Действие группы

Де́йствие гру́ппы на некотором множестве — это гомоморфное сопоставление каждому элементу группы некоторого преобразования этого множества^[1].

Циклическая группа порядка три действует на множестве вершин равностороннего треугольника поворотами вокруг его центра на углы, кратные 120°, циклически переставляя их.

Гру́ппа преобразова́ний некоторого множества — это некоторые преобразования этого множества, образующие группу. Термин «группа преобразований» близок термину «действие группы», но язык преобразований менее гибок^[2].

В случае, когда множество наделено некоторой дополнительной структурой, предполагается, что преобразования сохраняют эту структуру. Действия групп позволяют изучать симметрии математических объектов с помощью аппарата теории групп.

Если группа действует на некотором объекте или структуре, она обычно действует и на связанных с ними объектах. Так, группа движений евклидова пространства действует как на этом пространстве, так и на фигурах, изображённых в нём. Например, она действует на множестве всех треугольников. Кроме того, группа симметрий некоторого многогранника действует на множествах его вершин, рёбер и граней.

В случае действий на топологических пространствах все отображения предполагаются гомеоморфизмами. Такие действия часто называются непрерывными.

Действия групп на векторных пространствах называются их линейными представлениями. В случае конечномерных векторных пространств они позволяют отождествить многие группы с подгруппами полной линейной группы ${\displaystyle {\rm {GL}}_{n}(K)}$, то есть группы обратимых матриц размера ${\displaystyle n\times n}$ над некоторым полем ${\displaystyle K}$.

Определения

Действие слева

Говорят, что группа ${\displaystyle G}$ действует слева на множестве ${\displaystyle M}$, если задан гомоморфизм ${\displaystyle \Phi \colon G\to S(M)}$ из группы ${\displaystyle G}$ в симметрическую группу ${\displaystyle S(M)}$ множества ${\displaystyle M}$. Для краткости ${\displaystyle (\Phi (g))(m)}$ часто записывают как ${\displaystyle g(m)}$, ${\displaystyle g\cdot m}$, ${\displaystyle g{.}m}$ или ${\displaystyle gm}$. Элементы группы ${\displaystyle G}$ называются в этом случае преобразованиями, а сама группа ${\displaystyle G}$ — группой преобразований множества ${\displaystyle M}$. Тот факт, что сопоставление ${\displaystyle \Phi }$ является гомоморфизмом, означает то, что произведению элементов в группе соответствует композиция преобразований, а нейтральному элементу группы соответствует тождественное преобразование.

Другими словами, группа ${\displaystyle (G,\ast )}$ действует слева на множестве ${\displaystyle M}$, если задано такое отображение ${\displaystyle G\times M\to M}$, при котором образ пары ${\displaystyle (g,m)}$ обозначается ${\displaystyle g(m)}$, что:

1. ${\displaystyle (g\ast h)(m)=g(h(m))}$ для всех ${\displaystyle g,h\in G}$ и ${\displaystyle m\in M}$;
2. ${\displaystyle e(m)=m}$, где ${\displaystyle e}$ — нейтральный элемент группы ${\displaystyle G}$.

Действие справа

Аналогично, правое действие группы ${\displaystyle G}$ на ${\displaystyle M}$ задаётся таким отображением ${\displaystyle M\times G\to M}$, при котором образ пары ${\displaystyle (m,g)}$ обозначается ${\displaystyle (m)g}$, что:

1. ${\displaystyle (m)(g\ast h)=((m)g)h}$;
2. ${\displaystyle (m)e=m}$.

Другими словами, правое действие группы ${\displaystyle G}$ на ${\displaystyle M}$ задаётся гомоморфизмом ${\displaystyle \rho :G^{op}\to S(M)}$, где ${\displaystyle G^{op}}$ — инверсная группа группы ${\displaystyle G}$. Или, что то же самое, левым действием группы ${\displaystyle G^{op}}$ на ${\displaystyle M}$.

