抽象代数 · 课程学习笔记

第 2 讲 · 阶数最小的非交换群的例子:置换群 S3

The Smallest Non-Abelian Group: S3
音频时长 29:39 进度 2 / 38 讲 核心概念:置换群 · 轮换记号 · 乘法表 · 非交换群 · 生成元与关系
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◎学习目标

  1. 理解置换(集合上的双射)与置换群的定义,会验证 \(S_n\) 在映射复合下构成群;
  2. 掌握置换的两行记号与轮换记号,能在两种记号之间熟练转换;
  3. 掌握置换乘法的计算规则:乘法=映射复合,从最右边的因子先作用,逐元素追踪;
  4. 熟记 \(S_3\) 的全部 6 个元素及本讲算过的乘法关系,会补全 \(S_3\) 的乘法表;
  5. 通过 \(\sigma_1\sigma_2 \neq \sigma_2\sigma_1\) 验证 \(S_3\) 是非交换群,并知道它是阶数最小的非交换群(阶为 6);
  6. 理解 \(S_3\) 的生成元与关系写法:\(x=(1\ 2),\ y=(1\ 2\ 3)\),\(S_3=\{1,x,yx,xy,y,y^2\}\),关系 \(x^2=y^3=1,\ xy^2=yx\)。

1置换群与 \(S_n\) ⏱ 00:24

1.1 置换的定义

本讲的主角是置换群 \(S_3\)——它是阶数最小的非交换群,是群的例子里非常重要的一个例子。在讲 \(S_3\) 之前,先从一般的置换群看起。置换群,英语叫做 Permutation Group。

定义 · 置换 设 \(T\) 是一个集合。考虑 \(T\) 上的映射;如果这个映射有逆映射,那么它就是双射(这是已知的事实)。这样的双射就称为集合 \(T\) 上的一个置换。
例 · 直观感受 ⏱ 00:52 取 \(T = \{1,2,3\}\)。把 \(1,2,3\) 变成 \(1,3,2\),或者保持不动变成 \(1,2,3\),……这些都是 \(T\) 上的双射,也就是 \(T\) 上的置换。

1.2 一个简单事实 ⏱ 01:04

性质 · 复合与逆仍是置换 两个置换的复合,以及一个置换的逆映射,仍然都是置换。原因:双射与双射的复合、双射的逆映射,仍然都是这个集合上的双射。

这个简单的结果正是把「所有置换」放在一起构成群的关键(封闭性与逆元的来源)。

1.3 \(S_n\) 的定义与运算 ⏱ 01:24

定义 · 置换群 \(S_n\) 设 \(T\) 是具有 \(n\) 个元素的集合,\(T\) 中的元素用 \(1, 2, \dots, n\) 表示。考虑 \(T\) 上所有的置换(即所有双射)组成的集合,记作
\[ S_n = \{\, \sigma \mid \sigma : T \to T \text{ 是双射} \,\}. \]
在 \(S_n\) 上定义运算(乘法):对任意两个置换,它们的乘积就是作为双射(作为函数)的复合。⏱ 02:15

回顾第 1 讲:所谓群,就是一个集合加上一个运算,并且运算满足群公理。置换群 \(S_n\) 的集合就是「\(n\) 个元素的集合 \(T\) 上的所有变化」,运算就是映射的复合。

命题 · \(S_n\) 是一个群 ⏱ 02:38 很容易验证,\(S_n\) 在上述乘法下满足群的所有条件,构成一个群,称为(\(n\) 元的)置换群。
验证(点击展开)
  1. 封闭性:两个双射的复合仍是双射(1.2 的事实),结果仍在 \(S_n\) 中;
  2. 结合律:映射的复合天然满足结合律,所以这个「乘法」肯定满足结合律;
  3. 单位元:就是单位映射(保持每个元素不动的映射);
  4. 逆元:每个双射都有逆映射,逆映射也是双射,就在 \(S_n\) 中。

