Transversaalit ja hajoamisaliryhmät

Samankaltaiset tiedostot
Äärellisistä ryhmistä, transversaaleista ja luupeista

Äärellisesti generoitujen Abelin ryhmien peruslause

Luuppien ryhmistä Seminaariesitelmä Miikka Rytty Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2006

Ratkeavista ryhmistä: teoriaa ja esimerkkejä

Eräitä ratkeavuustarkasteluja

Jarkko Peltomäki. Aliryhmän sentralisaattori ja normalisaattori

HN = {hn h H, n N} on G:n aliryhmä.

Cauchyn ja Sylowin lauseista

on Abelin ryhmä kertolaskun suhteen. Tämän joukon alkioiden lukumäärää merkitään

1. Tarkastellaan esimerkissä 4.9 esiintynyttä neliön symmetriaryhmää

Esko Turunen MAT Algebra1(s)

TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ (liite FM-tutkielmaan) Luonnontieteellinen tiedekunta

Frobeniuksen lauseesta ja sen yleistyksistä

4. Ryhmien sisäinen rakenne

Hänessä kaikki viisauden ja tiedon aarteet ovat kätkettyinä. Vrt. Paavalin kirje kolossalaisille 2:2-3.

H = H(12) = {id, (12)},

Syklinen ryhmä Pro Gradu -tutkielma Taava Kuha Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2016

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) OT

Esimerkki A1. Jaetaan ryhmä G = Z 17 H = 4 = {1, 4, 4 2 = 16 = 1, 4 3 = 4 = 13, 4 4 = 16 = 1}.

6. Tekijäryhmät ja aliryhmät

Tekijäryhmät ja homomorsmit

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

Dihedraalinen ryhmä Pro gradu Elisa Sonntag Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2013

Ryhmäteoreettinen näkökulma Rubikin kuutioon Harjoitus 6, ratkaisuehdotus (5 sivua)

rm + sn = d. Siispä Proposition 9.5(4) nojalla e d.

802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä

Liite 2. Ryhmien ja kuntien perusteet

Ekvivalenssirelaatio. Määritelmä 2 Joukon A binäärinen relaatio R on ekvivalenssirelaatio, mikäli. Jos R on ekvivalenssirelaatio ja a A, niin joukkoa

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

3 Ryhmäteorian peruskäsitteet ja pienet ryhmät, C 2

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

Alternoivien ryhmien ominaisuuksista

Sylowin lauseet äärellisten ryhmien luokittelussa

802354A Lukuteoria ja ryhmät Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä, Antti Torvikoski, Topi Törmä

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Lineaariset ryhmät Pro gradu -tutkielma Miia Lillstrang Matematiikan yksikkö Oulun yliopisto 2016

6 A 5, alternoiva ryhmä ja muita yksinkertaisia ryhmiä

Luupit Pro gradu Anni Keränen Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2014

Algebra I, harjoitus 5,

Ryhmän P SL(2, K) yksinkertaisuus

g : R R, g(a) = g i a i. Alkio g(a) R on polynomin arvo pisteessä a. Jos g(a) = 0, niin a on polynomin g(x) nollakohta.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 (7 sivua)

4 Abelin ryhmät. 4.1 Suorat tulot ja summat

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 6 (8 sivua) OT. 1. a) Määritä seuraavat summat:

Laitos/Institution Department Matematiikan ja tilastotieteen laitos. Aika/Datum Month and year Huhtikuu 2014

802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä

(x + I) + (y + I) = (x + y)+i. (x + I)(y + I) =xy + I. kaikille x, y R.

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

Shorin algoritmin matematiikkaa Edvard Fagerholm

Fermat n pieni lause. Heikki Pitkänen. Matematiikan kandidaatintutkielma

Algebra I, harjoitus 8,

π πρ = ρ, π πρ 3 = ρ 3, πρ 2 πρ = ρ 3 πρ 2 πρ 3 = ρ.

a 2 ba = a a + ( b) a = (a + ( b))a = (a b)a, joten yhtälö pätee mielivaltaiselle renkaalle.

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Mikäli huomaat virheen tai on kysyttävää liittyen malleihin, lähetä viesti osoitteeseen

Symmetristen ja alternoivien ryhmien yksinkertaisuus ja ratkeavuus

Toispuoleiset raja-arvot

Ideaalit ja tekijärenkaat Ryhmähomomorfismin φ : G G ydin on ryhmän G normaali aliryhmä. Esko Turunen Luku 7. Ideaalit ja tekijärenkaat

Luonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen

HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI. Matematiikan ja tilastotieteen laitos. Matemaattis-luonnontieteellinen

800333A Algebra I Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä

LUKUTEORIA A. Harjoitustehtäviä, kevät (c) Osoita, että jos. niin. a c ja b c ja a b, niin. niin. (e) Osoita, että

802355A Algebralliset rakenteet Luentorunko Syksy Markku Niemenmaa Kari Myllylä Topi Törmä Marko Leinonen

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Permutaatioiden ominaisuuksista

Koodausteoria, Kesä 2014

Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa.