Разница между левыми и правыми действиями состоит в порядке, в котором произведение ${\displaystyle gh}$ действует на данном элементе. В левом действии сначала действует ${\displaystyle h}$, затем ${\displaystyle g}$. А в правом действии сначала действует ${\displaystyle g}$, затем ${\displaystyle h}$.

Благодаря формуле ${\displaystyle (gh)^{-1}=h^{-1}g^{-1}}$, отображение ${\displaystyle g\mapsto g^{-1}}$ осуществляет изоморфизм между инверсной группой и исходной, который позволяет, путём взятия композиции с ним, построить взаимно однозначное соответствие между левыми и правыми действиями группы.

Таким образом, для установления общих свойств действий групп достаточно рассматривать только левые действия.

Типы действий

• Свободное, если для любых различных ${\displaystyle g,\;h\in G}$ и любого ${\displaystyle m\in M}$ выполняется ${\displaystyle gm\neq hm}$.
• Транзитивное, если для любых ${\displaystyle m,\;n\in M}$ существует ${\displaystyle g\in G}$ такой, что ${\displaystyle gm=n}$. Другими словами, действие транзитивно, если ${\displaystyle Gm=M}$ для любого элемента ${\displaystyle m\in M}$.
  • Примитивное действие транзитивно и не сохраняет нетривиальных подможеств ${\displaystyle M}$.
• Эффективное, если для любых двух элементов ${\displaystyle g\neq h}$ в ${\displaystyle G}$ существует ${\displaystyle m\in M}$ такой, что ${\displaystyle gm\neq hm}$.
• Вполне разрывное, если для любого компактного множества ${\displaystyle K}$ множество всех ${\displaystyle g\in G}$, для которых пересечение ${\displaystyle K\cap gK}$ непусто, конечно.

На топологических пространствах и гладких многообразиях также особо рассматривают действия групп, наделённых соответствующими дополнительными структурами: топологических групп и групп Ли. Действие ${\displaystyle \rho :G\to \mathrm {X} }$ топологической группы на топологическом пространстве называют непрерывным, если оно непрерывно как отображение между топологическими пространствами. Аналогично определяется гладкое действие группы Ли на гладком многообразии.

• Непрерывное действие группы на пространстве жёстко (или квазианалитично), если из того, что некоторый элемент группы действует как тождественное отображение на некотором открытом подмножестве пространства, следует, что это единичный элемент группы.
  • Любое эффективное непрерывное действие изометриями на связном римановом многообразии обязательно жёстко, чего нельзя сказать об общих метрических пространствах. Например, действие циклической группы порядка 2 перестановкой двух рёбер на графе, образованном тремя рёбрами, выходящими из одной точки, является эффективным, но не жёстким.
• Непрерывное действие группы называется кокомпактным, если факторпространство по этому действию компактен.

Орбиты

Подмножество

${\displaystyle Gm=\{gm\mid g\in G\}\subset M}$

называется орбитой элемента ${\displaystyle m\in M}$ (иногда обозначается как ${\displaystyle \mathrm {Orb} (m)}$).

Действие группы ${\displaystyle G}$ на множестве ${\displaystyle M}$ определяет на нём отношение эквивалентности

${\displaystyle \forall n,\;m\in M\;(n\,\sim _{_{G}}\,m)\Longleftrightarrow (\exists g\in G\;:\;gn=m)\Longleftrightarrow (Gn=Gm).}$

При этом классами эквивалентности являются орбиты элементов. Поэтому если общее число классов эквивалентности равно ${\displaystyle k}$, то

${\displaystyle M=Gm_{1}\sqcup Gm_{2}\sqcup \ldots \sqcup Gm_{k},}$

где ${\displaystyle m_{1},\;m_{2},\;\ldots ,\;m_{k}\in M}$ попарно неэквивалентны. Для транзитивного действия ${\displaystyle k=1}$.

Стабилизаторы

Подмножество

${\displaystyle G_{m}=\{g\in G\mid gm=m\}\subset G}$

является подгруппой группы ${\displaystyle G}$ и называется стабилизатором, или стационарной подгруппой элемента ${\displaystyle m\in M}$ (иногда обозначается как ${\displaystyle \mathrm {Stab} (m)}$).

