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◎学习目标
- 理解轨道(orbit)与稳定子群(stabilizer)之间的基本关系;
- 掌握轨道-稳定子群定理:轨道的元素个数等于对应稳定子群在大群中的指数,并能完整证明(定义合理、单射、满射);
- 理解共轭(conjugate)作用下轨道=共轭类(conjugacy class),稳定子群=中心化子群(centralizer)\(C_G(x)\);
- 掌握有限群的类方程(class equation)及其推导过程;
- 会证明「任意 P 群的中心非平凡」,并由此证明「阶为 \(P^2\)(\(P\) 为素数)的群必为交换群」;
- 理解正规化子群 \(N_G(H)\):在子群集合上的共轭作用下,子群 \(H\) 的稳定子群就是 \(N_G(H)\);
- 认识传递作用(transitive action):只有一个轨道的作用。
1轨道-稳定子群定理 ⏱ 00:01
本讲首先看一个非常关键的结论(老师称之为「定理」,实际是引理 / 核心结论),它把轨道中元素的个数与稳定子群在大群中的指数联系起来。前面已经强调过:稳定子群(即「弥象群」/「文电化子」,均为语音识别错误,正确术语为稳定子群 stabilizer)是 \(G\) 的一个子群;既然有子群,就可以考虑它在大群中的指数。这个指数恰好与对应轨道的大小相关。
1.1 建立联系 ⏱ 03:03
左边是 \(x\) 的轨道(\(S\) 的一个子集合),右边元素可以写成陪集 \(gH\) 的形式。要建立二者联系,自然想法是:若左边对应 \(g \cdot x\),就把它对应到 \(gH\)。下面证明这个 \(\varphi\) 确实是一个双射(well-defined、injective、surjective)。
证明 · 双射(点击展开)
第一步:定义合理(well-defined)。⏱ 04:11
右边的像是陪集 \(gH\) 的形式。陪集可能有不同写法(同一个陪集可以用不同代表元表示),必须保证:若 \(g_1 x = g_2 x\)(作为轨道中同一个元素),则其对应的陪集 \(g_1H\) 与 \(g_2H\) 仍相等(作为集合相同)。于是设
两边同时左乘 \(g_2^{-1}\)(用 \(g_2^{-1}\) 作用在等式两边,这是群作用的基本性质):
故 \(g_2^{-1} g_1\) 在 \(x\) 的稳定子群 \(H\) 中。根据前面已证明的陪集性质:若 \(g_2^{-1}g_1 \in H\),则立即有
(这是第 2 讲陪集性质中已证结论。)因此即使轨道中的元素写成不同形式,对应陪集仍相同——定义合理。
第二步:单射。⏱ 06:51
若两个轨道元素像相同,即 \(g_1 H = g_2 H\)。根据陪集的性质(之前已证的等价条件),可推出 \(g_1^{-1} g_2 \in H\)(或 \(g_2^{-1} g_1 \in H\))。由于 \(H\) 正是 \(x\) 的稳定子群,于是
即两个「不同的轨道元素」其实相等,从而 \(\varphi\) 单射。(这里两边同时作用 \(g_1\) 即可得到 \(g_2 \cdot x = g_1 \cdot x\)。)
第三步:满射。⏱ 08:05
任取 \(G/H\) 中的一个左陪集 \(gH\),取轨道中元素 \(g\cdot x\),则 \(\varphi(g\cdot x) = gH\)。满射显然。(老师此处说「显然,不写了」。)
1.2 推论:用指数来数集合大小 ⏱ 09:24
前面已证:任意 \(G\) 集合 \(S\) 可以分解为不同轨道的不相交并集。现在结合上面的定理,每个轨道的大小又等于对应稳定子群的指数。因此可以把 \(|S|\) 用群论性质来「数」:
2共轭作用与中心化子群 ⏱ 13:23
回到前面的例子:把集合 \(S\) 也取成群 \(G\) 本身,考虑它的共轭作用(前面已验证共轭作用确实是群作用):对 \(g, x \in G\),
现在具体研究这个共轭作用的轨道与稳定子群。
2.1 共轭类 ⏱ 13:47
2.2 中心化子群 ⏱ 16:27
3有限群的类方程 ⏱ 19:26
把前面的代表元计数具体应用到「共轭作用 + \(S = G\)」的情形,可以得到一个极其有用的公式。
3.1 公式由来 ⏱ 21:38
把 \(S\) 取为 \(G\) 本身(共轭作用),用第 1.2 节的代表元计数:
再细分:若 \(x\) 属于中心 \(Z(G)\),则其共轭类只有一个元素(轨道大小 1,指数 \(|G|/|C_G(x)| = 1\),即 \(C_G(x) = G\)),这些项加起来正好是中心的元素个数 \(|Z(G)|\)。若 \(x\) 不在中心,则轨道不止一个元素(对应非平凡共轭类),其项写作 \([G : C_G(x_i)]\)。于是得到上式。这就是前面「群集合作用于分解」的一个特殊情况。
4 · 任意 P 群的中心非平凡 ⏱ 23:05
证明(用类方程,点击展开)
由上面的类方程,把 \(|G|\) 表示为
其中 \(y_i\) 是对应共轭类不止一个元素的代表元。由 Lagrange 定理(学「子群」时已得),对每个子群 \(C_G(y_i)\) 有:
因为 \(G\) 是 P 群,\( |G| = P^m \),所以每个指数 \([G : C_G(y_i)]\) 必为 \(P^m\) 的因子,即 \(P\) 的某次幂。
又因为每个 \(y_i\) 的共轭类不止一个元素,说明 \(y_i\) 不是中心元(否则 \(C_G(y_i)=G\),指数 1)。故 \(C_G(y_i)\) 严格小于 \(G\),于是 \([G : C_G(y_i)]\) 严格大于 1,即含有 \(P\) 的因子。
于是对每一项,\(P \mid [G : C_G(y_i)]\);又 \(P \mid |G| = P^m\)。因为 \(P\) 整除右边求和部分的每一项,也整除左边 \(|G|\),故
5子群集合上的作用 ⏱ 28:42
再看一个关于群作用的重要例子(老师指出:后面在 Sylow 定理的证明中会用到这个例子):把集合取为 \(G\) 的所有子群构成的集合。
在此作用下的轨道与稳定子群可显式写出:
- 轨道:子群 \(H\) 的轨道为 \(\{\, g H g^{-1} \mid g \in G \,\}\),称为 \(H\) 的共轭子群类(与元素的共轭类类似,只不过这里作用对象是子群)。⏱ 30:49
- 稳定子群:保持 \(H\) 不动的所有 \(g\) 的集合为 \(\{\, g \in G \mid g H g^{-1} = H \,\}\)。
6传递作用(transitive) ⏱ 34:17
7小应用:阶为 \(P^2\) 的群必为交换群 ⏱ 36:56
这是前面所学结论的一个有意思的应用(老师推荐学生仔细体会「这些结果到底该如何使用」)。
证明(反证法,点击展开)
设 \(G\) 为 \(P^2\) 阶群。假设 \(G\) 不是交换群。考虑 \(G\) 的中心 \(Z(G)\)(老师用 \(C\) 表中心)。
Step 1 · 中心的阶只能取几种情况。
若 \(G\) 非交换,则中心不可能等于 \(G\)(否则所有元素都交换,即为交换群),故 \(|Z(G)| < |G| = P^2\)。又 \(Z(G)\) 是 \(G\) 的子群,由 Lagrange 定理,\(|Z(G)|\) 必为 \(|G| = P^2\) 的因子,即 \(|Z(G)| \in \{1, P, P^2\}\)。结合 \(|Z(G)| < P^2\),得 \(|Z(G)| \in \{1, P\}\)。
Step 2 · 中心非平凡。
由第 4 节的定理:\(P^2\) 阶群是 P 群,所以其中心含有不止一个元素,即 \(|Z(G)| > 1\)。故 \(|Z(G)| = P\)。
Step 3 · 取 \(a \in G \setminus Z(G)\) 产生矛盾。
因为 \(|Z(G)| = P < P^2 = |G|\),所以存在 \(a \in G\) 使得 \(a \notin Z(G)\)。此时: ① \(Z(G) \subseteq C_G(a)\)(中心元素与任意元素交换,故与 \(a\) 交换); ② \(a \in C_G(a)\)(元素与自身交换); ③ \(a \notin Z(G)\)。
由 ① 且 \(a\) 不在中心,\(C_G(a)\) 严格包含 \(Z(G)\),故 \(|C_G(a)| > |Z(G)| = P\)。
另一方面,\(C_G(a)\) 是 \(G\) 的子群,由 Lagrange 定理,\(|C_G(a)| \in \{1, P, P^2\}\)。由 \(|C_G(a)| > P\) 得 \(|C_G(a)| = P^2\),即 \(C_G(a) = G\)(因为 \(C_G(a)\) 的阶等于 \(G\) 的阶,而 \(C_G(a) \leqslant G\))。
这说明 \(G\) 中所有元素都与 \(a\) 交换,即 \(a \in Z(G)\),与「\(a \notin Z(G)\)」矛盾。假设不成立,故 \(G\) 是交换群。∎