[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko

{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja

Ryhmäteoriaa. 2. Ryhmän toiminta

Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }?

kaikille a R. 1 (R, +) on kommutatiivinen ryhmä, 2 a(b + c) = ab + ac ja (b + c)a = ba + ca kaikilla a, b, c R, ja

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

Lisää ryhmästä A 5 1 / 28. Lisää ryhmästä

(xa) = (x) (a) = (x)0 = 0

Tekijäryhmiä varten määritellään aluksi sivuluokat ja normaalit aliryhmät.

2017 = = = = = = 26 1

k=1 b kx k K-kertoimisia polynomeja, P (X)+Q(X) = (a k + b k )X k n+m a i b j X k. i+j=k k=0

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Sylowin lauseet äärellisten ryhmien teoriassa

isomeerejä yhteensä yhdeksän kappaletta.

ÄÄRELLISTEN RYHMIEN VAIHDANNAISUUSVERKOT MIIKKA SILFVERBERG

Diofantoksen yhtälön ratkaisut

Kvasiryhmistä ja niiden sovelluksista

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

1 Lukujen jaollisuudesta

Äärellisten mallien teoria

Algebra II. Syksy 2004 Pentti Haukkanen

Ennakkotehtävän ratkaisu

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

Lukuteorian kertausta

Valitsemalla sopivat alkiot joudutaan tämän määritelmän kanssa vaikeuksiin, jotka voidaan välttää rakentamalla joukko oppi aksiomaattisesti.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

Näytetään nyt relaatioon liittyvien ekvivalenssiluokkien olevan verkon G lohkojen särmäjoukkoja. Olkoon siis f verkon G jokin särmä.

Algebra kl Tapani Kuusalo

14. Juurikunnat Määritelmä ja olemassaolo.

verkkojen G ja H välinen isomorfismi. Nyt kuvaus f on bijektio, joka säilyttää kyseisissä verkoissa esiintyvät särmät, joten pari

Johdanto 2. 2 Osamääräkunnan muodostaminen 7. 3 Osamääräkunnan isomorfismit 16. Lähdeluettelo 20

Transkriptio:

Transversaalit ja hajoamisaliryhmät Graduseminaariesitelmä Miikka Rytty Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2006

Motivointi Esimerkki 1 (Ryhmäteorian kurssin harjoitustehtävä). Jos G on ryhmä, jonka kertaluku on 15, niin G on syklinen. Sylow-analysiin perusteella ryhmällä G on aliryhmät P = x, P = 5 ja Q = y, Q = 3. Lisäksi osoitettiin, että G = P Q = { pq p P ja q Q } ja P Q = {1}. Esitelmässäni tulen esittelemään tilanteita, joissa ryhmä voidaan esittää kahden aliryhmänsä H ja K kompleksina HK ja näiden aliryhmien ainoa yhteinen alkio on neutraalialkio. Määritelmä 1. Olkoon G ryhmä ja K G. Jos on olemassa sellainen H G, että G = HK ja H K = {1}, niin sanotaan, että H on aliryhmän K komplementti ryhmässä G. Komplementti H on normaali, jos H G. Jos K G ja aliryhmällä K on komplementti H, niin aliryhmää K sanotaan ryhmän G hajoamisaliryhmäksi. Täten jos G = mn, syt(m, n) = 1 ja ryhmällä G on kertalukua m ja n olevia aliryhmiä, niin ne ovat toistensa komplementteja. Esimerkki 1 (jatkoa...). Täten esimerkiksi aliryhmä P on aliryhmän Q normaali komplementti ryhmässä G ja aliryhmä Q on aliryhmän P normaali komplementti ryhmässä G. Siis aliryhmät P ja Q ovat ryhmän G hajoamisaliryhmiä. Triviaalit aliryhmät G ja {1} ovat aina ryhmän G hajoamisaliryhmiä. Toisaalta jos K G on ryhmän G hajoamisaliryhmä ja aliryhmä H on ryhmän K komplementti ryhmässä G, niin isomoralauseen nojalla G/K = HK/K = H/(H K) = H Täten ryhmän G voidaan ajatella rakentuvan ryhmistä K ja G/K. 1

