柯西定理 (群论)

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G是一个有限群p是一个可整除GG的元素数目)的质数,则G会有一个p阶的元素。亦即,存在一个于G内的x,使得p为让xp=e的最小非零整数,其中e单位元素

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

证明

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我们对n = |G|使用数学归纳法。考虑G阿贝尔群,以及G不是阿贝尔群的两个情况。假设G是阿贝尔群。如果G单群,那么它一定是素数阶循环群,因此显然含有p阶的元素。否则存在一个非平凡的正规子群 。如果p能整除|H|,那么根据归纳假设,H含有一个p阶的元素,因此G也含有p阶的元素。否则,根据拉格朗日定理p一定能整除指数[G:H],因此根据归纳假设,商群G/H含有一个p阶的元素;也就是说,在G中存在一个x,使得(Hx)p = Hxp = H。那么在H中存在一个元素h1,使得h1xp = 1——G的单位元。容易验证,对于H中的每一个元素a,都存在H中的一个元素b,使得bp = a,因此在H中存在h2,使得h2 p = h1。所以h2x的阶为p,阿贝尔群的情况得证。

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

参考

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  • James McKay. Another proof of Cauchy's group theorem, American Math. Monthly, 66 (1959), pg. 119.

外部链接

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