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◎学习目标
- 理解变换群的概念:集合 \(S\) 上全体双射在复合运算下构成的群 \(\operatorname{Sym}(S)\);
- 掌握凯莱(Cayley)定理及其证明:任何群都同构于某个变换群的子群,构造核心是左乘算子 \(\tau_g\);
- 知道推论:任何 \(n\) 阶有限群都同构于 \(S_n\) 的一个子群(置换群);
- 掌握 k-循环与对换的定义,会把任意置换写成不相交循环的乘积;
- 理解「不相交循环可交换;有公共元素的循环一般不可交换」,并熟悉从右往左的复合约定;
- 掌握循环的三类基本运算:k-循环有 \(k\) 种写法(轮换起点)、k-循环的阶为 \(k\)、逆循环为括号内逆序;
- 掌握共轭公式 \(\sigma(i_1\;\cdots\;i_k)\sigma^{-1}=(\sigma(i_1)\;\cdots\;\sigma(i_k))\),并理解共轭保持置换的循环形状。
0回顾与动机:变换群 ⏱ 00:00
- 前面已经把 \(S_n\) 定义为:一个含 \(n\) 个元素的集合上的全体一一映射(双射)组成的集合,其上的乘法就是双射之间的复合。这就是置换群。
- 之前一直拿 \(S_3\) 作为例子,已经见过很多它的性质;本讲要学习置换群更一般、更系统的性质。
- 把视角推广:不局限于 \(n\) 元集合,任意集合上的全体一一对应放在一起,也天然有一个群结构。
本讲的第一步要回答一个根本问题:任何一个抽象的群,能不能都看成某个集合上的变换群(的子群)?答案是肯定的——这就是下面的凯莱定理。特别地,对有限群而言,变换群就是置换群,从而任何有限群都同构于某个置换群的子群。
1凯莱(Cayley)定理 ⏱ 03:01
1.1 构造:左乘算子 \(\tau_g\) ⏱ 05:25
要证「同构于某个变换群的子群」,第一步是找到对应:给任意一个群 \(G\)(运算记作 \(\cdot\)),对每个 \(g \in G\),定义映射
只要证明 \(\tau_g\) 是双射,它就是集合 \(G\) 上的变换群 \(\operatorname{Sym}(G)\) 中的一个元素——这样就找到了「群元素 \(\leftrightarrow\) 双射」的对应。
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单射 ⏱ 06:24:设 \(\tau_g(x) = \tau_g(y)\),即 \(gx = gy\)。两边同时左乘 \(g^{-1}\),立刻得到 \(x = y\)。
满射 ⏱ 06:57:任取 \(x \in G\),要找被映到 \(x\) 的元素。取 \(y = g^{-1}x\),则
即 \(g^{-1}x\) 在 \(\tau_g\) 下的像恰为 \(x\),故 \(\tau_g\) 是满的。既单又满,\(\tau_g\) 是 \(G\) 上的双射。
1.2 全体左乘算子构成子群 ⏱ 09:11
把所有左乘算子放在一起,记为
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先看 \(\tau_h\) 的逆:\(\tau_h\) 把 \(x\) 映为 \(hx\),要把 \(hx\) 送回 \(x\) 就左乘 \(h^{-1}\),所以
再算复合:对任意 \(x \in G\),
故 \(\tau_g\,\tau_h^{-1} = \tau_{gh^{-1}} \in T\)(它仍可写成「某个群元素的左乘算子」的形式)。由子群判定定理,\(T \le \operatorname{Sym}(G)\)。每一步都是严格的。
1.3 对应 \(g \mapsto \tau_g\) 是群同构 ⏱ 13:50
找到对应 \(G \to T,\ g \mapsto \tau_g\) 之后,还要证明这个对应是同构:是同态、是单的、是满的。
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(1)同态(保持运算) ⏱ 14:24:要证 \(\tau_{gh} = \tau_g\,\tau_h\)。对任意 \(x \in G\),
