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S5的子群

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2024年5月29日发(作者:倪暮芸)

S5的子群

赵俊锋;王飞;贾有

【摘 要】小阶数对称群在有限群论研究中具有重要的作用,但随着n的增大,结构也

越复杂.文章利用传递与正规性计算出了S5的所有子群,并给出了严格的证明.

【期刊名称】《长治学院学报》

【年(卷),期】2010(027)005

【总页数】3页(P50-52)

【关键词】共轭类;n次对称群;长度

【作 者】赵俊锋;王飞;贾有

【作者单位】忻州师范学院专科部,山西忻州,034000;长治学院,数学系,山西长

治,046011;忻州师范学院,专科部,山西忻州,034000

【正文语种】中 文

【中图分类】O211.4

对称群在群论发展史上起着十分重要的作用,关于对称群Sn子群的研究,文献

[1]研究了S4子群的个数。文献[2]研究了对称群S4及其正规子群的若干性

质。但当n>4时,对Sn的研究大部分都是借助于计算机编程来实现的。例如文

献[3]利用计算机给出了S5所有幂零子群和可解子群,文献[4][5]利用计

算机研究了S5的基本性质,本文经过计算并通过严格的证明给出了S5的所有子

群。

定理 S5共有156个子群,可分为19个共轭类:

平凡子群有两个共轭类:{1},{S5}长度都为1;

2阶子群都同构于C2,可分为2个共轭类,即:{<(12)>g|g∈S5},长度为

10;{<(12)(34)>g|g∈S5},长度为15;

3阶子群都同构C3,有1个共轭类,即:{<(123)>g|g∈S5},长度为 10;

4阶子群有3个共轭类,即:{<(1234)>g|g∈S5},长度为 15;{<(12)

(34)>g|g∈S5},长度为 15;

{<(12)(34),(13)(24)>g|g∈S5},长度为 5;

其中<(1234)>≌C4,<(12)(34)>≌C2×C2,<(12)(34),(12)

(24)>≌C2×C2

5阶子群都同构于C5,有1个共轭类,即:

{<(12345)>g|g∈S5},长度为 6;

6阶子群有3个共轭类,即:

{Sg{1,2,3}|g∈S5},长度为 10;

{<(12),(345)>g|g∈S5},长度为 10;

{<(12),(34),(345)>g|g∈S5},长度为 10;

其中 S{1,2,3} ≌S3,<(12),(345)>≌C6,

<(12),(34),(345)>≌S3

8阶子群都同构于D8,有1个共轭类,即:

{<(12),(1423)>g|g∈S5},长度为 15;

10阶子群都同构于D10,有1个共轭类,即:

{<(12345),(12),(35)>g|g∈S5},长度为 6;

12阶子群有两个共轭类,即:{Ag{1,2,3,4}|g∈S5},长度为5;

{(S{1,2} ×S{3,4,5})},长度为10;

其中 A{1,2,3}≌A4,S{1,2} ×S{3,4,5}≌S2×S3

20阶子群都同构于<x,y|y4=x5=1,xy=x2>,有1个共轭类,{<(12345)

(|2354)>g|g∈S5},长度为 6;

24阶子群都同构于S4,有1个共轭类,即:

{Sg{1,2,3,4}|g∈S5},长度为 5

60阶子群有1个共轭类,即:{A5},长度为1.

证明 由(i1,i2,…,i)sσ=σ-(1i1,i2,…,i)sσ=(iσ1,iσ2,…,iσ)s,

知S5中元素可分为7个共轭类,分别为:({1)};

因为S5=120,由Largrange定理可知S5的子群的阶可能为:

1,2,3,4,5,6,8,10,12,15,20,24,30,40,60,120。

下面首先分别找 S5的 1,2,3,4,5,6,8,10,12,20,24,60,120阶子

群。最后证明S5中不存在15,30,40阶的子群。除了{1}和S5这两个平凡子

群外,找其它子群的方法如下。

2阶子群:

因为S5中每个2阶元生成一个2阶子群,故S5的2阶子群的个数等于S5中不

同2阶元的个数。即25个,可分为2个共轭类,即 {<(12)>g|g∈S5},

长度为 10;

{<(12),(34)>g|g∈S5},长度为 15.

