3-2 群作用

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群の元を抽象的な記号のまま眺める代わりに、具体的な集合へ作用させると構造が見えます。正多角形の頂点、部分群の集合、色の塗り方。軌道・安定化群と二重計数は、群の大きさを幾何や組合せへ翻訳します。

群作用

群作用

群 $G$ と集合 $X$ に対し、写像
$$ G\times X\to X,\qquad(g,x)\mapsto g\cdot x $$
が
$$ e\cdot x=x,\qquad (gh)\cdot x=g\cdot(h\cdot x) $$
を満たすとき、$G$ は $X$ に群作用|作用するという。

作用を一つ与えることは準同型
$$ G\to\operatorname{Sym}(X),\qquad g\mapsto(x\mapsto g\cdot x) $$
を与えることと同値です。作用は抽象群を置換として可視化します。

例

  • $S_n$ は $\{1,\ldots,n\}$ に $\sigma\cdot i=\sigma(i)$ で作用する。
  • $G$ は自身に左移動 $g\cdot x=gx$ で作用する。
  • $G$ は自身に共役 $g\cdot x=gxg^{-1}$ で作用する。
  • $G$ は部分群全体に $g\cdot H=gHg^{-1}$ で作用する。

軌道と安定化群

軌道と安定化群

$x\in X$ に対し
$$ G\cdot x=\{g\cdot x\mid g\in G\} $$
を $x$ の軌道、
$$ G_x=\{g\in G\mid g\cdot x=x\} $$
を $x$ の安定化群という。

$G_x$ は部分群です。実際 $e$ は $x$ を固定し、$g,h$ が固定すれば
$$ (gh^{-1})\cdot x =g\cdot(h^{-1}\cdot x) =g\cdot x=x. $$
ここで $h\cdot x=x$ の両辺へ $h^{-1}$ を作用させて $h^{-1}\cdot x=x$ を使いました。

軌道安定化群定理

$G$ が $X$ に作用するとき
$$ G/G_x\longrightarrow G\cdot x,\qquad gG_x\longmapsto g\cdot x $$
は集合の全単射である。特に $G$ が有限なら
$$ |G\cdot x|=[G:G_x],\qquad |G|=|G\cdot x||G_x|. $$

$gG_x=hG_x$ なら $h^{-1}g\in G_x$ なので
$$ g\cdot x=h\cdot((h^{-1}g)\cdot x)=h\cdot x. $$
従って写像はwell-defined。軌道の定義から全射。逆に $g\cdot x=h\cdot x$ なら
$$ (h^{-1}g)\cdot x=h^{-1}\cdot(g\cdot x) =h^{-1}\cdot(h\cdot x)=x, $$
従って $h^{-1}g\in G_x$、すなわち $gG_x=hG_x$ で単射。有限の場合の式はLagrangeの定理から従う。□

共役作用と類等式

共役作用で $x$ の安定化群は
$$ C_G(x)=\{g\in G\mid gx=xg\} $$
であり、中心化群と呼びます。軌道は共役類です。従って共役類の大きさは $[G:C_G(x)]$。
中心 $Z(G)$ の元は一元だけの共役類を作ります。中心の外から共役類代表元 $x_1,\ldots,x_r$ を選ぶと、$G$ は共役類へ分割されるため
$$ |G|=|Z(G)|+\sum_{i=1}^r[G:C_G(x_i)]. $$
これを類等式といいます。

有限 $p$ 群の中心

$|G|=p^n$($p$ は素数、$n\ge1$)なら $Z(G)\ne\{e\}$。

中心外の $x_i$ では $C_G(x_i)$ は真部分群。Lagrangeの定理から指数 $[G:C_G(x_i)]$ は1でない $p$ の冪、従って $p$ の倍数。類等式を $p$ で見ると
$$ 0\equiv|Z(G)|\pmod p. $$
中心は少なくとも単位元を含むので $|Z(G)|\ge p$。□

Burnsideの補題

有限集合 $X$ に対し
$$ X^g=\{x\in X\mid g\cdot x=x\} $$
を $g$ の固定点集合とします。

Burnsideの補題

有限群 $G$ が有限集合 $X$ に作用するとき、軌道の個数は
$$ \frac1{|G|}\sum_{g\in G}|X^g| $$
である。

集合
$$ \Omega=\{(g,x)\in G\times X\mid g\cdot x=x\} $$
を二通りに数える。$g$ を先に固定すると
$$|\Omega|=\sum_{g\in G}|X^g|.$$
$x$ を先に固定すると、$x$ を固定する $g$ は $G_x$ の元なので
$$|\Omega|=\sum_{x\in X}|G_x|.$$
一つの軌道 $O$ について軌道安定化群定理から $|G_x|=|G|/|O|$。軌道内には $|O|$ 個の $x$ があるため、その軌道からの寄与は
$$|O|\cdot\frac{|G|}{|O|}=|G|.$$
軌道数を $r$ とすれば $|\Omega|=r|G|$。二つの表示を等置して $|G|$ で割る。□

正方形の頂点二色塗り

正方形の四頂点を白黒で塗る。回転で一致する塗り方を同一視すると何種類あるか。

解答

回転群 $C_4=\{e,r,r^2,r^3\}$ が16通りの塗り方に作用する。恒等回転は16通り全部を固定。$90^\circ,270^\circ$ 回転で固定されるには四頂点が同色なので各2通り。$180^\circ$ 回転では向かい合う頂点の色が等しければよく $2^2=4$ 通り。Burnsideの補題から
$$ \frac{16+2+4+2}{4}=6. $$
□

共役類の大きさ

$S_3$ の共役類をすべて求め、類等式を確認せよ。

解答

共役は巡回型を保つため
$$ \{e\},\qquad \{(12),(13),(23)\},\qquad \{(123),(132)\} $$
が共役類。大きさは1,3,2で
$$|S_3|=6=1+3+2.$$
中心は $\{e\}$。□

参考文献

[1]
David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004

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