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◎学习目标
- 掌握把轮换写成对换乘积的两种方法,会逐步验证两边相等(从最右边的对换开始作用);
- 理解并熟记性质 5:置换写成对换乘积的表示不唯一,但对换个数的奇偶性不变;了解用 Vandermonde 行列式证明的思路;
- 掌握奇置换 / 偶置换与符号函数 \(\mathrm{sgn}\) 的定义,会求给定置换的符号;
- 掌握交错群 \(A_n\) 的定义,会验证 \(A_n \le S_n\),理解 \(A_n = \ker(\mathrm{sgn})\) 从而是 \(S_n\) 的正规子群;
- 掌握「指数为 2 的子群必正规」的引理与 \(|A_n| = n!/2\),会用双射证明奇偶置换个数相等;
- 会证明:当 \(n \ge 3\) 时,\(A_n\) 由 \(S_n\) 中全体三循环生成;
- 认识 Klein 四元群 \(K_4\),通过作业例子理解「正规性不具有传递性」。
1回顾与引入:置换写成对换的乘积 ⏱ 00:00
前面已经认识了置换群 \(S_n\),大家一直比较好奇的「交错群 \(A_n\)」到底是什么,本讲就来回答它。先承认两个事实(有的上一讲已证,有的本讲补充):
- 任何一个置换都可以写成不相交轮换的乘积;
- 任何一个置换也可以写成若干个对换的乘积——即可以「写成全部都是对换的样子」。
关键点在于:写成对换乘积的写法可以非常多,但其中对换的个数到底是奇数还是偶数,是不会变的。本讲就从具体例子出发,观察、证明这一事实,然后给出奇偶置换、符号函数与交错群的定义。
2把轮换写成对换的乘积 · 方法一 ⏱ 00:31
- \(1\) 的像:\((1\ 2)\) 把 \(1 \mapsto 2\),接着 \((1\ 3)\) 不动 \(2\),故 \(1 \mapsto 2\);
- \(2\) 的像:\((1\ 2)\) 把 \(2 \mapsto 1\),而 \(1\) 还得被 \((1\ 3)\) 变成 \(3\),故 \(2 \mapsto 3\);
- \(3\) 的像:\((1\ 2)\) 不动 \(3\),\((1\ 3)\) 把 \(3 \mapsto 1\),故 \(3 \mapsto 1\)。
- \(1 \mapsto 2\),之后不动;
- \(2 \mapsto 1\),而 \(1\) 还会变成 \(3\),故 \(2 \mapsto 3\);
- \(3\) 在 \((1\ 2)\) 中不动,被 \((1\ 3)\) 变成 \(1\),而 \(1\) 还会变成 \(4\),故 \(3 \mapsto 4\);
- \(4\) 在前面对换中不动,最后被 \((1\ 4)\) 变成 \(1\),故 \(4 \mapsto 1\)。
3分解方法二:引入一个外部元素 ⏱ 03:18
除了方法一,还有很多不同的写法。第二种方法:任取一个不在轮换中出现的数 \(b\),每个对换前面都放 \(b\)。
- \(1\):最右 \((4\ 1)\) 把 \(1 \mapsto 4\),接着 \((4\ 2)\) 把 \(4 \mapsto 2\),后面没有 \(2\) 了,故 \(1 \mapsto 2\);
- \(2\):最右对换不动 \(2\),\((4\ 2)\) 把 \(2 \mapsto 4\),而 \(4\) 还会被 \((4\ 3)\) 变成 \(3\),故 \(2 \mapsto 3\);
- \(3\):前两个对换不动 \(3\),\((4\ 3)\) 把 \(3 \mapsto 4\),而 \(4\) 又被最左的 \((4\ 1)\) 变成 \(1\),故 \(3 \mapsto 1\);
- \(4\):先被变成 \(1\),最后又变回 \(4\),保持不动。
这里的 \(4\) 换成 \(5\) 或任何不属于 \(\{1,2,3\}\) 的数都可以。⏱ 04:48
4性质 5:对换个数的奇偶性不变 ⏱ 06:41
4.1 观察
- \((1\ 2\ 3)\) 是三循环(长度为奇数):方法一写为 \(2\) 个对换的乘积,方法二写为 \(4\) 个对换的乘积——个数不同,但总是偶数个;
- \((1\ 2\ 3\ 4)\) 是四循环(长度为偶数):可以写为 \(3\) 个对换的乘积,也可以写为 \(5\) 个对换的乘积——总是奇数个。⏱ 06:58
即:长度为奇数的轮换总可以写为偶数个对换的乘积;长度为偶数的轮换(\(k\) 为偶数)总可以写为奇数个对换的乘积。写法可以不同,但奇偶性不变。
