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◎学习目标
- 熟记 Sylow 定理第二、第三部分的完整陈述与符号约定;
- 掌握「群作用下的轨道」与「稳定化子(惯性群)」的基本结论,尤其是轨道大小整群阶的拉格朗日推论;
- 理解不动点元素的定义,并会证明 P-群作用下不动点存在性引理;
- 会用群作用(共轭作用、左乘作用)完整证明 Sylow 定理的三个结论;
- 掌握「唯一 Sylow 子群必为正规子群」的推论及其双向证明;
- 能利用 \(n_p \mid m\) 与 \(n_p \equiv 1 \pmod p\) 判断具体群中 Sylow 子群个数,进而研究群的结构(可解、简单性等)。
0Sylow 定理(II):结论陈述 ⏱ 00:00
本讲接着第 16 讲,来看 Sylow 定理的第二部分与第三部分(即 Sylow 定理的全部三个结论)。先陈述结论,再逐一证明。
再固定以下记号(本讲反复使用):
- \(\mathcal{P} = \{\, H \le G \mid |H| = p^{L} \,\}\):\(G\) 中所有 \(p\)-Sylow 子群构成的集合;
- \(m_{P} = |\mathcal{P}|\):\(p\)-Sylow 子群的个数;
- 固定某个 \(p\)-Sylow 子群,记为 \(P\)。
Sylow 定理(II)告诉我们三件事:Sylow 子群之间的关系(包含与共轭),以及 Sylow 子群个数必须满足的约束。
- 结论 1(包含):\(G\) 中任意一个 \(p^{K}\)(\(K \le L\))阶的子群 \(H\),都包含在某个与固定 \(P\) 共轭的 \(p\)-Sylow 子群 \(gPg^{-1}\) 内。特别地,\(G\) 中任何 \(p\)-子群(阶为 \(p\) 的某次幂)都包含在某个 \(p\)-Sylow 子群里。
- 结论 2(共轭):\(G\) 的任意两个 \(p\)-Sylow 子群都是共轭的,即若 \(P_1, P_2 \in \mathcal{P}\),则存在 \(g \in G\) 使得 \(P_2 = g P_1 g^{-1}\)。
- 结论 3(计数):\(p\)-Sylow 子群的个数 \(m_{P}\) 满足
\[ m_{P} \mid m \quad \text{且} \quad m_{P} \equiv 1 \pmod{p}. \]等价地 \(m_{P} \mid \dfrac{|G|}{p^{L}}\)(因为 \(m\) 与 \(p\) 互素)。
证明完定理后,会用 Sylow 第三定理配合第一定理,研究具体群的结构(如 12 阶群)。
1引理之前的回顾:群作用下的轨道 ⏱ 03:21
证明 Sylow 定理之前,先回顾群作用下轨道的基本结论,这是本讲引理和定理证明的工具。
1.1 轨道与稳定化子 ⏱ 03:21
- 轨道:\(x\) 在 \(G\) 作用下的轨道为 \(G \cdot x = \{\, g x \mid g \in G \,\}\)。
- 稳定化子(惯性群 / stabilizer):
\[ G_x = \{\, g \in G \mid g x = x \,\}, \]即 \(G\) 中所有保持 \(x\) 不动的元素构成的子群。轨道大小等于稳定化子的指数:\[ |G \cdot x| = [G : G_x]. \]
由拉格朗日定理,\(|G| = |G_x| \cdot [G : G_x]\),右边每一项都是 \(|G|\) 的因子。而第一项(指数)正好是轨道大小,所以:
1.2 不动点元素 ⏱ 06:20
判断口诀:看一个 \(G\)-集合中的元素是不是不动点,就看它对应的轨道大小是否等于 1。
2P-群作用下的不动点引理 ⏱ 08:11
证明(点击展开)
设 \(S\) 的全部轨道为 \(G \cdot x_1,\, G \cdot x_2,\, \dots,\, G \cdot x_N\)(共 \(N\) 个轨道)。由轨道分解,元素总数为
由第 1 节的结论,每个轨道大小 \(|G \cdot x_i|\) 都是 \(|G|\) 的因子。而 \(|G| = p^{N}\)(记指数为 \(n\) 以免与轨道数混淆,即 \(|G| = p^{n}\)),故每个轨道大小只能是 \(1\) 或 \(p^{K}\)(\(K \ge 1\))。
若所有轨道大小都是 \(p^{K}\)(\(K \ge 1\),即都不为 1),则右边每一项都含因子 \(p\),于是 \(p\) 整除 \(\sum_{i} |G \cdot x_i| = |S|\),即 \(p \mid |S|\),与 \(\gcd(|S|,p) = 1\) 矛盾。