这正是第 1 讲方法论的又一次演练:逐条对照三条公理,并确认封闭性。

1.4 为什么从 \(S_3\) 讲起 ⏱ 03:05

备注 · \(S_1\)、\(S_2\) 太简单
  • \(n = 1\):一个元素上的置换只能是单位映射,\(S_1\) 只有一个元素;
  • \(n = 2\):两个元素 \(1,2\) 的置换只有两种——\(1,2\) 变成 \(2,1\)(对换),或者保持不动 \(1,2\) 还是 \(1,2\);
  • \(S_1\)、\(S_2\) 的情形都比较简单。我们要考虑的是 \(S_3\)——它是最简单、最平凡的新例子。

待会我们会看到:\(S_3\) 是一个非交换群,而且它是阶数最小的非交换群。⏱ 03:30

2\(S_3\) 的六个元素 ⏱ 03:45

设 \(T = \{1,2,3\}\) 是具有三个元素的集合,\(T\) 上所有置换的集合记为 \(S_3\)。现在把 \(S_3\) 里的元素一个一个写出来。

记号(两行记号):第一行写原来的元素 \(1,2,3\)(原像),第二行写它们被映到的元素(像)。

2.1 逐个列举

\[ 1 = \begin{pmatrix}1&2&3\\1&2&3\end{pmatrix},\quad \sigma_1 = \begin{pmatrix}1&2&3\\2&1&3\end{pmatrix},\quad \sigma_2 = \begin{pmatrix}1&2&3\\3&2&1\end{pmatrix}, \] \[ \sigma_3 = \begin{pmatrix}1&2&3\\1&3&2\end{pmatrix},\quad \sigma_4 = \begin{pmatrix}1&2&3\\2&3&1\end{pmatrix},\quad \sigma_5 = \begin{pmatrix}1&2&3\\3&1&2\end{pmatrix}. \]

2.2 分类:恰好就是这六个 ⏱ 07:00

这就是三个元素的集合上所有的双射,找不到其他情况了——不可能「只有一个元素动、另外两个不动」,因为总共只有三个元素,双射不允许两个元素映到同一个元素上去。

为什么恰好是 6 个(点击展开)

按课上思路分类计数:三个都不动只有 \(1\) 种;恰有一个不动时,先选哪个元素不动(3 种选法),剩下两个只能互换,共 \(3\) 种;三个都动时,\(1\) 的像有 \(2\) 种选法(变成 \(2\) 或变成 \(3\)),一旦选定,其余元素的像就被双射的要求完全确定(如课上对 \(\sigma_5\) 的推理),共 \(2\) 种。

\[ 1 + 3 + 2 = 6. \]

所以三个元素的集合上共有 6 个不同的双射。(一般地,\(n\) 个元素的集合上有 \(n!\) 个双射,故 \(|S_n| = n!\);这里 \(3! = 6\)。)

结论 · \(S_3\) 的集合 ⏱ 07:52
\[ S_3 = \{\, 1,\ \sigma_1,\ \sigma_2,\ \sigma_3,\ \sigma_4,\ \sigma_5 \,\}, \qquad |S_3| = 6. \]
三个元素的集合上面共有六个不同的双射;用这些符号表示,\(S_3\) 就写成上面这个形式。

3置换的乘法=映射的复合 ⏱ 08:19

写出集合以后,还要考虑集合里面的运算。\(S_3\) 的乘法就是双射的复合映射:要算 \(\sigma_1\) 乘 \(\sigma_2\),就是算 \(\sigma_1 \circ \sigma_2\)——\(\sigma_2\) 先作用,然后 \(\sigma_1\) 再作用。