| 轮换 | 长度 \(k\) | 方法一(\(k-1\) 个对换) | 方法二(\(k+1\) 个对换) | 对换个数奇偶性 |
|---|---|---|---|---|
| \((1\ 2\ 3)\) | \(3\)(奇) | \(2\) 个 | \(4\) 个 | 偶 |
| \((1\ 2\ 3\ 4)\) | \(4\)(偶) | \(3\) 个 | \(5\) 个 | 奇 |
| 一般 \(k\) 轮换 | \(k\) | \(k-1\) 个 | \(k+1\) 个 | 由 \(k-1\) 的奇偶性决定 |
4.2 性质 5 的陈述 ⏱ 09:01
例如 \((1\ 2\ 3)\) 可写为 \(2\) 个也可写为 \(4\) 个对换的乘积,奇偶性都是偶;\((1\ 2\ 3\ 4)\) 可写为 \(3\) 个或 \(5\) 个,奇偶性都是奇。⏱ 10:14
4.3 为什么会这样:Vandermonde 行列式 ⏱ 10:31
这个事实可以严格证明,要用到高等代数里的 Vandermonde(范德蒙德)行列式。回忆 \(k\) 阶 Vandermonde 行列式:第一行全是 \(1\),之后各行依次为 \(x_i\)、\(x_i^2\)、……、\(x_i^{k-1}\):
即结果等于「下标大的减下标小的」的所有可能的乘积。例如 \(3\) 阶时右边就是 \((x_3-x_2)(x_3-x_1)(x_2-x_1)\) 这种样子。⏱ 11:25
证明思路(点击展开)
- 对下标 \(1, 2, \dots, k\) 做一个置换 \(\sigma \in S_k\)(相当于把行列式的列重新排序)。新行列式的元素仍在 \(x_1, \dots, x_k\) 之间跑动,绝对值不变,唯一可能变的是符号,而且符号由 \(\sigma\) 唯一决定。⏱ 12:17
- 另一方面,把 \(\sigma\) 写成一些对换的乘积。每做一个对换,相当于交换行列式的两列;由行列式的性质,交换两列,行列式变号一次。若用了 \(m\) 个对换,符号就变 \((-1)^m\) 倍。
- \(\sigma\) 写成对换乘积的方式有很多种(\(m\) 可以不同),但不管用哪种写法,一步步交换列得到的最终行列式,必须和「直接用 \(\sigma\) 作用」得到的行列式一致——符号也要一致。
- 因此 \((-1)^m\) 只由 \(\sigma\) 决定,与分解方式无关;于是任何两种分解中对换个数的奇偶性必须相同。⏱ 14:33
这就是 Vandermonde 行列式一个比较奇妙的用法,值得稍微多想一下:不同的表达方式没有关系,但奇偶性一定要一样。
5奇置换、偶置换与符号函数 ⏱ 15:39
5.1 奇置换与偶置换
- 若一个置换可以写为奇数个对换的乘积,则称它为奇置换;
- 若一个置换可以写为偶数个对换的乘积,则称它为偶置换。
5.2 符号函数
6交错群 \(A_n\) ⏱ 19:13
验证(点击展开)
- 封闭性:两个偶置换相乘,对换个数相加仍为偶数,结果仍是偶置换;
- 单位元:恒等映射可以写为 \(0\) 个对换的乘积,\(0\) 是偶数,故单位元在 \(A_n\) 中;
- 逆元:任何一个对换 \((i\ j)\) 是二阶元,它的逆映射就是它自己;于是偶数个对换乘积的逆(把顺序反过来)仍是同样多个对换的乘积,仍是偶置换。
子群的所有条件都满足,所以 \(A_n \le S_n\),可以单独把它当作一个群来研究。⏱ 20:59
6.1 \(\mathrm{sgn}\) 是满的群同态 ⏱ 21:39
验证提示:把 \(\sigma, \tau\) 分别写成对换的乘积,则 \(\sigma\tau\) 的对换总数是两者之和,奇偶性按「偶 + 偶 = 偶、奇 + 奇 = 偶、一奇一偶 = 奇」相加,恰好对应 \(\pm1\) 的乘法。
6.2 同态基本定理与正规性 ⏱ 22:36
既然 \(\mathrm{sgn}\) 是满同态,由同态基本定理:
而核正是 ⏱ 23:02
所以 \(S_n / A_n \cong \{\pm1\}\)。由于「同态的核总是正规子群」(讲同态时已证明),立刻得到 ⏱ 23:25
另一方面,由同构也可看出 \([S_n : A_n] = |\{\pm1\}| = 2\):如果一个子群只有两个陪集,那么它肯定是正规子群——这就是下面的引理。⏱ 23:56
证明(点击展开)
不同左陪集的个数只有两个。把 \(G\) 用左陪集分解:一个是平凡的 \(eH = H\),另一个设为 \(aH\)(\(a \notin H\)),即 \(G = H \sqcup aH\),不会有其他陪集。从右陪集的角度同样只有两个:\(G = H \sqcup Ha\)。⏱ 24:47
