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群的直积

直积是从已知群构造新群的基本方法。

外直积​

定义​

设 G,HG, H 为群。在笛卡尔积 G×H={(g,h)∣g∈G,h∈H}G \times H = \{(g, h) \mid g \in G, h \in H\} 上定义分量乘法:

(g1,h1)⋅(g2,h2)=(g1g2,h1h2)(g_1, h_1) \cdot (g_2, h_2) = (g_1g_2, h_1h_2)

则 (G×H,⋅)(G \times H, \cdot) 构成群,称为 GG 与 HH 的外直积(External Direct Product)。

基本性质​

性质结果
单位元(eG,eH)(e_G, e_H)
逆元(g,h)−1=(g−1,h−1)(g, h)^{-1} = (g^{-1}, h^{-1})
阶$
元素 (g,h)(g, h) 的阶lcm⁡(∣g∣,∣h∣)\operatorname{lcm}(\lvert g \rvert, \lvert h \rvert)

直积与正规子群​

G×HG \times H 包含两个典范正规子群:

  • G~={(g,eH)∣g∈G}≅G⊴G×H\widetilde{G} = \{(g, e_H) \mid g \in G\} \cong G \trianglelefteq G \times H
  • H~={(eG,h)∣h∈H}≅H⊴G×H\widetilde{H} = \{(e_G, h) \mid h \in H\} \cong H \trianglelefteq G \times H

且 (G×H)/H~≅G(G \times H) / \widetilde{H} \cong G,(G×H)/G~≅H(G \times H) / \widetilde{G} \cong H。

内直积​

定义​

设 N,M⊴GN, M \trianglelefteq G 满足:

  1. G=NM={nm∣n∈N,m∈M}G = NM = \{nm \mid n \in N, m \in M\}
  2. N∩M={e}N \cap M = \{e\}

则称 GG 为 NN 与 MM 的内直积(Internal Direct Product),记作 G=N×MG = N \times M。

此时 G≅N×MG \cong N \times M(同构于外直积),且 NN 中任意元素与 MM 中任意元素可交换。

外直积 ≅\cong 内直积​

若 G=N×MG = N \times M(内直积),则自然映射 N×M→GN \times M \to G,(n,m)↦nm(n, m) \mapsto nm 是同构。

推广:多个群的直积​

∏i=1nGi=G1×G2×⋯×Gn\prod_{i=1}^n G_i = G_1 \times G_2 \times \cdots \times G_n

运算逐分量进行,阶为各因子阶之积,元素的阶为各分量阶的最小公倍数。

有限交换群基本定理(重述)​

任意有限交换群可分解为循环群的直积。这就是直积在群论中最经典的应用:

G≅Zd1×Zd2×⋯×ZdrG \cong \mathbb{Z}_{d_1} \times \mathbb{Z}_{d_2} \times \cdots \times \mathbb{Z}_{d_r}

其中 d1∣d2∣⋯∣drd_1 \mid d_2 \mid \cdots \mid d_r,这些 did_i 称为不变因子。

常见直积例子​

直积说明
Z2×Z2\mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2Klein 四元群 V4V_4
Z2×Z3\mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_3≅Z6\cong \mathbb{Z}_6(gcd⁡(2,3)=1\gcd(2,3)=1)
Zm×Zn\mathbb{Z}_m \times \mathbb{Z}_n≅Zmn  ⟺  gcd⁡(m,n)=1\cong \mathbb{Z}_{mn} \iff \gcd(m, n) = 1
R×Z\mathbb{R} \times \mathbb{Z}非交换群的直积因子可产生非交换性
S3×Z2S_3 \times \mathbb{Z}_2阶 12 的非交换群之一

半直积(推广)​

若仅有 N⊴GN \trianglelefteq G 和 H⩽GH \leqslant G 满足 G=NHG = NH 且 N∩H={e}N \cap H = \{e\}(但不要求 H⊴GH \trianglelefteq G),则 GG 是 NN 和 HH 的半直积,记作 G=N⋊HG = N \rtimes H。

例如:Sn=An⋊Z2S_n = A_n \rtimes \mathbb{Z}_2,D2n=Zn⋊Z2D_{2n} = \mathbb{Z}_n \rtimes \mathbb{Z}_2。