因此至少有一个轨道大小为 1。设该轨道为 \(G \cdot x_i\),则 \(|G \cdot x_i| = 1\),即 \(x_i\) 是不动点(由 1.2 的等价刻画)。引理得证。
3证明结论 1:\(p^{K}\) 阶子群含于某个与 \(P\) 共轭的 Sylow 子群 ⏱ 13:49
3.1 构造 \(G\)-集合与 \(H\)-作用 ⏱ 13:49
设 \(H \le G\) 且 \(|H| = p^{K}\)(\(K \le L\))。要证:存在 \(g \in G\),使得 \(H \subseteq g P g^{-1}\)。
第一步,构造左陪集集合:
第二步,令 \(H\) 通过左乘作用在 \(\mathcal{S}\) 上:对 \(h \in H\)、\(gP \in \mathcal{S}\),定义 \(h \cdot (gP) = h(gP) = (hg)P\)。由于 \(h \in H \le G\),\(hgP\) 仍是 \(P\) 的左陪集,仍在 \(\mathcal{S}\) 中;此作用满足群作用公理(结合律直接来自群运算结合律,单位元作用为恒等),故 \(\mathcal{S}\) 是一个 \(H\)-集合。
3.2 用不动点引理得包含关系 ⏱ 16:46
现在条件齐备:
- \(H\) 是一个 P-群(\(|H| = p^{K}\));
- \(|\mathcal{S}| = m\) 与 \(p\) 互素。
由第 2 节引理,\(\mathcal{S}\) 中在 \(H\) 作用下存在一个不动点。即存在某个陪集 \(g_0 P \in \mathcal{S}\),使得对任意 \(h \in H\),
由陪集等价的定义,\(h g_0 P = g_0 P\) 等价于
4证明结论 2:任意两个 Sylow 子群共轭 ⏱ 23:27
结论 2 直接由结论 1 推出,只需取特殊情形。
5推论:唯一的 Sylow 子群必为正规子群 ⏱ 25:16
证明(点击展开)
方向一(唯一 \(\Rightarrow\) 正规):设 \(G\) 只有一个 \(p\)-Sylow 子群 \(P\)。对任意 \(g \in G\),共轭子群 \(g P g^{-1}\) 也是 \(p\)-Sylow 子群(阶不变,仍为 \(p^{L}\))。由于 Sylow 子群唯一,只能 \(g P g^{-1} = P\)。对任意 \(g\) 都成立,由正规子群定义得 \(P \trianglelefteq G\)。
方向二(正规 \(\Rightarrow\) 唯一):设 \(P \trianglelefteq G\)。由正规子群定义,对任意 \(g \in G\),\(g P g^{-1} = P\),即 \(P\) 的所有共轭都等于自身。由结论 2(任意两个 Sylow 子群共轭),任意一个 Sylow 子群 \(Q\) 都与 \(P\) 共轭,即 \(Q = g P g^{-1} = P\)。故 \(m_P = 1\),Sylow 子群唯一。
6证明结论 3:\(m_P \mid m\) 且 \(m_P \equiv 1 \pmod p\) ⏱ 29:14
结论 3 分两半证明。两半都借助「群作用在 \(\mathcal{P}\)(Sylow 子群集合)上」这个结构。
6.1 共轭作用与稳定化子 = 正规化子 ⏱ 29:34
让 \(G\) 通过共轭作用作用在 \(\mathcal{P}\) 上:对 \(g \in G\)、\(Q \in \mathcal{P}\),定义 \(g \cdot Q = g Q g^{-1}\)。由结论 2,任意两个 Sylow 子群共轭,因此 \(P\) 在 \(G\) 共轭作用下的轨道恰好是整个 \(\mathcal{P}\):
而 \(P\) 的稳定化子 \(G_P\) 恰是 \(P\) 在 \(G\) 中的正规化子:
6.2 证明 \(m_P \mid m\) ⏱ 33:53
6.3 证明 \(m_P \equiv 1 \pmod p\) ⏱ 37:10
取定一个 Sylow 子群 \(K \in \mathcal{P}\)(\(K\) 本身也是 \(p\)-群,\(|K| = p^{L}\))。让 \(K\) 通过共轭作用作用在 \(\mathcal{P}\) 上:对 \(k \in K\)、\(Q \in \mathcal{P}\),\(k \cdot Q = k Q k^{-1}\)。这是 \(\mathcal{P}\) 上的一个 \(K\)-作用。
