高等群论

p-群

p-群是完全由单个素数构建的群:每个元素的阶都是 p 的某个幂。对有限群而言,这等同于说群的阶是 p 的幂。它们是“素数幂阶的原子”,而西罗定理使其成为按素数逐一组装任何有限群结构的基本构件。

形式地,对固定素数 p,若群中每个元素的阶都为某个 p^n(n ≥ 0,依元素而定),则称其为 p-群。由柯西定理与拉格朗日定理,有限群是 p-群当且仅当 |G| = p^k(某个 k)。它们决定性的结构特征——由类方程证得——是非平凡有限 p-群总有非平凡中心。

由非平凡中心这一事实可推出许多结论:有限 p-群是幂零的,它们对整除 |G| 的每个阶都有一个正规子群(即一条完整的正规子群链,相邻商的阶均为 p),且除非阶为 p 否则绝非单群。无限情形更丰富也更奇异——普吕弗 p-群 Z(p^∞) 是一个无限 p-群,其每个真子群都有限——故不应把干净的有限图景过度外推。

阶为 4 的群恰有两个:循环群 Z/4Z 与克莱因四元群 Z/2Z x Z/2Z;二者都是 2-群且都交换。阶为 8 的群有五个,包括非交换的二面体群 D_4 与四元数群 Q_8——二者都是中心阶为 2 的 2-群。

阶为 4 与 8 的小 2-群。