feat(algebra1): aggiunge risultati su Aut(Z/nZ) e Aut(Z/pZ^n)

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parent db667eff22
commit 1900b3a902

@ -148,7 +148,7 @@
bigezioni). \bigskip
\begin{example}[$\Aut(S_3) \cong S_3$] %TODO: aggiungere Aut(Z_2 * Z_2) ~ S_3
\begin{example}[$\Aut(S_3) \cong S_3$]
Si osserva che $Z(S_3)$ deve essere obbligatoriamente
banale\footnote{
In generale $Z(S_n)$ è banale per $n \geq 3$.
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\end{example}
\begin{example}[$\Aut(\ZZ \quot n \ZZ) \cong (\ZZ \quot n \ZZ)^*$]
Sia $f$ un automorfismo di $\Aut(\ZZ \quot n \ZZ)$. Allora,
necessariamente, $f(\cleq1)$ deve essere un
generatore di $\Aut(\ZZ \quot n \ZZ)$. Si può quindi costruire
un isomorfismo $\zeta : \Aut(\ZZ \quot n \ZZ) \to
(\ZZ \quot n \ZZ)^*$ tale per cui
$f \xmapsto{\zeta} f(\cleq1)$. \medskip
Chiaramente $\zeta$ è un omomorfismo, infatti\footnote{
Potrebbe non risultare completamente ovvio che
valga $f(g(\cleq 1)) = f(\cleq 1) g(\cleq 1)$.
È necessario però ricordarsi che $\ZZ\quot n \ZZ$ è
un gruppo definito sulla somma, e quindi vale sempre
che $f(\cleq a) = a f(\cleq 1) = \cleq{a} f(\cleq 1)$.
}:
\[ \zeta(f \circ g) = f(g(\cleq 1)) = f(\cleq 1) g(\cleq 1) = \zeta(f) \zeta(g). \]
Inoltre $f(\cleq 1) = \cleq 1 \implies f = \Id$, e quindi
$\zeta$ è iniettiva. Infine, per ogni $\cleq a \in (\ZZ \quot n \ZZ)^*$, si può costruire $f_a \in \Aut(\ZZ \quot n \ZZ)$
di cui è immagine ponendo semplicemente che valga\footnote{
L'automorfismo è ben determinato dal momento che manda
un generatore in un altro generatore.
}
$f_a(\cleq 1) = \cleq a$. Si conclude quindi che
$\zeta$ è un isomorfismo e dunque che vale il seguente
isomorfismo:
\[ \Aut(\ZZ \quot n \ZZ) \cong (\ZZ \quot n \ZZ)^* \]
Il risultato è valido anche con $n = 0$, da cui si
ricava che:
\[ \Aut(\ZZ) \cong \ZZ^* \cong \{\pm 1\}. \]
\end{example}
Si illustrano adesso dei risultati molto interessanti sui gruppi di automorfismi
dei prodotti diretti, a partire dalla:
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per il Teorema cinese del resto e che $\Aut(\ZZ \quot m \ZZ) \cong (\ZZ \quot m \ZZ)^*$,
vale che:
\[ (\ZZ \quot m \ZZ)^* \times (\ZZ \quot n \ZZ)^* \cong (\ZZ \quot mn \ZZ)^* \]
%TODO: aggiungere dimostrazione Aut(Z/nZ) ~ (Z/nZ)*
\begin{example}($\Aut((\ZZ \quot p \ZZ)^n)$)
Il gruppo $(\ZZ \quot p \ZZ)^n$ ha una più facile
visualizzazione se lo si pensa come spazio vettoriale su
$\ZZ \quot p \ZZ$ (che per $p$ primo è, per l'appunto,
un campo). In tal caso, gli automorfismi di
$(\ZZ \quot p \ZZ)^n$ coincidono esattamente con gli
endomorfismi invertibili di $\End((\ZZ \quot p \ZZ)^n)$,
e quindi vale in particolare che:
\[ \Aut((\ZZ \quot p \ZZ)^n) \cong \GL_n(\ZZ \quot p \ZZ). \]
In questo modo è estremamente più facile contare il
numero di automorfismi di questo gruppo. È infatti
sufficiente contare le possibili matrici invertibili con
elementi in $\ZZ \quot p \ZZ$. Nella prima colonna di una
matrice $A \in \GL_n(\ZZ \quot p \ZZ)$ possono
essere effettuate $p^n - 1$ scelte (si esclude il vettore
