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◎学习目标
- 理解可解群(solvable group)在伽罗瓦理论中的地位:多项式方程可根式解 \(\Longleftrightarrow\) 其伽罗瓦群是可解群;
- 掌握正规群列与上因子(successive factor)的定义,知道正规子群关系没有传递性;
- 掌握换位子(交换子) \(a,b = a^{-1}b^{-1}ab\) 的定义,理解换位子子群 \(G' = [G,G]\) 是 \(G\) 的正规子群;
- 熟记关键定理:\(G/G'\) 必为交换群,且 \(G'\) 是使商群交换的最小的正规子群;
- 掌握可解群的定义(导出子群列 \(G^{(i)}\) 降为平凡群)及等价定义(正规群列的上因子皆交换);
- 会判断常见群的可解性:\(p\)-群必可解、\(S_3\) 可解、四元数群 \(Q_8\) 可解、\(A_n\)(\(n\ge5\))不可解、\(S_n\)(\(n\ge5\))不可解;
- 掌握可解群的封闭性:子群、满同态像仍为可解群;若 \(K \lhd G\) 且 \(K\)、\(G/K\) 均可解,则 \(G\) 可解。
0引言:为什么需要可解群 ⏱ 00:00
- 可解群是群论中非常重要的概念。后面学习伽罗瓦理论时会看到一个核心结论:
- 一个多项式方程能够根式解(用系数做有限次四则运算与开方表示根),当且仅当它对应的伽罗瓦群是可解群。若伽罗瓦群不可解,则方程没有根式解。
- 这是伽罗瓦理论最重要的结论之一,它把「方程能否根式解」这一代数问题,翻译成了群论中「群是否可解」的结构问题。
- 先讲两个预备概念:正规群列(含上因子)与换位子子群;
- 给出可解群的定义(基于导出子群列 \(G^{(i)}\));
- 第一个重要例子:\(p\)-群必可解;
- 第一个反例:\(A_n\)(\(n\ge5\))不可解,从而 \(S_n\) 也不可解;
- 给出等价定义(基于正规群列 + 交换上因子),并用它判断更多例子:\(S_3\)、\(Q_8\)。
1正规群列与上因子 ⏱ 01:01
后面我们将利用「正规群列 + 上因子」的结构来给出可解群乃至幂零群(下一部分课程)的定义。
2换位子子群(交换子子群) ⏱ 03:31
回顾子群部分见过的概念:对 \(a, b \in G\),用中括号记两个元素的换位子(comutator,也常称交换子):
- 若 \(a, b\) 交换(\(ab = ba\)),则 \([a,b] = e\);若不交换,则 \([a,b] \neq e\)。换位子刻画了两元素「交换程度」的信息。
- 由所有换位子 \([a,b]\)(连同其乘积与逆元)生成的子群称为换位子子群,记作
\[ G' \;=\; [G,G] \;=\; \langle\, [a,b] \ \mid\ a, b \in G \,\rangle. \]
- 前面(子群章节)已证明:\(G'\) 是 \(G\) 的正规子群,因此常用 \(G'\) 或 \(G^{\text{ab}}\) 一类记号指代它;本讲也见到写作 \(G^{(1)}\)(一阶导出子群)。
2.1 关键定理 ⏱ 04:49
- 商群 \(G/G'\) 是交换群;
- \(G'\) 是使 \(G\) 关于它交换的最小的正规子群:若 \(K \lhd G\) 且 \(G/K\) 是交换群,则 \(G' \subseteq K\)。
证明(点击展开)
第一部分:\(G/G'\) 是交换群。商群中的元素是陪集 \(aG'\)、\(bG'\)(\(a, b \in G\))。要证交换,只需证对任意 \(a, b \in G\),
\[ aG'\, bG' = bG'\, aG'. \]
由陪集(商群)运算规则,
\[ aG'\, bG' = ab\,G', \qquad bG'\, aG' = ba\,G'. \]
于是只需证 \(ab\,G' = ba\,G'\),等价于 \(ab\, (ba)^{-1} \in G'\),即 \(ab\,a^{-1}b^{-1} \in G'\)。注意 \(ab\,a^{-1}b^{-1} = b^{-1}a^{-1}ba = [b,a]\) 是换位子,属于 \(G'\)。故两陪集相等,\(G/G'\) 交换。
(老师的证法:在 \(ab\,G'\) 中插入四个元素 \(a, a^{-1}, b, b^{-1}\)——成对抵消后整体不变——于是
\[ ab = a a^{-1} b b^{-1} ab \,\cdot\, (\text{调整顺序}) \]
