Jump to content

Теоремы Силова

(Перенаправлено из силовской p-подгруппы )

В математике, особенно в области теории конечных групп , теоремы Силова представляют собой набор теорем, названный в честь норвежского математика Питера Людвига Силова. [1] которые дают подробную информацию о количестве подгрупп фиксированного порядка , которые содержит данная конечная группа . Теоремы Силова составляют фундаментальную часть теории конечных групп и имеют очень важные приложения в классификации конечных простых групп .

Для простого числа , силовская p -подгруппа (иногда p -силовская подгруппа ) группы является максимальным -подгруппа , то есть подгруппа это p -группа (то есть ее мощность степени равна или, что то же самое, порядок каждого элемента группы является степенью ), которая не является собственной подгруппой какой-либо другой -подгруппа . Набор всех Силов -подгруппы для данного простого числа иногда пишется .

Теоремы Силова утверждают частичное обращение к теореме Лагранжа . Теорема Лагранжа утверждает, что для любой конечной группы порядок (количество элементов) каждой подгруппы делит порядок . Теоремы Силова утверждают, что для каждого простого множителя порядка конечной группы , существует Силов -подгруппа порядка , высшая сила который делит порядок . При этом каждая подгруппа порядка это Силов -подгруппа и Силов -подгруппы группы (для данного простого числа ) сопряжены друг с другом. Кроме того, число Силовских -подгруппы группы для данного простого числа конгруэнтно 1 (mod ).

Мотивация

[ редактировать ]

Теоремы Силова — мощное утверждение о структуре групп в целом, но они также эффективны и в приложениях теории конечных групп. Это потому, что они дают метод использования простого разложения мощности конечной группы. давать утверждения о структуре ее подгрупп: по сути, это дает метод переноса базовой теоретико-числовой информации о группе в ее групповую структуру. Исходя из этого наблюдения, классификация конечных групп превращается в игру по поиску того, какие комбинации/конструкции групп меньшего порядка можно применить для построения группы. Например, типичным применением этих теорем является классификация конечных групп некоторой фиксированной мощности, например . [2]

Заявление

[ редактировать ]

Коллекции подгрупп, каждая из которых является максимальной в том или ином смысле, широко распространены в теории групп. Удивительным результатом здесь является то, что в случае , все члены на самом деле изоморфны друг другу и имеют максимально возможный порядок: если с где p не делит m , то каждая силовская p -подгруппа P имеет порядок . То есть P является p -группой и . можно использовать для дальнейшего анализа структуры G. Эти свойства

Следующие теоремы были впервые предложены и доказаны Людвигом Силовым в 1872 году и опубликованы в Mathematische Annalen .

Теорема   (1) Для каждого простого множителя p с кратностью n порядка конечной группы G существует силовская p -подгруппа группы G порядка .

Следующая более слабая версия теоремы 1 была впервые доказана Огюстеном -Луи Коши и известна как теорема Коши .

Следствие . Учитывая конечную группу G и простое число p, делящее порядок G , тогда существует элемент (и, следовательно, циклическая подгруппа, порожденная этим элементом) p в G. порядка [3]

Теорема   (2) Для конечной группы G и простого числа p все силовские p -подгруппы группы G сопряжены . друг другу То есть, если H и K — силовские p -подгруппы группы G , то существует элемент с .

Теорема   (3) . Пусть p простой множитель кратности n порядка конечной группы G , так что порядок G можно записать как , где и p не делит m . Позволять — число силовских p -подгрупп группы G . Тогда имеют место следующие положения:

  • делит m которое является индексом силовской p -подгруппы в G. ,
  • , где P — любая силовская p -подгруппа группы G и обозначает нормализатор .

Последствия

[ редактировать ]

Из теорем Силова следует, что для простого числа каждый Силов -подгруппа того же порядка, . И наоборот, если подгруппа имеет порядок , то это Силов -подгруппа и поэтому сопряжена любой другой силовской группе. -подгруппа. По условию максимальности, если есть ли какой-нибудь -подгруппа , затем является подгруппой -подгруппа порядка .

Очень важным следствием теоремы 2 является то, что условие эквивалентно условию, что силовская -подгруппа это нормальная подгруппа . Однако существуют группы, у которых есть нормальные подгруппы, но нет нормальных силовских подгрупп, например: .

