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定义Definition

交换子群

施工中 · 内容逐步修订

Commutator subgroup · Derived subgroup

由全部交换子生成的正规子群,度量群偏离交换性的程度。

形式陈述 ​

对群 G,取交换子约定

[x,y]=xyx−1y−1.

交换子群(导出子群)[G,G]=G′ 是全部交换子的生成子群,即交换子及其逆元的有限乘积组成的子群。任意自同构 α 满足

α([x,y])=[α(x),α(y)],

所以 α(G′)=G′:G′ 是特征子群,因而也是正规子群。

商群 G/G′ 是阿贝尔群,称为 G 的阿贝尔化,记作 Gab。它满足泛性质:对任意阿贝尔群 A 和同态 f:G→A,存在唯一同态 f¯:Gab→A,使 f=f¯∘q,其中 q:G→Gab 是自然投影。特别地,G′={e} 当且仅当 G 本身阿贝尔。

直觉

恒等式 gh=[g,h]hg 把交换子解释为调换乘法次序的差额。[g,h]=e 恰好意味着 g,h 交换;把所有交换子都映为单位元后,每对元素的像就能交换。

这一要求确定了需要商去的最小正规子群。若 N⊴G 且 G/N 阿贝尔,每个交换子在商群中的像都为单位元,因此 G′≤N。所以阿贝尔化同时容纳所有从 G 出发的阿贝尔商:先商去 G′,再商去剩余关系即可。

例子与边界

对 S3,符号同态的核是 A3,像 C2 阿贝尔,所以 S3′≤A3。另一方面,按右侧先作用的置换乘法,

[(12),(23)]=(12)(23)(12)(23)=(132).

这个三循环生成整个 A3,于是 S3′=A3,且 S3ab≅C2。阿贝尔化在这里恰好保留置换的奇偶性。

对正方形的八阶对称群

D4=⟨r,s∣r4=s2=e, srs=r−1⟩

中,按 [g,h]=ghg−1h−1 的约定,有

[r,s]=rsr−1s=r2.

因此 r2∈D4′。商去 ⟨r2⟩ 后,r 的像满足 r=r−1,原关系 srs=r−1 就变为 sr=rs,所以商群阿贝尔。由最小性,D4′≤⟨r2⟩,两边合起来得到 D4′={e,r2}。商群由两个不同的二阶元生成,故 D4ab≅C2×C2。

这个例子中,交换子群恰好等于群中心。其他群可以完全不同:S3 的中心平凡,交换子群为 A3;非平凡阿贝尔群的中心是全群,交换子群却平凡。中心检验哪些元素与所有元素交换,交换子群则由所有交换误差生成。

在两个生成元的自由群 F(a,b) 中,阿贝尔化把词变成各生成元的指数和。例如 aba−1b2 映为 (0,3)∈Z2。加入交换关系后,每个词都能整理成 ambn;指数和又能区分不同的 (m,n),因此 F(a,b)ab≅Z2。

推论与应用

阿贝尔化把到交换目标的同态分类转化为阿贝尔群问题。例如同态 f:S3→C× 必须经由 S3ab≅C2 分解。C2 的生成元只能映到满足 z2=1 的复数,因此这样的同态恰好有两个:平凡同态与符号同态。这也给出 S3 的两个一维复表示。

反复取交换子群得到导出列 G,G′,G″,…。每一步的商 G(i)/G(i+1) 都阿贝尔;若有限步后到达 {e},便称 G 可解。交换子群因而既构造最大的阿贝尔商,也决定继续分析剩余非交换结构时的下一层。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004,Ch. 5, commutators, derived subgroup, and abelianization。
  • Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011,Ch. 2, commutator subgroup and universal abelian quotient。
关系图谱11 个相邻概念 · 4 类关系

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