nullo); nella seconda è sufficiente scegliere un vettore
che non stia in $(\ZZ \quot p \ZZ)^n \setminus
\Span(A^1)$, e quindi si hanno $p^n - p$ scelte; per la
terza colonna se ne hanno $p^n - p^2$, ... \medskip
Si conclude dunque che vale la seguente identità:
\[ \abs{\Aut((\ZZ \quot p \ZZ)^n)} = \prod_{i=0}^{n-1} (p^n - p^i). \] \medskip
Se si prende $m$ \textit{square-free}\footnote{
Ossia $m$ non è diviso da alcun quadrato; equivalentemente
un primo che compare nella fattorizzazione di $m$
compare con esponente unitario.
}, il risultato si può estendere facilmente
su $\Aut((\ZZ \quot m)^n)$. Se infatti
$m = p_1 \cdots p_k$, vale che:
\[
\Aut((\ZZ \quot m \ZZ)^n) \cong
\Aut((\ZZ \quot p_1 \ZZ)^n \times \cdots \times (\ZZ \quot p_k \ZZ)^n)
\cong \Aut((\ZZ \quot p_1 \ZZ)^n) \times
\cdots \times \Aut((\ZZ \quot p_k \ZZ)^n,
\]
dove si è usato sia il Teorema cinese del resto, sia
il fatto per cui $\MCD(p_i, p_j) = 1$ per $i \neq j$.
\end{example}
\begin{example}[$\Aut(\ZZ \quot 2 \ZZ \times \ZZ \quot 2 \ZZ) \cong S_3$ e altre proprietà]
Ora che è chiara la visualizzazione in senso vettoriale
di $(\ZZ \quot p \ZZ)^n$, si possono elencare alcune
proprietà di $\ZZmod2 \times \ZZmod2$. \medskip
Innanzitutto, benché $\ZZmod2 \times \ZZmod2$ sia abeliano,
$\Aut(\ZZmod2 \times \ZZmod2) \cong \GL_2(\ZZmod2)$ non
lo è. Inoltre, ogni sottogruppo proprio e non banale di
$\ZZmod2 \times \ZZmod2$ non è caratteristico: ogni
tale sottogruppo è vettorialmente una retta (infatti
$\ZZmod2 \times \ZZmod2$ ha dimensione due), e quindi
è sufficiente costruire un automorfismo che manda tale
retta in un'altra. \medskip
Infine, sempre perché $\Aut(\ZZmod2 \times \ZZmod2) \cong \GL_2(\ZZmod2)$, si può visualizzare facilmente l'isomorfismo
tra $\Aut(\ZZmod2 \times \ZZmod2)$ e $S_3$. Infatti,
$\GL_2(\ZZmod2)$ si compone di $6$ matrici, nella
seguente bigezione con $S_3$:
\[
\Matrix{1 & 0 \\ 0 & 1} \bij e, \quad
\Matrix{0 & 1 \\ 1 & 0} \bij (1, 2), \quad
\Matrix{1 & 1 \\ 0 & 1} \bij (2, 3),
\]
\[
\Matrix{1 & 0 \\ 1 & 1} \bij (1, 3), \quad
\Matrix{0 & 1 \\ 1 & 1} \bij (1, 2, 3) \quad
\Matrix{1 & 1 \\ 1 & 0} \bij (1, 3, 2).
\]
\vskip 0.1in
Infine, poiché $\Aut(\ZZmod2 \times \ZZmod2) \cong
S_3 \cong \Aut(S_3)$, $\ZZmod2 \times \ZZmod2$ e
$S_3$ formano un esempio di gruppi non isomorfi
(in particolare uno è abeliano e l'altro no) i cui
gruppi di automorfismo sono isomorfi.
\end{example}
\end{document}

@ -10,8 +10,8 @@
$G'$.
\end{note}
Si illustrano i tre teoremi di isomorfismo nella loro
forma più generale.
Si illustrano i tre teoremi di isomorfismo (o omomorfismo)
nella loro forma più generale.
\begin{theorem}[Primo teorema di isomorfismo]
Sia $\varphi$ un omomorfismo da $G$ in $G'$. Allora,

@ -219,6 +219,10 @@
% Spesso utilizzati durante il corso di Algebra 1
\newcommand{\bij}{\leftrightarrow}
\newcommand{\ZZmod}[1]{\ZZ \quot #1 \ZZ}
\newcommand{\cleq}[1]{\overline{#1}}
\newcommand{\rotations}{\mathcal{R}}
\newcommand{\gen}[1]{\langle #1 \rangle}
\DeclareMathOperator{\Cl}{Cl}

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