Теоремы Силова для бесконечных групп

[ редактировать ]

Существует аналог теорем Силова для бесконечных групп. -подгруппу в бесконечной группе определяют Силовскую p как p -подгруппу (т. е. каждый элемент в ней имеет p -степенной порядок), которая является максимальной для включения среди всех p -подгрупп в группе. Позволять обозначим множество сопряженных подгруппы .

Теорема . Если K — силовская p -подгруппа группы G и конечна, то каждая силовская p -подгруппа сопряжена с K и .

В D 6 все отражения сопряжены, так как отражения соответствуют силовским 2-подгруппам.

иллюстрацией силовских подгрупп и теорем Силова является группа диэдра -угольника n 2 D Простой n . Для n нечетного 2 = 2 1 — это высшая степень двойки, делящая порядок, и, таким образом, подгруппы порядка 2 являются силовскими подгруппами. Это группы, порожденные отражением, которых имеется n , и все они сопряжены относительно вращений; геометрически оси симметрии проходят через вершину и сторону.

В D 12 отражения уже не соответствуют силовским 2-подгруппам и попадают в два класса сопряженности.

Напротив, если n четно, то 4 делит порядок группы, и подгруппы порядка 2 больше не являются силовскими подгруппами и фактически распадаются на два класса сопряженности геометрически в зависимости от того, проходят ли они через две вершины или через две. лица. Они связаны внешним автоморфизмом , который можно представить вращением на π/ n , что составляет половину минимального вращения в группе диэдра.

Другим примером являются силовские p-подгруппы группы GL 2 ( F q ), где p и q — простые числа ≥ 3 и p ≡ 1 (mod q ) , которые все абелевы . Порядок GL 2 ( F q ) равен ( q 2 − 1)( q 2 - q ) знак равно ( q )( q + 1)( q - 1) 2 . Поскольку q = p н m + 1 , порядок GL 2 ( F q ) = p 2 м ' . Таким образом, по теореме 1 порядок силовских p -подгрупп равен p 2.

Одной из таких подгрупп P является набор диагональных матриц , x — любой примитивный корень из F q . Поскольку порядок F q равен q − 1 , его примитивные корни имеют порядок q − 1, что означает, что x ( q − 1)/ п н или х м и все его степени имеют порядок, который является степенью p . Итак, P — подгруппа, все ее элементы имеют порядки, являющиеся степенями p . Есть п н выбор как для a, так и для b , делая | П | = п 2. Это означает, что P — силовская p -подгруппа, которая абелева, поскольку все диагональные матрицы коммутируют, и поскольку теорема 2 утверждает, что все силовские p -подгруппы сопряжены друг с другом, силовские p -подгруппы группы GL 2 ( F q ) являются все абелевы.

Примеры приложений

[ редактировать ]

Поскольку теорема Силова обеспечивает существование p-подгрупп конечной группы, стоит более внимательно изучить группы простого степенного порядка. В большинстве примеров для доказательства того, что группа определенного порядка не является простой , используется теорема Силова . Для групп малого порядка условие конгруэнтности теоремы Силова часто бывает достаточным, чтобы обеспечить существование нормальной подгруппы .

Пример-1
Группы порядка pq , p и q простые числа с p < q .
Пример-2
Группа порядка 30, группы порядка 20, группы порядка п 2 q , p и q разные простые числа - вот некоторые из применений.
Пример-3
(Группы порядка 60): Если порядок | г | = 60 и G имеет более одной силовской 5-подгруппы, то G проста.

Циклические групповые заказы

[ редактировать ]

Некоторые непростые числа n таковы, что каждая группа порядка n является циклической. Можно показать, что n = 15 — такое число, используя теоремы Силова: пусть G — группа порядка 15 = 3 · 5, а n 3 — число силовских 3-подгрупп. Тогда n 3 5 и n 3 ≡ 1 (по модулю 3). Единственное значение, удовлетворяющее этим ограничениям, — 1; следовательно, существует только одна подгруппа порядка 3, и она должна быть нормальной (поскольку не имеет различных сопряженных). Аналогично, n 5 должно делить 3, а n 5 должно равняться 1 (по модулю 5); таким образом, она также должна иметь одну нормальную подгруппу порядка 5. Поскольку 3 и 5 взаимно просты , пересечение этих двух подгрупп тривиально, и поэтому G должна быть внутренним прямым произведением групп порядка 3 и 5, то есть циклической группа порядка 15. Таким образом, существует только одна группа порядка 15 ( с точностью до изоморфизма).

