# 群作用
# 定义
我们定义群 G 对一个集合 S 的作用 (action) 是一个 (⋅,⋅):G×S→S 的映射。对 g∈G 及 s∈S, 我们记其映射为 (g,s)→gs. 该映射需要满足下列两个要求:
- ∀s∈S,1s=s;
- ∀g1,g2∈G,s∈S,(g1g2)s=g1(g2s).
我们通常如何给出一个 G×S→S 的映射?一个方法是,S 取一个群(例如取 S=G);另一个方法是根据凯莱定理,任何群 G 同构于某个置换群,于是取 S 为一个含有 n 个元素的集合 N={1,2,…,n}, 考虑群 G 在其上的一个置换。
# 举例
对于对称群 Sn 及集合 In={1,2,…,n}, ∀σ∈Sn,x∈In,我们说 (σ,x)→σ(x) 是一个 Sn 对 In 的作用。
对 n 阶一般线性群 GLn(R) 及 n 维向量组成的集合 Rn, ∀A∈GLn(R),α∈Rn, 我们说 (A,α)→Aα 是 GLn(R) 对 Rn 的一个作用。
对群G,我们定义G 对其本身的作用为(g,x)=gx,∀g,x∈G。该作用称为群对自身的左平移作用或左正则作用。类似地,对群G,我们定义其对本身的作用(g,x)=xg−1,∀g,x∈G。该作用称为群对自身的右平移作用或右正则作用。
对群 G, 我们定义群 G 到自身的一个作用为 (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×S→S, 可以在 S 上定义一个二元关系 ∼, 满足 s1∼s2⇔∃g∈G 使得 g(s1)=s2.
显然,关系 ∼ 具有反身性、对称性、传递性。于是 ∼ 是一个等价关系。该等价关系在 S 上的一个等价类称为一个轨道 (orbit). 代表元 s 所在的轨道记作 Orb(s). 轨道中元素的个数称为轨道的长,记作 ∣Orb(s)∣.
此外,我们也可以定义轨道 Orb(s)={gs∣g∈G}. 容易验证,这两个定义是等价的。
对于 G 对本身的左正则作用,有 ∀x,y∈G,∃g=yx−1 使得 gx=y, 于是 Orb(x)=G. 类似地,若 S 在 G 的作用下只有一个轨道,那么称 G 在 S 上传递或可迁 (transitive).
# 不动点和稳定子群
设 g∈G,s∈S,若 g(s)=s, 则称s 是g 的一个不动点 (fix point)。以s 为不动点的所有群元素的集合称为s 的一个稳定子群或稳定化子,记作Stab(s)={g∈G∣gs=s}。
下面我们证明G 的一个稳定子群Stab(s) 是G 的一个子群,即定义的合理性。
证明易知e∈Stab(s),于是Stab(s) 非空。对∀g1,g2∈Stab(s),g1g2s=g1(g2s)=g1s=s,于是Stab(s)≤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)],称为轨道公式。
证明 简记Stab(s):=H,构造一个G 关于H 的左陪集的集合到s 的轨道上的映射φ:gH↦gs。只需要证明φ 是双射。
先证明φ 是良定义的。取g1,g2∈G,g1H=g2H,则存在h∈H 使得g1=g2h,于是g1s=g2hs=g2(hs)=g2s (因为h∈Stab(s))。
又若g1(s)=g2(s),则g2−1g1s=s,即g2−1g1∈H。则g2H=g2(g2−1g1)H=g1H,于是其为单射。
根据Orb(s) 的定义,其为满射。于是φ 为双射。则轨道公式成立。
推论∣S∣=∑s∈S[G: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,s2∈S,存在x∈G 使得s2=xs1,于是对g∈Stab(s2),有xs1=s2=gs2=gxs1,则s1=x−1gxs1。于是x−1gx∈Stab(s1)。于是Stab(s2)=x−1Stab(s2)x,即两稳定子群相共轭。