\(P = 3\) 时:任何 9 阶群必为交换群(只有 \(\mathbb{Z}_9\) 与 \(\mathbb{Z}_3 \times \mathbb{Z}_3\) 两种)。
8Burnside 定理(计数公式)及其应用 · 补充
8.1 定理证明
证明(点击展开)
第一步 · 把「轨道数」转化为「不动点计数」。
考虑 \(G \times S\) 的不动点集合(即满足 \(g \cdot x = x\) 的有序对全体):
从两个方向数 \(|T|\):
方向一 · 按群元素 \(g\) 分组。 固定 \(g\),满足 \(g\cdot x = x\) 的 \(x\) 的个数恰是 \(|X(g)|\),于是
方向二 · 按不动点所在的轨道分组。 固定 \(x\),满足 \(g\cdot x = x\) 的 \(g\) 的个数恰是 \(x\) 的稳定子群的阶 \(|G_x|\)。由轨道分解 \(S = \bigsqcup_{i} O_i\)(各轨道不相交且并为 \(S\))与轨道-稳定子群定理 \(|G| = |O_i|\cdot |G_x|\),可得
其中 \(N = \sum_i 1\) 是轨道的总个数,最后一个等号利用了「同一轨道内所有点的稳定子群共轭、阶相同」。
合成。 两个方向数的是同一个集合 \(T\),故
(要点:先固定 \(g\) 数不动点,再固定 \(x\) 数稳定子群,用「轨道大小 × 稳定子群阶 = 群阶」把两种计数勾连起来。)
8.2 应用一(经典例)· 用 64 个小正方体拼长方体的个数
解法一 · 直接计数(不必用 Burnside,但能检验答案)。
解法一展开(点击)
长方体由三个棱长 \(a \le b \le c\)(三个数不区分顺序的整数)唯一确定(同一长方体旋转视为同一种),且体积满足
枚举 \(a\le b\le c\)、\(abc=64\)(用 \(\le\) 自动去重,不必再分情况)。固定 \(a\) 后 \(b\) 取 \(\ge a\) 且 \(b\mid 64/a\) 的值,并要求 \(b\le 64/(ab)\):
| \(a\) | \(b\) 候选(\(b\ge a,\ b\mid 64/a,\ b\le 64/(ab)\)) | 得到的 \((a,b,c)\) | 个数 |
|---|---|---|---|
| 1 | \(b=1,2,4,8\)(\(b=16\) 时 \(b>c=4\) 舍去) | \((1,1,64),\ (1,2,32),\ (1,4,16),\ (1,8,8)\) | 4 |
| 2 | \(b=2,4\)(\(b=8,16\) 时 \(b>c\) 舍去) | \((2,2,16),\ (2,4,8)\) | 2 |
| 4 | \(b=4\)(\(b=8,16\) 时 \(b>c\) 舍去) | \((4,4,4)\) | 1 |
| 8 | 无(\(b\ge8\) 时 \(b>c\)) | (无) | 0 |
合并得到全部满足 \(a\le b\le c\)、\(abc=64\) 的解:
共 7 种互不相同的长方体(其中 \((4,4,4)\) 是正方体;若题目约定「长方体」不含正方体,则为 6 种)。
解法二 · Burnside 定理的适用边界说明。
为什么本题首选因子枚举而非 Burnside(点击)
Burnside 定理的威力在于「群作用在着色 / 排列配置上,不同群元素的不动点可数」。本题若强行套用,需要把「用 64 个小正方体拼成的长方体」建模为某个群(如 3 维旋转群)作用于「放置方式集合」,但 64 个格点间的标号自由度和对称性分析相当复杂,远不如解法一的因子枚举简洁。
因此对本题,解法一(按 \(a\le b\le c\)、\(abc=64\) 的因子枚举)是最直接的方法。Burnside 定理真正适用的经典题型是「用有限种颜色给若干位置着色,允许某种对称群作用,求本质不同着色数」——下面 8.3 节的项链例子即典型。
作为对照,若把本题改写为「用 64 个带编号的小立方体填入一个 \(4\times4\times4\) 盒中,旋转盒子视为同一种填法,问本质不同填法数」,则该问题可用 Burnside 定理处理:取 3 维旋转群 \(G\)(阶 24,立方体全部旋转),作用于 \(4^3\) 个格点的编号排列集合,对每个旋转数其不动点数(满足「旋转后编号不变」的排列个数),最后除以 24。这是 Burnside 定理能施展身手的标准框架。
8.3 应用二(经典例)· 圆环项链计数
解法(点击)
