素数が整数の乗法的な原子であるように、単純群は正規部分群による分解の原子です。準同型の核は正規部分群なので、単純群から出る準同型は極端に剛直になります。
非自明な群 $G$ が
$$
\{e\},G
$$
以外の正規部分群をもたないとき、$G$ を単純群という。
可換単純群は素数位数の巡回群に限る。
$G$ を非自明な可換単純群とし $g\ne e$ を取る。可換群では全部分群が正規なので、非自明な $\langle g\rangle$ は $G$ 全体。従って $G$ は巡回群。
$g$ の位数が無限なら $\langle g^2\rangle$ は非自明な真部分群で矛盾。有限合成数 $n=ab$($1< a< n$)なら $\langle g^a\rangle$ が非自明な真部分群で矛盾。従って位数は素数。
逆に $C_p$ の部分群の位数は $p$ の約数なので1または $p$。従って単純。□
$G$ を単純群、$\varphi:G\to H$ を準同型とする。このとき $\varphi$ は自明写像か単射である。
$\ker\varphi\trianglelefteq G$ なので、単純性から
$$
\ker\varphi=\{e\}\quad\text{または}\quad G.
$$
前者なら単射判定により $\varphi$ は単射。後者なら全元を $e_H$ へ送る自明写像。□
有限単純群 $G$ が集合 $X$ へ作用するとき、対応する準同型
$$
G\to S_X
$$
も自明か単射です。非自明な作用なら $G$ を置換群として埋め込めるため、$|G|\le|X|!$ という制約が得られます。
有限群 $G$ の正規部分群は共役類の和集合である。従って、単位元の共役類を含む共役類サイズの和のうち $|G|$ を割るものが1と $|G|$ しかなければ、$G$ は単純である。
$N\trianglelefteq G$ と $x\in N$ に対し、全 $g\in G$ で $gxg^{-1}\in N$。従って $x$ の共役類全体が $N$ に入る。よって $N$ は含む元の共役類の和集合。
有限群ではLagrangeの定理から $|N|\mid|G|$。可能な共役類サイズの和で、単位元を含み、かつ $|G|$ を割るものが1と $|G|$ だけなら、正規部分群の位数は1または $|G|$。従って自明または全体。□
この判定は十分条件です。共役類サイズをすべて求められれば非常に強力で、次のページの $A_5$ に適用します。
非可換単純群 $G$ は
$$[G,G]=G$$
を満たす。従って可解でない。
$[G,G]$ は正規部分群。$G$ が非可換なので交換子のうち非単位元があり、$[G,G]\ne\{e\}$。単純性から $[G,G]=G$。
すると導来列は
$$
G^{(1)}=G,\quad G^{(2)}=G,\ldots
$$
と変化せず、自明群へ到達しない。従って非可解。□
$S_3$ が単純でないことを、符号写像と共役類の二通りで示せ。
符号写像の核 $A_3$ は位数3の非自明な真の正規部分群。
共役類は
$$
\{e\},\quad\{(12),(13),(23)\},\quad
\{(123),(132)\}.
$$
単位元の類と3-cycleの類の和集合は $A_3$ で、共役類の和集合として正規。□
非可換単純群 $G$ では $Z(G)=\{e\}$ を示せ。
$Z(G)$ は特性部分群なので正規。単純性から $\{e\}$ または $G$。もし $Z(G)=G$ なら $G$ は可換で仮定に反する。従って自明。□
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