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商群

来源​

从 Mermaid 图中可以看到,正规子群的陪集构成商结构,即商群:

定义​

设 N⊴GN \trianglelefteq G。在 NN 的所有陪集的集合 G/N={gN∣g∈G}G/N = \{gN \mid g \in G\} 上定义乘法:

(aN)(bN)=(ab)N(aN)(bN) = (ab)N

则 (G/N,⋅)(G/N, \cdot) 构成群,称为 GG 对 NN 的商群(Quotient Group / Factor Group)。

商群的阶​

由 Lagrange 定理:

∣G/N∣=[G:N]=∣G∣∣N∣|G/N| = [G:N] = \frac{|G|}{|N|}

良定义性​

商群乘法的良定义依赖于 NN 的正规性:

  • 若 NN 只是子群(不一定正规),则陪集上的该乘法未必良定义
  • NN 正规   ⟺  \iff 该乘法良定义   ⟺  \iff G/NG/N 构成群

自然同态(典范投影)​

映射 π:G→G/N\pi: G \to G/N,π(g)=gN\pi(g) = gN 是满同态,称为自然同态(Natural Homomorphism)。

  • ker⁡π=N\ker \pi = N
  • im⁡π=G/N\operatorname{im} \pi = G/N

由第一同构定理:G/ker⁡π≅im⁡πG/\ker\pi \cong \operatorname{im}\pi,即 G/N≅G/NG/N \cong G/N(自洽)。

商群的性质​

  1. G/NG/N 的交换性:G/NG/N 交换   ⟺  G′⊆N\iff G' \subseteq N(G′G' 是换位子群)
  2. 商群的子群:G/NG/N 的子群形如 H/NH/N,其中 N⊆H⩽GN \subseteq H \leqslant G(对应定理)
  3. 商群的正规子群:H/N⊴G/N  ⟺  H⊴GH/N \trianglelefteq G/N \iff H \trianglelefteq G
  4. 商群的商群:(G/N)/(M/N)≅G/M(G/N)/(M/N) \cong G/M(第三同构定理)

常见商群例子​

商群说明
Z/nZ\mathbb{Z} / n\mathbb{Z}模 nn 加法群 Zn\mathbb{Z}_n
Sn/AnS_n / A_n≅Z2\cong \mathbb{Z}_2
GLn(R)/SLn(R)GL_n(\mathbb{R}) / SL_n(\mathbb{R})≅R∗\cong \mathbb{R}^*(由行列式)
G/Z(G)G / Z(G)≅Inn⁡(G)\cong \operatorname{Inn}(G)(内自同构群)
G/G′G / G'GG 的最大交换商群(Abelianization)

Abel 化​

换位子群 G′=[G,G]G' = [G, G] 总正规,商群 G/G′G/G' 是交换群,且是所有交换商群中"最大"的。

G 交换   ⟺  G′={e}  ⟺  G/G′≅GG \text{ 交换 } \iff G' = \{e\} \iff G/G' \cong G

可解群​

若存在正规列:

{e}=G0⊴G1⊴⋯⊴Gn=G\{e\} = G_0 \trianglelefteq G_1 \trianglelefteq \cdots \trianglelefteq G_n = G

使得每个商群 Gi+1/GiG_{i+1}/G_i 均为交换群,则称 GG 为可解群。

这是 Galois 理论中判别方程是否可用根式求解的关键概念。