feat(algebra1): aggiunge i risultati principali sui prodotti semidiretti

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un gruppo in un prodotto semidiretto di due suoi sottogruppi:
\begin{theorem}[di decomposizione in prodotto semidiretto]
Siano $H$ e $K$ due sottogruppi di $G$ con $H \cap K = \{e\}$ e
Siano\footnote{
Si osserva che questo teorema richiede \textit{quasi} le stesse ipotesi
del Teorema di decomposizione in prodotto diretto. L'unica ipotesi che
manca è quella della normalità di $K$. Ciononostante, questo teorema
copre anche il teorema analogo sul prodotto diretto: se $K$ fosse normale,
$\varphi$ sarebbe l'identità ($h$ e $k$ commuterebbero), e quindi
$H \rtimes_\varphi K$ sarebbe esattamente $H \times K$.
} $H$ e $K$ due sottogruppi di $G$ con $H \cap K = \{e\}$ e
$H \nsgeq G$. Allora vale che $HK \cong H \rtimes_\varphi K$ con
$\varphi : K \to \Aut(H)$ tale per cui\footnote{
Tale mappa è ben definita dal momento che $H$ è normale in $G$.
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Chiaramente $\alpha$ è iniettivo dal momento che $hk=e \implies h = k\inv \in H \cap K \implies h = k = e$. Infine $\alpha$ è surgettiva dal momento che $hk = \alpha(h, k)$,
e quindi $\alpha$ è un isomorfismo.
\end{proof}
\begin{example}[$\Sn \cong \An \rtimes_\varphi \gen{\tau}$]
Sia $\tau$ una trasposizione di $\Sn$. Allora $\An$ è normale in $\Sn$,
$\An \cap \gen{\tau} = \{e\}$ e $\abs{\An} \abs{\gen{\tau}} = \abs{\Sn} \implies
\Sn = \An \gen{\tau}$. Allora, per il Teorema di decomposizione in prodotto
semidiretto, vale che:
\[ \Sn \cong \An \rtimes_\varphi \gen{\tau}, \]
con $\varphi : \gen{\tau} \to \Aut(\An)$ tale per cui
$\tau \xmapsto{\varphi} [h \mapsto \tau h \tau\inv]$.
\end{example}
\begin{example}[$\Dn \cong \rotations \rtimes_\varphi \gen{sr^k}$]
Sia $sr^k$ una qualsiasi simmetria di $\Dn$. Allora $\rotations$ è normale in $\Dn$,
$\rotations \cap \gen{sr^k} = \{e\}$ e $\abs{\rotations} \abs{\gen{s r^k}} = \abs{\Dn} \implies
\Dn = \rotations \gen{s r^k}$. Allora, come prima, vale che:
\[ \Dn \cong \rotations \rtimes_\varphi \gen{sr^k}, \]
con $\varphi : \gen{s r^k} \to \Aut(\rotations)$ tale per cui
$s r^k \xmapsto{\varphi} [h \mapsto sr^k h (sr^k)\inv]$.
\end{example}
Si illustra adesso un lemma che verrà riutilizzato successivamente per classificare
i gruppi di ordine $pq$.
\begin{nlemma}
Siano $\varphi$, $\psi : K \to \Aut(H)$ tali per cui esistono
$\alpha \in \Aut(H)$ e $\beta \in \Aut(K)$ che soddisfano la seguente
identità:
\[ \alpha \circ \varphi_k \circ \alpha\inv = \psi_{\beta(k)} \qquad \forall k \in K. \]
Allora vale che $H \rtimes_\varphi K \cong H \rtimes_\psi K$.
\end{nlemma}
\begin{proof}
Si costruisce la mappa $F : H \rtimes_\varphi K \to H \rtimes_\psi K$ tale
per cui $(h, k) \xmapsto{F} (\alpha(h), \beta(k))$. Si verifica che $F$ è un omomorfismo:
\[ F(h \varphi_k(h'), k k') = (\alpha(h) \alpha(\varphi_k(h')), \beta(k) \beta(k')), \]
e quindi, poiché $\alpha \circ \varphi_k = \psi_{\beta(k)} \circ \alpha$:
\[ F(h \varphi_k(h'), k k') = (\alpha(h)\psi_{\beta(k)}(\alpha(h')), \beta(k) \beta(k')) = F(h, k) F(h', k'). \]
Chiaramente $F$ è anche iniettiva e surgettiva, e quindi $F$ è l'isomorfismo
desiderato dalla tesi.
\end{proof}
\begin{proposition}
Sia $G$ un gruppo di ordine $pq$ con $p$ e $q$ primi tali per cui $p < q$. Allora $G$ è
isomorfo a $\ZZ_{pq}$ se $p \nmid q-1$. Altrimenti $G$ è isomorfo a $\ZZmod{pq}$ o
a $\ZZmod q \rtimes_\varphi \ZZmod p$ con $\varphi : \ZZmod p \to \Aut(\ZZmod q)$
univocamente determinata dalla relazione
$\cleq 1 \xmapsto{\varphi} f$ con $f$ un qualsiasi elemento
di ordine $p$ di $\Aut(\ZZmod q)$ (ossia $\varphi$ non è banale).
\end{proposition}
\begin{proof}
Per il Teorema di Cauchy, esistono due elementi $x$ e $y$ di $G$ con $\ord(x)=q$
e $\ord(y)=p$. Siano $H = \gen{x}$ e $K = \gen{y}$. Allora, poiché $[G : H] = p$
è il più piccolo primo che divide $\abs{G} = pq$, $H$ è normale. Inoltre
$H \cap K = \{e\}$, dacché $\abs{H \cap K} \mid \MCD(p, q) = 1$. Pertanto
$\abs{HK} = \abs{H} \abs{K} = pq \implies G = HK$. \medskip
Per il Teorema di decomposizione di un gruppo in un prodotto semidiretto,
$G$ è isomorfo al prodotto semidiretto $H \rtimes_\varphi K$ con
$\varphi : K \to \Aut(H)$ tale per cui $k \xmapsto{\varphi} [h \mapsto k h k\inv]$.
Si osserva che $H \cong \ZZmod q$, $\Aut(H) \cong \ZZmod{q-1}$ e analogamente che
$K \cong \ZZmod p$. \medskip
Deve inoltre valere anche che $\abs{\Im \varphi} \mid \MCD(\abs{K},
\abs{\Aut(H)}) = \MCD(p, q-1)$. Pertanto, se $p \nmid q-1$, $\MCD(p, q-1) = 1$,
e quindi $\Im \varphi$ è banale. In tal caso $\varphi$ è la mappa che associa
ogni $k$ all'identità di $\Aut(H)$, e quindi $G \cong H \times K \cong \ZZmod p \times \ZZmod q \cong \ZZmod{pq}$, dove si è usato il Teorema cinese del resto. \medskip
Altrimenti $\MCD(p, q-1) = p$, e quindi $\Im \varphi$ può essere banale (riconducendoci
al caso di prima, in cui $G \cong \ZZmod{pq}$), oppure $\abs{\Im \varphi} = p$. Si
mostra adesso che i prodotti semidiretti su $\varphi$ non banale sono tutti isomorfi
a prescindere dalla scelta di $\varphi$. \medskip
%TODO: terminare la discussione del caso in cui p divide q-1
\end{proof}
\end{document}

@ -222,6 +222,7 @@
% Spesso utilizzati durante il corso di Algebra 1
\newcommand{\Dn}{D_n}
\newcommand{\Sn}{S_n}
\newcommand{\bij}{\leftrightarrow}
@ -257,6 +258,7 @@
\newtheorem*{example}{Esempio}
\newtheorem{exercise}{Esercizio}
\newtheorem{lemma}{Lemma}
\newtheorem*{nlemma}{Lemma}
\newtheorem*{note}{Nota}
\newtheorem*{remark}{Osservazione}
\newtheorem*{proposition}{Proposizione}

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