57

Действие группы на множестве. Отношение сопряжённости

[46/83%]
Показать
LaTeX
Задача 57.1

Найти все орбиты группы GG невырожденных линейных операторов, действующих на nn-мерном пространстве VV, если:

?
(а)

GG — группа всех невырожденных линейных операторов;

(б)

GG — группа ортогональных операторов;

(в)

GG — группа операторов, матрицы которых в базисе (e1,…,en)\left(e_{1}, \ldots , e_{n}\right) диагональны;

(г)

GG — группа операторов, матрицы которых в базисе (e1,…,en)\left(e_{1}, \ldots , e_{n}\right) верхние треугольные.

Задача 57.2

Найти стационарную подгруппу GaG_{a} вектора a=e1+e2+…+ena=e_{1}+e_{2}+\ldots +e_{n}, если:

?
(а)

GG — группа из 57.1, в);

(б)

G−G- группа из 57.1, г).

Задача 57.3

Найти стационарную подгруппу GxG_{x} и орбиту вектора xx, если:

?
(а)

GG — группа всех ортогональных операторов в трехмерном евклидовом пространстве;

(б)

GG — группа всех собственных ортогональных операторов в двумерном евклидовом пространстве.

Задача 57.4

Пусть GG — группа всех невырожденных линейных операторов в nn-мерном векторном пространстве VV и XX — множество всех подпространств размерности kk в XX.

?
(а)

Найти орбиты группы GG в XX.

(б)

Пусть e1,…,ene_{1}, \ldots , e_{n} — такой базис в VV, что e1,…,eke_{1}, \ldots , e_{k} — базис некоторого подпространства UU. Найти в базисе e1,…,ene_{1}, \ldots , e_{n} матрицы операторов из стационарной подгруппы GUG_{U}.

Задача 57.5

Пусть GG — группа всех невырожденных линейных операторов в nn-мерном векторном пространстве VV и FF — множество флагов в VV, т.е. наборов f=(V0,V1,…,Vn)f=\left(V_{0}, V_{1}, \ldots , V_{n}\right) подпространств в VV, причём 0=V0<V1<…<Vn=V0=V_{0}<V_{1}<\ldots <V_{n}=V.

?
(а)

Найти орбиты GG в FF.

(б)

Пусть ei∈Vi\Vi−1,i=1,…,ne_{i} \in V_{i} \backslash V_{i-1}, i=1, \ldots , n. Доказать, что e1,…,ene_{1}, \ldots , e_{n} базис VV.

(в)

В базисе e1,…,ene_{1}, \ldots , e_{n} найти матрицы операторов из стационарной подгруппы GfG_{f}.

Задача 57.6

Пусть GG — группа всех невырожденных линейных операторов в nn-мерном векторном пространстве VV и XX (соответственно YY) — множество всех ненулевых разложимых qq-векторов из ΛqV\Lambda^{q} V (из Sq(V)S^{q}(V)).

?
(а)

Найти орбиты действия GG в XX и YY.

(б)

Найти стационарную подгруппу GaG_{a} разложимого qq-вектора aa (вектора из Sq(V)S^{q}(V)).

Задача 57.7

Пусть GG — группа всех невырожденных линейных операторов в nn-мерном вещественном (комплексном) пространстве VV и BB — множество всех симметричных (эрмитовых) билинейных функций в VV. Если g∈Gg \in G и b∈Bb \in B, то положим g(b)(x,y)=b(g−1x,g−1y)g(b)(x, y)=b\left(g^{-1} x, g^{-1} y\right).

?
(а)

Доказать, что задано действие GG в BB.

(б)

Описать орбиты GG в BB. Найти их число.

(в)

Описать стационарную подгруппу GbG_{b} положительно определённой функции bb.

Задача 57.8

Пусть GG — группа всех невырожденных линейных операторов в nn-мерном комплексном пространстве VV и L(V)L(V) — множество всех линейных операторов в VV. Если g∈Gg \in G и f∈L(V)f \in L(V), то положим g(f)=gfg−1g(f)=g f g^{-1}.

?
(а)

Доказать, что задано действие GG в L(V)L(V).

(б)

Описать орбиты GG в L(V)L(V).