现在对 \(\mathcal{P}\) 在 \(K\) 作用下的轨道分解。只有 \(K = P\) 那个轨道(即包含 \(P\) 的轨道)大小为 1,其余每个轨道大小都大于 1。而 \(K\) 是 \(p\)-群,由第 1 节,每个 \(K\)-轨道大小都是 \(|K| = p^{L}\) 的因子,故「大于 1」的轨道大小必含因子 \(p\)(即被 \(p\) 整除)。于是
7例子与结构判断 ⏱ 45:33
证明结束后,用 Sylow 定理研究具体群。
- 2-Sylow 子群:\(m_2 \mid 3\) 且 \(m_2 \equiv 1 \pmod 2\),故 \(m_2 \in \{1, 3\}\);
- 3-Sylow 子群:\(m_3 \mid 4\) 且 \(m_3 \equiv 1 \pmod 3\),故 \(m_3 \in \{1, 4\}\)。
- 把 \(|G|\) 分解为素因子幂 \(p_1^{L_1}\cdots\);
- 对每个素因子 \(p_i\),由 \(m_{p_i} \mid m_i\) 与 \(m_{p_i} \equiv 1 \pmod{p_i}\) 列出 \(m_{p_i}\) 的可能取值;
- 若某 \(m_{p_i} = 1\),则该 Sylow 子群正规(推论),群非单群;
- 若所有 \(m_{p_i} > 1\) 且都唯一,则群可能简单,需进一步分析;
- 结合 Sylow 第一定理(Sylow 子群存在)研究子群结构、可解性。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 记号混淆:\(L\) 是 \(|G|\) 中 \(p\) 的最高次幂指数(\(|G|=p^{L}m\));\(m\) 是与 \(p\) 互素的部分;\(m_P\) 是 Sylow 子群个数。不要将 \(m\)(整除部分)与 \(m_P\)(个数)混为一谈,但结论是 \(m_P\mid m\)。
- 不动点引理条件缺一不可:需 \(G\) 是 P-群且 \(|S|\) 与 \(p\) 互素。若 \(|S|\) 含 \(p\) 因子,则轨道大小全为 1 也许可,结论不一定成立。
- 陪集 vs 子群:\(\mathcal{S}\) 是「左陪集集合」而非子群集合;其大小 \([G:P]=m\),不是 \(|G|\)。用不动点引理时 \(|\mathcal{S}|=m\) 与 \(p\) 互素才关键。
- 共轭作用的方向:共轭作用写 \(g\cdot Q = gQg^{-1}\)(左乘 \(g\),右乘 \(g^{-1}\)),是「左共轭」作用;稳定化子条件 \(gPg^{-1}=P\) 定义正规化子,而非 \(gP=P g\)。
- 证明 \(m_P\equiv 1\pmod p\) 时:是让某个固定的 Sylow 子群 \(K\)(而非整个 \(G\))作用在 \(\mathcal{P}\) 上,才会有「一个轨道大小为 1」这一项。让 \(G\) 作用则轨道是整个 \(\mathcal{P}\),得不到模 1 结论。
- 正规化子包含 \(P\):由定义 \(P\le N_G(P)\);进而 \(|N_G(P)|\) 是 \(p^{L}\) 的倍数,写 \(|N_G(P)|=p^{L}r\)。这是 \(m_P\mid m\) 的关键步骤。
✎自测与作业
- (复习)设 \(G\) 作用在有限集 \(S\) 上,证明:每个轨道大小整除 \(|G|\);并说明「\(x\) 是 \(G\) 的不动点 \(\iff |G\cdot x|=1\)」。
- (P-群引理)设 \(|G|=p^{N}\),\(S\) 为有限 \(G\)-集合且 \(|S|\) 与 \(p\) 互素。证明 \(S\) 含有不动点(用轨道分解 + 模 \(p\) 矛盾法)。
- (结论 1)完成证明:若 \(H\le G\),\(|H|=p^{K}\)(\(K\le L\)),则存在 \(g\in G\) 使 \(H\le gPg^{-1}\)。提示:用 \(\mathcal{S}=\{gP\}\) 上 \(H\) 的左乘作用 + 不动点引理。
- (推论)设 12 阶群 \(G\)。求 2-Sylow 子群个数 \(m_2\) 与 3-Sylow 子群个数 \(m_3\) 的可能取值,并判断:若 \(m_2=1\),群是否为单群?
- (计数)证明 \(m_P\equiv 1\pmod p\):取定 \(K\in\mathcal{P}\),让 \(K\) 共轭作用在 \(\mathcal{P}\) 上,证明「\(P\) 的轨道大小为 1 当且仅当 \(P=K\)」,再对轨道分解模 \(p\)。