Transversaalit Määritelmä 2. Olkoon G ryhmä ja K G. Joukko T G on aliryhmän K oikeanpuoleinen transversaali ryhmässä G, mikäli T sisältää täsmälleen yhden alkion jokaisesta aliryhmän K oikeanpuoleisesta sivuluokasta Kg. Vastaavasti määritellään vasemmanpuoleinen transversaali. Merkitään, että T on aliryhmän K oikeanpuoleisten transversaalien joukkoa ryhmässä G. Joukko T G on aliryhmän K oikeanpuoleinen transversaali ryhmässä G jos ja vain jos T Kg = 1 kaikilla g G. Jos K G, niin T Kg = T gk = 1 eli jokainen vasemmanpuoleinen transversaali on myös oikeanpuoleinen transversaali ja päinvastoin. Tällöin voidaan puhua vain aliryhmän K transversaaleista ryhmässä G. Helposti voidaan myös nähdä, että jos T T, niin T g T kaikilla g G ja kt T kaikilla k K. Lemma 1. Olkoon G ryhmä ja K G. Tällöin T G on aliryhmän K oikeanpuoleinen transversaali ryhmässä G jos ja vain jos jokainen g G on yksikäsitteisesti esitettävissä muodossa kt, missä k K ja t T. Todistus. Olkoon T G aliryhmän K oikeanpuoleinen transversaali ryhmässä G ja g G. Tällöin on olemassa sellainen t T, että t k 1 g eräällä k K. Siis g = kt. Jos g = kt = k t, missä k K ja t T, niin t = k 1 k t T Kt. Siis transversaalin määritelmän nojalla t = t ja siten h = h. Täten esitys g = kt on yksikäsitteinen, kun k K ja t T. Oletetaan nyt, että jokainen g G voidaan esittää yksikäsitteisesti muodossa kt, missä k K ja t T. Olkoon Kg mielivaltainen aliryhmän K määrämä sivuluokka ryhmässä G. Oletuksen perusteella on olemassa sellaiset t T ja 2

k K, että g = kt. Täten t = k 1 g Kg. Jos t T Kg, niin t = k g eräällä k K eli g = k 1 t = kt. Oletuksen perusteella esitys on yksikäsitteinen eli t = t. Täten T Kg = 1 kaikilla g G eli joukko T G on aliryhmän K oikeanpuolinen transversaali ryhmässä G. Tämän lemman avulla saadan ensimmäinen ryhmän hajoamista koskeva tulos. Se myös osoittaa kuinka transversaalit liittyvät hajoamisaliryhmiin. Lause 1. Olkoon K G. Tällöin on olemassa sellainen aliryhmän K transversaali T ryhmässä G, että T G jos ja vain jos K on ryhmän G hajoamisaliryhmä. Tällöin hajoamisaliryhmän komplementti H on myös aliryhmän K transversaali ryhmässä K. Todistus. Olkoon H G sellainen, että G = HK ja H K = {1}. Osoitetaan, että H on aliryhmän K transversaali ryhmässä G. Jos g = hk = h k, missä h, h H ja k, k K, niin h 1 h = k k 1 K H = {1}. Siis h = h ja k = k. Täten edellisen lemman nojalla H on aliryhmän K transversaali ryhmässä G. Toiseen suuntaan väite seuraa suoraan edellisestä lemmasta. Esimerkki 1 (jatkoa...). Täten esimerkiksi aliryhmä Q on aliryhmän P transversaali ryhmässä G. Siis aliryhmä Q sisältää täsmälleen yhden alkion jokaisesta sivuluokasta P g, missä g G. Aikaisemmin lemman nojalla jos T G on aliryhmän K oikeanpuoleinen transversaali ryhmässä G, niin jokaista g G kohti on olemassa sellainen yksikäsitteinen t T, että gt 1 oikeanpuoleista transversaalia K. Jos [G : K] = n, niin täten kaksi aliryhmän K T = {t 1, t 2,..., t n } ja U = {u 1, u 2,..., u n } voidaan indeksoida yksikäsitteisesti niin, että t i u 1 i K kaikilla i = 1, 2,..., n. Tällöin olettaen, että J K ja tekijäryhmä K/J on Abelin ryhmä, niin voidaan määritellä tekijäryhmän K/J alkio T/U = n i=1 Jt i u 1 i 3