可重写为 \([b,a]\,ba\),其中 \([b,a] \in G'\),而子群对运算封闭,故 \([b,a]\,ba\) 所在陪集就是 \(ba\,G'\)。两种方式殊途同归,核心都是把 \(ab\) 与 \(ba\) 相差一个换位子。)
第二部分:最小性。设 \(K \lhd G\) 且 \(G/K\) 是交换群。对任意 \(a, b \in G\),由商群交换得 \(aK \cdot bK = bK \cdot aK\),即 \(abK = baK\)。由陪集相等判据(陪集的性质),\(abK = baK \iff ba^{-1}b^{-1}a \in K\)(即把 \(b^{-1}a^{-1}\) 左乘到等式两边,元素归到 \(K\) 中)。
而 \(ba^{-1}b^{-1}a\) 正是换位子 \([b,a]\)(属于 \(G\) 中任意的换位子形式)。于是所有换位子 \([a,b]\) 都属于 \(K\),由 \(G'\) 由换位子生成,得 \(G' \subseteq K\)。
- 换位子:\([a,b] = a^{-1}b^{-1}ab\);
- 换位子子群:\(G' = [G,G]\)(也写作 \(G^{(1)}\),一阶导出子群);
- 二阶导出子群 \(G^{(2)} = [G',G'] = (G')'\);\(k\) 阶导出子群 \(G^{(k)}\) 由 \(G^{(k)} = [G^{(k-1)}, G^{(k-1)}]\) 递归定义。
3可解群的定义 ⏱ 10:09
4\(p\)-群必是可解群 ⏱ 12:20
证明(对 \(|G|\) 归纳,点击展开)
预备结论(群论章节已证):有限 \(p\)-群的中心 \(Z(G)\) 非平凡,即 \(|Z(G)| \ge p\)(严格大于 1);且群的中心总是该群的正规子群,\(Z(G) \lhd G\)。
归纳(对 \(|G|\)):
- 因 \(Z(G) \neq \{e\}\),阶 \(|Z(G)| = p^m\)(\(m \ge 1\))严格小于 \(|G| = p^N\)。考虑商群 \(G / Z(G)\)(正规子群的商群),它仍是 \(p\)-群(阶为 \(p^{N-m}\))。
- 由归纳假设,\(G/Z(G)\) 可解:存在 \(n\),使 \((G/Z(G))^{(n)} = \{e\}\)(这里的 \(e\) 是商群的单位元,即陪集 \(Z(G)\))。
- 由导出子群与同态的相容性(下一节将正式证明):\((G/Z(G))^{(n)} = G^{(n)} / Z(G)\)。令它等于平凡商群,说明 \(G^{(n)} \subseteq Z(G)\)。
- 再取一次导出子群:\(G^{(n+1)} = [G^{(n)}, G^{(n)}] \subseteq [Z(G), Z(G)]\)。而 \(Z(G)\) 是交换群(群中心的元素与所有元素交换),交换群的换位子子群平凡,故 \([Z(G), Z(G)] = \{e\}\),即 \(G^{(n+1)} = \{e\}\)。
由可解群定义,\(G\) 可解。归纳成立,故任何 \(p\)-群可解。
5可解群的封闭性:子群、同态像与正规子群 ⏱ 17:04
- 子群闭包:可解群的任意子群仍是可解群。
- 满同态像闭包:可解群的满同态像仍是可解群。
- 正规子群-商群拼接:设 \(K \lhd G\),若 \(K\) 与 \(G/K\) 均可解,则 \(G\) 可解。
证明(三条,点击展开)
(1) 子群闭包。设 \(G\) 可解,\(H \le G\)。因 \(H\) 中的换位子都在 \(H\) 内(换位子是 \(H\) 中元素的乘积),可归纳得出 \(H^{(i)} \subseteq G^{(i)}\) 对所有 \(i\) 成立。存在 \(n\) 使 \(G^{(n)} = \{e\}\),则 \(H^{(n)} \subseteq \{e\}\),故 \(H^{(n)} = \{e\}\),\(H\) 可解。
(2) 满同态像闭包。设 \(\varphi: G \twoheadrightarrow K\) 为满同态(一般情形下只研究像 \(\varphi(G)\),故不妨设 \(\varphi\) 满射)。由同态与换位子相容, \[ \varphi\big([a,b]\big) = [\varphi(a), \varphi(b)] \] 对所有 \(a,b \in G\) 成立;由此归纳得 \(\varphi\big(G^{(i)}\big) = K^{(i)}\)。存在 \(n\) 使 \(G^{(n)} = \{e\}\),则 \[ K^{(n)} = \varphi\big(G^{(n)}\big) = \varphi(\{e\}) = \{e\}, \] 故 \(K\) 可解。