例 1 · 计算 \(\sigma_1\sigma_2\) ⏱ 09:01 不管 \(\sigma_1\) 还是 \(\sigma_2\),都是从 \(\{1,2,3\}\) 到 \(\{1,2,3\}\) 的双射。追踪原像 \(1,2,3\):
\[ 1\,2\,3 \ \xrightarrow{\ \sigma_2\ }\ 3\,2\,1 \ \xrightarrow{\ \sigma_1\ }\ 3\,1\,2. \]
  • 先作用 \(\sigma_2\):\(1\to3,\ 2\to2,\ 3\to1\),所以 \(1,2,3\) 变成 \(3,2,1\);
  • 再作用 \(\sigma_1\):\(\sigma_1\) 把 \(1\) 变成 \(2\)、把 \(2\) 变成 \(1\)、\(3\) 不动,所以 \(3,2,1\) 变成 \(3,1,2\)。
复合的结果是 \(1,2,3 \mapsto 3,1,2\)。对照六个置换,这正是 \(\sigma_5\)。所以
\[ \sigma_1\sigma_2 = \sigma_5. \]
例 2 · 计算 \(\sigma_2\sigma_2\) ⏱ 10:54 按定义,\(\sigma_2\sigma_2 = \sigma_2 \circ \sigma_2\):
\[ 1\,2\,3 \ \xrightarrow{\ \sigma_2\ }\ 3\,2\,1 \ \xrightarrow{\ \sigma_2\ }\ 1\,2\,3. \]
\(\sigma_2\) 把 \(1\) 变成 \(3\)、\(2\) 保持不动、\(3\) 变成 \(1\);再作用一次就全部变回去了。原像 \(1,2,3\) 最后还是 \(1,2,3\),即单位映射。所以
\[ \sigma_2\sigma_2 = \sigma_2^{2} = 1. \]
注意 · 这种写法的缺点 用两行记号写运算时,要先写原像、在置换的复合作用下再把像写出来、再整合一下才能得到结果——有点麻烦。所以接下来引入一个更简单的记号:循环(轮换)记号。

4轮换(循环)记号 ⏱ 12:09

定义 · 轮换记号的读法 用一个括号 \((a_1\ a_2\ \dots\ a_k)\) 表示:从左到右读,左边的数会变成它右边的数,即 \(a_1\to a_2,\ a_2\to a_3,\ \dots\);而最右边的数要回到括号里的第一个数,即 \(a_k\to a_1\)。没有出现在括号里的元素保持不动。

用轮换来改写 \(S_3\) 的六个元素(相比两行记号可以少写几个数字):

\[ 1 = (),\qquad \sigma_1 = (1\ 2),\qquad \sigma_2 = (1\ 3),\qquad \sigma_3 = (2\ 3),\qquad \sigma_4 = (1\ 2\ 3),\qquad \sigma_5 = (1\ 3\ 2). \]
术语 \((1\ 2)\)、\((1\ 3)\)、\((2\ 3)\) 这类含两个元素的轮换称为二循环(也叫对换);\((1\ 2\ 3)\)、\((1\ 3\ 2)\) 称为三循环。用循环的符号来写,计算 \(S_3\) 上的运算时会发现更简单一些。

