形式陈述
设 N ≤ G 是子群 理路 子群 Subgroup 在原群的同一运算下自身仍构成群的非空子集。 。对 g ∈ G ,记 g N g − 1 = { g n g − 1 : n ∈ N } ,即把 N 的每个元素都作同一次共轭变换后得到的集合。若
g N g − 1 = N ( g ∈ G ) , 则称 N 是 G 的正规子群,记作 N ⊴ G 。下列条件彼此等价:
( 1 ) g N g − 1 = N ( g ∈ G ) , ( 2 ) g n g − 1 ∈ N ( g ∈ G , n ∈ N ) , ( 3 ) g N = N g ( g ∈ G ) . 从 (1) 到 (2) 只是取元素。从 (2) 出发先得 g N g − 1 ⊆ N ,再把 g 换成 g − 1 并共轭回来,得到反向包含;而
g N g − 1 = N ⟺ g N = N g 只需在等式两侧右乘 g 。因此可以按共轭、元素或左右陪集 理路 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。 三种语言检查正规性。
若只需检验一组生成元,可以同时缩小量词:若 G = ⟨ S ⟩ ,只要验证每个 s ∈ S 都满足 s N s − 1 = N ,便可由共轭复合推出所有 g ∈ G 都成立。但只检验 s N s − 1 ⊆ N 时,还要确保逆向生成元也被覆盖。
直觉
普通子群只要求内部自洽;正规子群还要求从全群任何“坐标系”观察时仍是同一子群。按右侧先作用的约定,共轭 g n g − 1 是先做 g − 1 ,再做 n ,最后做 g ;它把动作 n 搬到另一个参照位置。若这一变换不会把 N 中的动作送出 N ,N 才能代表一类与全群乘法相容的“不可观察差异”。
正规不等于“每个元素位于中心”。中心里的元素逐个与全群交换,而正规性只要求整个集合在共轭后保持,可以允许元素在 N 内彼此置换。A 3 在 S 3 中正规,但两个三轮换会被换位共轭后互换,并不与所有置换交换。
左右陪集相等使商群运算不依赖代表元。若把 N 中所有元素都压成单位元,那么从代表元左侧或右侧吸收一个 N -因子都必须给出同一类;正规性正好提供这项保证。
例子与边界
阿贝尔群的每个子群都正规,因为 g n g − 1 = n 。任意群的平凡子群、全群和中心也都正规。指数为 2 的子群自动正规:左右陪集都只有子群自身与唯一的另一个块。
在 n 个符号的置换群 S n 中,符号映射把偶置换送到 1 、奇置换送到 − 1 :
sgn : S n → { ± 1 } . 目标群的运算是乘法,复合置换的符号相乘,所以这是群同态 理路 群同态 Group homomorphism 保持群运算的映射,核记录被消去的信息,像记录实际保留下来的结构。 。所有被送到 1 的置换组成它的核 A n ,也就是交错群;核为何正规,会在下一节直接验证。在 S 3 中,A 3 = { e , ( 123 ) , ( 132 ) } 是正规子群;反之,H = { e , ( 12 ) } 不正规,因为
( 123 ) ( 12 ) ( 123 ) − 1 = ( 23 ) ∉ H . 正方形对称群 D 4 = ⟨ r , s ∣ r 4 = s 2 = e , s r s = r − 1 ⟩ 中,旋转子群 ⟨ r ⟩ 正规,因为反射共轭只把 r 变成 r − 1 。这里 r 是四分之一周旋转,s 是一次反射,⟨ r ⟩ = { e , r , r 2 , r 3 } 。反射子群 ⟨ s ⟩ = { e , s } 不正规,因为 r s r − 1 = r 2 s ∉ { e , s } :旋转共轭把反射轴移到了另一条轴。这一几何例子清楚地区分“整个旋转系统稳定”与“某条反射轴稳定”。
正规性不具有传递性。Klein 四元群
V 4 = { e , ( 12 ) ( 34 ) , ( 13 ) ( 24 ) , ( 14 ) ( 23 ) } 正规于 A 4 ;其中任意二阶子群又正规于 V 4 ,因为 V 4 阿贝尔。例如取 K = { e , ( 12 ) ( 34 ) } ,再用 g = ( 123 ) ∈ A 4 共轭,得到 g ( 12 ) ( 34 ) g − 1 = ( 23 ) ( 14 ) ∉ K 。其他二阶子群也会被类似共轭互换,所以并不正规于 A 4 。写正规链时必须标清每一步的正规性相对于哪一个群而言。
推论与应用
任意群同态 φ : G → H 的核都正规:
φ ( g n g − 1 ) = φ ( g ) φ ( n ) φ ( g ) − 1 = e ( n ∈ ker φ ) . 反过来,每个正规子群 N 都是自然投影 G → G / N 的核。因此“正规子群”与“某个同态看不见的部分”是同一类对象。
任意族正规子群的交仍正规;同态下正规子群的原像也正规。像的结论要更谨慎:若 N ⊴ G ,则 φ ( N ) ⊴ φ ( G ) ,但在 φ 不满射时未必正规于整个陪域。若忽略正规性相对于哪个群成立,就会把像中的局部结论错误提升到整个陪域,继而误用对应定理或群扩张结论。
商群 理路 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。 把正规子群压成单位陪集。第一同构定理 理路 群第一同构定理 First isomorphism theorem for groups 群同态的定义域商去其核后,与同态像自然同构。 说明任何同态像都可由定义域商掉核得到;对应定理与第二、第三同构定理则组织包含关系、子群与连续取商。交换子子群、组成列和可解群都建立在正规子群链上。
若从任意子集 S 出发,需要包含它的最小正规子群,就取所有共轭元 g s g − 1 的生成子群,称为 S 的正规闭包。它一般大于普通生成子群,这正是“对内部运算封闭”和“对全群共轭也封闭”的差距。
参考资料
David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra , 3rd ed., Wiley, 2004, §3.1.
Michael Artin, Algebra , 2nd ed., Pearson, 2011, §§2.8–2.12.
Thomas W. Judson,Abstract Algebra: Theory and Applications ,开放教材 LibreTexts 在线版,Factor Groups and Normal Subgroups ,§10.1,定理 10.3 的正规性等价条件(访问于 2026-10-03)。