3阶子群:

因为S5中每个3阶元生成一个3阶子群,由于每个3阶元子群含两个3阶元且

它们互为逆元,故S5的3阶子群的个数等于S5中不同3阶元的个数的一半,10

个3阶子群,1个共轭类,如下:{<(123)>g|g∈S5},长度为=10.

4阶子群:

设H为S5的任一4阶子群,则H有不动点。

事实上,假设 H无不动点,此时,若 H在 {1,2,3,4,5}上传递,则 5||H|,

即 5|4,矛盾。若 H在 {1,2,3,4,5}上不传递,则H≤S3×S2,此时

H≌C2×C2必有不动点。矛盾。

从而 S5的 4阶子群为 S{1, 2,3,4} ,S{1, 2,3,5},S{1, 2,4,

5} ,S{1, 3,4,5} ,S{2, 3,4,5}的所有4阶子群,又因为集合不同

所以4阶子群一定不重复。

所以S5的4阶子群共有35个,3个共轭类,如下:

5阶子群:

因为S5的每个5阶元生成一个5阶子群,又由于每个5阶子群含4个5阶元,

且任两个不同的5阶子群的交为1,故S5的5阶子群的个数为5阶元个数的,即

6个,1个共轭类:H5,1{<(12345)>g|g∈S5},长度为=6.

6阶子群:

以下分有不动点和无不动点两种情况讨论:

(1)有不动点时:S4的子群可知,S5的所有6阶子群为:{Sg{1,2,3}

|g∈S5},长度为 C35=10

(2)无不动点时:则 6阶子群在 {1,2,3,4,5}上不传递。事实上,若在

{1,2,3,4,5}上传递,则5|6矛盾。所以H≤S2×S3=(S{a,b}×S{c,

d,e})。

断言H只能为循环群或S3.

事实上,若H有6阶元,则H为循环群。否则,有Sylow定理知H中有唯一的

3阶子群K。设K=〈a〉,由于|H:K|=2,故K是H的正规子群。任取b∈HK,

则o(b)=2。于是H=K∪Kb={1,a,ab,a2,a2b,b}且bK=Kb由 此 得

ba∈{a, ab,a2b}.简单验证易得,ba=a2b令 σ 是H到S3得映射,其中

a→(123),b→(12),易验证 σ 是 H到 S3的同构映射,即H≌S3。

当H交换,即H为循环群时有10种情形,1个共轭类。即:{<(12),(345)

>g|g∈S5}长度为 C25<(12),(345)>≌C6

当H不交换时,有10种情形,1个共轭类;

{<(12)(34),(345)>g|g∈S5},长度为 10,<(12)(34),

(345)>≌C3.

8阶子群:

若H为S5的8阶子群,则H在{1234 }上有不动点。

事实上,H在 {1,2,3,4,5}上无不动点时,若H在{1,2,3,4,5} 上

传递,则有 5|8,矛盾。若 H在 {1,2,3,4,5}上不传递,则H≤S2×S3,

进而8|12,矛盾。由S4的8阶子群可知S5的8阶子群有15个,1个共轭类;

{<(12)(1423)>g|g∈S5}长度为 15,且 <(12),(1423)>≌D8.

10阶子群:

设 H为 S5的 10阶子群,α(abcde),α∈H,o(α)=5

有 Sylow定理知,n5|2,n5=1+5k,从而 n5=1,进而<α>是H的正规子群,

H≤Ns(5<α>),H中有4个5阶元,5个2阶元。由定理3.3知Ns(5<α>)

中只有5个2阶元,从而

H={<(abcde)>,(be)(cd),(ae)(bd),(ad)(k),(ac)

(de),(ad)(ce)}=<(abcde),(be),(cd)>≌D10

所以所有10阶子群有一个共轭类为:

{<(12345),(12)(35)>g|g∈S5}长度为 6,且

<(12345),(12),(35)>≌D10.