Tämä alkio on olemassa ja yksikäsitteinen indeksoinnin ja ryhmän K/J kommutatiivisuuden nojalla. Todistamatta esitetään seuraava lemma, joka esittelee muutamia edellisestä merkinnästä seuraavia ominaisuuksia. Lemma 2. Olkoon J K G, [G : K] = n ja K/J Abelin ryhmä. Jos T, U, V T, niin 1. T/U = J, 2. (T/U)(U/V ) = T/V, 3. (T/U) 1 = U/T, 4. T g/t = Ug/U kaikilla g G ja 5. T (gg )/T = (T g/t )(T g /T ) kaikilla g, g G. Tämän lemman nojalla joukolle T voidaan määritellä ekvivalenssirelaatio T U jos ja vain jos T/U = J Jos Ω on joukon T ekvivalenssiluokkien joukko ω Ω, niin voidaan määritellä funktio f : Ω G Ω, f(ω, g) = ωg. Tässä jos T ω, niin ωg on se ekvivalenssiluokka, johon transversaali T g kuuluu. Vastaavalla tavalla voidaan määritellä funktio g : K Ω Ω, g(k, ω) = kω, missä kω on se ekvivalenssiluokka johon kt kuuluu, kun T ω. Toisaalta voidaan määritellä funktio τ : G K/J, τ(g) = T g/t. Tätä kutsutaan ryhmän G siirroksi tekijäryhmään K/J. Edellisen lemman nojalla funktion τ määritelmä on riippumaton transversaalin T valinnasta ja τ on homomorsmi. Näiden työkalujen avulla voidaan koko joukko ryhmän hajoamiseen liittyviä tuloksia. 4

Hajoamislauseita Määritelmä 3. Olkoon G äärellinen ryhmä ja A G. Jos [G : A] = n, A = m ja syt(n, m) = 1, niin ryhmää A sanotaan ryhmän G Hall-aliryhmäksi. Kyseessä on siis yleistys Sylowin p-aliryhmän käsitteestä, sillä kaikki Sylowin p- aliryhmät ovat Hall-aliryhmiä. Seuraavan lauseen todistus sivutetaan, mutta se voidaan tehdä edellisessä osiossa määriteltyjen työkalujen näppärällä soveltamisella. Lause 2. Olkoon A äärellisen ryhmän G kommutatiivinen Hall-aliryhmä. Tällöin ryhmällä A on normaali komplementti ryhmässä G eli on olemassa sellainen H G, että G = AH ja A H = {1} jos ja vain jos a 1 = a 2 aina, kun a 1, a 2 A ja alkiot a 1 ja a 2 konjugoivat ryhmässä G. Tällöin siis tämä kommutatiivisen Hall-aliryhmän normaali komplementti tulee olemaan ryhmän G hajoamisaliryhmä. Jos A on kommutatiivinen normaali Hall-aliryhmä, niin A tulee olemaan ryhmän G hajoamisaliryhmä jos ja vain jos A Z(G). Seuraava lause saadaan edellisen soveltamalla. Siinä Hall-aliryhmä ehtoa kiristetään, jotta päästäisiin käytämään Sylowin lauseita, ja vaaditaan kommutatiivisuutta tiukempi ehto. Lause 3 (Burnside). Olkoon G äärellinen ryhmä P sen Sylowin p-aliryhmä. Jos P Z(N G (P )), niin ryhmällä P on normaali komplementti ryhmässä G. Täten äärellisen ryhmän Sylowin p-aliryhmällä on normaali komplementti, kun aliryhmän P alkiot kommutoivat aliryhmän P normalisoijan alkioiden kanssa. Burnsiden lauseen avulla voidaan kohtuullisella vaivalla kaivella äärellisen ryhmän rakennetta, kun sen kaikki Sylowin p-aliryhmät ovat syklisiä. Lause 4. Olkoon G äärellinen ryhmä, jonka kaikki Sylowin p-aliryhmät ovat syklisiä. Tällöin 1. ryhmä G on ratkeava, 2. ryhmät G ja G/G ovat syklisiä, 3. ryhmä G on ryhmän G Hall-aliryhmä ja 4. ryhmä G on ryhmän G hajoamisaliryhmä. 5

Lause 5 (Schur-Zassenhaus). Olkoon G äärellinen ryhmä ja A ryhmän G normaali Hall-aliryhmä. Tällöin A on ryhmän G hajoamisaliryhmä. Lisäksi jos joko A tai G/A on ratkeava ryhmä, niin aliryhmän A komplementit ryhmässä G muodostavat konjugointiluokan. Koska A on Hall-aliryhmä, niin joko ryhmän A tai G/A kertaluku on pariton. Feit-Thompsonin lauseen seurauksena toinen ryhmistä on ratkeva. Lisäoletus on siis turha. Esimerkiksi jos G = mn, syt(m, n) = 1 ja ryhmällä G on kertalukua m oleva normaali aliryhmä, niin tällöin ryhmällä G tulee olemaan kertalukua n olevia aliryhmiä, jotka muodostavat konjugointiluokan. 6