Маленькие группы – это не просто

[ редактировать ]

Более сложный пример касается порядка наименьшей простой группы , которая не является циклической . Бернсайда п а д б Теорема утверждает, что если порядок группы является произведением одной или двух степеней простых чисел , то она разрешима , и поэтому группа не является простой или имеет простой порядок и является циклической. Это исключает каждую группу до порядка 30 (= 2 · 3 · 5) .

Если G проста и | г | = 30, то n 3 должно делить 10 ( = 2 · 5), а n 3 должно равняться 1 (по модулю 3). Следовательно, n 3 = 10, поскольку ни 4, ни 7 не делят 10, а если n 3 = 1, то, как и выше, группа G имела бы нормальную подгруппу порядка 3 и не могла бы быть простой. Тогда G имеет 10 различных циклических подгрупп порядка 3, каждая из которых имеет 2 элемента порядка 3 (плюс единицу). Это означает, что G имеет как минимум 20 различных элементов порядка 3.

Кроме того, n 5 = 6, поскольку n 5 должно делить 6 ( = 2 · 3), а n 5 должно равняться 1 (по модулю 5). Таким образом, в G также есть 24 различных элемента порядка 5. Но порядок G равен только 30, поэтому простая группа порядка 30 не может существовать.

Далее, предположим | г | = 42 = 2 · 3 · 7. Здесь n 7 должно делить 6 ( = 2 · 3), а n 7 должно равняться 1 (по модулю 7), поэтому n 7 = 1. Итак, как и раньше, G не может быть простым.

С другой стороны, для | г | = 60 = 2 2 · 3 · 5, то n 3 = 10 и n 5 = 6 вполне возможны. И действительно, наименьшая простая нециклическая группа — это A 5 , знакопеременная группа из 5 элементов. Он имеет порядок 60 и имеет 24 циклические перестановки порядка 5 и 20 перестановок порядка 3.

Теорема Вильсона

[ редактировать ]

Часть теоремы Вильсона гласит, что

для каждого простого числа p . Эту теорему легко доказать с помощью третьей теоремы Силова. Действительно, заметим, что число n p силовских p -подгрупп симметрической группе Sp есть в 1 / p − 1 раз количество p-циклов в S p , т.е. ( р − 2)! . С другой стороны, n p ≡ 1 (mod p ) . Следовательно, ( p − 2)! ≡ 1 (мод р ) . Итак, ( p − 1)! ≡ -1 (мод п ) .

Результаты слияния

[ редактировать ]

Аргумент Фраттини показывает, что силовская подгруппа нормальной подгруппы обеспечивает факторизацию конечной группы. Небольшое обобщение, известное как теорема слияния Бернсайда, утверждает, что если G — конечная группа с силовской p -подгруппой P и двумя подмножествами A и B, нормализованными P , то A и B -сопряжены G тогда и только тогда, когда они N G ( P )-сопряженный. Доказательство представляет собой простое применение теоремы Силова: если B = A г , то нормализатор B содержит не только P , но и P г (поскольку П г содержится в нормализаторе A г ). По теореме Силова P и P г сопряжены не только в G нормализаторе B. , но и в Следовательно, гх −1 нормализует P для некоторого h , который нормализует B , а затем A хх −1 = Б час −1 = B , так что A и B N P ​​G ( ) -сопряжены. Теорема Бернсайда о слиянии может быть использована для создания более мощной факторизации, называемой полупрямым произведением : если G — конечная группа, силовская p -подгруппа P которой содержится в центре ее нормализатора, то G имеет нормальную подгруппу K порядка, взаимно простого с P. , G = PK и P K = {1}, т. е G p . -нильпотентна .

Менее тривиальные применения теорем Силова включают теорему о фокальной подгруппе , которая изучает влияние силовской p -подгруппы производной подгруппы на структуру всей группы. Этот контроль используется на нескольких этапах классификации конечных простых групп и, например, определяет деления случаев, используемые в теореме Альперина-Брауэра-Горенштейна, классифицирующей конечные простые группы , силовская 2-подгруппа которых является квазидиэдральной группой . Они основаны на усилении Дж. Л. Альпериным части теоремы Силова, касающейся сопряжения, для контроля того, какие типы элементов используются в сопряжении.

Доказательство теорем Силова.

