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定理Theorem

类方程

施工中 · 内容逐步修订

Class equation of a finite group

将有限群按共轭类分拆,以中心大小与中心化子指数表达群的阶。

形式陈述 ​

设 G 是底集为有限集的群,即有限群。记群的中心与中心化子为 Z(G) 与 CG(x)。从每个非中心共轭类中各选一个代表,记作 x1,…,xr,则类方程为

|G|=|Z(G)|+∑i=1r[G:CG(xi)].

证明来自共轭作用的轨道分拆。元素 x 的轨道是共轭类 ClG(x),其稳定子是中心化子 CG(x);由轨道–稳定子定理,

|ClG(x)|=[G:CG(x)].

中心元素恰好满足 gxg−1=x 对每个 g∈G 成立,所以它们各自形成大小为 1 的轨道。把这些单点轨道合并为 Z(G),再对其余轨道各取一个代表求和,便得到公式。

直觉

类方程把共轭作用的轨道分拆变成群阶的求和公式。中心元素在任何共轭下都不动,各自占一个位置;非中心元素则沿同一共轭类移动。一个代表 xi 对应整条轨道,中心化子指数计算这条轨道占了多少位置。

计算时,先找出中心,把这些单点类的贡献合计为 |Z(G)|;再从剩下的每一类选一个代表,计算它的中心化子。这样每个群元素恰好计入一次。

例子与边界

S3 有三个共轭类:单位元类 {e}、三个换位组成的类、两个三循环组成的类。其中心只有 e,故类方程为

|S3|=1+[S3:CS3((12))]+[S3:CS3((123))]=1+3+2=6.

这里 CS3((12))={e,(12)},所以换位类有 6/2=3 个元素;三循环的中心化子有三个元素,对应类大小 6/3=2。在S3 特征标表的计算中,类大小 1,3,2 作为内积权重,把三个列值还原为对六个群元素的平均。

阿贝尔有限群给出求和为空的情形:Z(G)=G,所有轨道都是单点,群阶全部来自中心这一项。

推论与应用

若 |G|=pn,其中 p 为素数且 n≥1,则 Z(G) 非平凡。因为每个非中心元素 xi 满足 CG(xi)≠G,指数 [G:CG(xi)] 是大于 1 的 p 的幂,因而被 p 整除。类方程两边模 p 比较得到 |Z(G)|≡0(modp),所以 |Z(G)|≥p。

由此还能证明每个 p2 阶群都阿贝尔。由Lagrange 定理,中心的阶只能是 p 或 p2;若为 p,则商群 G/Z(G) 有素数阶,因而是循环群。设它由 gZ(G) 生成,则每个群元素都写成 gaz,其中 z∈Z(G)。任意两个这样的元素都交换,这又说明 Z(G)=G,与中心只有 p 阶矛盾。因此中心的阶为 p2。

对非平凡有限 p-群,可以从中心选取一个 p 阶子群 N。它在 G 中正规,而 G/N 的阶降低一个 p 因子。以平凡群作为归纳起点,便能构造商群逐层为 Cp 的子群列。这给出有限 p-群可解的结构解释。

在表示论中,共轭类还给类函数空间提供一组基:每个类的示性函数占一维。特征标正交定理证明不可约复特征标是同一空间的另一组基,所以不可约复表示的同构类数等于共轭类数。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004, §4.3.
  • I. Martin Isaacs, Finite Group Theory, American Mathematical Society, 2008, Chapter 1.
关系图谱18 个相邻概念 · 2 类关系

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