于是:当 \(a \in H\) 时,\(aH = Ha = H\);当 \(a \notin H\) 时,\(aH = G \setminus H = Ha\)。所以对任意 \(a \in G\) 都有 \(aH = Ha\),即 \(H\) 是正规子群。这个结论很简单但后面会用到,所以在这里提一下。⏱ 25:43
6.3 \(A_n\) 的阶:奇偶置换各占一半 ⏱ 25:59
自然会问:\(S_n\) 中奇置换与偶置换的个数是否一样?事实是确实一样。
- 首先 \(|S_n| = n!\):\(1\) 的像有 \(n\) 种选择,\(2\) 的像有 \(n-1\) 种选择,依次类推。⏱ 26:18
- 设 \(B_n\) 为 \(S_n\) 中所有奇置换的集合(\(A_n\) 是所有偶置换)。构造映射 ⏱ 27:19
\[ \varphi: A_n \longrightarrow B_n, \qquad \sigma \longmapsto (1\ 2)\,\sigma. \]\(\sigma\) 本来是偶置换,多乘一个对换 \((1\ 2)\) 就变成奇置换。可以证明 \(\varphi\) 是一个双射(自己证一下,不难)。⏱ 27:45
- 于是奇、偶置换个数相等,各占一半: ⏱ 28:30
\[ |A_n| = |B_n| = \frac{n!}{2}. \]也可以由商群(指数)的定义 \([S_n : A_n] = |S_n|/|A_n|\) 以及 \([S_n : A_n] = 2\) 直接推出 \(|A_n| = n!/2\)。
小结:证明 \(A_n \trianglelefteq S_n\) 有两种方法——其一用 \(\ker(\mathrm{sgn})\)(同态的核),其二用指数 \([S_n:A_n]=2\)(指数为 2 必正规)。⏱ 28:59
7命题:\(A_n\) 由三循环生成 ⏱ 29:04
证明(点击展开)
\(n = 3\) 的情形:显然。\(S_3\) 中任何元素写成不相交轮换的乘积时,最多也就是三循环的形式;而 \(A_3\) 中都是偶置换,即 \(e, (1\ 2\ 3), (1\ 3\ 2)\),自然都是三循环(及其乘积)。⏱ 30:22
\(n > 3\) 的情形:任取 \(\sigma \in A_n\),则 \(\sigma\) 可以写为偶数个对换的乘积:\(\sigma = \tau_1 \tau_2 \cdots \tau_{2m}\)。把对换两个两个一组,任取一对来看,它们的形式只有两种情况 ⏱ 31:47:
- 两个对换没有重复的数字:形如 \((a\ b)(c\ d)\);
- 两个对换恰有一个重复的数字:形如 \((a\ b)(a\ c)\)。
(不可能两个数字全都重复——那样两个对换相同,相乘就是平凡的单位元。)其中 \(a, b, c, d\) 都是 \(\{1, \dots, n\}\) 中互不相同的元素。只要证明每一对对换的乘积都能写成三循环即可。⏱ 32:46
情况一(四个数字全不同):⏱ 33:23
记忆方法:第一个三循环 = 前一个对换 \((a\ b)\) 再「重复一下后面那个对换的第一个数」\(c\);第二个三循环 = 在后面那个对换 \((c\ d)\) 前面「加上前面那个对换的后一个数」\(b\)。验证:\(a \mapsto b\);\(b \mapsto c \mapsto a\),故 \(b \mapsto a\);\(c \mapsto d\);\(d \mapsto b \mapsto c\),故 \(d \mapsto c\)。左右一样,是两个三循环的乘积。
情况二(有一个数字相同):⏱ 34:40
这正是第 2 节「三循环可写为两个对换乘积」的反向使用。验证:\(a \mapsto c\);\(c \mapsto a \mapsto b\),故 \(c \mapsto b\);\(b \mapsto a\)。左右一样,本身就是一个三循环。
结论:\(\sigma\) 是偶数个对换的乘积,两两分组后,每一对要么是情况一(两个三循环之积),要么是情况二(一个三循环),所以 \(\sigma\) 总能写为三循环的乘积。把全体三循环放在一起,就可以生成整个 \(A_n\)。⏱ 35:16
8Klein 四元群:正规性不具有传递性 ⏱ 36:02
提示:考虑下面的群——Klein 四元群。⏱ 37:29
验证(点击展开)
