抽象代数 · 课程学习笔记

第 4 讲 · 陪集 (I)

Cosets (I)
音频时长 25:21 进度 4 / 38 讲 核心概念:陪集 · 左/右陪集 · 指数 · 拉格朗日定理
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◎学习目标

  1. 理解陪集的引入动机,掌握左陪集 \(aH\) 与右陪集 \(Ha\) 的定义;牢记陪集只是一个集合,不见得是群;
  2. 会在具体群(如 \(S_3\))中写出子群的左、右陪集,观察一般情形下 \(aH \neq Ha\);
  3. 掌握两个左陪集相等的充要条件 \(aH = bH \iff a^{-1}b \in H\),并能完整证明(本讲核心,后面常用);
  4. 掌握陪集的三个基本性质:各陪集元素个数相同、两个陪集要么相等要么不交、陪集把群划分;
  5. 理解指数 \([G:H]\) 的定义并会在例子中计算;
  6. 掌握拉格朗日定理:有限群时 \(|G| = |H|\cdot[G:H]\),从而子群的阶整除群的阶。

0陪集的引入与定义 ⏱ 00:01

我们已经学过子群的概念。这一讲的想法是:先固定一个子群,然后用它把整个群「切分」开来——这就是陪集要做的事。老师特别提醒:陪集这个概念,不同课本的译名可能不同(若你的课本用了别的叫法,指的是同一个东西)。

定义 · 左陪集与右陪集 设 \(G\) 为群,\(H \le G\) 是 \(G\) 的一个固定的子群。取 \(a \in G\):
  • 左陪集 ⏱ 00:35:\[ aH = \{\, ah \mid h \in H \,\}, \] 即 \(a\) 左乘子群 \(H\) 中每个元素所得到的所有乘积组成的集合;
  • 右陪集 ⏱ 01:08:\[ Ha = \{\, ha \mid h \in H \,\}, \] 即 \(H\) 中每个元素右乘 \(a\) 所得到的所有乘积组成的集合。
一旦把子群 \(H\) 固定下来,对每个 \(a \in G\) 就对应一个左陪集 \(aH\) 和一个右陪集 \(Ha\)。
注意 · 陪集只是集合 陪集 \(aH\)(或 \(Ha\))本身不见得是一个群——它只是一个集合而已。例如当 \(a \notin H\) 时,\(aH\) 连单位元都不含,自然谈不上群结构。后面学商群时才会讨论「陪集在什么条件下能构成群」。

1例:\(S_3\) 中的左、右陪集 ⏱ 01:31

用前面已经熟悉的例子来看陪集到底长什么样。取 \(S_3\)(6 阶置换群,前面讲过它是非交换群),其元素为

\[ S_3 = \{\, e,\ x,\ y,\ y^{2},\ xy,\ yx \,\}, \qquad x^{2} = e,\quad y^{3} = e,\quad xy \neq yx. \]

取子群 \(H = \{e, x\}\)(前面已验证 \(H \le S_3\)),来看关于 \(H\) 的左、右陪集。

例 · 左陪集 ⏱ 02:02 把 \(H\) 中所有元素左乘代表元:
  • 取 \(y\):\[ yH = \{\, y\cdot e,\ y \cdot x \,\} = \{\, y,\ yx \,\}. \]
  • 取 \(y^{2}\):\[ y^{2}H = \{\, y^{2}\cdot e,\ y^{2}\cdot x \,\} = \{\, y^{2},\ y^{2}x \,\}. \]
  • 当然还有 \(eH = H = \{e, x\}\) 本身。
例 · 右陪集 ⏱ 02:25 把 \(H\) 中每个元素右乘 \(y\):
\[ Hy = \{\, e\cdot y,\ x \cdot y \,\} = \{\, y,\ xy \,\}. \]

1.1 观察:左陪集与右陪集一般不同 ⏱ 02:34

前面在 \(S_3\) 中已经算过:\(xy \neq yx\)。因此

\[ yH = \{y, yx\} \neq \{y, xy\} = Hy. \]

同一个代表元 \(y\),左陪集 \(yH\) 和右陪集 \(Hy\) 是不一样的集合。于是就有一个自然的问题:什么条件下左、右陪集是一样的?(本讲暂不回答,后面的讲次会处理。)

另外还可以看到,不同的左陪集之间也可以不同:\(yH \neq y^{2}H\)(对照 \(S_3\) 的元素与关系容易看出两个集合不一样)。⏱ 03:22 这引出第二个自然问题:给你两个(左)陪集,它们什么时候相等?这正是下一节的性质。

