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◎学习目标
- 回顾 Sylow 定理中关于 Sylow \(p\)-子群个数 \(n_p\) 的两个条件:\(n_p \mid \dfrac{|G|}{p^r}\) 且 \(n_p \equiv 1 \pmod{p}\);
- 掌握「用 \(n_p\) 判断群是否为单群」的判别定理:若 \(|G| = p^r m\)(\(r \ge 1\),\(\gcd(p,m)=1\),\(m>1\)),则 \(G\) 为单群时,\(|G|\) 必整除 \(n_p!\);
- 理解证明思路:Sylow 子群集合上的共轭作用 → 轨道-稳定子群公式 → 正规化子 → 陪集上的置换作用 → 同态到 \(S_n\) → 同态基本定理;
- 会结合 Sylow 定理与新定理证明具体阶数的群不是单群(72 阶);
- 了解为什么单群 + 非平凡子群 ⇒ 该子群必非正规,以及正规化子 \(N_G(P_0)\) 在证明中的关键作用。
0课程引言 ⏱ 00:00
- 本讲继续 Sylow 定理的应用,重点是一个非常好用的判断群是否为单群的判别定理。
- 本讲结构:先证明结论,再用它证明 \(|G| = 72\) 时 \(G\) 不是单群(完整例题)。
- 先约定单群的定义(回顾):群 \(G\) 称为单群,如果它没有非平凡正规子群(正规子群只有 \(G\) 本身与 \(\{e\}\))。
- Sylow 定理:设 \(|G| = p^r m\),\(\gcd(p,m) = 1\)。则 (i) \(G\) 存在 \(p^r\) 阶子群(Sylow \(p\)-子群);(ii) 任意两个 Sylow \(p\)-子群共轭;(iii) Sylow \(p\)-子群的个数 \(n_p\) 满足 \(n_p \mid m\) 且 \(n_p \equiv 1 \pmod{p}\)。
- Sylow 推论:若 \(n_p = 1\),则唯一的 Sylow \(p\)-子群是 \(G\) 的正规子群。
- 共轭作用 / 轨道-稳定子群公式:群 \(G\) 作用在集合 \(S\) 上,对 \(s \in S\),轨道 \(O_s\) 的大小等于稳定子群 \(\mathrm{Stab}(s)\) 在 \(G\) 中的指数:\(|O_s| = [G : \mathrm{Stab}(s)]\);若作用传递,则 \(|S| = [G : \mathrm{Stab}(s)]\)。
- 正规化子:\(N_G(H) = \{ g \in G \mid gH = Hg \}\)(等价地 \(gHg^{-1} = H\))。子群 \(H\) 在共轭作用下的稳定子群恰为 \(N_G(H)\)。
- 陪集上的置换作用:\(G\) 作用在左陪集集合 \(\{ aH \}\) 上,得到同态 \(\Phi : G \to S_{[G:H]}\);其核是「包含在 \(H\) 中、且含所有与 \(H\) 交相关的子群」——精确地说是 \(H\) 的所有共轭子群的交(即 \(\mathrm{Core}_G(H)\))。
- 群同态基本定理(第一同构定理):若 \(\Phi : G \to K\) 为群同态,则 \(G/\ker \Phi \cong \mathrm{Im}\,\Phi\)。
1单群判别定理 ⏱ 00:21
1.1 定理陈述 ⏱ 00:39
1.2 定理的用途 ⏱ 02:21
这个结论的用法主要在于证明「某群不是单群」。标准套路:
- 假设 \(G\) 是单群;
- 由定理应有 \(|G| \mid n_p!\);
- 再利用 Sylow 定理(\(n_p \mid m\),\(n_p \equiv 1 \pmod p\))列出 \(n_p\) 的所有可能值;
- 对每个可能值检验是否满足 \(|G| \mid n_p!\);若所有候选都矛盾,则假设不成立,\(G\) 非单。
2定理的证明 ⏱ 02:39
证明分若干步:构造 Sylow 子群集合 → 共轭作用 → 轨道即全集 → 稳定子群即正规化子 → 陪集上的置换作用 → 同态到对称群 → 单群 ⇒ 单射 → 第一同构定理 ⇒ 阶的整除关系。
2.1 构造 Sylow \(p\)-子群集合 ⏱ 02:55
记
由 Sylow 定理,\(\mathcal{S}\) 中每个元素都是 \(p^{r}\) 阶子群,且任意两个元素共轭。
2.2 共轭作用与传递性 ⏱ 03:54
群 \(G\) 通过共轭作用作用在 \(\mathcal{S}\) 上:
2.3 轨道–稳定子群公式与正规化子 ⏱ 07:04
由轨道-稳定子群公式(作用传递),