Задача 57.9

Найти во множестве {1,2,…,10}\left\{ 1,2, \ldots , 10\right\} все орбиты и все стационарные подгруппы для группы GG, порождённой подстановкой:

?
(а)

g=(1234567891058394106217)∈S10g=\left(\begin{array}{cccccccccc}1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 10 \\ 5 & 8 & 3 & 9 & 4 & 10 & 6 & 2 & 1 & 7\end{array}\right) \in \mathbf{S}_{10};

(б)

g=(1234567891074618329510)∈S10g=\left(\begin{array}{llllllllll}1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 10 \\ 7 & 4 & 6 & 1 & 8 & 3 & 2 & 9 & 5 & 10\end{array}\right) \in \mathbf{S}_{10};

(в)

g=(169)(210)(34578)∈S10g=(169)(210)(34578) \in \mathbf{S}_{10}.

Задача 57.10

В прямоугольной системе координат задан ромб с вершинами

A=(0,1),B=(2,0),C=(0,−1),D=(−2,0). A=(0,1), \quad B=(2,0), \quad C=(0,-1), \quad D=(-2,0).
?
(а)

Найти матрицы ортогональных преобразований плоскости, переводящих ромб в себя.

(б)

Доказать, что эти матрицы образуют относительно умножения группу GG, изоморфную группе V4\mathbf{V}_{4}.

(в)

Найти орбиты действия группы GG на множестве вершин ромба и их стационарные подгруппы.

Задача 57.11

Найти порядок группы диэдра Dn\mathbf{D}_{n}.

?
Задача 57.12

Найти порядок:

?
(а)

группы вращений куба;

(б)

группы вращений тетраэдра;

(в)

группы вращений додекаэдра.

Задача 57.13

Доказать, что:

?
(а)

группа вращений икосаэдра изоморфна группе A5\mathbf{A}_{5};

(б)

группа движений тетраэдра изоморфна S4\mathbf{S}_{4}.

(в)
Задача 57.14

Найти порядок стационарной подгруппы вершины для группы вращений:

?
(а)

октаэдра;

(б)

икосаэдра;

(в)

тетраэдра;

(г)

куба;

(д)

диэдра.

Задача 57.15

Пусть GG — группа аффинных преобразований в nn-мерном аффинном пространстве XX. Предположим, что YY — множество всех наборов из n+1n+1 точки (A0,…,An)\left(A_{0}, \ldots , A_{n}\right), находящихся в общем положении.

?
(а)

Найти орбиты GG в YY.

(б)

Найти стационарную подгруппу GaG_{a} набора a∈Ya \in Y.

Задача 57.16

Пусть GG — группа аффинных преобразований в nn-мерном аффинном вещественном (комплексном) пространстве XX. Обозначим через QQ — множество всех квадратичных функций в XX. Если g∈Gg \in G, h∈Qh \in Q и x∈Xx \in X, то положим g(h)=h(g−1x)g(h)=h\left(g^{-1} x\right).

?
(а)

Доказать, что задано действие GG в QQ.

(б)

Описать орбиты GG в QQ.

(в)

Описать стационарную подгруппу GhG_{h} невырожденной функции h∈Qh \in Q.

Задача 57.17

Пусть GG — группа дробно-линейных преобразований единичного круга с центром OO из задачи 24.22. Найти:

?
(а)

стационарную подгруппу точки OO;

(б)

орбиту точки OO;

(в)

пересечение стационарных подгрупп двух различных точек единичного круга.

Задача 57.18

Пусть группа GG действует на множестве XX и x,yx, y — элементы одной орбиты GG в XX. Доказать, что все такие g∈Gg \in G, что g(x)=yg(x)=y, составляют левый смежный класс GG по стационарной подгруппе GxG_{x} и правый смежный класс по стационарной подгруппе GyG_{y}.

?
Задача 57.19

Пусть коммутативная группа GG действует на некотором множестве MM. Доказать, что если для некоторых g∈Gg \in G и m0∈Mm_{0} \in M справедливо равенство gm0=m0g m_{0}=m_{0}, то gm=mg m=m для любой точки mm, лежащей в одной орбите с точкой m0m_{0}.

?
Задача 57.20

Пусть HH — подгруппа группы G,a∈GG, a \in G. Доказать, что:

?
(а)

отображение σa:gH↦agH\sigma_{a}: g H \mapsto a g H есть перестановка на множестве MM всех левых смежных классов группы GG по подгруппе HH;

(б)

отображение f:a↦σaf: a \mapsto \sigma_{a} определяет действие группы GG на MM;

(в)

σa\sigma_{a} является тождественной перестановкой тогда и только тогда, когда aa принадлежит пересечению всех подгрупп, сопряжённых с HH в группе GG.