12阶子群:

设H为12阶子群,若有不动点时,由S4子群可知S5的12阶子群同构于A4,

一个共轭类,即:{Sg{1,2,3,4}|g∈S5},长度为5。若无不动点,则H

在 {1,2,3,4,5}上不传递,(否则,5|12,矛盾。)进而 H≤S3×S2,又

H=S3×S2所以 H=S3×S2.进而得12阶子群的另一个共轭类:

{(S{1,2} ×S{3,4,5}g|g∈S5},长度为 10.

20阶子群:

设H为20阶子群,若o(α)=5,下面证明NS(5<α>)=H,易知<α>为H

得Sylow5子群。对于H,由Sylow定理知n5|4,n5=1+5k从而n5=1,即<α

>是H的正规子群,所以H≤NS(5<α>).

又由H=NS(5<α>)=20,从而H=NS(5<α>)。所以20阶子群共有6个,

(1个5阶子群<α>,对应1个20阶子群NS(5<α>)),1个共轭类,即:

24阶子群:

若 H为 24阶子群,则 H在(1,2,3,4,5}上有不动点。事实上,H在 {1,

2,3,4,5} 上无不动点时,若 H在 {1,2,3,4,5}上传递,则5|24,矛

盾。若H在 {1,2,3,4,5}上不传递,则H≤S3×S2,24|12,矛盾。从而

S5的 24阶子群只能为 S4,即得共轭类:}|g∈S5},长度为 5.

60阶子群:

设H为S5的60阶子群,G:H=2,所以H是G的正规子群。

进一步知H为某几个S5中元素的共轭类的并,且必含有(1),又S5元素共轭

类长度依次分别为:

1,10,20,15,30,20,24。

而60只能分解为1+15+24+20,所以

经验证其不成群。所以60阶子群只有1个,即 {A5}。

下面证明S没有15,30,40阶子群。

S5没有15阶子群。

事实上,若S5有15阶子群H,<α>为H的5阶子群。

由Sylow定理知,<α>是H的正规子群。进而H≤NS(5<α>),又H有3

阶元,而NS(5<α>)无3阶元,矛盾,所以S5没有15阶子群。

S5没有30阶子群。

事实上,若S5有30阶子群H,<α>为H的5阶子群。由Sylow定理知,

n5=1或6。若n5=1同上可得矛盾。所以n5=6,此时H有1个1阶元,24个

5阶元。即H包含了S5中所有的5阶元,又由于Sylow定理知n3|10,

n3=1+3k,从而n3=1,或者n3=10。若n3=10,又1个3阶子群有2个3阶

元,且不同3阶子群交为1。所以H有20个3阶元,此时与H矛盾。所以

n3=1,即只有1个3阶子群,设为<α>,<b>是H的正规子群。不妨设 b=

(ijk),又(ijklm)∈H。但(ijk)(ijklm)=(jkl)∉<(ijk)>,从而与<α

>是H的正规子群矛盾。所以S5没有30阶子群。

S5没有40阶子群。

设H为S5的40阶子群,由Sylow定理知,n5=1+5k,n5|8。所以n5=1,即

H有4个5阶元,剩余35个2幂阶元。由Sylow定理知,n2=1+2k,n2|5,所

以 n2=1或者 5.若 n2=1,此时与|H|=40矛盾。所以n5=5,即有5个8阶子

群。又因为共35个2阶元,所以其8阶子群的交只能为1,但右前面找的8阶子

群知,任意两个 8阶子群的交都不为 1,如<(12),(1423)>和<(13),

(1234)>,且(12)(34)∈<(12),(1423)>∩<(13),(1234)

>从而产生矛盾。所以S5没有40阶子群。

Keywords:conjugacy class;the symmetric group of degree n;length

【相关文献】

[1]孙自行,崔方达.4次对称群.子群的个数及其证明[J].阜阳师范学院学报,2005,(4):

129-132.

[2]马建萍.对称群.及其正规子群的若干性质[J].青海师范大学学报,2009,(2):16-18.

[3]徐明耀,黄建华,李慧陵.有限群引论[M].北京:科学出版社,1999.

[4]黄本文,计算对称群.的所有子群[J].高校应用数学学报[J],2001,(1):31-35.

[5]黄本文,廖向军,吕云翔.计算对称群的所有Sylowp子群[J].武汉大学学报,2004,

(3):303-305.