在共轭作用下,\(P_0\) 的稳定子群正是 \(P_0\) 的正规化子(回顾:\(\mathrm{Stab}(P_0) = \{ g \in G \mid g P_0 g^{-1} = P_0 \} = N_G(P_0)\))。故
2.4 单群条件 ⇒ 正规化子真包含于 \(G\) ⏱ 08:28
由 \(m > 1\) 与 \(r \ge 1\),\(P_0\) 是 \(G\) 的非平凡子群(\(1 < |P_0| < |G|\))。若 \(G\) 为单群,则 \(G\) 无非常子正规子群,故 \(P_0\) 必不是 \(G\) 的正规子群。正规化子的基本性质:若 \(H \trianglelefteq G\),则 \(N_G(H) = G\);若 \(H \trianglelefteq G\) 不成立,则 \(N_G(H) \subsetneq G\)。因此
2.5 陪集上的置换作用 ⏱ 10:33
记 \(H = N_G(P_0)\),则 \([G : H] = n_p > 1\)。设 \(T\) 为 \(G\) 关于 \(H\) 的所有左陪集构成的集合(\(|T| = n_p\),且 \(H\) 本身是其中一个元素)。对每个 \(x \in G\),定义 \(T\) 上的映射 \(\varphi_x : T \to T\):
这相当于把陪集集合「平移」一次,\(\varphi_x\) 是 \(T\) 上的一个置换,即 \(\varphi_x \in S_{n_p}\)(\(T\) 的对称群)。由此得到映射
注意这里 \(S_{n_p}\) 是由 \(T\)(\(n_p\) 个左陪集)标号出的对称群;\(n_p = [G : H]\)。
2.6 验证 \(\Phi\) 是群同态 ⏱ 12:33
证明 \(\Phi\) 是群同态
需证 \(\Phi(x)\Phi(y) = \Phi(xy)\)。任取 \(aH \in T\):
两作用对任意 \(aH \in T\) 都相同,故 \(\Phi(xy) = \Phi(x)\Phi(y)\)。又 \(\Phi(e) = \mathrm{id}_T\)(单位元对应的恒等置换),故 \(\Phi\) 是群同态。
2.7 单群 ⇒ \(\ker\Phi\) 平凡 ⇒ \(\Phi\) 单射 ⏱ 16:49
\(\ker \Phi\) 是 \(G\) 的正规子群(同态的核必为正规子群)。因 \(G\) 为单群,\(\ker\Phi\) 只能是 \(\{e\}\) 或 \(G\)。
故 \(\ker\Phi = \{e\}\),\(\Phi\) 是单射。
2.8 第一同构定理收尾 ⏱ 19:28
由单射与第一同构定理得到 \(|G| \mid n_p!\)
由群同态基本定理(第一同构定理),
因 \(\ker\Phi = \{e\}\),左端即 \(G\),故 \(G \cong \mathrm{Im}\,\Phi\)。又 \(\mathrm{Im}\,\Phi\) 是 \(S_{n_p}\) 的子群(同态的像必为 \(S_{n_p}\) 的子群),故 \(|G| = |\mathrm{Im}\,\Phi|\) 整除 \(|S_{n_p}|\)(子群的阶整除母群的阶)。而 \(|S_{n_p}| = n_p!\),故
- \(P_0\) 非平凡(\(m > 1\));
- \(G\) 单群 ⇒ \(P_0\) 非正规 ⇒ \(N_G(P_0) \subsetneq G\);
- \(n_p = [G : N_G(P_0)] > 1\);
- \(G\) 在左陪集 \(T\)(\(n_p\) 个)上的置换作用给出同态 \(\Phi : G \to S_{n_p}\);
- \(G\) 单群 ⇒ \(\ker\Phi = \{e\}\) ⇒ \(G \hookrightarrow S_{n_p}\);
- \(|G|\) 整除 \(|S_{n_p}| = n_p!\)。
3应用:\(|G| = 72\) 时 \(G\) 不是单群 ⏱ 21:14
3.1 预备:列出 \(n_3\) 的候选值 ⏱ 22:00
设 \(|G| = 72\)。分解为质因数:
取 \(p = 3\),\(r = 2\),\(m = 8\)(\(\gcd(3,8) = 1\),\(m > 1\),条件满足)。设 \(n_3\) 为 3-Sylow 子群(\(9\) 阶子群)的个数。由 Sylow 定理:
满足「是 8 的因子」的 \(n_3\) 只能为 \(1, 2, 4, 8\);再要求 \(\equiv 1 \pmod{3}\)(即 \(3k+1\) 形):
| \(n_3\) 候选值 | \(n_3 \mid 8\) | \(n_3 \equiv 1 \pmod 3\) | 结论 |