5用轮换记号计算乘法 ⏱ 14:40

计算规则(务必记住) 乘法就相当于映射的复合,所以要从右边那个循环开始作用:先算最右边的循环把元素映到哪里,再看得到的结果在左边循环下的像;一个元素的像找完后,接着追踪这个像,直到绕回起点形成循环,再挑下一个还没追踪的元素。
例 1 · \((1\ 2)(1\ 3)\) ⏱ 15:16 \(\sigma_1\sigma_2 = (1\ 2)(1\ 3)\)。先看右边的循环 \((1\ 3)\):
\[ 1 \xrightarrow{(1\,3)} 3 \xrightarrow{(1\,2)} 3,\qquad 3 \xrightarrow{(1\,3)} 1 \xrightarrow{(1\,2)} 2,\qquad 2 \xrightarrow{(1\,3)} 2 \xrightarrow{(1\,2)} 1. \]
  • 1 的像:右边 \((1\ 3)\) 把 \(1\) 变成 \(3\);再看 \(3\) 在左边 \((1\ 2)\) 下的像——括号里没有 \(3\),说明 \(3\) 不动。所以 \(1\to3\);
  • 3 的像:右边把 \(3\) 变成 \(1\);左边把 \(1\) 变成 \(2\)。所以 \(3\to2\);
  • 2 的像:右边没有 \(2\),不动;左边把 \(2\) 变成 \(1\)。所以 \(2\to1\),而 \(1\) 已经在循环最左边,追踪结束。
合起来:\(1\to3\to2\to1\),即
\[ (1\ 2)(1\ 3) = (1\ 3\ 2) = \sigma_5. \]
对照原来的 \(\sigma_i\) 符号,这正是 \(\sigma_5\)——与第 3 节用两行记号算出的结果完全一致,但第二种写法明显更简单。
例 2 · \((1\ 3)(1\ 3)\) ⏱ 17:57 \(\sigma_2\sigma_2 = (1\ 3)(1\ 3)\)。还是看 \(1,2,3\) 的像:
  • \(1\):右边变成 \(3\),左边又把 \(3\) 变回 \(1\),所以 \(1\) 不动;
  • \(2\):两个循环里都没有 \(2\),所以 \(2\) 肯定也不动;
  • \(3\):右边变成 \(1\),左边又把 \(1\) 变成 \(3\),所以 \(3\) 还是变成 \(3\)。
完全都不动,结果就是单位映射:
\[ (1\ 3)(1\ 3) = 1. \]
虽然写了一个符号,但其实 \(1\) 还是 \(1\)、\(2\) 还是 \(2\)、\(3\) 还是 \(3\)。这和之前用两行记号算的结果肯定是一样的。

6\(S_3\) 是非交换群 · 阶数最小 ⏱ 19:38

前面讲过,\(S_3\) 是非交换群的例子。回顾第 1 讲 ⏱ 19:44:所谓交换,是取群里任意两个元素 \(x, y\),都有 \(xy = yx\);如果能找到两个元素,交换一下顺序以后结果不一样,那它就是非交换群。我们来算一下把 \(\sigma_1\sigma_2\) 换个顺序的结果。

例 3 · \((1\ 3)(1\ 2)\)(换了顺序) ⏱ 20:25 \(\sigma_2\sigma_1 = (1\ 3)(1\ 2)\)。这就只是换了一下顺序,仍然先从右边的循环看起:
\[ 1 \xrightarrow{(1\,2)} 2 \xrightarrow{(1\,3)} 2,\qquad 2 \xrightarrow{(1\,2)} 1 \xrightarrow{(1\,3)} 3,\qquad 3 \xrightarrow{(1\,2)} 3 \xrightarrow{(1\,3)} 1. \]
  • \(1\):右边 \((1\ 2)\) 把 \(1\) 变成 \(2\);\(2\) 在左边 \((1\ 3)\) 里不动。所以 \(1\to2\);
  • \(2\):右边把 \(2\) 变成 \(1\);左边把 \(1\) 变成 \(3\)。所以 \(2\to3\);
  • \(3\):右边 \((1\ 2)\) 里没有 \(3\),不动;左边把 \(3\) 变成 \(1\)。所以 \(3\to1\)。
合起来:\(1\to2\to3\to1\),即
\[ (1\ 3)(1\ 2) = (1\ 2\ 3) = \sigma_4. \]
结论 · \(S_3\) 非交换 ⏱ 22:11 前面已算出 \(\sigma_1\sigma_2 = \sigma_5\),而 \(\sigma_2\sigma_1 = \sigma_4\)。\(\sigma_4\) 和 \(\sigma_5\) 是不一样的映射,所以
\[ \sigma_1\sigma_2 \neq \sigma_2\sigma_1. \]
很显然,\(S_3\) 肯定不是一个交换群。
本讲核心结论 · 阶数最小的非交换群 ⏱ 22:42 \(S_3\) 是一个非交换群;而且它总共有六个元素,是一个阶为 \(6\) 的非交换群。它其实就是阶数最小的非交换群——这是一个非常重要的例子。
备注 · 为什么说是「最小」 课上直接给出了这个结论:阶 \(1,2,3,4,5\) 的群都是交换群,\(6\) 是能出现非交换群的最小阶数。学完后面的循环群与 Lagrange 定理后,可以自己补上这个论证;现阶段先记住「\(S_3\)(6 阶)是第一个、也是最小的非交换群」。