群 \(G\) = 二面体群 \(D_6\)(6 个旋转 + 6 个翻转,\(|G| = 12\)),作用于 6 个位置上的 2 色着色集合 \(S\)(\(|S| = 2^6 = 64\))。对每个群元素计算其不动点数 \(|X(g)|\)(满足「该变换下着色不变」的着色数;对 2 色情形,等于 \(2^{\text{该变换的循环数}}\)):
| 群元素 | 个数 | 循环结构 | 不动点数 \(|X(g)|\) |
|---|---|---|---|
| 恒等 | 1 | 6 个 1-循环 | \(2^6 = 64\) |
| 旋转 60°, 300° | 2 | 各 1 个 6-循环 | \(2^1 = 2\)(须全同色) |
| 旋转 120°, 240° | 2 | 各 2 个 3-循环 | \(2^2 = 4\) |
| 旋转 180° | 1 | 3 个 2-循环 | \(2^3 = 8\) |
| 翻转:轴过两珠(固定 2 个珠子,其余 4 个两两互换) | 3 | 2 个 1-循环 + 2 个 2-循环(共 4 循环) | \(2^4 = 16\) |
| 翻转:轴过对边中点(6 个珠子两两互换) | 3 | 3 个 2-循环(共 3 循环) | \(2^3 = 8\) |
代入 Burnside 公式:
答案:13 种本质不同的 2 色 6 珠项链。
验证小技巧:不动点数等于「该对合/循环的循环数」的 2 次方,是因为每个循环内颜色必须全同,循环之间独立选色。
- 先明确「什么算同一个」(等价关系)→ 确定作用群 \(G\) 与集合 \(S\);
- 对 \(G\) 中每个元素 \(g\)(或每个共轭类代表元)数不动点 \(|X(g)|\);
- 若元素是「循环置换 / 几何对称」,不动点个数 = \(2^{\text{循环数}}\)(2 色情形),这是最常见的计算技巧;
- 最后除以 \(|G|\)(或按共轭类加权和再除)。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 混淆「中心化子群 \(C_G(x)\)」(对元素)与「正规化子群 \(N_G(H)\)」(对子群):前者条件是 \(gx = xg\),后者条件是 \(gHg^{-1} = H\),作用对象不同,不要套用。
- 在类方程中,对中心元素求和会把指数算错:中心元素的共轭类大小 1,对应指数 \(|G|/|C_G(x)| = 1\);把它们合并写作 \(|Z(G)|\),再单独处理非平凡共轭类。
- 「P 群中心非平凡」证明中,必须确认对应 \(y_i\) 的共轭类不止一个元素,这样才能保证 \(|C_G(y_i)| < |G|\),指数严格大于 1,从而都含 \(P\) 因子;若误把中心元素也算进求和,则会出现「指数为 1」的项,无法推出 \(P \mid |Z(G)|\)。
- 证明「\(P^2\) 阶群交换」时,Step 2 必须用「P 群中心非平凡」这一结论,才能得到 \(|Z(G)| = P\)(而非 1);跳过此步会失败。
- 「传递作用」≠「自由作用」:传递只要求一个轨道,不要求稳定子群为平凡;二者是不同的概念。
- 共轭作用 \(g x g^{-1}\) 与「\(g\) 与 \(x\) 可交换」是等价条件:若 \(g x g^{-1} = x\),等价于 \(g x = x g\)(乘 \(g\) 到右边即得)。
- 「中心 \(Z(G)\)」的「中心」既可以是群中心(元素)也可以是中心化子群 \(C_G(x)\)(某个固定元素的中心化子群)——符号 \(C_G(x)\) 是「\(x\) 的中心化子群」而非 \(G\) 的中心。
✎自测与作业
- (课堂练习)验证「子群集合上的共轭作用 \(g \cdot H = gHg^{-1}\)」满足群作用的两条性质(单位元作用与结合律)。
- 设 \(G\) 为 8 阶群,\(H\) 为 \(G\) 的 4 阶子群。写出 \(H\) 的共轭子群类(轨道),并求 \(N_G(H)\) 的阶。
- 证明:若 \(G\) 为有限群且其共轭类只有 1 个元素,则 \(G\) 是交换群(提示:类方程直接代入)。
- 验证 \(S_3\) 在 \(\{1,2,3\}\) 上的作用是传递的;验证 \(S_3\) 作用在其自身共轭作用下不传递(写出共轭类并判断)。
- (经典推论)用类方程证明:\(P^3\)(\(P\) 为素数)阶群的中心非平凡(\( |Z(G)| \ge P \)),并说明 \(|Z(G)| = P\) 还是 \(P^2\) 或 \(P^3\) 的哪种情况可能。(老师本讲只做了 \(P^2\) 阶,此为延伸练习。)