|---|---|---|---|
| 1 | 是 | 是(\(1 = 1\)) | 可行 |
| 2 | 是 | 否(\(2 \not\equiv 1\)) | 排除 |
| 4 | 是 | 是(\(4 = 3+1\)) | 可行 |
| 8 | 是 | 否(\(8 = 6+2\)) | 排除 |
故 \(n_3 \in \{1, 4\}\)。下面分两种情况讨论,两种都导出矛盾。
3.2 情形一:\(n_3 = 1\) ⏱ 23:36
3.3 情形二:\(n_3 = 4\) ⏱ 24:27
若 \(n_3 = 4\),假设 \(G\) 为单群。由本讲判别定理,应有
但 \(72 \nmid 24\)(事实上 \(24 < 72\)),矛盾。故 \(G\) 不可能是单群。
3.4 结论 ⏱ 25:44
4课堂练习:108 阶群不是单群 ⏱ 26:27
提示:\(108 = 2^{2} \cdot 3^{3}\)。取 \(p = 3\),\(r = 3\),\(m = 4\)。由 Sylow 定理,\(n_3 \mid 4\) 且 \(n_3 \equiv 1 \pmod 3\),故 \(n_3 \in \{1, 4\}\)(\(n_3 = 1\) 唯一子群正规;\(n_3 = 4\) 时 \(108 \mid 4! = 24\) 矛盾)。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 把「单群」误解为「无子群」:单群只排除非平凡正规子群,非常子群当然仍可以有很多。
- 忘记 \(m > 1\) 的条件:若 \(m = 1\)(即 \(|G| = p^{r}\) 为素数幂),Sylow \(p\)-子群就是 \(G\) 本身,定理前提不再成立;素数幂阶群必为可解群(后续讲),不是单群的情形要另作处理。
- 把 \(n_p!\) 误算为 \((p^{r})!\) 或其他:定理里是「Sylow 子群个数 \(n_p\) 的阶乘」,不是 \(p^{r}\) 的阶乘。72 阶例中 \(n_3 = 4\),\(n_3! = 24\),而不是 \(9! = 362880\)。
- Sylow 候选值筛选漏项:必须同时满足「\(n_p \mid m\)」与「\(n_p \equiv 1 \pmod p\)」两条,缺一不可;72 例中 \(n_3\) 候选只有 1 与 4(排除 2 与 8)。
- 在 72 阶例子中错误地把 2-Sylow 子群当作可用途径:\(n_2 \mid 9\) 且 \(n_2\) 奇数,\(n_2 \in \{1,3,9\}\),本讲采用的论证路线(3-Sylow 子群 + 判别定理)不直接适用于 2-Sylow 子群,不要生搬。
- 混淆「共轭作用」与「左乘作用」:稳定子群是正规化子 \(N_G(P_0)\) 这一事实来自共轭作用;在陪集上的置换作用是另一个作用,对应的核是包含在 \(N_G(P_0)\) 中的正规子群,不要把两个作用搅在一起。
✎自测与作业
- (课上练习)用与本讲 72 阶例完全类似的方法证明:\(108\) 阶群不是单群(提示:\(108 = 2^2 \cdot 3^3\),取 \(p = 3\))。
- 设 \(|G| = 72\),\(n_3 = 1\)。用 Sylow 推论说明此时 \(G\) 有唯一的 3-Sylow 子群 \(P\),并解释为什么 \(P \trianglelefteq G\)(共轭作用下 \(P\) 的轨道即 \(\{P\}\))。
- 设 \(|G| = 108\)。用 Sylow 定理列出 2-Sylow 子群个数 \(n_2\) 与 3-Sylow 子群个数 \(n_3\) 的所有可能值,并判断哪一组候选值能让 \(G\) 可能为单群。 <4>设 \(H \subset G\)。证明:若 \(H \trianglelefteq G\),则 \(N_G(H) = G\);若 \(N_G(H) = G\),则 \(H \trianglelefteq G\)。并说明为什么「\(H\) 非正规 ⇒ \(N_G(H) \subsetneq G\)」。
- 设 \(G\) 为单群,\(|G| = p^{r}m\),\(\gcd(p,m) = 1\),\(m > 1\)。证明:\(G\) 在左陪集集合 \(\{aH\}\)(\(H = N_G(P_0)\))上的置换作用对应的同态 \(\Phi: G \to S_{n_p}\) 必为单射。若 \(\Phi\) 非单射,将导出什么矛盾?
- 设 \(|G| = 45\)。判断 \(G\) 是否可能是单群(提示:\(45 = 3^2 \cdot 5\),分别看 \(n_3\) 与 \(n_5\))。