7乘法表(Cayley 表) ⏱ 22:57

课后作业:自己把 \(S_3\) 的乘法表写一下。它总共有六个元素 \(1,\ \sigma_1,\ \sigma_2,\ \sigma_3,\ \sigma_4,\ \sigma_5\);把乘法表写出来以后,整个群的结构就完全清楚了。

课上已经填出的部分:

\(\cdot\)(课堂进度)\(1\)\(\sigma_1\)\(\sigma_2\)\(\sigma_3\)\(\sigma_4\)\(\sigma_5\)
\(1\)\(1\)\(\sigma_1\)\(\sigma_2\)\(\sigma_3\)\(\sigma_4\)\(\sigma_5\)
\(\sigma_1\)\(\sigma_1\)\(1\)\(\sigma_5\)???
\(\sigma_2\)\(\sigma_2\)\(\sigma_4\)\(1\)???
\(\sigma_3\)\(\sigma_3\)?????
\(\sigma_4\)\(\sigma_4\)?????
\(\sigma_5\)\(\sigma_5\)?????
完整乘法表(参考答案,建议先自己算再核对)

用轮换记号逐格计算(行 \(\times\) 列,行在左、列在右,列先作用):

\(\cdot\)\(1\)\(\sigma_1\)\(\sigma_2\)\(\sigma_3\)\(\sigma_4\)\(\sigma_5\)
\(1\)\(1\)\(\sigma_1\)\(\sigma_2\)\(\sigma_3\)\(\sigma_4\)\(\sigma_5\)
\(\sigma_1\)\(\sigma_1\)\(1\)\(\sigma_5\)\(\sigma_4\)\(\sigma_3\)\(\sigma_2\)
\(\sigma_2\)\(\sigma_2\)\(\sigma_4\)\(1\)\(\sigma_5\)\(\sigma_1\)\(\sigma_3\)
\(\sigma_3\)\(\sigma_3\)\(\sigma_5\)\(\sigma_4\)\(1\)\(\sigma_2\)\(\sigma_1\)
\(\sigma_4\)\(\sigma_4\)\(\sigma_2\)\(\sigma_3\)\(\sigma_1\)\(\sigma_5\)\(1\)
\(\sigma_5\)\(\sigma_5\)\(\sigma_3\)\(\sigma_1\)\(\sigma_2\)\(1\)\(\sigma_4\)

核对技巧:乘法表的每一行、每一列中,六个元素都恰好各出现一次(这是群公理的推论),可以用来快速自查有没有算错。

8另一种写法:生成元与关系 ⏱ 24:30

如果再算一下,会发现 \(S_3\) 还可以用更少的符号写出来。取新的记号:

\[ x = \sigma_1 = (1\ 2) \ \text{(这是一个二循环)}, \qquad y = \sigma_4 = (1\ 2\ 3) \ \text{(这是一个三循环)}. \]

8.1 用 \(x, y\) 表示所有元素

例 · 计算 \(yx = \sigma_4\sigma_1\) ⏱ 25:06 \(y = (1\ 2\ 3)\),\(x = (1\ 2)\)。简单计算一下:\(1\) 在右边 \((1\ 2)\) 下变 \(2\),再在 \((1\ 2\ 3)\) 下变 \(3\),所以 \(1\to3\);接着看 \(3\) 的像:\(3\) 在右边不动,在左边变成 \(1\),所以 \(3\to1\);而 \(2\) 先变 \(1\) 再变回 \(2\),不动。于是
\[ yx = (1\ 2\ 3)(1\ 2) = (1\ 3) = \sigma_2. \]

类似地继续算 ⏱ 25:53,会发现 \(S_3\) 里所有的元素都可以用 \(x\) 和 \(y\) 表达出来:

\[ \sigma_2 = yx,\qquad \sigma_3 = xy,\qquad \sigma_5 = y^{2}. \]