[ редактировать ]

Теоремы Силова были доказаны разными способами, а история самих доказательств является предметом многих статей, в том числе Уотерхауса, [4] Шарлау, [5] Касадио и Заппа, [6] Гоу, [7] и в некоторой степени Мео. [8]

использует понятие группового действия Одно из доказательств теорем Силова различными творческими способами . Группа G действует на себя или на множество своих p -подгрупп различными способами, и каждое такое действие можно использовать для доказательства одной из теорем Силова. Следующие доказательства основаны на комбинаторных рассуждениях Виланда. [9] Далее мы используем как обозначение «a делит b» и за отрицание этого утверждения.

Теорема   (1) Конечная группа G , порядок которой делится на степень простого числа p к имеет подгруппу порядка p к .

Доказательство

Пусть | г | = п к м = п к + р ты такой, что , и пусть Ω обозначает множество подмножеств G размера p к . G действует на Ω умножением слева: для g G и ω ∈ Ω , g ω = { g x | Икс ω } . Для данного множества ω ∈ Ω обозначаем через G ω его подгруппу стабилизатора { g G | g ω = ω } и G ω для его орбиты { g ω | g G } в Ω.

Доказательство покажет существование некоторого ω ∈ Ω , для которого G ω имеет p к элементы, обеспечивающие нужную подгруппу. Это максимально возможный размер подгруппы стабилизатора G ω , поскольку для любого фиксированного элемента α ω G правый смежный класс G ω α содержится в ω ; следовательно, | г ω | = | г ω α | ≤ | ω | = п к .

По теореме о стабилизаторе орбиты имеем | г ω | | г ω | = | г | для каждого ω ∈ Ω , и, следовательно, используя аддитивную p-адическую оценку ν p , которая подсчитывает количество факторов p , имеем ν p (| G ω |) + ν p (| G ω |) = ν p (| г |) знак равно k + р . Это означает, что для тех ω с | г ω | = п к , те, которые мы ищем, имеют ν p (| G ω |) = r , а для любого другого ω имеют ν p (| G ω |) > r (поскольку 0 < | G ω | < p к подразумевает ν п (| грамм ω |) < k ) . Поскольку | Ом | представляет собой сумму | г ω | по всем различным орбитам G ω можно показать существование ω первого типа, показав, что ν p (| Ω |) = r (если бы таковой не существовало, эта оценка превышала бы r ). Это пример теоремы Куммера (поскольку в записи по основанию p число | G | заканчивается ровно k + r цифрами нуля, вычитая p к отсюда требуется перенос в r мест), и это также можно показать с помощью простого вычисления:

не остается степени p и ни в одном из сомножителей внутри произведения справа . Следовательно, ν p (| Ω |) = ν p ( m ) = r , завершая доказательство.

Можно отметить, что, наоборот, каждая подгруппа H порядка p к порождает множества ω ∈ Ω , для которых G ω = H , а именно любой из m различных смежных классов Hg .

Лемма . Пусть H — конечная p- группа, пусть Ω — конечное множество, на котором действует H , и пусть Ω 0 обозначает множество точек Ω, которые неподвижны под действием H . Тогда | Ом | ≡ | Ом 0 | (мод р ) .

Доказательство

Любой элемент x ∈ Ω, не зафиксированный H, будет лежать на орбите порядка | Ч |/| Ч х | (где H x обозначает стабилизатор ), который по предположению кратен p . Результат следует немедленно, если написать | Ом | как сумма | Ч х | по всем различным орбитам H x и уменьшая mod p .

Теорема   (2) Если H p -подгруппа группы G , а P — силовская p -подгруппа группы G , то существует элемент g в G такой, что g −1 Ртуть Р. ​В частности, все силовские p -подгруппы группы G сопряжены изоморфны друг другу (и, следовательно, ) , то есть, если H и K — силовские p -подгруппы группы G , то существует элемент g в G такой, что g −1 Hg = К.

Доказательство

Пусть Ω — множество левых смежных и пусть действует H классов P в G на Ω умножением слева. Применяя лемму к H на Ω, мы видим, что | Ом 0 | ≡ | Ом | знак равно [ г : п ] (мод п ) . Сейчас по определению так , следовательно, в частности | Ом 0 | ≠ 0 , поэтому существует некоторый gP ∈ Ω 0 . С этим gP мы имеем hgP = gP для всех h H , поэтому g −1 HgP = P и, следовательно, g −1 Ртуть Р. ​Более того, если H силовская p -подгруппа, то | г −1 ртуть | = | Ч | = | П | так что г −1 Ртуть = П.