(3) 正规子群-商群拼接。设 \(K \lhd G\),\(K\) 可解(\(\exists m: K^{(m)} = \{e\}\)),\(G/K\) 可解(\(\exists n: (G/K)^{(n)} = \{e\}\))。由 (2) 的相容性 \((G/K)^{(n)} = G^{(n)}/K\),得 \(G^{(n)} \subseteq K\)。再与 \(K\) 的可解性结合:\(G^{(m+n)} = [G^{(n)}, \cdots]\)(共 \(m\) 次再导出)落在 \(K^{(m)} = \{e\}\) 中,故 \(G^{(m+n)} = \{e\}\),\(G\) 可解。
6\(A_n\) 不可解(\(n \ge 5\)) ⏱ 23:34
6.1 预备:\(A_n\) 是单群(\(n \ge 5\))
6.2 推导 \(A_n\) 不可解
证明(点击展开)
设 \(n \ge 5\)。由 \(A_n\) 单群性质与「导出子群必为正规子群」(第 2 节已证),\(A_n'\) 作为 \(A_n\) 的正规子群只有两种可能:
但 \(A_n\)(\(n \ge 3\))是非交换群(例如 \(A_5\) 含不相交的换位子非平凡;\(S_n\) 非交换且 \(n\ge3\)),故其换位子子群不可能为平凡群(若 \(A_n' = \{e\}\) 则 \(A_n\) 交换,矛盾)。于是唯一可能是:
由此归纳得 \(A_n^{(k)} = A_n\) 对所有 \(k\) 成立,永远达不到平凡群 \(\{e\}\),故 \(A_n\) 不可解。
6.3 由 \(A_n\) 推到 \(S_n\)
证明 \(S_n\) 不可解(点击展开)
假设 \(S_n\)(\(n \ge 5\))可解。由第 5 节定理 (1)「可解群的子群仍为可解群」,\(S_n\) 的子群 \(A_n\) 也应可解。但 6.2 已证 \(A_n\) 不可解——矛盾。故 \(S_n\)(\(n \ge 5\))不可解。
7可解群的等价定义 ⏱ 26:59
- \(G\) 可解:存在 \(n\) 使 \(G^{(n)} = \{e\}\);
- 存在 \(G\) 的正规群列 \(G_0 \lhd G_1 \lhd \cdots \lhd G_s = G\),使得每个上因子 \(G_{i+1}/G_i\) 都是交换群。
证明(双向,点击展开)
(1) \(\Rightarrow\) (2):可解 \(\Rightarrow\) 存在上因子全交换的正规群列。
若 \(G\) 可解,有导出子群列
\[ G = G^{(0)} \lhd G^{(1)} \lhd \cdots \lhd G^{(n)} = \{e\}. \]
这本身就是一个正规群列(每个 \(G^{(i)}\) 是 \(G^{(i-1)}\) 的换位子子群,必为正规子群;倒序即得 \(G_0 = \{e\} \lhd G_1 = G^{(n-1)} \lhd \cdots \lhd G_n = G\))。对每个相邻商 \(G^{(i-1)}/G^{(i)}\):由第 2 节定理,任何群关于其换位子子群的商必为交换群,故每个上因子都是交换群。
(2) \(\Rightarrow\) (1):上因子全交换 \(\Rightarrow\) 可解。
设有正规群列 \(G_0 \lhd G_1 \lhd \cdots \lhd G_s = G\),且每个 \(G_{i+1}/G_i\) 交换。关键观察:因 \(G_i/G_{i-1}\) 是交换的,由第 2 节定理 (2)「使商交换的最小正规子群」,\(G_i'\)(\(G_i\) 的换位子子群)必包含在 \(G_{i-1}\) 中:
- 定义式:看导出子群列 \(G^{(i)}\) 何时落到 \(\{e\}\);
- 等价式:找一条正规群列,验证各上因子 \(G_{i+1}/G_i\) 是否都是交换群(或更弱:循环群)。
8更多例子:\(S_3\) 与四元数群 \(Q_8\) ⏱ 33:56
8.1 \(S_3\) 是可解群 ⏱ 33:56
- \(S_3/A_3\):阶为 2,是二阶循环群(交换);
- \(A_3/\{e\} \cong A_3\):阶为 3,是三阶循环群(交换)。
8.2 四元数群 \(Q_8\) 是可解群 ⏱ 35:13
路线二(\(p\)-群定理):\(|Q_8| = 8 = 2^3\),\(Q_8\) 是 \(2\)-群(\(p\)-群);由第 4 节定理「\(p\)-群必可解」,\(Q_8\) 可解。两种方法结论一致。
8.3 小结表
| 群 | 阶 | 可解? | 判定依据 |
|---|---|---|---|
| 交换群(任意) | — | 可解 | \(G' = \{e\}\)(可解长度 1) |
