柯西定理 (群论)

✍ dations ◷ 2025-08-24 14:12:20 #数学定理,有限群

柯西定理是一个在群论里的定理,以奥古斯丁·路易·柯西的名字来命名。其叙述著若是一个有限群且是一个可整除之阶(的元素数目)的质数,则会有一个阶的元素。亦即,存在一个于内的,使得为让=的最小非零整数,其中为单位元素。

此一定理为拉格朗日定理的部分相反,其叙述著有限群的每一个子群之阶都会整除的阶。柯西定理表示对于每一个之阶的质因数,总存在一个内阶之子群-由柯西定理内之元素产生的循环群。

我们对 = ||使用数学归纳法。考虑是阿贝尔群,以及不是阿贝尔群的两个情况。假设是阿贝尔群。如果是单群,那么它一定是素数阶循环群,因此显然含有阶的元素。否则存在一个非平凡的正规子群 H G {\displaystyle H\triangleleft G} 能整除||,那么根据归纳假设,含有一个阶的元素,因此也含有阶的元素。否则,根据拉格朗日定理,一定能整除指数,因此根据归纳假设,商群/含有一个阶的元素;也就是说,在中存在一个,使得() = = 。那么在中存在一个元素,使得 = 1——的单位元。容易验证,对于中的每一个元素,都存在中的一个元素,使得 = ,因此在中存在,使得 = 。所以的阶为,阿贝尔群的情况得证。

假设不是阿贝尔群,那么它的中心是真子群。如果对于某个非中心元素(也就是说,不在内),能整除中心化子()的阶,那么()就是一个真子群,因此根据归纳假设,它含有一个阶的元素。否则,根据拉格朗日定理,一定能整除指数,对于所有的非中心。利用类方程,可知能整除方程的左端(||),因此也能整除右端的所有被加数,除了可能不整除||以外。然而,经过一番计算就可发现,必须也能整除的阶,因此根据归纳假设,中心子群含有一个阶的元素,因为它是真子群,所以它的阶严格小于的阶。证毕。

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