Теорема   (3) . Пусть q обозначает порядок любой силовской p -подгруппы P конечной группы G . Обозначим через n p число силовских p -подгрупп группы G . Тогда (a) n p = [ G : NG p ( P )] (где ( ) P ) нормализатор P ) , (b n NG делит | G |/ q и (c) n p ≡ 1 (mod p ) .

Доказательство

Пусть Ω — множество всех силовских p -подгрупп группы G и G действует на Ω сопряжением. Пусть P ∈ Ω — силовская p -подгруппа. По теореме 2 орбита P имеет размер p , поэтому по теореме о стабилизаторе орбиты n p = [ G : GP n ] . группового действия стабилизатор GP Для этого задается формулой { g G | gPg −1 знак равно P } знак равно N G ( P ) , нормализатор P в G . Таким образом, n p = [ G : NG P ( , и отсюда следует, что это )] число является делителем [ G : P ] = | г |/ q .

Пусть теперь P действует на Ω сопряжением и снова пусть Ω 0 обозначает множество неподвижных точек этого действия. Пусть Q ∈ Ω 0 и заметим, что тогда Q = xQx −1 для всех x P так, что P N G ( Q ). По теореме 2 P и Q сопряжены, в частности, в , NG а Q (Q) в NG ( Q нормален ) поэтому P = Q. , Отсюда следует, что Ω 0 = { P }, так что по лемме | Ом | ≡ | Ом 0 | знак равно 1 (мод р ) .

Алгоритмы

[ редактировать ]

Проблема нахождения силовской подгруппы данной группы является важной проблемой вычислительной теории групп .

Одно доказательство существования силовских p -подгрупп является конструктивным: если H является p -подгруппой группы G и индекс [ G : H ] делится на p , то нормализатор N = NG группы ( H ) H в G равен также такое, что [ N : H ] делится на p . Другими словами, полициклическую порождающую систему силовской p -подгруппы можно найти, начиная с любой p -подгруппы H (включая единицу) и взяв элементы p -степенного порядка, содержащиеся в нормализаторе H, но не в H. самой Алгоритмическая версия этого (и многих улучшений) описана в форме учебника у Батлера, [10] включая алгоритм, описанный в Cannon. [11] Эти версии до сих пор используются в системе компьютерной алгебры GAP .

В группах перестановок было доказано Кантором [12] [13] [14] и Кантор и Тейлор, [15] что силовская p -подгруппа и ее нормализатор могут быть найдены за полиномиальное время входных данных (степень группы, умноженная на количество генераторов). Эти алгоритмы описаны в виде учебника в Seress, [16] и теперь становятся практическими, поскольку конструктивное признание конечных простых групп становится реальностью. В частности, версии этого алгоритма используются в системе компьютерной алгебры Magma .

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Силов, Л. (1872). «Теоремы о группах замены» . Математика. Энн. (на французском языке). 5 (4): 584–594. дои : 10.1007/BF01442913 . ЖФМ   04.0056.02 . S2CID   121928336 .
  2. ^ Грасия-Сас, Альфонсо. «Классификация групп порядка 60» (PDF) . math.toronto.edu . Архивировано (PDF) из оригинала 28 октября 2020 г. Проверено 8 мая 2021 г.
  3. ^ Фрели, Джон Б. (2004). Первый курс абстрактной алгебры . при участии Виктора Дж. Каца. Пирсон Образование. стр. 322. ИСБН  9788178089973 .
  4. ^ Уотерхаус 1980 .
  5. ^ Шарлау 1988 .
  6. ^ Касадио и Заппа 1990 .
  7. ^ Гоу 1994 .
  8. ^ Мой 2004 год .
  9. ^ Виландт 1959 .
  10. ^ Батлер 1991 , Глава 16.
  11. ^ Кэннон 1971 .
  12. ^ Офис 1985а .
  13. ^ Офис 1985b .
  14. ^ Офис 1990 .
  15. ^ Кантор и Тейлор 1988 .
  16. ^ Сересс 2003 .

Доказательства

[ редактировать ]

Алгоритмы

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 346f5761f5ea0181ecd55c8dddca9cc7__1712074440
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/34/c7/346f5761f5ea0181ecd55c8dddca9cc7.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Sylow theorems - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)