Abstract:Small order of symmetry group plays an important role in research of finite

group theory,but as the number n is increasing,the structure of S5is more

paper calculates all the subgroups of S5appling the transitivity and

normality and gives the strict proof.

2024年5月29日发(作者:倪暮芸)

S5的子群

赵俊锋;王飞;贾有

【摘 要】小阶数对称群在有限群论研究中具有重要的作用,但随着n的增大,结构也

越复杂.文章利用传递与正规性计算出了S5的所有子群,并给出了严格的证明.

【期刊名称】《长治学院学报》

【年(卷),期】2010(027)005

【总页数】3页(P50-52)

【关键词】共轭类;n次对称群;长度

【作 者】赵俊锋;王飞;贾有

【作者单位】忻州师范学院专科部,山西忻州,034000;长治学院,数学系,山西长

治,046011;忻州师范学院,专科部,山西忻州,034000

【正文语种】中 文

【中图分类】O211.4

对称群在群论发展史上起着十分重要的作用,关于对称群Sn子群的研究,文献

[1]研究了S4子群的个数。文献[2]研究了对称群S4及其正规子群的若干性

质。但当n>4时,对Sn的研究大部分都是借助于计算机编程来实现的。例如文

献[3]利用计算机给出了S5所有幂零子群和可解子群,文献[4][5]利用计

算机研究了S5的基本性质,本文经过计算并通过严格的证明给出了S5的所有子

群。

定理 S5共有156个子群,可分为19个共轭类:

平凡子群有两个共轭类:{1},{S5}长度都为1;

2阶子群都同构于C2,可分为2个共轭类,即:{<(12)>g|g∈S5},长度为

10;{<(12)(34)>g|g∈S5},长度为15;

3阶子群都同构C3,有1个共轭类,即:{<(123)>g|g∈S5},长度为 10;

4阶子群有3个共轭类,即:{<(1234)>g|g∈S5},长度为 15;{<(12)

(34)>g|g∈S5},长度为 15;

{<(12)(34),(13)(24)>g|g∈S5},长度为 5;

其中<(1234)>≌C4,<(12)(34)>≌C2×C2,<(12)(34),(12)

(24)>≌C2×C2

5阶子群都同构于C5,有1个共轭类,即:

{<(12345)>g|g∈S5},长度为 6;

6阶子群有3个共轭类,即:

{Sg{1,2,3}|g∈S5},长度为 10;

{<(12),(345)>g|g∈S5},长度为 10;

{<(12),(34),(345)>g|g∈S5},长度为 10;

其中 S{1,2,3} ≌S3,<(12),(345)>≌C6,

<(12),(34),(345)>≌S3

8阶子群都同构于D8,有1个共轭类,即:

{<(12),(1423)>g|g∈S5},长度为 15;

10阶子群都同构于D10,有1个共轭类,即:

{<(12345),(12),(35)>g|g∈S5},长度为 6;

12阶子群有两个共轭类,即:{Ag{1,2,3,4}|g∈S5},长度为5;

{(S{1,2} ×S{3,4,5})},长度为10;

其中 A{1,2,3}≌A4,S{1,2} ×S{3,4,5}≌S2×S3

20阶子群都同构于<x,y|y4=x5=1,xy=x2>,有1个共轭类,{<(12345)

(|2354)>g|g∈S5},长度为 6;

24阶子群都同构于S4,有1个共轭类,即:

{Sg{1,2,3,4}|g∈S5},长度为 5

60阶子群有1个共轭类,即:{A5},长度为1.

证明 由(i1,i2,…,i)sσ=σ-(1i1,i2,…,i)sσ=(iσ1,iσ2,…,iσ)s,

知S5中元素可分为7个共轭类,分别为:({1)};

因为S5=120,由Largrange定理可知S5的子群的阶可能为:

1,2,3,4,5,6,8,10,12,15,20,24,30,40,60,120。

下面首先分别找 S5的 1,2,3,4,5,6,8,10,12,20,24,60,120阶子

群。最后证明S5中不存在15,30,40阶的子群。除了{1}和S5这两个平凡子

群外,找其它子群的方法如下。

2阶子群:

因为S5中每个2阶元生成一个2阶子群,故S5的2阶子群的个数等于S5中不

同2阶元的个数。即25个,可分为2个共轭类,即 {<(12)>g|g∈S5},

长度为 10;

{<(12),(34)>g|g∈S5},长度为 15.