| \(p\)-群(\(|G| = p^N\)) | \(p^N\) | 可解 | 第 4 节定理(归纳 + 中心非平凡) |
| \(S_3\) | 6 | 可解 | \(\{e\} \lhd A_3 \lhd S_3\),上因子 \(C_3, C_2\) 均交换 |
| \(Q_8\) | 8 | 可解 | \(2\)-群;或正规群列 \(\{1\}\lhd\{\pm1\}\lhd\{\pm1,\pm i\}\lhd Q_8\) |
| \(A_n\)(\(n \ge 5\)) | \(n!/2\) | 不可解 | 单群且非交换 \(\Rightarrow A_n' = A_n\) 不动 |
| \(S_n\)(\(n \ge 5\)) | \(n!\) | 不可解 | 若可解则 \(A_n\) 可解,矛盾 |
| \(S_4\) | 24 | 可解 | 取正规群列 \(\{e\}\lhd V_4 \lhd A_4 \lhd S_4\),上因子 \(V_4/\{e\}\)、\(A_4/V_4\)、\(S_4/A_4\) 全为交换群(本讲练习 1) |
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 误以为正规子群关系有传递性:\(H \lhd K\), \(K \lhd G\) 不能推出 \(H \lmid G\)。这是本讲开讲就强调的「坑」。
- 混淆两种等价刻写的方向:从「上因子全交换」推出「\(G\) 可解」时,关键不等式是 \(G^{(k)} \subseteq G_{s-k}\)(指标下沉),不要写成 \(G^{(k)} \supseteq G_{s-k}\)。
- 误用 \(A_n\) 单群性质:单群 = 无非平凡正规子群,但 \(A_n\) 有非平凡子群(如 3-循环生成 \(\langle (123)\rangle\));单群限制的是正规子群,不是子群。
- 把「\(A_n' = A_n\) 不动」当作可解的:恰恰相反,\(G' = G\)(不动)说明导出子群列永远到不了平凡群,是不可解的典型特征(如 \(A_5, A_6, \dots\))。
- \(p\)-群可解的归纳基数:\(p\)-群可解性的证明依赖「\(p\)-群中心非平凡」这一结论,若中心为 \(\{e\}\)(如 \(S_3\)、\(A_4\)),归纳法就卡住——所以该定理只适用于 \(p\)-群,不能推广到任意群。
- 混淆 \(S_4\) 与 \(S_5\):\(S_4\) 可解(\(S_4\) 的阶 24 = \(2^3 \cdot 3\),正规群列 \(\{e\}\lhd V_4 \lhd A_4 \lhd S_4\) 上因子全交换);而 \(S_5\) 不可解。分水岭在 \(n=4\) 与 \(n=5\) 之间,故「\(S_n\) 可解 \(\Leftrightarrow n \le 4\)」是最小反例情形,不要误写成「\(n \le 5\)」。
✎自测与作业
- 用等价定义证明 \(S_4\) 可解:取正规群列 \(\{e\} \lhd V_4 \lhd A_4 \lhd S_4\)(其中 \(V_4 = \{e, (12)(34), (13)(24), (14)(23)\}\) 为 Klein 四元群),逐一验证每个上因子都是交换群。
- 验证 \(Q_8\) 的导出子群列:\(Q_8' = \{\pm 1\}\)(因为 \(Q_8\) 的商群 \(Q_8/\{\pm1\}\) 是同构于 \(V_4\) 的交换群),\(Q_8'' = \{1\}\)。写出 \(Q_8\) 的三条换位子(如 \([i,j]\)、\([i,k]\)、\([j,k]\)),确认它们都属于 \(\{\pm1\}\)。
- 用「\(p\)-群必可解」定理判断:二阶循环群 \(C_2\)、八阶循环群 \(C_8\)、二阶克莱因四元群 \(V_4\) 是否可解?(提示:\(V_4\) 的阶 4 = \(2^2\),是 \(2\)-群)
- 设 \(G\) 是群,\(K \lhd G\)。证明:若 \(K\) 可解且 \(G/K\) 可解,则 \(G\) 可解(写出具体步骤,用到第 5 节定理 (3) 的证明结构)。
- 证明:若 \(G\) 是有限交换群,则 \(G\) 可解且可解长度 \(\le 1\);若 \(G\) 是有限非交换群但 \(G' = \{e\}\)(例如不可能出现的情形),说明矛盾。
- (延伸,下一讲会用到)设 \(G\) 为有限群,若 \(G\) 有一个正规子群列 \(G_0 \lhd G_1 \lhd \cdots \lhd G_k = G\) 且所有上因子 \(G_{i+1}/G_i\) 的阶都是素数,则 \(G\) 可解。请给出证明(提示:素数阶群必为循环群,循环群必为交换群)。