\documentclass[12pt]{scrartcl} \usepackage{notes_2023} \begin{document} \title{Normalizzatore e teorema di Cayley} \maketitle \begin{note} Nel corso del documento per $(G, \cdot)$ si intenderà un qualsiasi gruppo. \end{note} Sia $X = \{ H \subseteq G \mid H \leq G \}$ l'insieme dei sottogruppi di $G$. Allora si può costruire un'azione $\varphi : G \to S(X)$ in modo tale che: \[ g \xmapsto{\varphi} \left[ H \mapsto gHg\inv \right]. \] Si definisce \textbf{normalizzatore} lo stabilizzatore di un sottogruppo $H$ (e si indica con $N_G(H)$), mentre $\Orb(H)$ è l'insieme dei \textbf{coniugati} di $H$. In particolare $N_G(H)$ è il massimo sottogruppo per inclusione in cui $H$ è normale. \medskip Si osserva ora in modo cruciale che $H \nsgeq G$ se e solo se $\Orb(H) = \{H\}$, e quindi se e solo se $N_G(H) = G$. Analogamente si osserva che $H$ è normale se e solo se: \[ H = \bigcup_{h \in H} \Cl(h). \] \bigskip Si illustra adesso un risultato principale della teoria dei gruppi che mette in relazione ogni gruppo con il proprio gruppo di bigezioni, ed ogni gruppo finito con i sottogruppi dei gruppi simmetrici. \begin{theorem}[di Cayley] Ogni gruppo è isomorfo a un sottogruppo del suo gruppo di bigezioni. In particolare, ogni gruppo finito $G$ è isomorfo a un sottogruppo di un gruppo simmetrico. \end{theorem} \begin{proof} Si consideri l'azione\footnote{Tale azione prende il nome di \textbf{rappresentazione regolare a sinistra}. Si può infatti definire un'azione analoga a destra ponendo $g \mapsto \left[ h \mapsto hg\inv \right]$, costruendo dunque una \textit{rappresentazione regolare a destra}.} $\varphi : G \to S(G)$ tale per cui: \[ g \xmapsto{\varphi} \left[ h \mapsto gh \right]. \] Si mostra che $\varphi$ è fedele\footnote{L'azione $\varphi$ è molto più che fedele; è infatti innanzitutto libera.}. Sia infatti $\varphi(g) = \Id$; allora vale che $ge = e \implies g = e$. Quindi $\Ker \varphi$ è banale, e per il Primo teorema di isomorfismo vale che: \[ G \cong \Im \varphi \leq S(G). \] Se $G$ è finito, $S(G)$ è isomorfo a $S_n$, dove $n := \abs{G}$, e quindi $\Im \varphi$ è a sua volta isomorfo a un sottogruppo di $S_n$, da cui la tesi. \end{proof} Si presentano adesso due risultati interessanti legati ai sottogruppi normali di un gruppo $G$. \begin{proposition} Sia $H \leq G$. Allora, se $[G : H] = 2$, $H$ è normale in $G$. \end{proposition} \begin{proof} Poiché $[G : H] = 2$, le uniche classi laterali sinistre rispetto ad $H$ in $G$ sono $H$ e $gH = G \setminus H$, dove $g \notin H$. Analogamente esistono due sole classi laterali destre, $H$ e $Hg = G \setminus H$. In particolare $gH$ deve obbligatoriamente essere uguale a $Hg$, e quindi $gHg\inv = H$, da cui la tesi. \end{proof} \begin{proposition} Siano $K \leq H \leq G$. Allora, se $H$ è normale in $G$ e $K$ è caratteristico in $H$, $K$ è normale in $G$. \end{proposition} \begin{proof} Sia $\varphi_g \in \Inn(G)$. Poiché $H$ è normale in $G$, $\varphi_g(H) = H$. Pertanto si può considerare la restrizione di $\varphi_g$ su $H$, $\restr{\varphi_g}{H}$. In particolare $\restr{\varphi_g}{H}$ è un automorfismo di $\Aut(H)$, e quindi, poiché $K$ è caratteristico in $H$, $\restr{\varphi_g}{H}(K) = K$, da cui si deduce che $gKg\inv = K$ per ogni $g \in G$. \end{proof} \end{document}