3阶子群:

因为S5中每个3阶元生成一个3阶子群,由于每个3阶元子群含两个3阶元且

它们互为逆元,故S5的3阶子群的个数等于S5中不同3阶元的个数的一半,10

个3阶子群,1个共轭类,如下:{<(123)>g|g∈S5},长度为=10.

4阶子群:

设H为S5的任一4阶子群,则H有不动点。

事实上,假设 H无不动点,此时,若 H在 {1,2,3,4,5}上传递,则 5||H|,

即 5|4,矛盾。若 H在 {1,2,3,4,5}上不传递,则H≤S3×S2,此时

H≌C2×C2必有不动点。矛盾。

从而 S5的 4阶子群为 S{1, 2,3,4} ,S{1, 2,3,5},S{1, 2,4,

5} ,S{1, 3,4,5} ,S{2, 3,4,5}的所有4阶子群,又因为集合不同

所以4阶子群一定不重复。

所以S5的4阶子群共有35个,3个共轭类,如下:

5阶子群:

因为S5的每个5阶元生成一个5阶子群,又由于每个5阶子群含4个5阶元,

且任两个不同的5阶子群的交为1,故S5的5阶子群的个数为5阶元个数的,即

6个,1个共轭类:H5,1{<(12345)>g|g∈S5},长度为=6.

6阶子群:

以下分有不动点和无不动点两种情况讨论:

(1)有不动点时:S4的子群可知,S5的所有6阶子群为:{Sg{1,2,3}

|g∈S5},长度为 C35=10

(2)无不动点时:则 6阶子群在 {1,2,3,4,5}上不传递。事实上,若在

{1,2,3,4,5}上传递,则5|6矛盾。所以H≤S2×S3=(S{a,b}×S{c,

d,e})。

断言H只能为循环群或S3.

事实上,若H有6阶元,则H为循环群。否则,有Sylow定理知H中有唯一的

3阶子群K。设K=〈a〉,由于|H:K|=2,故K是H的正规子群。任取b∈HK,

则o(b)=2。于是H=K∪Kb={1,a,ab,a2,a2b,b}且bK=Kb由 此 得

ba∈{a, ab,a2b}.简单验证易得,ba=a2b令 σ 是H到S3得映射,其中

a→(123),b→(12),易验证 σ 是 H到 S3的同构映射,即H≌S3。

当H交换,即H为循环群时有10种情形,1个共轭类。即:{<(12),(345)

>g|g∈S5}长度为 C25<(12),(345)>≌C6

当H不交换时,有10种情形,1个共轭类;

{<(12)(34),(345)>g|g∈S5},长度为 10,<(12)(34),

(345)>≌C3.

8阶子群:

若H为S5的8阶子群,则H在{1234 }上有不动点。

事实上,H在 {1,2,3,4,5}上无不动点时,若H在{1,2,3,4,5} 上

传递,则有 5|8,矛盾。若 H在 {1,2,3,4,5}上不传递,则H≤S2×S3,

进而8|12,矛盾。由S4的8阶子群可知S5的8阶子群有15个,1个共轭类;

{<(12)(1423)>g|g∈S5}长度为 15,且 <(12),(1423)>≌D8.

10阶子群:

设 H为 S5的 10阶子群,α(abcde),α∈H,o(α)=5

有 Sylow定理知,n5|2,n5=1+5k,从而 n5=1,进而<α>是H的正规子群,

H≤Ns(5<α>),H中有4个5阶元,5个2阶元。由定理3.3知Ns(5<α>)

中只有5个2阶元,从而

H={<(abcde)>,(be)(cd),(ae)(bd),(ad)(k),(ac)

(de),(ad)(ce)}=<(abcde),(be),(cd)>≌D10

所以所有10阶子群有一个共轭类为:

{<(12345),(12)(35)>g|g∈S5}长度为 6,且

<(12345),(12),(35)>≌D10.

