fix(algebra1): ripara gli enunciati del teorema di Cauchy

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Si dimostra in questo documento, per ben due volte, un inverso parziale Si dimostra in questo documento, per ben due volte, un inverso parziale
del teorema di Lagrange, il celebre teorema di Cauchy. Tale teorema del teorema di Lagrange, il celebre teorema di Cauchy. Tale teorema
asserisce che se $p$ è un numero primo che divide l'ordine di $G$, asserisce che se $p$ è un numero primo che divide l'ordine di $G$,
allora esiste un sottogruppo $H$ di $G$ di ordine $p$. \medskip allora esiste un elemento di $G$ di ordine $p$. \medskip
Si mostra innanzitutto che il teorema vale per gruppi abeliani. Si mostra innanzitutto che il teorema vale per gruppi abeliani.
\begin{theorem}[di Cauchy per gruppi abeliani] \begin{theorem}[di Cauchy per gruppi abeliani]
Sia $G$ un gruppo abeliano finito. Se $p$ divide $\abs{G}$, allora Sia $G$ un gruppo abeliano finito. Se un numero primo $p$ divide $\abs{G}$, allora
esiste $H \leq G$ tale per cui $\abs{H} = p$. esiste $g \in G$ tale per cui $o(g) = p$.
\end{theorem} \end{theorem}
\begin{proof} \begin{proof}
Sia $\abs{G} = pn$ con $n \in \NN^+$. Si dimostra per induzione su $n$ la Sia $\abs{G} = pn$ con $n \in \NN^+$. Si dimostra per induzione su $n$ la
validità della tesi. Se $n = 1$, allora $G$ stesso è un sottogruppo di ordine $p$, completando il passo base. \medskip validità della tesi. Se $n = 1$, allora $G$ è ciclico, e quindi ammette un
elemento di ordine $p$, completando il passo base. \medskip
Sia allora $n > 1$ e si ipotizzi allora che tutti i gruppi tali che $\abs{G} = pk$ con $k < n$, $k \in \NN^+$ ammettano un sottogruppo di ordine $p$. Sia $h \in G$, $h \neq e$ (questo $h$ sicuramente esiste, dal momento che $p > 1$). Se $p \mid o(h)$, allora Sia allora $n > 1$ e si ipotizzi allora che tutti i gruppi tali che $\abs{G} = pk$ con $k < n$, $k \in \NN^+$ ammettano un elemento di ordine $p$. Sia $h \in G$, $h \neq e$ (questo $h$ sicuramente esiste, dal momento che $p > 1$). Se $p \mid o(h)$, allora
$\Cyc{h^{\nicefrac{o(h)}{p}}}$ è un sottogruppo di $G$ di ordine $p$. Altrimenti, $h^{\nicefrac{o(h)}{p}}$ è un elemento di $G$ di ordine $p$. Altrimenti,
si consideri $H = \Cyc{h}$. \medskip si consideri $H = \Cyc{h}$. \medskip
Dal momento che $G$ è abeliano, $H$ è normale, e dunque si può considerare il gruppo quoziente $G \quot H$. Poiché $p \nmid o(h) = \abs H$ e $p$ divide $\abs G$, Dal momento che $G$ è abeliano, $H$ è normale, e dunque si può considerare il gruppo quoziente $G \quot H$. Poiché $p \nmid o(h) = \abs H$ e $p$ divide $\abs G$,
$p$ divide anche $\abs{G \quot H}$ per il teorema di Lagrange. Inoltre, poiché $p$ divide anche $\abs{G \quot H}$ per il teorema di Lagrange. Inoltre, poiché
$o(h) > 1$ (infatti $h \neq e$), $\abs{G \quot H} < \abs{G}$. Per l'ipotesi $o(h) > 1$ (infatti $h \neq e$), $\abs{G \quot H} < \abs{G}$. Per l'ipotesi
induttiva, allora, esiste un sottogruppo $T$ di ordine $p$ di $G \quot H$. Poiché induttiva, allora, esiste un elemento $tH$ di ordine $p$ in $G \quot H$. \medskip
$T$ è di ordine $p$, $T$ è ciclico, e quindi esiste $t \in G$, $t \neq e$ tale per cui
$T = \Cyc{tH}$. \medskip
Si mostra adesso che $p \mid o(t)$. Si consideri la proiezione al quoziente $\pi : G \to G \quot H$ tale per cui: Si mostra adesso che $p \mid o(t)$. Si consideri la proiezione al quoziente $\pi : G \to G \quot H$ tale per cui:
\[ g \xmapsto{\pi} gH. \] \[ g \xmapsto{\pi} gH. \]
Allora $p = o(tH) \mid o(t)$, dal momento che $eH=\pi(t^{o(t)})=(tH)^{o(t)}$. Allora $p = o(tH) \mid o(t)$, dal momento che $eH=\pi(t^{o(t)})=(tH)^{o(t)}$.
