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设 G 是定义了二元运算(用并置表示)的非空集合,如果G满足下列的公理:

  • 结合律 对任何元素 a,b,c \in G,有 (ab)c = a(bc)
  • 单位元 存在元素 e \in G,使得对于G中任一个元素a,有 ae = ea = a
  • 逆元 对每个元素 a \in G,存在一个元素 a^-1 \in G(a的逆元),使得 aa^-1 = a^-1 a = e

则称 G 为群。

若群 G 满足交换律,即对任意的 a,b \in G,有 ab = ba,则称 G 为阿贝尔群(或 交换群)。

当二元运算如上并置定义时,称 G 为乘法群;当 G 是阿贝尔群时,运算记为 +,称 G 为加法群。 此时单位元记为0,称为零元素,逆元记为-a,称为负元素。

群 G 中元素的个数记为 |G|,称为 G 的阶。若其阶是有限的,称G为有限群。

如果 A 和 B 是 G 的子集,则记: $$ AB = {ab: a\in A, b\in B} 或 A + B = {a + b: a\in A, b\in B} $$

对称群 S_n

从集合 {1, 2, 3, ..., n} 到自身的 1-1映射 称为置换,记为: $$ \sigma = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & \cdots & n \ j_1 & j_2 & j_3 & \cdots & j_n \end{pmatrix} $$ 其中,j_i = \sigma(i)。

所有置换的集合记为 S_n,共有 n! 个元素(P(n, n) = \frac{n!}{(n - n)!} = n!)。 S_n 中置换的 复合** 和 均在 S_n 中,并且单位函数 \epsilon 也在 S_n 中,这样 S_n 在函数复合运算下构成群,我们称之为 n阶对称群

MAP(A), PERM(A) 和 AUT(A)

设 A 是一非空集合,所有的函数(映射)f: A \to 组成的集合 MAP(A) 在函数的复合下是半群,但它是不是群,因为有些函数没有逆元。 但是,所有的 A 到自身的 1-1 映射(称为“置换”)组成的 MAP(A) 的子半群 PERM(A) 在函数的复合下构成群。

设 A 含有某些几何和代数结构,那么所有 A 到自身的同构映射(称为 A 的自同态)所组成的集合 AUT(A) 在函数的复合下也构成群。

子群,正规子群和同态

设 H 是 群G 的一个子集,如果在 G 的运算下 H 本身也是群,那么 H 称为 G 的子群。

性质 群 G 的子集 H 是 G 的子群,如果:

  1. 单位元 e \in H
  2. 在 G 的运算下 H 封闭,即如果 a, b \in H,那么 a * b \in H
  3. H 对逆元封闭,即如果 a \in H,那么 a_{-1} \in H

每个群 G 都以 {e} 和 G 自身为其子群,G 的其他子群都称为 非平凡子群

陪集

如果 H 是 G 的子群,且 a \in G,那么集合: $$ Ha = {ha: h \in H} $$

称为 H 的右陪集。 类似的, aH 称为 H 的左陪集。

定理 设 H 是群 G 的子群,那么右陪集 Ha 构成一个 G 的划分。 定理(拉格朗日) 设 H 是有限群 G 的子群,则 H 的阶整除 G 的阶。 定理 G 中 H 的右陪集的数目(称为 H 在 G 中的指标)等于 G 中 H 的左陪集的数目,且两者都等于 |G| 除以 |H|。

正规子群

如果 G 的一个子群 H,对于任意 a \in G,有 a^{-1} Ha \subseteq H,那么 H 称为正规子群。 等价地,H 是正规的,如果对于每个 a \in G,有 aH = Ha,即左陪集和右陪集相等。

阿贝尔群的每个子群都是正规的。

定理 设 H 是群 G 的一个正规子群,那么 H 的陪集在陪集乘法 $$ (aH)(bH) = abH $$ 下构成群。称为商群,记作 G/H。

设 G 中的运算是加法或者说 G 是加法式的,那么 G 的子群 H 的陪集形如 a + H,而且,如果 H 是 G 的正规子集,那么 H 的陪集在: $$ (a + H) + (b + H) = (a + b) + H $$ 下形成群。