12阶子群:

设H为12阶子群,若有不动点时,由S4子群可知S5的12阶子群同构于A4,

一个共轭类,即:{Sg{1,2,3,4}|g∈S5},长度为5。若无不动点,则H

在 {1,2,3,4,5}上不传递,(否则,5|12,矛盾。)进而 H≤S3×S2,又

H=S3×S2所以 H=S3×S2.进而得12阶子群的另一个共轭类:

{(S{1,2} ×S{3,4,5}g|g∈S5},长度为 10.

20阶子群:

设H为20阶子群,若o(α)=5,下面证明NS(5<α>)=H,易知<α>为H

得Sylow5子群。对于H,由Sylow定理知n5|4,n5=1+5k从而n5=1,即<α

>是H的正规子群,所以H≤NS(5<α>).

又由H=NS(5<α>)=20,从而H=NS(5<α>)。所以20阶子群共有6个,

(1个5阶子群<α>,对应1个20阶子群NS(5<α>)),1个共轭类,即:

24阶子群:

若 H为 24阶子群,则 H在(1,2,3,4,5}上有不动点。事实上,H在 {1,

2,3,4,5} 上无不动点时,若 H在 {1,2,3,4,5}上传递,则5|24,矛

盾。若H在 {1,2,3,4,5}上不传递,则H≤S3×S2,24|12,矛盾。从而

S5的 24阶子群只能为 S4,即得共轭类:}|g∈S5},长度为 5.

60阶子群:

设H为S5的60阶子群,G:H=2,所以H是G的正规子群。

进一步知H为某几个S5中元素的共轭类的并,且必含有(1),又S5元素共轭

类长度依次分别为:

1,10,20,15,30,20,24。

而60只能分解为1+15+24+20,所以

经验证其不成群。所以60阶子群只有1个,即 {A5}。

下面证明S没有15,30,40阶子群。

S5没有15阶子群。

事实上,若S5有15阶子群H,<α>为H的5阶子群。

由Sylow定理知,<α>是H的正规子群。进而H≤NS(5<α>),又H有3

阶元,而NS(5<α>)无3阶元,矛盾,所以S5没有15阶子群。

S5没有30阶子群。

事实上,若S5有30阶子群H,<α>为H的5阶子群。由Sylow定理知,

n5=1或6。若n5=1同上可得矛盾。所以n5=6,此时H有1个1阶元,24个

5阶元。即H包含了S5中所有的5阶元,又由于Sylow定理知n3|10,

n3=1+3k,从而n3=1,或者n3=10。若n3=10,又1个3阶子群有2个3阶

元,且不同3阶子群交为1。所以H有20个3阶元,此时与H矛盾。所以

n3=1,即只有1个3阶子群,设为<α>,<b>是H的正规子群。不妨设 b=

(ijk),又(ijklm)∈H。但(ijk)(ijklm)=(jkl)∉<(ijk)>,从而与<α

>是H的正规子群矛盾。所以S5没有30阶子群。

S5没有40阶子群。

设H为S5的40阶子群,由Sylow定理知,n5=1+5k,n5|8。所以n5=1,即

H有4个5阶元,剩余35个2幂阶元。由Sylow定理知,n2=1+2k,n2|5,所

以 n2=1或者 5.若 n2=1,此时与|H|=40矛盾。所以n5=5,即有5个8阶子

群。又因为共35个2阶元,所以其8阶子群的交只能为1,但右前面找的8阶子

群知,任意两个 8阶子群的交都不为 1,如<(12),(1423)>和<(13),

(1234)>,且(12)(34)∈<(12),(1423)>∩<(13),(1234)

>从而产生矛盾。所以S5没有40阶子群。

Keywords:conjugacy class;the symmetric group of degree n;length

【相关文献】

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[3]徐明耀,黄建华,李慧陵.有限群引论[M].北京:科学出版社,1999.

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[5]黄本文,廖向军,吕云翔.计算对称群的所有Sylowp子群[J].武汉大学学报,2004,

(3):303-305.

Abstract:Small order of symmetry group plays an important role in research of finite

group theory,but as the number n is increasing,the structure of S5is more

paper calculates all the subgroups of S5appling the transitivity and

normality and gives the strict proof.

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