- \(x^2 = y^2 = z^2 = e\):例如 \(x\) 是两个不相交对换的乘积,不相交的对换本来就可交换,而且每个对换都是二阶元,所以平方就是单位元。⏱ 39:23
- 再算一下 \(xy\),会发现 \(xy = z\)(自己验证)。⏱ 39:46
- 于是 \(K_4\) 对乘法封闭;所有元素都是二阶元,逆元就是元素本身——很容易验证它是一个子群,而且显然是交换的。
8.1 构造反例
- 第一步 ⏱ 41:43:取 \(H = \{e, x\} = \{e, (1\ 2)(3\ 4)\}\)。它显然是 \(K_4\) 的子群;因为 \(K_4\) 是交换群,交换群的任何子群都是正规子群,故 \(H \trianglelefteq K_4\)。也可以这样看:\(K_4\) 是 \(4\) 阶的,\(H\) 是 \(2\) 阶的,指数 \([K_4 : H] = 2\),由上面的引理立刻得到 \(H \trianglelefteq K_4\)。⏱ 42:13
- 第二步 ⏱ 42:45:证明 \(K_4 \trianglelefteq S_4\)。
验证 \(K_4 \trianglelefteq S_4\)(点击展开)
要证正规,就是验证共轭作用后仍落在 \(K_4\) 里:对任意 \((a\ b)(c\ d) \in K_4\)(\(a,b,c,d\) 互不相同)与任意 \(\sigma \in S_4\),⏱ 42:57
由于 \(a,b,c,d\) 互不相同,\(\sigma(a), \sigma(b), \sigma(c), \sigma(d)\) 也互不相同,右边仍是两个不相交对换的乘积,即仍在 \(K_4\) 中。所以 \(K_4 \trianglelefteq S_4\)。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 以为对换分解唯一:表示方法不唯一(\(k-1\) 个、\(k+1\) 个……都可以),唯一的只是对换个数的奇偶性。
- 把「轮换长度的奇偶」与「置换的奇偶」搞反:长度为奇数的轮换(如三循环)是偶置换;长度为偶数的轮换(如对换、四循环)才是奇置换。
- 忘记恒等映射是 \(0\) 个对换的乘积(\(0\) 为偶数),验证 \(A_n\) 是子群时单位元这一条不要漏。
- 误以为 \(\mathrm{sgn}\) 是单射:\(\mathrm{sgn}\) 满而不单,大量偶置换都映到 \(1\)。
- 误以为正规性可以传递:\(H \trianglelefteq K\)、\(K \trianglelefteq G\) 推不出 \(H \trianglelefteq G\)(本讲 \(K_4\) 反例);成立的是「下降」方向:\(H \trianglelefteq G \Rightarrow H \trianglelefteq K\)(\(H \le K \le G\))。
- 验证置换相等时作用顺序搞错:约定从最右边的对换开始,一个一个往左作用。
✎自测与作业
- 用两种方法把 \((1\ 2\ 3\ 4\ 5)\) 写成对换的乘积,分别数一数对换个数,并判断它是奇置换还是偶置换。
- 验证 \(\mathrm{sgn}: S_n \to \{\pm1\}\) 是群同态:\(\mathrm{sgn}(\sigma\tau) = \mathrm{sgn}(\sigma)\mathrm{sgn}(\tau)\),并说明它满而不单。
- 证明 \(\varphi: A_n \to B_n,\ \sigma \mapsto (1\ 2)\sigma\) 是双射(提示:逆映射也是左乘 \((1\ 2)\)),从而推出 \(|A_n| = n!/2\)。
- 证明:若 \(H \le G\) 且 \([G:H] = 2\),则 \(H \trianglelefteq G\)。
- (作业)举例说明正规性不传递:找 \(H \le K \le G\),使 \(H \trianglelefteq K\)、\(K \trianglelefteq G\),但 \(H \ntrianglelefteq G\)。提示:取 \(G = S_4\),\(K = K_4\),\(H = \{e, (1\ 2)(3\ 4)\}\);需验证 \(K_4\) 是 \(A_4\) 的交换子群、\(K_4 \trianglelefteq S_4\),而 \(H\) 在 \(S_4\) 中不正规。
- 验证 \(K_4\) 的乘法关系:\(x^2 = y^2 = z^2 = e\),\(xy = z\)(并由此说明 \(K_4\) 交换)。