Задача 57.21

Перенумеровав левые смежные классы группы GG по подгруппе HH, найти все перестановки σa\sigma_{a} (задача 57.20), если:

?
(а)

G=Z4,H−G=\mathbf{Z}_{4}, H- единичная подгруппа;

(б)

G=D4,HG=\mathbf{D}_{4}, H — подгруппа, состоящая из тождественного преобразования и некоторой осевой симметрии квадрата.

Задача 57.22

Доказать, что для любой группы GG :

?
(а)

сопряжение определяет действие

m↦g⋅m=gmg−1,g,m∈G m \mapsto g \cdot m=g m g^{-1}, \quad g, m \in G

группы GG на множестве GG;

(б)

стационарная подгруппа точки mm (централизатор элемента mm) совпадает со множеством элементов группы GG, перестановочных с mm.

Задача 57.23

Найти централизатор:

?
(а)

перестановки (12)(34) в группе S4\mathbf{S}_{4};

(б)

перестановки (123…n)(123 \ldots n) в группе Sn\mathbf{S}_{n}.

Задача 57.24

В группе GL2(R)\mathbf{G L}_{2}(\mathbb {R}) найти централизатор матрицы:

?
(а)

(100−1)\left(\begin{array}{rr}1 & 0 \\ 0 & -1\end{array}\right);

(б)

(2002)\left(\begin{array}{ll}2 & 0 \\ 0 & 2\end{array}\right);

(в)

(1234)\left(\begin{array}{ll}1 & 2 \\ 3 & 4\end{array}\right);

(г)

(1101)\left(\begin{array}{ll}1 & 1 \\ 0 & 1\end{array}\right).

Задача 57.25

В группе GLn(R)\mathbf{G L}_{n}(\mathbb {R}) найти централизатор матрицы diag⁡(λ1,…,λn)\operatorname {diag}\left(\lambda_{1}, \ldots , \lambda_{n}\right), если:

?
(а)

все элементы диагонали различны;

(б)

λ1=…=λk=a,λk+1=…=λn=b\lambda_{1}=\ldots =\lambda_{k}=a, \lambda_{k+1}=\ldots =\lambda_{n}=b и a≠ba \neq b.

Задача 57.26

Какие из трех матриц сопряжены между собой в группе GL2(C)\mathbf{G L}_{2}(\mathbb {C}) :

A1=[1101],A2=[1/2002],A3=[1021]? A_{1}=\left[\begin{smallmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{smallmatrix}\right], \quad A_{2}=\left[\begin{smallmatrix} 1 / 2 & 0 \\ 0 & 2 \end{smallmatrix}\right], \quad A_{3}=\left[\begin{smallmatrix} 1 & 0 \\ 2 & 1 \end{smallmatrix}\right]?
?
Задача 57.27

Пусть FF — поле. В группе SLn(F)\mathbf{S L}_{n}(F) найти:

?
(а)

централизатор CijC_{i j} элементарной матрицы E+EijE+E_{i j} при 1⩽i≠j⩽n1 \leqslant i \neq j \leqslant n;

(б)

пересечение CijC_{i j} при всех i,ji, j, где 1⩽i≠j⩽n1 \leqslant i \neq j \leqslant n;

(в)

класс сопряжённых элементов, содержащих E+EijE+E_{i j}.

Доказать, что любые две элементарные матрицы E+αEijE+\alpha E_{i j} и E+βEpqE+\beta E_{p q}, где 1⩽i≠j,p≠q⩽n1 \leqslant i \neq j, p \neq q \leqslant n и α,β∈F∗\alpha , \beta \in F^{*}, сопряжены.

Задача 57.28

В группе O2(R)\mathbf{O}_{2}(\mathbb {R}) ортогональных операторов найти:

?
(а)

централизатор оператора поворота на угол q≠kπq \neq k \pi;

(б)

централизатор симметрии относительно оси OXO X.

Задача 57.29

Доказать, что в группе O2(R)\mathbf{O}_{2}(\mathbb {R}) любые две симметрии сопряжены.

?
Задача 57.30

Найти классы сопряжённых элементов групп:

?
(а)

S3S_{3};

(б)

A4\mathbf{A}_{4};

(в)

D4\mathbf{D}_{4}.

Задача 57.31

Найти все конечные группы, число классов сопряжённости которых равно:

?
(а)

1 ;

(б)

2 ;

(в)
Задача 57.32

В группе S4\mathbf{S}_{\mathbf{4}} найти класс сопряжённости:

?
(а)

перестановки (12)(34);

(б)

перестановки (124).