于是原来按定义写出的 \(S_3 = \{1,\ \sigma_1,\ \sigma_2,\ \sigma_3,\ \sigma_4,\ \sigma_5\}\),可以改写为 ⏱ 26:15

\[ S_3 = \{\, 1,\ x,\ yx,\ xy,\ y,\ y^{2} \,\}. \]

8.2 生成元满足的关系 ⏱ 26:53

定义 · 生成元与关系 置换群 \(S_3\) 里的元素可以表达为由 \(x\) 和 \(y\) 生成的一个群,两个生成元 \(x, y\) 满足的关系是
\[ S_3 = \langle\, x,\ y \ \mid\ x^{2} = y^{3} = 1,\ \ x\,y^{2} = yx \,\rangle. \]
这个东西要自己验证一下(关系 \(xy^2 = yx\) 也等价于 \(xy = y^2 x\),可以直接用轮换算一算)。这是关于 \(S_3\) 这个置换群的另外一个写法,是比较简单的。
验证 \(x y^{2} = yx\)(点击展开)

\(y^2 = (1\ 2\ 3)^2 = (1\ 3\ 2)\)。左边:

\[ x\,y^{2} = (1\ 2)(1\ 3\ 2): \quad 1 \to 3 \to 3,\ \ 3 \to 2 \to 1,\ \ 2 \to 1 \to 2, \]

即 \(1\to3,\ 3\to1,\ 2\) 不动,得 \((1\ 3)\)。右边:

\[ yx = (1\ 2\ 3)(1\ 2): \quad 1 \to 2 \to 3,\ \ 3 \to 3 \to 1,\ \ 2 \to 1 \to 2, \]

同样得 \((1\ 3) = \sigma_2\)。两边相等,关系成立。

8.3 生成元的选取不唯一 ⏱ 28:00

\(x, y\) 可以称为 \(S_3\) 的一组生成元:\(x\) 是二阶元素,\(y\) 是三阶元素。事实上,在 \(S_3\) 里只要取一个二阶元、取一个三阶元,就可以把 \(S_3\) 里的所有元素都表达出来:比如也可以取 \(x\) 为 \(\sigma_2\)(即 \((1\ 3)\)),\(y\) 仍取 \((1\ 2\ 3)\),同样能把其他所有元素全部用 \(x, y\) 表达出来。只要保证 \(x\) 和 \(y\) 中有一个是二阶元素、有一个是三阶元素就可以了。

预告 · 轮换的阶数 ⏱ 28:51 为什么 \((1\ 2)\) 一定是二阶、\((1\ 2\ 3)\) 一定是三阶?后面学习置换群的一般性质时会看到:写成循环的形式,如果循环里有 2 个元素,它的阶数一定是 \(2\)(平方就变成单位元);如果是有 3 个元素的循环,它的阶数一定是 \(3\)(三次方变成单位元)。这个一般结论后面会严格说明。

8.4 小结 ⏱ 29:12

以上就是阶数最小的非交换群 \(S_3\) 的一些基本事实和基本运算。这是我们作为第一个「大家没有见过的群」的例子给出的。后面还会学习关于置换群的更一般的结论,但请始终记着 \(S_3\) 这个例子——后面经常会用到。

