。

定义置换的合成(\(\oplus\) 运算)。

设 \(f\) 是一个置换,\(g\) 是一个置换,定义置换 \(f\oplus g\) 为:

  • \((f\oplus g)(x)=f(g(x)),x\in G\)

定义置换群:

  • 设 \(S_n\) 为所有的 \(n\) 元排列的集合,设 $\oplus $ 为置换的复合运算,称群 \((S_n,\oplus )\) 为\(n\) 元对称群。
  • 对于 \((S_n,\oplus )\) 的子群,我们称为 \(n\) 元置换群。

群的陪集分解

设 \((G,\oplus )\) 为一个群,设子群 \((H,\oplus)\),\(a\in G\),定义 \(H[a]=\lbrace h\oplus a|h\in H\rbrace\),则称 \(H[a]\) 是子群 \(H\) 在 \(G\) 中关于 \(a\) 的右陪集。(类似可以定义左陪集 \([a]H\)。

注意 \(H[a]\) 只是一个集合。

性质:

  • \(H[e]=H\)。

  • \(\forall a\in G\),\(H[a]\) 与 \(H\) 等势。

    等势:称集合 \(S,T\) 等势,当且仅当可以构造两集合间的双射。

    • 一个有穷一个无穷显然不等势。
    • 对于两个有穷集,当且仅当两集合大小相同。
    • 对于两个无穷集,能够找到双射即等势,例如正偶数集和正整数集。
  • 若 \(H\) 为有限集,则 \(H[a]\) 与 \(H\) 同阶。

  • \(\forall a,b\in G,a\in H[b]\iff H[a]=H[b]\iff a\oplus b^{-1}\in H\)

    证明:

    \(a\in H[b]\implies \exists h,h\oplus b=a\implies h=a\oplus b^{-1}\in H\)

    \(H[a]=\lbrace x\oplus a|x\in H\rbrace=\lbrace (x\oplus h)\oplus b|x\in H\rbrace=\lbrace x\oplus b|x\in H\rbrace\)。

    证毕。

  • 根据上一条,可以将 \(H[a],a\in G\) 划分等价类,每一类的大小都恰为 \(|H|\),恰有 \(\frac{|G|}{|H|}\) 个等价类。

    此为拉格朗日定理:设 \((G,\oplus )\) 是有限群,\((H,\oplus)\) 是其子群,则 \(G\) 的阶一定是 \(H\) 的阶的倍数,具体倍数为等价类个数。

群的共轭类分解

设群 \((G,\oplus )\),定义共轭关系:

\(a\in G,x\in G,b=x\oplus a\oplus x^{-1}\),称呼 \(b\) 是 \(a\) 关于 \(x\) 的共轭。

显然 \(b\in G\)。

共轭关系也是等价关系,可以进行共轭类分解。

性质:

  1. \(a\) 所处共轭类 \(T(a)\) 满足 \(|T(a)|=\frac{|G|}{|N(a)|}\)。

    任取 \(x,y\in G\),设 \(x\oplus a\oplus x^{-1}=y\oplus a\oplus y^{-1}\)。

    \[\begin{aligned} &x^{-1}\oplus x\oplus a\oplus x^{-1}\oplus y=x^{-1}\oplus y\oplus a\oplus y^{-1}\oplus y\\\iff &a\oplus x^{-1}\oplus y=x^{-1}\oplus y \oplus a\\ \iff &x^{-1}\oplus y\in N(a)\\ \iff &N(a)[x]=N(a)[y] \end{aligned} \]

    最后那个是陪集分解。

    这说明 \(x,y\) 在 \(G\) 关于 \(N(a)\) 的陪集分解中处于同一等价类当且仅当它们表达同一个共轭关系。

    这就说明了 \(|T(a)|\times |N(a)|=|G|\)。

轨道-稳定子群定理

定义 \(A\) 为状态集合(此处的状态指一个 \(n\) 元向量)设 \(a\in A\)。

设 \((G,\oplus )\) 为一个 \(n\) 元有穷置换群。

此处一个状态 \(a\) 与一个 \(g\in G\) 做置换 \((g\oplus a)(x)=g(a(x))\)。

定义:

  • \(G^a=\lbrace g|g\in G,g\oplus a=a\rbrace\) 称其为 \(a\) 的稳定子群。
  • \(G(a)=\lbrace g\oplus a|g\in G\rbrace\) 称其为 \(a\) 的轨道。
  • \(A^g=\lbrace a|a\in A,g\oplus a=a\rbrace\)

轨道-稳定子群定理: \(|G|=|G^a||G(a)|\)。

设 \(x,y\in G\),有:

\[x\oplus a=y\oplus a\iff a=x^{-1}\oplus (y\oplus a)\iff x^{-1}\oplus y\in G^a\iff G^a[x]=G^a[y] \]

这就说明 \(|G(a)|\) 是 \(G\) 关于 \(G^a\) 的陪集分解中的等价类数量。

Burnside 引理

设 \(|A/G|\) 为本质不同的状态数量(可以通过若干置换转化的排列本质相同)。

设集合 \(A/G\) 为每个本质不同的状态选择一个代表组成的集合,显然 \(G(a)\) 中的状态全部本质相同。

\[\begin{aligned} &|G^a|=\frac{|G|}{|G(a)|}\\ \iff &\sum_{a\in A}|G^a|=|G|\sum_{a\in A}\frac{1}{|G(a)|}\\ \iff &\sum_{a\in A}|G^a|=|G|\sum_{a\in A/G}\sum_{b\in G(a)}\frac{1}{|G(a)|}\\ \iff &\sum_{a\in A}|G^a|=|G|\sum_{a\in A/G}1\\ \iff &\sum_{g\in G}|A^g|=|G|\times |A/G|\\ \iff &|A/G|=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}|A^g| \end{aligned} \]

bouns: burnside 定理存在带权扩展。

有时候我们并不满足于只计算一个个数,我们希望可以对一个局面 \(a\),定义权值函数 \(w(a)\),对所有本质不同的状态的权值函数求和。

我们声称,只要 \(a,b\) 本质相同,则 \(w(a)=w(b)\),即可将公式改写为:

\[w(A/G)=\frac{1}{|G|}\sum_{g\in G}\sum_{a\in A^g}w(a) \]

读者自证不难。

Polya 定理

Polya 定理描述了有 \(m\) 种颜色的染色问题,也即 \(A\) 为所有长度为 \(n\) 值为 \([1,m]\) 的数组的集合。

有 \(|A^g|=m^{\#(g)}\),其中 \(\#(g)\) 为置换 \(g\) 的置换环个数。

考虑带权形式:运用burnside,想要求解所有染色情况下的权值函数之和。

通过一定的组合意义,可以发现相当于每个置换环独立的所有染色方案的权值和的乘积。

posted @ 2026-03-17 20:54  spdarkle  阅读(85)  评论(0)    收藏  举报