对一切 \(x\) 成立,故 \(\tau_{gh} = \tau_g\,\tau_h\),即 \(\varphi(gh) = \varphi(g)\,\varphi(h)\)。这里 \(\tau_g\) 是 \(g\) 在 \(\varphi\) 下的像,\(\tau_h\) 是 \(h\) 的像,乘积的像等于像的乘积。
(2)满射 ⏱ 16:15:这是显然的——\(T\) 中的任何元素按定义都写作 \(\tau_g\) 的形式,下标是什么,原像就是什么。
(3)单射,方法一 ⏱ 16:35:设 \(\tau_g = \tau_h\)。两个双射相等意味着对任意 \(x \in G\),\(\tau_g(x) = \tau_h(x)\),即 \(gx = hx\)。两边同时右乘 \(x^{-1}\),得 \(g = h\)。
(3')单射,方法二(用核) ⏱ 18:03:前面已证 \(\varphi\) 是同态,故只需证核为平凡群。单位元是恒等映射 \(\mathrm{id}\)(保持所有元素不动):
条件 \(gx = x\) 对一切 \(x\) 成立,两边右乘 \(x^{-1}\) 即得 \(g = e\)。所以 \(\ker\varphi = \{e\}\),\(\varphi\) 是单射。
综上,\(\varphi\) 既是同态又是双射,是群同构,\(G \cong T\)。 ⏱ 19:33
1.4 推论:有限群都是置换群的子群 ⏱ 22:01
理由:有限集合上的变换群就是置换群——考虑有限集合的情况,\(\operatorname{Sym}(G)\) 本质上就是 \(S_n\)(\(n = |G|\))。
2循环与对换 ⏱ 23:49
现在正式研究置换群。考虑有限集合 \(\{1, 2, \dots, n\}\) 上的置换(即 \(S_n\) 的元素),其元素用编号 \(1\) 到 \(n\) 表示。
3置换的不相交循环分解 ⏱ 26:59
- 不相交的循环因子可以交换:只要保证括号里的数没有重复,这些循环之间的顺序可以随便调换;
- 在不计较次序的意义下,这种分解是唯一确定的。
分解方法:从某个数出发,依次求它的像、像的像……直到回到起点,封一个括号;再挑一个尚未处理的数继续,直到所有数都处理完。保持不动的数(1-循环)通常省略不写。
3.1 例子 ⏱ 28:35
3.2 反例:有公共元素的循环不可交换 ⏱ 34:55
- \((1\;2\;3)(5\;6\;1\;4)\):\(1 \to 4 \to 4\),\(2 \to 2 \to 3\),\(3 \to 3 \to 1\),\(4 \to 5 \to 5\),\(5 \to 6 \to 6\),\(6 \to 1 \to 2\),结果为
\[ \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 \\ 4 & 3 & 1 & 5 & 6 & 2 \end{pmatrix} = (1\;4\;5\;6\;2\;3). \]
- 反过来 \((5\;6\;1\;4)(1\;2\;3)\):\(1 \to 2 \to 2\),\(2 \to 3 \to 3\),\(3 \to 1 \to 4\),\(4 \to 4 \to 5\),\(5 \to 5 \to 6\),\(6 \to 6 \to 1\),结果为 ⏱ 37:56
\[ \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 \\ 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 1 \end{pmatrix} = (1\;2\;3\;4\;5\;6). \]
证明(点击展开)
记 \(\sigma = (i_1\;\cdots\;i_m)\),\(\tau = (j_1\;\cdots\;j_k)\),两组数互不相交。任取元素 \(x\) 分三种情况:
- 若 \(x\) 是某个 \(i_r\):\(\tau\) 不动它,故 \(\tau\sigma(x) = \tau(\sigma(x)) = \sigma(x)\)(因为 \(\sigma(x)\) 仍是某个 \(i\),\(\tau\) 也不动它);同理 \(\sigma\tau(x) = \sigma(x)\)。
- 若 \(x\) 是某个 \(j_s\):完全对称地,两边都等于 \(\tau(x)\)。
- 若 \(x\) 两者都不是:两个循环都不动它,两边都等于 \(x\)。
对一切 \(x\) 作用相同,故 \(\sigma\tau = \tau\sigma\)。直观理解:先做哪一个变换对下一步都没有影响,因为它们动的数完全不重叠。
4循环的不同写法 ⏱ 39:24
一个循环不见得非要写成 \((i_1\;i_2\;\cdots\;i_k)\) 的形式:起点可以换,但从左到右的循环顺序必须保持不变。
5k-循环的阶 ⏱ 41:23
回顾:元素 \(\sigma\) 的阶是使 \(\sigma^n = e\)(单位映射)成立的最小正整数 \(n\),记作 \(o(\sigma)\)。 ⏱ 42:08
6循环的逆 ⏱ 42:56
证明(点击展开) ⏱ 43:39
记 \(\sigma = (i_1\;i_2\;\cdots\;i_k)\),\(\tau = (i_k\;i_{k-1}\;\cdots\;i_1)\)。要证 \(\tau = \sigma^{-1}\),即证 \(\sigma\tau = e = \tau\sigma\)。这两个置换只动 \(i_1,\dots,i_k\),故只需逐一检查这些元素的像:
- \(\tau(i_1) = i_k\),而 \(\sigma(i_k) = i_1\),所以 \((\sigma\tau)(i_1) = i_1\);
- 对 \(r = 2,\dots,k\):\(\tau(i_r) = i_{r-1}\),而 \(\sigma(i_{r-1}) = i_r\),所以 \((\sigma\tau)(i_r) = i_r\);
- 不在循环中的元素两者都不动,像仍为自己。
故 \(\sigma\tau = e\)。完全类似地验证 \(\tau\sigma = e\):\(\sigma\) 把下标加 \(1\),\(\tau\) 把下标减 \(1\),正好导回去。因此 \(\sigma^{-1} = \tau\)。
7循环的共轭与形状不变 ⏱ 48:21
设 \(\sigma \in S_n\)。形如 \(\sigma\,(\cdots)\,\sigma^{-1}\) 的运算称为共轭作用(严格的「作用」定义后面再给;这里左右两边互为逆元素的结构,与处理正规子群时见过的左右陪集类似)。
证明(点击展开) ⏱ 49:23
右边循环动的数是 \(\sigma(i_1),\dots,\sigma(i_k)\),它把 \(\sigma(i_r)\) 送到 \(\sigma(i_{r+1})\)(下标模 \(k\))。要证左右相等,只需验证左边这个映射对这些元素的作用与右边一致。
看 \(\sigma(i_1)\) 在左边的像。利用结合律,先把 \(\sigma^{-1}\) 与 \(\sigma\) 合并:
注意:\(\sigma(i_1)\) 是一个具体的数(\(i_1\) 在 \(\sigma\) 下的像),不是循环记号里的符号,不能随便消掉——这与循环分解时省略不动点是两码事。
同理,对每个 \(r\):\(\sigma(i_r)\) 在左边下的像是 \(\sigma(i_{r+1})\)(先被 \(\sigma^{-1}\) 送回 \(i_r\),循环把它送到 \(i_{r+1}\),再被 \(\sigma\) 送到 \(\sigma(i_{r+1})\));特别地 \(\sigma(i_k)\) 被送到 \(\sigma(i_1)\)。这恰好就是右边循环 \((\sigma(i_1)\;\cdots\;\sigma(i_k))\) 的作用。对不在这些像中的元素,两边都保持不动。故左右相等。
7.1 共轭保持置换的形状 ⏱ 55:55
由于任何置换都可以写为不相交循环的乘积,每一小块循环的长度在共轭作用下都保持不变,所以:
▤循环运算速查表