本讲的主线 ⏱ 03:09 像 \(H,\ yH,\ y^{2}H\) 这些集合其实都不是群,只是集合而已。但这些集合和原来的群 \(G\) 又有什么样的关系呢?这就是本讲要研究的内容。

2性质1:两个左陪集什么时候相等 ⏱ 04:10

先看左陪集的情形;右陪集的相应结论可以完全类似地推导。

性质 1 · 陪集相等的充要条件 设 \(G\) 为群,\(H \le G\),\(a, b \in G\)。则两个左陪集
\[ aH = bH \iff a^{-1}b \in H. \]
也就是说:要判断两个陪集是否一样,只需把前面两个代表元做一下乘法 \(a^{-1}b\),看它有没有落在子群 \(H\) 里面。
例 · 用性质验证 \(yH \neq y^{2}H\) ⏱ 04:56 取 \(a = y,\ b = y^{2}\),则
\[ a^{-1}b = y^{-1}y^{2} = y \notin H = \{e, x\}, \]
所以 \(yH \neq y^{2}H\)——与第 1 节的直接观察一致。老师提醒:每次看到性质不太理解时,就找一些例子自己算一下,就知道是什么意思了。
证明(点击展开)· 充要条件,两个方向都证 ⏱ 05:38

方向一(\(\Rightarrow\)):若 \(aH = bH\),证明 \(a^{-1}b \in H\)。⏱ 05:44

因为 \(H\) 是子群,单位元 \(e \in H\),于是可以把 \(b\) 写成

\[ b = b\,e \in bH. \]

又因为 \(bH = aH\),所以 \(b \in aH\),即存在 \(h \in H\) 使得 \(b = ah\)。两边同左乘 \(a^{-1}\)(\(H\) 中元素都有逆元,运算是合法的):

\[ a^{-1}b = h \in H. \]

这正是要证的右边。这里「用 \(e \in H\) 把 \(b\) 装进陪集 \(bH\)」是常用技巧。

方向二(\(\Leftarrow\)):若 \(a^{-1}b \in H\),证明 \(aH = bH\)。⏱ 07:29

证明两个集合相等的一般方法:互相包含——先证 \(bH \subseteq aH\),再证 \(aH \subseteq bH\)。

(i) 证 \(bH \subseteq aH\):任取 \(h \in H\),考虑 \(bH\) 中的一般元素 \(bh\)。为了用上条件「\(a^{-1}b \in H\)」,在 \(bh\) 前面「添」一个 \(a^{-1}a = e\):

\[ bh = a\,(a^{-1}b)\,h. \]

由条件 \(a^{-1}b \in H\),又 \(h \in H\),而 \(H\) 对乘法封闭,故 \((a^{-1}b)h \in H\);于是 \(bh = a\cdot\big((a^{-1}b)h\big)\) 具有 \(a \times (\text{\(H\) 中元素})\) 的形式,即 \(bh \in aH\)。由 \(h\) 的任意性,\(bH \subseteq aH\)。

(ii) 证 \(aH \subseteq bH\):条件里出现的是 \(a^{-1}b\),而 \(aH\) 的元素形如 \(ah\),里面只有 \(a\) 没有 \(b\)。所以先做一件事:因为 \(a^{-1}b \in H\) 且 \(H\) 是子群,它的逆元也在 \(H\) 中;由「乘积的逆元 = 逆元反序相乘」(第 1 讲性质 4),

\[ (a^{-1}b)^{-1} = b^{-1}a \in H. \]

于是对任意 \(h \in H\),同样地「添」一个 \(b^{-1}b = e\):

\[ ah = b\,(b^{-1}a)\,h \in bH, \]

因为 \((b^{-1}a)h \in H\)。故 \(aH \subseteq bH\)。

两个方向合起来即得 \(aH = bH\)。

证明技巧小结 ⏱ 12:35 老师强调:这些都是抽象代数里很常用的小技巧,一定要自己把证明完整过一遍:
  1. 证两个集合相等 \(\to\) 证互相包含;
  2. 「加加减减」技巧:在乘积中插入 \(a^{-1}a = e\)(或 \(b^{-1}b = e\)),凑出想要的因子(如 \(a^{-1}b\))再消掉多余的因子;
  3. 利用 \(e \in H\) 把元素「装进」某个陪集(\(b = be \in bH\));
  4. 利用子群对逆元封闭:\(a^{-1}b \in H \Rightarrow (a^{-1}b)^{-1} = b^{-1}a \in H\)。
重点标记 这个结论后面经常会用到(老师在黑板上专门做了标记),一定要记住:
\[ aH = bH \iff a^{-1}b \in H. \]
关于作业 ⏱ 11:58 老师布置作业的过程,是希望大家有一个思考、理解和消化的过程:不要急着去找习题解答(解答当然找得到),你到底对了多少并不重要,但一定要有自己思考的过程。答案下周会发给大家。

