阶 (群论)

阶 (群论)

由一个群或其内之元素的阶可以大致知道群的结构。简略地说,阶的因式分解越复杂,这个群就会越复杂。

若群G的阶为1,则这个群称为平凡群。给定一元素a,则ord(a) = 1当且仅当a为其单位元素。若G内的每一个(非单位)元素和其逆元素相同(故a2 = e),则ord(a) = 2且因此G会是个阿贝尔群,因为ab=(bb)ab(aa)=b(ba)(ba)a=ba。此一叙述的相反不一定为对;例如,整数同余6之(加法)循环群Z6为可换的,但数字2的阶为3(2+2+2 = 6 ≡ 0 (mod 6))。

阶两种概念之间的关系如下:若给出一个由a产生之子群

a

=

{

a

k

:

k

Z

}

{\displaystyle \langle a\rangle =\{a^{k}:k\in \mathbb {Z} \}}

ord

(

a

)

=

ord

(

a

)

.

{\displaystyle \operatorname {ord} (a)=\operatorname {ord} (\langle a\rangle ).}

对于任一个整数k,会有“ak = e 当且仅当 ord(a) 整除 k”之关系。

一般来说,G的每个子群之阶都会整除G的阶。更精确地来说:若H是G的一个子群,则

ord(G) / ord(H) = [G : H],其中[G:H]是于G内的H之指标,为一整数。此为拉格朗日定理

上述会有一个立即的结论为,一个群的每一个元素之阶都会整除此一群的阶。例如,在上面所示之对称群中,ord(S3) = 6,且其内元素的阶分别为1、2或3。

下面的部分相反对有限群为真:若d会整除一个群G的阶且d为一个质数,则存在一个内G内为d阶的元素(这有时被称为柯西定理)。此一叙述在其阶为合数时并不成立,如克莱因四元群中即不存在一个4阶的元素。这可以用数学归纳法来证明[1]。这个定理的结论包括:一个群G的阶为一个质数p的次方当且仅当对每个在G内的a,ord(a)都是p的某个次方[2]。

若a有无限阶,则a的所有次方也都会有无限阶。若a有有限阶,则对于a的次方的阶会有下列的公式:

ord(ak) = ord(a) / gcd(ord(a), k)。特别地是,a和其逆元素a-1会有相同的阶。

并不存在一个将a和b的阶关连到其乘积ab的阶之一般公式。a和b都有着有限阶而ab则有着无限阶的情形还是有可能的。若ab=ba,则至少可知ord(ab)会整除lcm(ord(a),ord(b))。其结论可证明在一个有限阿贝尔群中,若m为所有群元素的阶之中的最大值,则每一个元素的阶都会整除m。

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