★重点回顾

1
置换=集合上的双射;\(S_n\) = \(n\) 元集合上所有置换的集合,运算为映射的复合,构成群(单位元=单位映射,逆元=逆映射),称为置换群。
2
\(S_3\) 恰有 6 个元素:单位映射 \(1\),三个「一个不动、两个对换」的 \(\sigma_1,\sigma_2,\sigma_3\),两个「三个全动」的 \(\sigma_4,\sigma_5\);\(|S_3| = 6\)。
3
两种记号互换:两行记号(上原像、下像)与轮换记号;轮换中「左变右、最右回到最左」,没出现的元素不动。\(\sigma_1=(1\ 2),\ \sigma_2=(1\ 3),\ \sigma_3=(2\ 3),\ \sigma_4=(1\ 2\ 3),\ \sigma_5=(1\ 3\ 2)\)。
4
乘法规则:乘法=映射复合,从右边先作用,逐元素追踪:先找 \(1\) 的像,再找该像的像,绕回起点后再追踪下一个元素。
5
关键乘法:\(\sigma_1\sigma_2 = \sigma_5\),\(\sigma_2\sigma_1 = \sigma_4\),\(\sigma_1^2=\sigma_2^2=1\)。由 \(\sigma_1\sigma_2 \neq \sigma_2\sigma_1\) 知 \(S_3\) 非交换,且它是阶数最小(6 阶)的非交换群。
6
乘法表(Cayley 表)写出后,整个群的结构就完全清楚了;单位映射所在的行、列都保持原样。
7
生成元与关系:取 \(x=(1\ 2)\)(二阶)、\(y=(1\ 2\ 3)\)(三阶),则 \(S_3 = \{1, x, yx, xy, y, y^2\}\),关系为 \(x^2 = y^3 = 1,\ xy^2 = yx\);任取一个二阶元 + 一个三阶元都能生成整个 \(S_3\)。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 作用顺序搞反:\(\sigma_1\sigma_2\) 表示 \(\sigma_2\) 先作用、\(\sigma_1\) 后作用(从右往左)。本讲 \(\sigma_1\sigma_2 = \sigma_5\) 而 \(\sigma_2\sigma_1 = \sigma_4\),顺序一换结果完全不同——这正是非交换的体现。
  2. 误读轮换:\((1\ 2\ 3)\) 表示 \(1\to2,\ 2\to3,\ 3\to1\),不是 \(1\to3\);括号里最右边的数要回到最左边的数。
  3. 漏掉不动的元素:轮换里没写到的元素保持不动(如 \((1\ 2)\) 中 \(3\) 不动)。计算复合时,若某元素在右边循环里没出现,就直接原样传给左边循环处理。
  4. 把「单位映射 \(1\)」与数字 \(1\) 混淆:\(\sigma^2 = 1\) 的意思是「\(\sigma\) 复合自己两次得到单位映射」,例如每个二循环都满足 \(\sigma^2 = 1\)。
  5. 写乘法表时抄错行列;可用「每行每列六个元素各出现一次」快速自查。
  6. 默认「看起来像」的轮换乘法可交换:\((1\ 2)(1\ 3) \neq (1\ 3)(1\ 2)\),一切以逐元素计算为准。

✎自测与作业

  1. (课上作业)把 \(S_3\) 的完整乘法表写出来:六个元素 \(1,\ \sigma_1,\ \sigma_2,\ \sigma_3,\ \sigma_4,\ \sigma_5\),利用已有结果(\(\sigma_1\sigma_2=\sigma_5,\ \sigma_2\sigma_1=\sigma_4,\ \sigma_1^2=\sigma_2^2=1\) 等)补全所有 36 格,体会「整个群的结构完全清楚」。
  2. 用轮换记号计算:\((2\ 3)(1\ 2)\)、\((1\ 2)(1\ 2\ 3)\)、\((1\ 2\ 3)(1\ 2)\)、\((1\ 3)(1\ 2\ 3)\),并与你的乘法表核对。
  3. 验证生成元关系:对 \(x=(1\ 2),\ y=(1\ 2\ 3)\),逐一验证 \(x^2 = 1,\ y^3 = 1,\ xy^2 = yx\);再验证等价形式 \(xy = y^2x\)。
  4. 换一组生成元:取 \(x' = \sigma_2 = (1\ 3)\)、\(y = \sigma_4 = (1\ 2\ 3)\),把 \(S_3\) 的其余四个元素都用 \(x', y\) 表示出来。
  5. 写出 \(S_1\) 与 \(S_2\) 的全部元素,验证它们都是交换群(\(S_2\) 的乘法表只有 \(2\times2\))。
  6. 思考:为什么说 6 是能出现非交换群的最小阶数?(提示:结合第 1 讲学过的群例子;严格论证可留到学完循环群与 Lagrange 定理后完成。)
下一讲预告 第 3 讲:子群——如何在一个群内部找出「自身也构成群」的子集。