feat(algebra1): aggiunge risultati sulle azioni transitive e sull'unione di coniugati su G

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un gruppo $G$.
\begin{proposition}
Sia $H \leq G$. Allora, se $[G : H] = 2$, $H$ è normale in $G$.
Sia\footnote{
Si osserva che questa proposizione risulta superflua se si dimostra,
come succede sul finire di questo documento, che per il più piccolo
primo $p$ che divide $\abs{G}$, i sottogruppi corrispondenti di
indice $p$ sono normali. Vista tuttavia la semplicità della dimostrazione,
si è preferito lasciarla per motivi didattici.
} $H \leq G$. Allora, se $[G : H] = 2$, $H$ è normale in $G$.
\end{proposition}
\begin{proof}
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\end{proof}
\begin{example} [Tutti i gruppi di ordine $15$ sono ciclici]
Sia $G$ un gruppo di ordine $15$. Per il teorema di Cauchy esistono
Sia\footnote{
In realtà $15$ è un numero molto speciale, in quanto è prodotto
di due primi distinti ($3$ e $5$) tali per cui $3$ non divida
$5-1 = 4$. In generale, ogni gruppo di ordine $pq$ con
$p$ e $q$ primi tali per cui $p<q$ e $p \nmid q-1$ è ciclico.
} $G$ un gruppo di ordine $15$. Per il teorema di Cauchy esistono
due elementi $h$ ed $k$, uno di ordine $3$ e l'altro di ordine $5$.
In particolare, si consideri $K = \gen{k}$; poiché $\abs{K} = 5$,
$[G : K] = 3$, il più piccolo primo che divide $15$. Pertanto
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dal momento che $\MCD(3, 5) = 1$ e $h$ e $k$ commutano,
$hk$ è un elemento di ordine $15$, e dunque $G$ è ciclico.
\end{example}
Si illustrano infine due risultati interessanti sui coniugati di $G$:
\begin{proposition}
Sia $H \leq G$. Allora
\[ \bigcup_{g \in G} gHg\inv = G \iff H = G. \]
\end{proposition}
\begin{proof}
Se $H = G$, allora $gGg\inv = G$ e quindi l'identità è vera. Viceversa,
$gHg\inv = kHk\inv \iff g N_G(H) = k N_G(H)$. Preso dunque un'insieme
$\rotations$ di rappresentanti per ogni classe in $G \quot N_G(H)$,
vale che:
\[ \bigcup_{g \in \rotations} gHg\inv = G. \]
In ogni $gHg\inv$ ci sono $\abs{H}$ elementi distinti, e quindi, poiché
$\abs{\rotations} = \abs{G \quot N_G(H)}$, deve valere la seguente
disuguaglianza:
\[ \abs{\bigcup_{g \in \rotations} gHg\inv} \leq \abs{G \quot N_G(H)} \abs{H} \leq
\frac{\abs{G}}{\abs{N_G(H)}} \abs{H} \leq \abs{G}, \]
dove si è usato che $H \leq N_G(H)$.
Se $\abs{G \quot N_G(H)}$ non valesse $1$, ci sarebbe più ripetizioni di $e$
all'interno dell'unione, e quindi la prima disuguaglianza sarebbe stretta,
\Lightning. Quindi $N_G(H) = G \implies H \nsgeq G$. Allora la disuguaglianza
si riscrive come:
\[ \abs{G} = \abs{\bigcup_{g \in \rotations} gHg\inv} \leq \abs{H} \leq \abs{G}, \]
da cui si ricava che necessariamente $\abs{H} = \abs{G} \implies H = G$.
\end{proof}
\begin{proposition} % magari questa dimostrazione andrebbe spostata?
Sia $\varphi$ un'azione transitiva di $G$ su $X$. Allora gli stabilizzatori sono
tra di loro coniugati, e dunque isomorfi. Inoltre, se $\abs{X} \geq 2$, allora
esiste un $g$ tale per cui $\Fix(g) = \emptyset$.
\end{proposition}
\begin{proof}
Siano $x$, $y \in X$. Si verifica innanzitutto che esiste un $g \in G$ tale per cui
$g \Stab(x) g\inv = \Stab(y)$. Poiché $\varphi$ è un'azione transitiva,
esiste $g \in G$ tale per cui $g \cdot y = x$. Allora vale che:
\[ \Stab(x) = \{ h \in G \mid h \cdot x = x \} = \{ h \in G \mid h \cdot (g \cdot y) = (g \cdot y) \}, \]
da cui si deduce infine che:
\[ \Stab(x) = \{ h \in G \mid (g\inv h g) \cdot y = y \} = g \Stab(y) g\inv. \]
In particolare un isomorfismo tra i due gruppi è dato proprio dall'azione di
coniugio tramite $g$, ossia dall'omomorfismo\footnote{
Tale omomorfismo è infatti surgettivo perché $\Stab(x) = g\Stab(y)g\inv$,
mentre è iniettivo perché $ghg\inv = e \implies h = e$.
} $\zeta : \Stab(y) \to \Stab(x)$
tale per cui $h \mapsto ghg\inv$. \medskip
Infine, se $g$ non fissa alcun punto di $X$, allora $g \notin \bigcup_{x \in X} \Stab(x)$; pertanto tale $g$ esiste se e solo se $\bigcup_{x \in X} \Stab(x) \neq G$. Poiché tali sottogruppi sono tutti coniugati, scelto $u \in U$ vale
che:
\[ \bigcup_{x \in X} \Stab(x) = \bigcup_{g \in G} g \Stab(u) g\inv. \]
Si conclude dunque che tale $g$ esiste se e solo se $\Stab(u) \neq G$.
Se $\Stab(u)$ fosse uguale a $G$, allora, per il Teorema orbita-stabilizzatore,
varrebbe che $\abs{\Orb(u)} = 1$; tuttavia $\varphi$ è transitiva e quindi
$X = \Orb(u) \implies \abs{X} = \abs{\Orb(u)} = 1$, \Lightning. Si conclude
così la dimostrazione.
\end{proof}
\end{document}
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