Pertanto, come prima, si può estrarre da $\Cyc{t}$ un sottogruppo di $G$ Pertanto, come prima, $t^{\nicefrac{o(t)}{p}}$ è un elemento di ordine $p$,
di ordine $p$, concludendo il passo induttivo. concludendo il passo induttivo.
\end{proof} \bigskip \end{proof} \bigskip
Di seguito si dimostra il teorema di Cauchy in generale. Di seguito si dimostra il teorema di Cauchy in generale.
\begin{theorem}[di Cauchy] \begin{theorem}[di Cauchy]
Sia $G$ un gruppo finito. Se $p \mid \abs{G}$, allora Sia $G$ un gruppo finito. Se un numero primo $p$ divide $\abs{G}$, allora
esiste $H \leq G$ tale per cui $\abs{H} = p$. esiste $g \in G$ tale per cui $o(g) = p$.
\end{theorem} \end{theorem}
\begin{proof} \begin{proof}
Sia $\abs{G} = pn$ con $n \in \NN^+$. Si dimostra la tesi per induzione. Sia $\abs{G} = pn$ con $n \in \NN^+$. Si dimostra la tesi per induzione.
Se $n = 1$, $G$ stesso è sottogruppo di ordine $p$, completando il passo Se $n = 1$, $G$ è ciclico e dunque ammette un generatore di ordine $p$,
base. Sia ora $n > 1$ e si assuma che ogni sottogruppo di ordine $pk$ con completando il passo base. Sia ora $n > 1$ e si assuma che ogni gruppo di ordine $pk$ con
$k < n$ ammetta un sottogruppo di ordine $p$. \medskip $k < n$ ammetta un elemento di ordine $p$. \medskip
Se esiste $H \lneq G$ tale per cui $p$ divide $\abs H$, allora $H$, e quindi Se esiste un sottogruppo proprio $H < G$ tale per cui $p$ divide $\abs H$, allora $H$, e quindi
anche $G$, ammette un sottogruppo di ordine $p$ per l'ipotesi induttiva. anche $G$, ammette un elemento di ordine $p$ per l'ipotesi induttiva.
Si assuma dunque che non esiste alcun sottogruppo proprio $H < G$ tale Si assuma dunque che non esiste alcun sottogruppo proprio $H < G$ tale
per cui $p$ divide $\abs H$. Si consideri la formula delle classi per cui $p$ divide $\abs H$. Si consideri la formula delle classi
di coniugio: di coniugio:
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\[ \abs{Z(G)} \equiv 0 \pod p. \] \[ \abs{Z(G)} \equiv 0 \pod p. \]
Poiché $Z(G)$ è un sottogruppo di $G$, se valesse $Z(G) < G$, si violerebbero Poiché $Z(G)$ è un sottogruppo di $G$, se valesse $Z(G) < G$, si violerebbero
le ipotesi iniziali. Pertanto deve necessariamente valere $Z(G) = G$, e quindi le ipotesi iniziali. Pertanto deve necessariamente valere $Z(G) = G$, e quindi
$G$ è abeliano. Pertanto $G$ ammette un sottogruppo di ordine $p$ per il Teorema $G$ è abeliano. Pertanto $G$ ammette un elemento di ordine $p$ per il Teorema
di Cauchy per i gruppi abeliani; completando il passo induttivo. di Cauchy per i gruppi abeliani; completando il passo induttivo.
\end{proof} \smallskip \end{proof} \smallskip
Si mostra inoltre una dimostrazione alternativa del teorema di Cauchy (più immediata Si mostra infine una dimostrazione alternativa del teorema di Cauchy (più immediata
e facile da ricordare), basata su una particolare costruzione. e facile da ricordare), basata su una particolare costruzione.
\begin{proof}[Dimostrazione alternativa] \begin{proof}[Dimostrazione alternativa]
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\[ S = \{ (a_1, \ldots, a_p) \in G^p \mid a_1 \cdots a_p = e \}. \] \[ S = \{ (a_1, \ldots, a_p) \in G^p \mid a_1 \cdots a_p = e \}. \]
Dimostrando che esiste un elemento $h \in G$ diverso dall'identità tale Dimostrando che esiste un elemento $h \in G$ diverso dall'identità tale
per cui $(h, \ldots, h) \in S$, si mostra che $h^p = e$, e dunque che per cui $(h, \ldots, h) \in S$, si mostra che $h^p = e$, e dunque che
$o(h) = p$ (infatti $h \neq e$). Allora, in tal caso, $\Cyc{h}$ è $o(h) = p$ (infatti $h \neq e$), dimostrando la tesi. \medskip
un sottogruppo di $G$ di ordine $p$, e si dimostra la tesi. \medskip
Si ipotizzi che tale elemento $h$ non esisti. Si consideri l'azione $\varphi$ Si ipotizzi che tale elemento $h$ non esisti. Si consideri l'azione $\varphi$

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