| 对象 / 运算 | 结论(公式) | 例子 |
|---|---|---|
| 不相交循环分解 | 任何置换 = 互不相交循环之积;不计次序唯一 | \(\begin{pmatrix}1&2&3&4&5&6\\3&2&1&5&4&6\end{pmatrix} = (1\;3\;2)(4\;5)\) |
| 不相交循环 | 可交换 | \((1\;3\;2)(4\;5) = (4\;5)(1\;3\;2)\) |
| 有公共元素的循环 | 一般不可交换,从右往左算 | \((1\;2\;3)(5\;6\;1\;4) \neq (5\;6\;1\;4)(1\;2\;3)\) |
| k-循环的写法 | 循环移位,共 \(k\) 种 | \((7\;8\;9\;1) = (9\;1\;7\;8)\) |
| k-循环的阶 | \(o = k\) | \(o((1\;2\;3)) = 3\) |
| k-循环的逆 | 括号内逆序 | \((6\;5\;4)^{-1} = (4\;5\;6)\) |
| 共轭 | \(\sigma(i_1\;\cdots\;i_k)\sigma^{-1} = (\sigma(i_1)\;\cdots\;\sigma(i_k))\) | \((1\;2\;3)(3\;2\;5)(3\;2\;1) = (1\;3\;5)\) |
| 共轭与形状 | 循环长度构成不变 | k-循环共轭后仍是 k-循环 |
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 随意交换循环顺序:只有互不相交的循环才可以交换;只要括号里有重复的数,换顺序结果就不同(见 \((1\;2\;3)\) 与 \((5\;6\;1\;4)\) 的反例)。
- 复合方向搞混:本课程把置换看成映射,复合时从右往左作用;有的课本从左往右算。循环有公共元素时,两种约定给出不同结果,做题前先确认约定。
- 循环的等价写法与乱序混淆:循环只能整体「循环移位」(如 \((7\;8\;9\;1) = (9\;1\;7\;8)\)),不能打乱相对顺序;把顺序完全颠倒得到的是逆置换,不是同一个置换。
- 共轭计算中乱消符号:\(\sigma(i_j)\) 是一个具体的数(像),不是循环记号里的可省略项;「不动点省略」只适用于把置换写成循环乘积时,两者是两码事。
- 「群的阶」与「元素的阶」混淆:\(|G|\) 是群中元素个数;\(o(\sigma)\) 是使 \(\sigma^n = e\) 的最小正整数 \(n\)。本讲结论:k-循环作为元素的阶是 \(k\)。
✎自测与作业
- 把下列置换写为不相交循环的乘积: \[ \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 \\ 4 & 3 & 1 & 5 & 6 & 2 \end{pmatrix}, \qquad \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 \\ 3 & 5 & 1 & 2 & 4 \end{pmatrix}. \]
- 验证:一般的 k-循环 \((i_1\;i_2\;\cdots\;i_k)\) 的阶是 \(k\)(提示:看 \(i_1\) 在第 \(m\) 次作用后的像,何时第一次回到 \(i_1\))。
- 分别计算 \((1\;2\;3)(5\;6\;1\;4)\) 与 \((5\;6\;1\;4)(1\;2\;3)\),比较结果,体会「有公共元素的循环不可交换」。
- 设 \(\sigma = (1\;2\;3)\),用共轭公式计算 \(\sigma(3\;2\;5)\sigma^{-1}\);再设 \(\tau = (1\;2)(3\;4)\),计算 \(\tau(1\;3\;5)\tau^{-1}\)。
- 写出 \((2\;5\;4)\) 的逆,并直接复合验证它与 \((2\;5\;4)\) 的乘积是恒等置换。
- (凯莱定理)设 \(G\) 为 3 阶群。按定理的证明构造 \(T = \{\tau_g : g \in G\}\),说明 \(T\) 是 \(S_3\) 的一个 3 阶子群,从而 \(G \cong T\)。