中心化子和正规化子

群论中,一個群 G 的子集 S 的中心化子()C_G(S) 是 G 中與所有 S 的元素滿足交換律的元素組成的集合; S 的正规化子() N_G(S) 是 G 中使 S 關於 g 的共軛類等於 S 的元素 g 組成的集合,此條件較上述中心化子的條件弱。

中心化子和正規化子都是 G 的子群。它们分别給出對 S 的元素和 S 整體的限制。對某些子集 S ,这些子群能夠給出關於群 G 结构的信息。

定義
中心化子
令 G 為一個群, S 為 G 的一個子集,我們定義一個由 G 中與每一個 S 的元素 s 可交換的元素組成的集合,記做 C_G(S);換言之,

: C_G(S) = \{ x \in G \mid \forall s \in S, xs = sx \}。

若 H 為 G 的子群且 S \subseteq H ,則 C_H(S) = C_G(S) \cap H。

特別的,當 S 為單元素集合 S = \{ a\} 時,我們會將其中心化子簡寫為 C_G(S) = C_G(a) 。

群的中心
群 G 的中心是 C_G(G) ,通常记作 Z(G) 。一个群的中心既是正规子群也是交换群,而且有很多其它重要属性。我们可以将 a 的中心化子视作 G 中最大(用包含关系作為比較大小的依據)的子群 H ,使得 a 属于其中心 Z(H) 。

正规化子
S 在 G 中的正规化子记作 N_G(S) 或 N(S) 。正规化子定义为 N_G(S) = \{x \in G \mid xS = Sx\} 。同样的是, N_G(S) 是 G 的子群。

正规化子得名于 N_G(\langle S \rangle) 是 G 中包含 \langle S \rangle 且 \langle S \rangle 为 N_G(\langle S \rangle) 正规子群的最大子群,其中 \langle S \rangle 是由 S 生成的子群。

包括 \langle S \rangle 且 \langle S \rangle 為其正规子群的最小的 G 的子群称为共軛閉包。

如果 N_G(H) = H ,则子群 H 称为 G 的自正规化子群

性质
若 G 是交换群,则任何 G 的子集的中心化子和正规化子都包含 G 所有的元素;特别地,一个群可交换,当且仅当 Z(G) = G 。

若 a 和 b 是 G 的任意元素,则 a 在 C_G(b) 中当且仅当 b 在 C_G(a) 中,这又亦等價於 a 和 b 可交换( ab = ba )。

若 S 為單元素集合 S = \{ a\} ,则 N_G(S) = C_G(S) = C_G(a)。

C_G(S) 总是 N_G(S) 的正规子群:若 c 属于 C_G(S) 而 n 属于 N_G(S) ,我们需要证明 n^{-1}cn 属于 C_G(S) 。
为此,取 s 属于 S 并令 t = nsn^{-1} 。则 t 属于 S ,所以 ct = tc 。注意到 ns = tn ;以及 n^{-1}t = sn^{-1} 。我们有
: (n^{-1}cn)s = (n^{-1}c)tn = n^{-1}(tc)n = (sn^{-1})cn = s(n^{-1}cn)
这也就是要证明的命题。

更一般的,我们有 Z(G) \triangleleft C_G(S) \triangleleft N_G(S) \le G 。

若 H 是 G 的子群,则 N/C 定理表明因子群 N_G(H)/C_G(H) 同构于 Aut(H)(H 的自同构群)的子群。

因为N_G(G) = G,N/C 定理也意味着G/Z(G) 同构于 Inn(G)(由所有G 的内自同构组成的 Aut(G) 的子群)。

如果我们通过 T_x(g) = xgx^{-1} 定义群同态
T_x: G \to Inn(G),则我们可以用Inn(G)在G上的群作用来表述N_G(S)和C_G(S):S在Inn(G)中的定点子群就是T_x(N_G(S)),而Inn(G)中固定S的子群就是T_x(C_G(S))。

共軛類方程
若 G 为有限群,考慮 S 共軛到自身的群作用,並應用軌道-穩定點定理,

G的核為|\ker\rho|=|Z(G)|

G的軌道為|G\cdot x_{i}|=|G:C_{G}(x_{i})|

類方程

:|G|=|Z(G)|+\sum_{i}|G:C_{G}(x_{i})|

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