3性质2:所有陪集的元素个数相同 ⏱ 12:45

性质 2 · 陪集等势 设 \(G\) 为群,\(H \le G\)。取定子群 \(H\) 以后,所有(左)陪集里的元素个数都是一样的:对任意 \(a, b \in G\),
\[ |aH| = |bH| = |H|. \]
这个性质对后面的陪集分解(计数)有非常重要的作用。
证明(点击展开)· 构造双射 ⏱ 13:23

把 \(a, b \in G\) 固定下来,构造两个陪集之间的映射

\[ \varphi : aH \longrightarrow bH, \qquad \varphi(ah) = bh, \]

注意:这里 \(a, b\) 是固定的,变化的只是 \(h \in H\)(课上老师专门更正了这一点:是「小 \(h\)」在 \(H\) 中变动)。

单射:若 \(\varphi(ah_1) = \varphi(ah_2)\),即 \(bh_1 = bh_2\),两边同左乘 \(b^{-1}\) 得 \(h_1 = h_2\),从而 \(ah_1 = ah_2\)。

满射:\(bH\) 中任一元素 \(bh\) 都是 \(ah \in aH\) 的像。

所以 \(\varphi\) 是一一对应(双射),两个陪集的元素个数相同。由 \(a, b\) 的任意性,每个陪集都与 \(H\) 本身等势。

4性质3:两个陪集要么相等,要么不交 ⏱ 14:38

性质 3 · 相交的陪集必相等 设 \(G\) 为群,\(H \le G\),\(a, b \in G\)。若两个陪集的交集非空,
\[ aH \cap bH \neq \varnothing \implies aH = bH. \]
也就是说,两个陪集之间的关系只有两种可能:要么不相交,要么完全一样。
证明(点击展开)· 用性质1 ⏱ 15:07

设 \(aH \cap bH \neq \varnothing\),取交集中一个元素 \(g \in aH \cap bH\)。由陪集的定义,存在 \(h_1, h_2 \in H\) 使得

\[ g = a h_1 = b h_2. \]

(这就是「交集」的意思:\(aH\) 里的元素形如 \(ah\),\(bH\) 里的元素形如 \(bh\),同一个 \(g\) 同时有两种写法。)

在等式 \(ah_1 = bh_2\) 两边同左乘 \(a^{-1}\)、同右乘 \(h_2^{-1}\):

\[ a^{-1}(a h_1)h_2^{-1} = a^{-1}(b h_2)h_2^{-1} \implies h_1 h_2^{-1} = a^{-1}b. \]

因为 \(h_1, h_2 \in H\) 且 \(H\) 是子群(对逆元、乘法封闭),\(h_1 h_2^{-1} \in H\),于是 \(a^{-1}b \in H\)。由性质 1 立刻推出

\[ aH = bH. \]

这是一个非常重要的信息:它说明陪集之间「没有部分重叠」——只要碰上一点,就整个重合。

5陪集分解:陪集把群划分 ⏱ 16:45

陪集分解是前面三个性质的合奏。先一览这三个性质(设 \(G\) 为群,\(H \le G\),\(a, b \in G\)):

性质结论证明关键
性质 1 ⏱ 04:10\(aH = bH \iff a^{-1}b \in H\)互相包含;插入 \(a^{-1}a = e\) 凑出 \(a^{-1}b\)
性质 2 ⏱ 12:45\(|aH| = |bH| = |H|\)双射 \(\varphi(ah) = bh\)(\(a,b\) 固定,\(h\) 变动)
性质 3 ⏱ 14:38\(aH \cap bH \neq \varnothing \Rightarrow aH = bH\)取 \(g = ah_1 = bh_2\),得 \(a^{-1}b = h_1h_2^{-1} \in H\),用性质 1

5.1 所有陪集并起来就是整个群

让代表元 \(a\) 取遍大群 \(G\) 的所有元素,把所有陪集并起来:

\[ G = \bigcup_{a \in G} aH. \]

这是显然的:一方面每个 \(aH \subseteq G\);另一方面,因为 \(e \in H\),每个元素 \(a = a e \in aH\) 都出现在某个陪集里,所以并起来一定等于 \(G\)。

