1.3 n元對(duì)稱群

  1. S_5 中,設(shè)
    \sigma = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 \\ 3 & 1 & 5 & 2 & 4 \end{pmatrix}, \quad \tau = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 \\ 4 & 5 & 1 & 3 & 2 \end{pmatrix}.
    (1) 求 \sigma\tau, \tau\sigma;
    【解答】
    \sigma\tau = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 \\ 2 & 4 & 3 & 5 & 1\end{pmatrix}

\tau\sigma = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 \\ 1 & 4 & 2 & 5 & 3\end{pmatrix}
根據(jù)上面這個(gè)例子我們可以發(fā)現(xiàn)S_5不是一個(gè)交換群。

【注意】即使上面兩個(gè)例子算出的結(jié)果相同,我們也不能說(shuō),S_5是一個(gè)交換群。因?yàn)榻粨Q群要任意兩個(gè)元素都交換才可以。

(2) 分別寫(xiě)出 \sigma, \tau 的輪換分解式;
【注釋】:輪換分解式就是要把它分解成不相交的輪換的乘積。

\sigma = (1 \ 3 \ 5 \ 4 \ 2 )
\tau = (1 \ 4 \ 3 ) (2 \ 5)

(3) 求 \sigma^{-1}, \sigma\tau\sigma^{-1}
\sigma^{-1} = (1 \ 2 \ 4 \ 5 \ 3 )
\sigma\tau\sigma^{-1} = (2 \ 5 \ 3 ) (1 \ 4)

(4) 分別寫(xiě)出 \sigma, \tau 的一種對(duì)換分解式;

\sigma = (1 \ 2)(1 \ 4 )(1 \ 5)(1 \ 3 )
\tau = (1 \ 3)(1 \ 4)(2 \ 5)
(5) 說(shuō)出 \sigma, \tau 是偶置換,還是奇置換。
【解答】\sigma是偶置換,\tau是奇置換,因?yàn)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=%5Csigma" alt="\sigma" mathimg="1">分解成了偶數(shù)個(gè)對(duì)換的乘積,但是\tau分解成了奇數(shù)個(gè)。

【注釋】由此可見(jiàn)S_5上的單位元:也就恒等變換,是屬于偶置換的,進(jìn)一步我們可以知道,S_5上所有的偶置換可以構(gòu)成一個(gè)群,但是奇置換不行,一方面是因?yàn)槠嬷脫Q不包含單位元,另一方面是它不具有封閉性。兩個(gè)奇置換的乘積變成了偶置換。

  1. S_n 中,設(shè) \sigma = (i_1 i_2 \cdots i_r),證明:對(duì)于任意 \tau \in S_n,有
    \tau\sigma\tau^{-1} = (\tau(i_1) \quad \tau(i_2) \quad \cdots \quad \tau(i_r)).

【證明】:我們知道,根據(jù)輪換表達(dá)式:在k \leq r -1的時(shí)候我們有\sigma(i_k) = i_{k+1},而\sigma(i_r) = i_1.

情況①對(duì)于\tau(i_k) \in \{i_1 ,i_2, \cdots, i_r\}.
我們有(\tau \sigma \tau^{-1})(\tau (i_k)) = \tau \sigma(i_k) = \tau(i_{k+1}) [當(dāng)然我們需要額外地說(shuō)明k = r的情況,這也是非常顯然的。]

情況②對(duì)于\tau(a)^{-1} \notin \{i_1 ,i_2, \cdots, i_r\}. \sigma作用在他們上面不起作用。因此\tau \sigma \tau^{-1}(a) = a不變。

綜上就證明了我們的命題成立

  1. \tau-輪換是偶置換還是奇置換,與 \tau 的奇偶性有什么關(guān)系?

【解答】我們知道\tau-輪換的長(zhǎng)度為n時(shí),就可以拆分成n-1個(gè)對(duì)換,因本次讓\tau- 輪換長(zhǎng)度為偶數(shù),他是奇置換,如果\tau-輪換長(zhǎng)度為奇數(shù),它是偶置換。

  1. 分別寫(xiě)出 A_3, A_4 的所有元素(用輪換分解式表示)。
    【解答】S_3中有六個(gè)元素。 S_4中有 24個(gè)元素
    因此A_3中有三個(gè)元素,,A_4中有12個(gè)元素。

  2. 證明:(1) S_n = \langle (12), (23), \ldots, (n-1,n) \rangle;
    【證明】第一步:我們知道,S_n中所有的元素都可以寫(xiě)成對(duì)換的乘積。因此我們只需要證明所有的對(duì)換都在\langle (12), (23), \ldots, (n-1,n) \rangle中即可。
    顯然對(duì)于任意的對(duì)換(k,k+r)y他都可以寫(xiě)成(k,k+1)(k+1,k+2)\cdots (k+r-1,k+r)
    命題得證。

    (2) S_n = \langle (12), (12\cdots n) \rangle。
    【證明】:利用第二題的結(jié)論。我們可以知道
    (2 \ 3) = (12\cdots n) (1 2) (12\cdots n)^{-1}
    以此類推,我們就可以得到(3 \ 4), (4 \ 5) \cdots (n-1,n)
    再根據(jù)第一問(wèn)的結(jié)論。
    命題得證。

  3. 證明:當(dāng) n \geq 3 時(shí),A_n = \langle (123), (124), \ldots, (12n) \rangle。

證明:顯然我們只需要證明,任何一個(gè)三輪換都可以由題目給出的形式表示即可。
對(duì)于任意的一個(gè)三輪換(i,j,k)
(ijk) = [(1 i)(2 j)](12k)[(2j)^{-1}(1i)^{-1}]=[(12i)(12j)](12k)[(12i)(12j)]^{-1}
都可以由題目給出的元素生成。
命題得證。

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