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单群

Simple group

除平凡子群和自身外没有正规子群的非平凡群。

条目类型
定义

形式陈述

非平凡群 G 称为单群,若其正规子群只有 1G。等价地,任意群同态 φ:GH 的核只能是 1G,所以非平凡同态必为单射。阿贝尔单群恰为素数阶循环群 Cp:阿贝尔群的所有子群都正规,而无非平凡真子群迫使其阶为素数。非阿贝尔单群没有非平凡阿贝尔商;其交换子群是非平凡正规子群,故等于自身,即为完美群。定义通常明确排除平凡群。

直觉

单群像群论中的“不可再取正规商分解的原子”。普通子群仍可能很多,但没有一个能作为保持群运算的全局同余块。

单群没有非平凡正规子群,因而不能再通过商群分解出更小的群结构。它在有限群理论中扮演类似素数的角色:组成列把一般有限群拆成单群因子,但这种“分解”记录的是正规层级而非元素乘积分解。阿贝尔单群恰是素数阶循环群。

例子与边界

Cp 对素数 p 是单群;C6 含正规子群 C2,C3,不是单群。Ann5 时是非阿贝尔单群,而 A4 含 Klein 四元正规子群。S3 含正规 A3,也不是单群。一个群没有非平凡特征子群并不足以单纯推出单性,因为仍可能有非特征正规子群。单群不意味着无真子群,也不意味着所有非单位元阶相同。有限单群分类是深刻定理,但“单群”定义本身不依赖该分类。

单性对同态的核给出一个极强的二分法。若 G 是单群,且

φ:GH

不是零同态,那么 kerφ 是正规子群且不等于 G,只能为 {e},所以 φ 必为单射。等价地,单群的每个非平凡群作用都是忠实作用:作用同态的核若非整个群,就只能平凡。这里“非平凡”不能删除——把所有元素都作用为恒等置换时,核仍是整个 G。这一性质解释了单群为何容易作为其他群中的刚性子结构出现,同时也再次区分了“没有正规子群”与“没有普通子群”。

推论与应用

单群是有限群的组成因子;Jordan–Hölder 理论把有限长度群的正规列分解为单群因子。它们也控制群作用的核和同态的忠实性。

正规子群商群给出一般 群结构的逐层分解;单群正是这条正规分解链无法继续细化时出现的因子。Jordan–Hölder 定理保证有限长度群的组成因子在重排意义下唯一,有限单群分类则限定了这些基本块的全部可能类型。该结构还直接约束群作用的核、Galois 群的正规扩张层次以及置换表示的忠实性。

参考资料
  • David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004,Ch. 4, simple groups and alternating groups。
  • Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011,Ch. 4, normal subgroups and simplicity。
关系图谱3 个相邻概念 · 1 类关系

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