5.2 可以写成不相交的并 ⏱ 17:58

上面的并里,\(a\) 取遍 \(G\) 时陪集会大量重复。由性质 3:两个陪集交集非空就完全一样,所以相交的只取一个代表元就好,不相交的都要取进来。于是可以写成

\[ G = a_1H \cup a_2H \cup \cdots \cup a_rH, \qquad a_i \in G,\quad a_iH \cap a_jH = \varnothing \ (i \neq j). \]

即:\(G\) 可以分解为有限个(或若干个)两两不相交的陪集的并——这就是 \(G\) 关于子群 \(H\) 的陪集分解。陪集把群 \(G\) 整齐地「切」成了大小相同、互不重叠的块。

动手算一算(课上留的例子) ⏱ 18:36 取 \(S_3\) 的子群 \(H = \{e, x\}\),把 \(S_3\) 关于 \(H\) 的陪集分解写出来:列出所有不同的陪集(如 \(xH,\ yH,\ y^{2}H\) 等),验证它们要么交集为空、要么完全相同,从而把 \(S_3\) 写成不相交陪集的并。老师反复强调:抽象概念觉得不好理解时,就写具体例子自己算一遍。

6指数与拉格朗日定理 ⏱ 19:23

定义 · 指数 ⏱ 19:31 设 \(G\) 为群,\(H \le G\)。\(H\) 在 \(G\) 中(左)陪集的个数,称为 \(H\) 在 \(G\) 中的指数,记作
\[ [\,G : H\,]. \]
例 · 指数为 3 ⏱ 20:12 \(S_3\) 中 \(H = \{e, x\}\) 的陪集分解为 \(S_3 = H \cup yH \cup y^{2}H\),共 3 个不同的陪集,所以 \([\,S_3 : H\,] = 3\)。
定理 · 拉格朗日(Lagrange)定理 ⏱ 20:22 设 \(G\) 为有限群,\(H \le G\)。则
\[ |G| = |H| \cdot [\,G : H\,]. \]
理由:由陪集分解,\(G\) 是 \([G:H]\) 个两两不相交的陪集的并;由性质 2,每个陪集的元素个数都等于 \(|H|\)。把各块元素个数相加即得公式。
推论 · 子群的阶整除群的阶 ⏱ 21:10 有限群 \(G\) 的每一个子群 \(H\),其阶数 \(|H|\) 一定是大群阶数 \(|G|\) 的因子(因为 \([G:H] = |G|/|H|\) 是整数)。
例 · 验证 \(|S_3| = 6\),\(|H| = 2\),\([S_3:H] = 3\):\(6 = 2 \times 3\),与定理一致。
为什么要讲到这里 今天的作业里会用到指数与拉格朗日定理,所以老师特意把这部分讲完(本讲因此稍微拖堂了几分钟)。

7课堂答疑:\(S_3\) 陪集分解的完整计算 ⏱ 21:26

有同学提问:陪集到底该怎么写?重复出现的陪集怎么处理?老师借 \(S_3\) 的例子把过程完整演示了一遍。

7.1 先列出 \(S_3\) 的全部元素 ⏱ 22:18

\[ S_3 = \{\, e,\ x,\ y,\ y^{2},\ xy,\ yx \,\} \quad (\text{共 6 个元素}), \]

并注意与前面讲次一致的记号:\(y^{2}x = xy\)(即 \(y^2H = \{y^2, xy\}\))。

7.2 用 6 个元素分别作代表元算左陪集

代表元 \(a\)左陪集 \(aH\) 的计算结果
\(e\)\(eH = \{e, x\}\)就是 \(H\) 本身
\(x\)\(xH = \{x, x^{2}\} = \{x, e\}\)\(= H\),重复,不再取 ⏱ 24:03
\(y\)\(yH = \{y, yx\}\)新陪集
\(y^{2}\)\(y^{2}H = \{y^{2}, y^{2}x\} = \{y^{2}, xy\}\)新陪集
\(yx\)\((yx)H = \{yx, yx^{2}\} = \{yx, y\}\)\(= yH\),重复,不再取
\(xy\)\((xy)H = \{xy, xyx\} = \{xy, y^{2}\}\)\(= y^{2}H\),重复,不再取

(表中用到 \(x^{2} = e\),以及由 \(xy = y^{2}x\) 推出的 \(xyx = y^{2}x^{2} = y^{2}\)。)可以看到:6 个代表元算出来的陪集「有很多是一样的」,真正不同的只有 3 个。

7.3 结论与要点

补充练习 ⏱ 24:52 回去再对 \(S_3\) 的另一个子群 \(H' = \{e, y, y^{2}\}\) 做同样的事:取不同的代表元写出各陪集,数一数每个陪集里的元素个数。你会发现:不同陪集的元素个数都一样;有些陪集之间交集是空集,有些完全一模一样。由此你就知道把 \(S_3\) 写成陪集并集时该取哪些代表元。

