群論入門三部曲 抽象代數中的群

2022-08-19 12:00:14 字數 1778 閱讀 2633

抽象代數的課程我是第二次上了,可是在群論部分知識點還是缺乏理解、融會和梳理,而且有一種知識點零碎無規律的感覺。我缺乏一種巨集觀上俯視全域性的經驗,因此被老師上課抄板書式的講課帶得「迷惘、疲勞而無所得」。這裡,我希望提供乙個全域性的視角,將抽象代數中的群論、群表示論和一些李代數稍作梳理彙總。

注意本文完全不整理證明方法,任何結論都在課本上給出了證明。本文只是給出整體的影象,而且會夾雜個人的形象化描述和模擬,語言上算不上嚴謹。

群的定義共有四條:「封結么逆」。子群的判定有兩種。

子群一定包含么元。如果確定了乙個群的非平凡子群,一定可以取某個該子群外的元素,構造該子群的乙個傍集。傍集與子群「平行」(即元素數目相等,不相交),但是傍集並不是群。再取子群和傍集之外的元素繼續構造另乙個傍集……這樣可以將大群進行「整齊的」劃分,這就是lagrange定理。任何大群中的元素都必然屬於某乙個傍集(子群也算傍集)。

這些傍集實際上可以用其中的乙個元素作為代表(等價類),換句話說,傍集之集可以看成是乙個「低解析度」的大群,元素被一組一組地「捏」成乙個點。乙個很自然的想法是這個「低解析度」的集合(傍集之集)是否仍然是群。對於\((ha)(hb)=h(ab)\)這種乘法運算成立的條件顯然是任何a要能穿過h:\(ah = ha\)。這裡並不要求a和h中每個元素交換,只是要求h中的元素在任意「共軛變換」(\(g^hg\))之後仍然能夠落在子群h中。此條件即傍集之集為群的充要條件;並且由此定義乙個群的正規子群:即能夠使其傍集之集為群的子群,若傍集之集為群則稱之為商群。因此,將乙個群「粗糙化」捨棄掉一些資訊使其變成乙個小群「商群」的方法是找乙個(非平凡)正規子群;這個過程或許可以命名為一種「除法」,正規子群是「除數」。(顯然這裡一定能「整除」。)

對於由群中的乙個任意的子群而言,大群的所有元素可以簡單分成兩類:滿足\(ah=ha\)的和不滿足的。將所有滿足\(ah=ha\)的元素歸到乙個集合中,這個集合就是乙個群,稱為子群h的正規化子,也就是最大的包含h作為其正規子群的子群,記作\(n(h)\)。這個記號似乎可以看成是乙個「函式」。

乙個群的運算不一定是交換的,可能在某些元素上有交換性:某些元素與其他任何元素的運算都可交換,比如么元。這些對其他任何元素具有交換性的元素之集是乙個群,稱為大群的中心。中心必定是正規子群,而且條件是在「共軛變換」下保持不動。

類似正規化子,我們也可以定義中心化子。對群的子集(注意是子集即可),取大群中所有能夠與此子集中的元素都交換的元素作為乙個集合,即子集的中心化子,通常記作\(c(s)\)。仔細思考\(c(g)\)(g是大群)即為g的中心。

群到群的對映若保持兩群的運算規則(可以理解為連同運算一起對映)即為群同態。顯然同態必然將么元映為么元,逆元映為逆元,子群映為子群,正規子群映為正規子群,商群映為商群。此即對應定理

「對稱」的群同態,即一一對映,稱為群同構;而同構的兩群實際上是完全一樣的,只是元素的表示花樣不一樣罷了(所以可以視同構為「相等」)。而「非對稱」的同態,只可能將乙個群投影「變小」(即像的階數變小)。這樣的同態只能將乙個群投影為乙個小群(滿射而非單射)或者投影為另乙個更大群的一部分(單射而非滿射)。顯然「不對稱」的情況下同態會將多個元素映為乙個點,例如映為像中的么元。這些被映到么元的元素組成乙個子群,稱為同態的核(ker)。同態的核顯然是乙個正規子群,這是由像中么元的交換性質反推得出的。對於同態\(f\),乙個群「除以」同態核\(kerf\)就等於像\(imf\),此即同態基本定理

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