形式陈述
设 是子群公理库子群Subgroup在原群的同一运算下自身仍构成群的非空子集。。对 , 的左陪集与右陪集分别是
左乘映射 从 双射到 ,逆映射为 ;所以每个左陪集都与 等势,右陪集同理。两个左陪集满足
并且不相等的左陪集互不相交。证明中,若某个 同时写成 ,则 ,由判据可得整个陪集相等。
关系
是等价关系公理库等价关系Equivalence relation满足自反、对称和传递性的关系。, 的等价类正是 。因此全体左陪集构成 的一个分划。右陪集也给出分划;两类陪集的个数相同,因为 给出双射。这个共同的个数称为 在 中的指数,记作 。
直觉
陪集是把子群当作一个整体进行平移。 是经过单位元的那一块, 则把其中每个元素都从左侧乘上同一个 。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: 与 落在同一左陪集,恰好当从 走到 所需的相对动作 属于 。若把 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 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 中, 的陪集是
恰好对应模 的 个剩余类。因此 。由于整数加法交换,左、右陪集没有区别。
在 中取 。按右侧置换先作用,
左右陪集不同,显示 不正规。尽管两边都是二元素集合,把它们写成“商群 ”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。 含单位元当且仅当 ,而此时 ;所以除 本身外,其他陪集连单位元都没有。把陪集理解为从 中删除 后的残余也会误导:每个陪集都是 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 的陪集有无限多个,每个陪集也可数;这不产生“ 整除 ”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
若 有限,陪集分划立即给出
陪集等大且构成分划,这两项直接推出Lagrange 定理公理库拉格朗日定理Lagrange's theorem有限群的阶等于子群阶与指数之积,因此子群阶必整除群阶。。指数 的子群自动正规:只有 与其补块两个左陪集,也只有两个右陪集,含任意 的那一块必在两边相同。
当 是正规子群公理库正规子群Normal subgroup在全群共轭下保持不变、因而可作为同态核并形成商群的子群。时,所有 都满足 ,陪集乘法 才良定义,得到商群公理库商群Quotient group将正规子群压成单位元后,在其陪集商集上诱导出的群。 。若 不正规,左陪集集合仍可由 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 的轨道与稳定子 的左陪集空间 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.