Стабилизаторы элементов одной орбиты сопряжены, то есть если ${\displaystyle n\,\sim _{_{G}}\,m}$, то найдётся такой элемент ${\displaystyle g\in G}$, что

${\displaystyle G_{m}=gG_{n}g^{-1}.}$

Количество элементов в орбите

${\displaystyle |Gm|=[G:G_{m}]}$, ${\displaystyle G_{m}}$ — стабилизатор элемента ${\displaystyle m}$ и ${\displaystyle [G:G_{m}]}$ — индекс подгруппы ${\displaystyle G_{m}\subset G}$, в случае конечных групп равен ${\displaystyle {\frac {|G|}{|G_{m}|}}}$.

Размерность орбиты можно вычислить так:

${\displaystyle \dim |Gm|=\dim |G|-\dim |G_{m}|}$, где

${\displaystyle \dim |Gm|}$ размерность отдельной орбиты,

${\displaystyle \dim |G_{m}|}$ размерность стабилизатора, ${\displaystyle \dim |G|}$ размерность группы Ли.

Если ${\displaystyle M=Gm_{1}\sqcup Gm_{2}\sqcup \ldots \sqcup Gm_{k}}$, то

${\displaystyle |M|=\sum _{t=1}^{k}[G:G_{m_{t}}]}$ — формула разложения на орбиты.

Эта формула также влечёт следующие тождества:

1. ${\displaystyle \forall m\in M\;\sum _{n\in Gm}|G_{n}|=|G|;}$
2. ${\displaystyle \sum _{m\in M}|G_{m}|=k|G|;}$
3. лемму Бёрнсайда.

Примеры действий

Действия на себе

Слева

Действие на себе слева является наиболее простым примером действия. В этом случае ${\displaystyle M=G}$, и гомоморфизм ${\displaystyle \Phi :G\to S(G)}$ задан как ${\displaystyle (\Phi (g))(h)=gh}$.

Справа

Аналогично определяется действие на себе справа: ${\displaystyle (\Phi (g))(h)=hg^{-1}}$.

Слева и справа

Эти два действия являются действиями подгрупп прямого произведения ${\displaystyle G\times G}$ на ${\displaystyle M=G}$ с гомоморфизмом ${\displaystyle \Phi :G\times G\to S(G)}$, заданным как ${\displaystyle (\Phi (g_{1},\;g_{2}))(h)=g_{1}hg_{2}^{-1}}$.

Сопряжениями

Пусть ${\displaystyle M=G}$, и гомоморфизм ${\displaystyle \Phi :G\to S(G)}$ задан как ${\displaystyle (\Phi (g))(h)=ghg^{-1}}$. При этом для каждого элемента ${\displaystyle h\in G}$ стабилизатор ${\displaystyle G_{h}}$ совпадает с централизатором ${\displaystyle C(h)}$:

${\displaystyle G_{h}=\{g\in G\mid ghg^{-1}=h\}=\{g\in G\mid gh=hg\}=C(h).}$

Например, для элемента ${\displaystyle h}$ из центра группы ${\displaystyle G}$ (то есть ${\displaystyle h\in Z(G)}$) имеем ${\displaystyle C(h)=G}$ и ${\displaystyle G_{h}=G}$.

Вариации и обобщения

• Псевдогруппа преобразований

См. также

• Представление группы

Примечания

1. Винберг Э. Б. Курс алгебры, 2011, Глава 10. Группы. § 3. Действия, с. 451—452.
2. Винберг Э. Б. Курс алгебры, 2011, Глава 10. Группы. § 3. Действия, с. 451.

Источники

• Винберг Э. Б. Курс алгебры. Новое издание, перераб. и доп. М.: МЦНМО, 2011. 590 с., ил. ISBN 978-5-94057-685-3.
• Кострикин, А. И. Введение в алгебру. Часть III. Основные структуры. — 3-е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. — 272 с. — ISBN 5-9221-0489-6..