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定义Definition

正规子群

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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。

形式陈述 ​

设 N≤G 是子群。对 g∈G,记 gNg−1={gng−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

gNg−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)gNg−1=N(g∈G),(2)gng−1∈N(g∈G, n∈N),(3)gN=Ng(g∈G).

从 (1) 到 (2) 只是取元素。从 (2) 出发先得 gNg−1⊆N,再把 g 换成 g−1 并共轭回来,得到反向包含;而

gNg−1=N⟺gN=Ng

只需在等式两侧右乘 g。因此可以按共轭、元素或左右陪集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 sNs−1=N,便可由共轭复合推出所有 g∈G 都成立。但只检验 sNs−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 gng−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。A3 在 S3 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 gng−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 Sn 中,符号映射把偶置换送到 1、奇置换送到 −1:

sgn:Sn→{±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。所有被送到 1 的置换组成它的核 An,也就是交错群;核为何正规,会在下一节直接验证。在 S3 中,A3={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 D4=⟨r,s∣r4=s2=e, srs=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,r2,r3}。反射子群 ⟨s⟩={e,s} 不正规,因为 rsr−1=r2s∉{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

V4={e,(12)(34),(13)(24),(14)(23)}

正规于 A4;其中任意二阶子群又正规于 V4,因为 V4 阿贝尔。例如取 K={e,(12)(34)},再用 g=(123)∈A4 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 A4。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(gng−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。

商群把正规子群压成单位陪集。第一同构定理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 gsg−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)。

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