★重点回顾

1
陪集定义:固定子群 \(H \le G\) 与 \(a \in G\),左陪集 \(aH = \{ah \mid h \in H\}\),右陪集 \(Ha = \{ha \mid h \in H\}\)。陪集只是集合,不见得是群。
2
左右陪集一般不同:在 \(S_3\)(\(H = \{e,x\}\))中 \(yH = \{y, yx\} \neq \{y, xy\} = Hy\);不同的左陪集也可以不同(\(yH \neq y^{2}H\))。「何时 \(aH = Ha\)」是后续讲次的问题。
3
陪集相等的判定(最常用,务必记住):\[ aH = bH \iff a^{-1}b \in H. \]
4
陪集三大性质:各陪集元素个数相同(双射 \(ah \mapsto bh\));两个陪集要么相等要么不交(\(aH \cap bH \neq \varnothing \Rightarrow aH = bH\));陪集把群划分成不相交的并 \(G = a_1H \cup \cdots \cup a_rH\)。
5
指数 \([G:H]\) = \(H\) 在 \(G\) 中陪集的个数;例:\([\,S_3 : \{e,x\}\,] = 3\)。
6
拉格朗日定理:\(G\) 有限时 \(|G| = |H|\cdot[G:H]\);从而子群的阶整除群的阶。例:\(6 = 2 \times 3\)。
7
常用证明技巧:证集合相等用互相包含;插入 \(a^{-1}a = e\)「凑」出 \(a^{-1}b\);用 \(e \in H\) 把元素装进陪集;子群对逆元封闭(\((a^{-1}b)^{-1} = b^{-1}a \in H\));构造双射证等势。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 把陪集当成群:\(aH\) 只是一个集合;当 \(a \notin H\) 时它连单位元都不含,不构成群。
  2. 左右陪集不分:非交换群里一般 \(aH \neq Ha\);性质 \(aH = bH \iff a^{-1}b \in H\) 说的是两个左陪集,右陪集的相应判据是 \(Ha = Hb \iff ab^{-1} \in H\)(类似可推),不要混用。
  3. 记错判据:是 \(a^{-1}b \in H\),不是「\(ab \in H\)」也不是「\(b^{-1}a \in H\)」(后者是前者的逆元,判断时方向别搞反)。
  4. 陪集分解时重复取陪集:两个陪集相等时只取一个代表元(如 \(xH = H\),算并集时 \(xH\) 就不用再取了)。
  5. 忽略拉格朗日定理的条件:公式 \(|G| = |H|\cdot[G:H]\) 要求 \(G\) 是有限群。
  6. 双射证明中搞混变量:映射 \(ah \mapsto bh\) 中 \(a, b\) 是固定的,变动的是 \(h \in H\);证单射时由 \(bh_1 = bh_2\) 要两边同左乘 \(b^{-1}\) 才能消去 \(b\)。

✎自测与作业

  1. (课上布置)对 \(S_3\) 的子群 \(H = \{e, x\}\),把每个元素作为代表元算一遍左陪集(\(xH,\ yH,\ y^{2}H,\ (yx)H,\ (xy)H\) 等),指出哪些陪集相同,并把 \(S_3\) 写成不相交陪集的并。
  2. (课上布置)对 \(S_3\) 的子群 \(H' = \{e, y, y^{2}\}\) 做同样的事:写出不同的陪集,数出每个陪集的元素个数,观察「陪集等势、要么相等要么不交」。
  3. 计算指数 \([S_3 : H]\) 与 \([S_3 : H']\),并用拉格朗日定理验证 \(|S_3| = |H|\cdot[S_3:H]\)。
  4. 模仿性质 1 的证明,推导右陪集的判据:\(Ha = Hb \iff ab^{-1} \in H\)。
  5. 补算 \(S_3\) 中 \(H = \{e, x\}\) 的右陪集 \(Hy^{2}\),并与左陪集 \(y^{2}H\) 比较,再次体会「左、右陪集一般不同」。
  6. 思考:在 \(S_3\) 中 \(yH \neq Hy\)。子群满足什么条件时,它的左、右陪集都一样?(本讲提出的问题,后续讲次回答。)
作业提醒 本次作业会用到指数与拉格朗日定理。先自己思考、理解和消化,不要急着找习题解答;答案下周发放。
下一讲预告 第 5 讲:陪集 (ii)——陪集内容的继续(本讲留下的问题「左、右陪集什么时候一样」将在后续讲次中回答)。