# 群作用

# 定义

我们定义群 GG 对一个集合 SS作用 (action) 是一个 (,):G×SS(\cdot, \cdot):G \times S \to S 的映射。对 gGg \in GsSs \in S, 我们记其映射为 (g,s)gs(g,s) \to gs. 该映射需要满足下列两个要求:

  1. sS,1s=s\forall s \in S,\,1s=s;
  2. g1,g2G,sS,(g1g2)s=g1(g2s)\forall g_1,g_2 \in G, s \in S,\,(g_1g_2)s = g_1(g_2s).

我们通常如何给出一个 G×SSG \times S \to S 的映射?一个方法是,SS 取一个群(例如取 S=GS = G);另一个方法是根据凯莱定理,任何群 GG 同构于某个置换群,于是取 SS 为一个含有 nn 个元素的集合 N={1,2,,n}N = \{1,2,\dots,n\}, 考虑群 GG 在其上的一个置换。

# 举例

对于对称群 SnS_n 及集合 In={1,2,,n}I_n = \{1,2,\dots,n\}, σSn,xIn\forall \sigma \in S_n, x \in I_n,我们说 (σ,x)σ(x)(\sigma,x) \to \sigma(x) 是一个 SnS_nInI_n 的作用。

nn 阶一般线性群 GLn(R)\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})nn 维向量组成的集合 Rn\mathbb{R}^n, AGLn(R),αRn\forall A \in \mathrm{GL}_n(\mathbb{R}),\,\alpha \in \mathbb{R}^n, 我们说 (A,α)Aα(A, \alpha) \to A\alphaGLn(R)\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})Rn\mathbb{R}^n 的一个作用。

对群GG,我们定义GG 对其本身的作用为(g,x)=gx,g,xG(g,x) = gx,\,\forall g,x \in G。该作用称为群对自身的左平移作用左正则作用。类似地,对群GG,我们定义其对本身的作用(g,x)=xg1,g,xG(g,x) = xg^{-1},\,\forall g,x \in G。该作用称为群对自身的右平移作用右正则作用

对群 GG, 我们定义群 GG 到自身的一个作用为 (g,x)=gxg1(g,x) = gxg^{-1}. 该作用称为群对自身的共轭作用

# 轨道

给定一个群作用 G×SSG \times S \to S, 可以在 SS 上定义一个二元关系 \sim, 满足 s1s2gGs_1 \sim s_2 ⇔ \exists g\in G 使得 g(s1)=s2g(s_1) = s_2.

显然,关系 \sim 具有反身性、对称性、传递性。于是 \sim 是一个等价关系。该等价关系在 SS 上的一个等价类称为一个轨道 (orbit). 代表元 ss 所在的轨道记作 Orb(s)\mathrm{Orb}(s). 轨道中元素的个数称为轨道的长,记作 Orb(s)|\mathrm{Orb}(s)|.

此外,我们也可以定义轨道 Orb(s)={gsgG}\mathrm{Orb}(s) = \{gs|g \in G\}. 容易验证,这两个定义是等价的。

对于 GG 对本身的左正则作用,有 x,yG,g=yx1\forall x,y \in G,\,\exists g = yx^{-1} 使得 gx=ygx = y, 于是 Orb(x)=G\mathrm{Orb}(x) = G. 类似地,若 SSGG 的作用下只有一个轨道,那么称 GGSS传递可迁 (transitive).

# 不动点和稳定子群

gGg \in GsSs \in S,若 g(s)=sg(s) = s, 则称ssgg 的一个不动点 (fix point)。以ss 为不动点的所有群元素的集合称为ss 的一个稳定子群稳定化子,记作Stab(s)={gGgs=s}\mathrm{Stab}(s) = \{g \in G|gs = s\}

下面我们证明GG 的一个稳定子群Stab(s)\mathrm{Stab}(s)GG 的一个子群,即定义的合理性。

证明易知eStab(s)e \in \mathrm{Stab}(s),于是Stab(s)\mathrm{Stab}(s) 非空。对g1,g2Stab(s)\forall g_1, g_2 \in \mathrm{Stab}(s)g1g2s=g1(g2s)=g1s=sg_1g_2s = g_1(g_2s) = g_1s = s,于是Stab(s)G\mathrm{Stab}(s) \leq G

对轨道和稳定子群,有一些基本的性质:

性质 1 Orb(s)=[G:Stab(s)]|\mathrm{Orb}(s)| = [G:\mathrm{Stab}(s)],称为轨道公式

证明 简记Stab(s):=H\mathrm{Stab}(s):=H,构造一个GG 关于HH 的左陪集的集合到ss 的轨道上的映射φ:gHgs\varphi:gH \mapsto gs。只需要证明φ\varphi 是双射。

先证明φ\varphi 是良定义的。取g1,g2G,g1H=g2Hg_1, g_2 \in G,\,g_1H = g_2H,则存在hHh \in H 使得g1=g2hg_1 = g_2h,于是g1s=g2hs=g2(hs)=g2sg_1s = g_2hs = g_2(hs) = g_2s (因为hStab(s)h \in \mathrm{Stab}(s))。

又若g1(s)=g2(s)g_1(s) = g_2(s),则g21g1s=sg_2^{-1}g_1s = s,即g21g1Hg_2^{-1}g_1 \in H。则g2H=g2(g21g1)H=g1Hg_2H = g_2(g_2^{-1}g_1)H = g_1H,于是其为单射。

根据Orb(s)\mathrm{Orb}(s) 的定义,其为满射。于是φ\varphi 为双射。则轨道公式成立。

推论S=sS[G:Stab(s)]|S| = \sum_{s\in S}[G:\mathrm{Stab}(s)]

性质 2 同一轨道中各元素的稳定子群相互共轭。

证明 对任意s1,s2Ss_1,s_2 \in S,存在xGx \in G 使得s2=xs1s_2 = xs_1,于是对gStab(s2)g \in \mathrm{Stab}(s_2),有xs1=s2=gs2=gxs1xs_1 = s_2 = gs_2 = gxs_1,则s1=x1gxs1s_1 = x^{-1}gxs_1。于是x1gxStab(s1)x^{-1}gx \in \mathrm{Stab}(s_1)。于是Stab(s2)=x1Stab(s2)x\mathrm{Stab}(s_2) = x^{-1}\mathrm{Stab}(s_2)x,即两稳定子群相共轭。