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。。若
则称 是 的正规子群,记作 。下列条件彼此等价:
从 (1) 到 (2) 只是取元素。从 (2) 出发先得 ,再把 换成 并共轭回来,得到反向包含;而
只需在等式两侧右乘 。因此可以按共轭、元素或左右陪集公理库陪集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 ,只要验证每个 都满足 ,便可由共轭复合推出所有 都成立。但只检验 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。共轭 是先把坐标移到 所在位置、执行 、再移回来。若这一变换不会把 中的动作送出 , 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 内彼此置换。 在 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 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 -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 。任意群的平凡子群、全群和中心也都正规。指数为 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。
符号映射
是群同态公理库群同态Group homomorphism · 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。,其核 因而正规。在 中, 是正规子群;反之, 不正规,因为
正方形对称群 中,旋转子群 正规,因为反射共轭只把 变成 。反射子群 不正规,因为旋转会把一条反射轴送到另一条反射轴。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
正规于 ;其中任意二阶子群又正规于 ,因为 阿贝尔。但这些二阶子群在 中彼此被共轭置换,所以并不正规于 。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 的核都正规:
反过来,每个正规子群 都是自然投影 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 ,则 ,但在 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。把正规子群压成单位陪集。第一同构定理公理库群第一同构定理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 出发,需要包含它的最小正规子群,就取所有共轭元 的生成子群,称为 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.