群论 3:Sylow 定理

2026-05-24

0. 组合数引理

证明 Sylow 定理需要一个组合数引理,下面给出加强版本:

对于素数 ,整数 和任意正整数 ,成立:


给出一个基于群作用的组合证明:

设 ,则

考虑 的大小为 的子集

则

考虑 在 上的作用:

这个作用自然诱导到 上。

是一个 -群,所以此时

为了计算 ,考虑 在 上的轨道:

每个轨道的大小均为

如果 被 固定,则 必须是以上轨道中一部分的并,由于 ,所以 是 个轨道的并。

所以

最后

1. Sylow 第一定理

若 为素数, ,,则 有大小为 的子群,称为 Sylow -子群。


考虑集合

则

由组合数引理

考虑 在 上的左乘作用。

则必然存在一个轨道 ,满足

设 ,则

另一方面

所以

就是一个大小为 的子群。

2. Sylow 第二定理

所有 Sylow -子群相互共轭。


设 是两个 Sylow -子群。

考虑 在 上的左乘作用,即 在 上的左乘作用在 上的限制。

是一个 -群,所以

所以 ,而轨道大小总是 的幂次,故必然存在轨道大小为

设它是 ,则 包含于限制前原作用下的稳定子

但

所以

即 与 共轭

3. Sylow 第三定理

若 有 个 Sylow -子群,则


从第二定理的证明继续:

由上一篇笔记中左乘作用的性质可知, 且恰有 个轨道的大小为

所以

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