Задача 57.33

Есть ли в группах S5,S6S_{5}, S_{6} несопряжённые элементы одинаковых порядков?

?
Задача 57.34

Доказать, что две перестановки сопряжены в группе Sn\mathbf{S}_{n} тогда и только тогда, когда они имеют одинаковую цикловую структуру, т.е. их разложения в произведения независимых циклов для любого kk содержат одинаковое число циклов длины kk.

?
Задача 57.35

Найти число классов сопряжённости в группах:

?
(а)

S4\mathbf{S}_{4};

(б)

S5S_{5};

(в)

S6\mathbf{S}_{6};

(г)

D4\mathbf{D}_{4}.

Задача 57.36

Канонической формой матрицы A∈SO3(R)A \in \mathbf{S O}_{3}(\mathbb {R}) называется сопряжённая с AA матрица вида

[1000cos⁡φ−sin⁡φ0sin⁡φcos⁡φ] \left[\begin{smallmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \cos \varphi & -\sin \varphi \\ 0 & \sin \varphi & \cos \varphi \end{smallmatrix}\right]

Доказать, что матрицы A1A_{1} и A2A_{2} сопряжены в SO3(R)\mathbf{S O}_{3}(\mathbb {R}) тогда и только тогда, когда их канонические формы связаны соотношением φ1+φ2=2πk\varphi_{1}+\varphi_{2}=2 \pi k или φ1−φ2=2πk\varphi_{1}-\varphi_{2}=2 \pi k для некоторого целого kk.

?
Задача 57.37

Доказать, что:

?
(а)

если HH и KK — сопряжённые подгруппы конечной группы и K⊆HK \subseteq H, то K=HK=H;

(б)

подгруппы

H={[1n01](n∈Z)},K={[12n01](n∈Z)} H=\left\{ \left[\begin{smallmatrix} 1 & n \\ 0 & 1 \end{smallmatrix}\right] \quad (n \in \mathbb {Z})\right\} , \quad K=\left\{ \left[\begin{smallmatrix} 1 & 2 n \\ 0 & 1 \end{smallmatrix}\right] \quad (n \in \mathbb {Z})\right\}

сопряжены в группе GL2(R)\mathbf{G L}_{2}(\mathbb {R}), и K⊂HK \subset H.

Задача 57.38

Найти нормализатор N(H)N(H) подгруппы HH в группе GG, если:

?
(а)

G=GL2(R),HG=\mathbf{G L}_{2}(\mathbb {R}), H — подгруппа диагональных матриц;

(б)

G=GL2(R),HG=\mathbf{G L}_{2}(\mathbb {R}), H — подгруппа матриц вида

[1a01],a∈R \left[\begin{smallmatrix} 1 & a \\ 0 & 1 \end{smallmatrix}\right], \quad a \in \mathbb {R}
(в)

G=S4,H=⟨(1234)⟩G=\mathbf{S}_{4}, H=\langle (1234)\rangle.

Задача 57.39

Найти группу автоморфизмов:

?
(а)

группы Z5\mathbf{Z}_{5};

(б)

группы Z6\mathbf{Z}_{6}.

Задача 57.40

Доказать, что:

?
(а)

Aut S3≃S3\mathbf{S}_{3} \simeq \mathbf{S}_{3}, причём все автоморфизмы группы S3\mathbf{S}_{3} внутренние;

(б)

AutV4≃S3\mathrm{Aut} \mathbf{V}_{4} \simeq \mathbf{S}_{3}, причём внутренним для V4\mathbf{V}_{4} является лишь тождественный автоморфизм.

Задача 57.41

Является ли циклической группа автоморфизмов:

?
(а)

группы Z9\mathbf{Z}_{9};

(б)

группы Z8\mathbf{Z}_{8}?

Задача 57.42

Найти порядок группы Aut Aut Aut Z9\mathbf{Z}_{9}.

?
Задача 57.43

В группе S6\mathbf{S}_{6} построить внешний автоморфизм.

?
Задача 57.44

Доказать, что в группе Sn(n≠6)\mathbf{S}_{n}(n \neq 6) все автоморфизмы внутренние.

?
Задача 57.45

Доказать, что группа автоморфизмов D4\mathbf{D}_{4} изоморфна D4\mathbf{D}_{4}. Найти подгруппу внутренних автоморфизмов группы D4\mathbf{D}_{4}.

?
Задача 57.46

Найти группу автоморфизмов группы Dn\mathbf{D}_{n} и подгруппу её внутренних автоморфизмов.

?