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English

交代群 An の単純性|n が 5 以上で単純になる証明と、A4 が例外である理由

のとき、交代群 は単純群です。正規部分群が しかない、ということ。

は位数 60 で、非可換な単純群のうち最小のものになる。この事実が、5 次以上の方程式がべき根で解けない理由につながります。

単純とは正規部分群がないこと

でなく、正規部分群が だけのとき、 を単純群といいます。正規部分群があると、そこで割って小さい群に分けられる。

単純群は、それ以上分けられない群です。部分群がないという意味ではない。

実際 には、位数 の部分群がそろっている。どれも正規にならないだけです。

A3 と A4 は別扱い

なら は自明群で、単純群には数えません。 は位数 3 の巡回群。

素数位数なので単純ですが、可換な単純群です。 は位数 12 で、単純にならない。

二重互換 3 つと単位元がクラインの四元群 をなし、これが正規部分群になる。例外は だけ。

例:A4 と A5 で共役類の和を比べる

正規部分群は共役類の合併で、位数は全体の位数を割る。だから共役類の大きさを並べて、 を含む部分和を調べれば足りる。

の共役類の大きさは を割るので、ここに正規部分群ができます。

の側を、代表元と大きさで並べておく。

代表元類の大きさ元の位数
11
152
203
125
125

では になる。 と、どれも を割り切れません。

数え上げだけで の単純性が出る。ただし が大きくなると共役類の個数も増えるので、一般の には別の道が要ります。

証明の骨組み

一般の では、3 つの事実を組み合わせます。

3 次巡回で生成される

なら成り立つ。互換を 2 つずつ組にして書き直すだけである。

3 次巡回はすべて共役

で成り立つ。余った番号を使って、移す置換を偶置換に直せることによる。

正規部分群は 3 次巡回を含む

いちばん手間がかかるところ。巡回型で場合を分け、共役と積で作り出す。

この 3 つがそろうと、自明でない正規部分群 は 1 つの 3 次巡回を含み、共役ですべての 3 次巡回を含み、生成で 全体になる。難しいのは 3 つ目です。

An は 3 次巡回で生成される

偶置換は互換を偶数個並べた形なので、前から 2 つずつ組にする。同じ互換が 2 つ並ぶなら積は恒等置換で、 と書ける。

番号を 1 つ共有するなら 。共有しないなら になります。

どの組も 3 次巡回で書けるので、 全体が 3 次巡回で生成される。

n が 5 以上なら 3 次巡回はすべて共役

をとります。

となる をとれば、 になる。

が偶置換なら、それで の中の共役です。奇置換のときに が効いてくる。

以外の番号が つ以上残るので、その つを として とおきます。

と交わらないので交換し、 による共役も のままになる。 は偶置換なので、共役が の中で起きる。

では残る番号が 1 つしかなく、この手が使えない。

例:A4 では共役にならない

を見ます。 の中では共役ですが、移す は奇置換しかとれない。

以外に残る番号が の 1 つだけなので、偶置換に直せません。実際、 の 3 次巡回 8 個は 4 個ずつ 2 つの類に分かれる。

なら と直せて、20 個が 1 つの類にまとまる。

3 次巡回 8 個が 4 個ずつ 2 つの類に分かれる。番号が足りず、偶置換で移し合えない

以上

3 次巡回はすべて 1 つの類にまとまる。余った番号 2 つで偶置換に直せる

正規部分群は 3 次巡回を含む

の自明でない正規部分群とします。 でない をとる。

の元の巡回型は の 3 通りです。 が 3 次巡回ならそこで終わり。

残る 2 つの型については、 の中で計算して 3 次巡回を作り出す。

例:二重互換から 3 次巡回を作る

とします。5 番目の番号を とし、 で共役をとる。

番号を で写しただけです。これに を掛けると、 どうしが打ち消し合う。

3 次巡回が出てきた。 は正規なので共役も に入り、積も に入る。

例:5 次巡回から 3 次巡回を作る

とします。今度は で共役をとる。

これに を掛けます。

が動かず、 だけが回る形。どの型から出発しても 3 次巡回に届くので、 になる。

n が 6 以上は帰納法で落とす

では、 の単純性を使う。 を動かさない置換の全体を と書くと、 と同型になります。

こういう部分群が から まで 個ある。

を自明でない正規部分群とし、 が自明でないような を見つけます。

見つかれば の正規部分群で、 が単純だから になる。すると で、 は 3 次巡回を含むので も含む。

あとは共役と生成で に届く。

同じ値をとる共役を作る

残るのは、 が自明でない をどう見つけるかです。 でない元とし、 と違う共役 で、どこか 1 点だけ同じ値をとるものを作る。

の最長の巡回の長さを とし、番号を付けかえて と書きます。 なら をとる。

とおくと で、いっぽう に対して になります。だから

このとき でなく、 を動かさない。 は正規なので に入り、 の自明でない元になります。

のとき、つまり が互換の積のときも、互換の個数に応じて同じ形の がとれる。

単純性から出てくること

の単純性からは、 の側の事実も出ます。 なら、 の自明でない真の正規部分群は だけになる。

さらに、指数が のあいだの部分群は存在しません。指数 の部分群は と同型になる。

剰余類への左からの掛け算で から への準同型を作ると、 では単射になれないためです。

が単純群にならない理由はどれですか。

  • 位数 12 が合成数だから
  • 単位元と二重互換 3 つが正規部分群をなすから
  • 3 次巡回で生成されないから
  • 可換群だから
__RESULT__

の共役類の大きさは で、 を割ります。単位元と二重互換 3 つを合わせた が、位数 4 の正規部分群になります。

5 次方程式が解けないことへ

可解群とは、商が可換になる正規列を持つ群です。 で単純かつ非可換なので、そこで列が止まる。

だから で可解になりません。一般の 次方程式の Galois 群が になることと合わせると、べき根では解けないと分かる。

では 交換子部分群 になり、そこから先へ降りられません。可換な商を作る余地が残っていない、ということです。

群の交換子 が生成する部分群のこと。

までは が可解で、4 次までの解の公式が実際にあります。 のあいだに境目があるのは、 の差そのものです。

よくある誤り

がいつでも単純、とは言えません。 はクラインの四元群を正規部分群に持ちます。
単純だから部分群がない、とは言えません。 には位数 から までいくつも部分群があります。
3 次巡回が で共役なら でも共役、とは言えません。 では 2 つの類に分かれます。
が単純でない、と思うと外します。位数 3 の素数位数なので単純です。ただし可換です。
が単純だから も単純、とは言えません。 を正規部分群に持ちます。
単純であることと可解でないことを同じ意味にとると混乱します。素数位数の巡回群は単純かつ可解です。
帰納法の出発点を にすると失敗します。 が単純でないので、 を別に示す必要があります。

参考文献

Keith Conrad, Simplicity of An(コネチカット大学)
Keith Conrad, No subgroup of A4 has index 2(コネチカット大学)
Alternating group - Wikipedia
Alternierende Gruppe - Wikipedia(ドイツ語)
Groupe alterné - Wikipédia(フランス語)
A4 は単純でないのに、A5 から先は単純になります。分かれ目は共役類の大きさで、A4 では 1 + 3 = 4 が位数 12 を割ってしまい、A5 ではどの部分和も 60 を割りません。二重互換と 5 次巡回から 3 次巡回を作り出す計算を書き下し、n が 6 以上のときは i を固定する部分群への帰納法で示します。