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陪集

Coset

将子群整体左移或右移所得的集合,也是群按该子群分块的等价类。

条目类型
定义

形式陈述

HG子群。对 gGH 的左陪集与右陪集分别是

gH={gh:hH},Hg={hg:hH}.

左乘映射 hghH 双射到 gH,逆映射为 xg1x;所以每个左陪集都与 H 等势,右陪集同理。两个左陪集满足

gH=gHg1gH,

并且不相等的左陪集互不相交。证明中,若某个 x 同时写成 gh=gh,则 g1g=h(h)1H,由判据可得整个陪集相等。

关系

gHgg1gH

等价关系g 的等价类正是 gH。因此全体左陪集构成 G 的一个分划。右陪集也给出分划;两类陪集的个数相同,因为 gHHg1 给出双射。这个共同的个数称为 HG 中的指数,记作 [G:H]

直觉

陪集是把子群当作一个整体进行平移。H 是经过单位元的那一块,gH 则把其中每个元素都从左侧乘上同一个 g。群元素可逆,因此这种平移既不压缩也不拉伸集合;各块大小相同,并且恰好铺满整个群。

等价关系说明了分块的含义:gg 落在同一左陪集,恰好当从 g 走到 g 所需的相对动作 g1g 属于 H。若把 H 内的变化视为不可区分,陪集就是可观察到的状态类别。整数模 n 的同余类正是这一图像在加法群中的原型。

不过陪集首先只是集合。要在所有陪集之间定义群乘法,代表元的选择必须不影响答案;这要求左、右平移与同一个分块相容,也就是子群正规。普通陪集空间可以承载群作用或几何结构,却不自动是群。

例子与边界

在加法群 Z 中,nZ 的陪集是

a+nZ={a+nk:kZ},

恰好对应模 nn 个剩余类。因此 [Z:nZ]=n。由于整数加法交换,左、右陪集没有区别。

S3 中取 H={e,(12)}。按右侧置换先作用,

(13)H={(13),(123)},H(13)={(13),(132)}.

左右陪集不同,显示 H 不正规。尽管两边都是二元素集合,把它们写成“商群 S3/H”仍是错误的,因为陪集乘法会依赖代表元。

陪集一般不构成子群。gH 含单位元当且仅当 gH,而此时 gH=H;所以除 H 本身外,其他陪集连单位元都没有。把陪集理解为从 G 中删除 H 后的残余也会误导:每个陪集都是 H 完整、等大的平移副本。

无限群中分划仍然成立,但有限整除语言不能照搬。例如 Q/Z 的陪集有无限多个,每个陪集也可数;这不产生“|Z| 整除 |Q|”这样的整数论命题。指数可以是无限基数,使用时要区分基数等式与有限整数整除。

推论与应用

G 有限,陪集分划立即给出

|G|=[G:H]|H|,

陪集等大且构成分划,这两项直接推出Lagrange 定理。指数 2 的子群自动正规:只有 H 与其补块两个左陪集,也只有两个右陪集,含任意 gH 的那一块必在两边相同。

H正规子群时,所有 g 都满足 gH=Hg,陪集乘法 (gH)(kH)=gkH 才良定义,得到商群 G/H。若 H 不正规,左陪集集合仍可由 G 通过左乘作用;这个作用把抽象群送入陪集的置换群,是研究子群指数与群表示的重要入口。

在群作用中,点 x 的轨道与稳定子 Gx 的左陪集空间 G/Gx 自然对应。陪集由此同时承担“给群取模”和“把局部对称性大小转成全局轨道大小”两项任务,并连接到轨道—稳定子定理与组合计数。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004, §§3.1–3.2.
  • Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011, §§2.6–2.8.
关系图谱19 个相邻概念 · 2 类关系

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