\documentclass[12pt]{scrartcl} \usepackage{notes_2023} \begin{document} \title{Commutatore e gruppo derivato} \maketitle \begin{note} Nel corso del documento con $G$ si indicherà un qualsiasi gruppo. \end{note} Siano $g$ e $h$ due elementi di $G$. Si definisce allora il loro \textbf{commutatore} come l'elemento $[g, h] = ghg\inv h\inv$. Tale elemento formalizza il concetto di ``misura di commutatività'', ossia identifica formalmente quanto $g$ e $h$ commutano. Infatti vale che: \[ [g,h] = e \iff gh=hg. \] Si definisce allora il \textbf{gruppo derivato} di $G$, indicato con $G'$, come il sottogruppo di $G$ generato dai commutatori: \[ G' = \gen{[g, h] \mid g, h \in G}. \] Si osserva che $[g, h] [h, g] = ghg\inv h\inv hg h\inv g\inv = e$, e quindi che $[g, h]\inv = [h, g]$. In particolare valgono alcune proprietà particolari per $G'$, riassunte dalla: \begin{proposition} Sia $N$ un sottogruppo normale di $G$ e sia $H$ un gruppo abeliano. Allora: \begin{enumerate}[(i)] \item $G'$ è un gruppo caratteristico, \item $G \quot G'$ è un gruppo abeliano, ed è indicato come $G_{ab}$, \textbf{l'abelianizzato di $G$}, \item Se $G \quot N$ è abeliano, $G' \leq N$\footnote{ In un certo senso, questo punto dimostra che la scelta di definire $G_{ab}$ è tutt'altro che data al caso. $G_{ab}$ è infatti il ``più stretto parente'' abeliano di $G$. Si osservi anche che $G$ abeliano $\implies$ $G' = \{e\}$ $\implies$ $G_{ab} \cong G$. },, \item Se $H$ è abeliano, ogni omomorfismo $\varphi \in \Hom(G, H)$ è tale per cui $G' \leq \Ker \varphi$, e quindi $\Hom(G, H)$ può identificarsi con $\Hom(G/G', H) = \Hom(G_{ab}, H)$. \end{enumerate} \end{proposition} \begin{proof} Si dimostrano le tesi punto per punto. \begin{enumerate}[(i)] \item Se si pone $S = \{ [x, y] \mid x, y \in G \}$ (ossia $S$ è l'insieme dei generatori di $G'$ dacché $S\inv = S$), è sufficiente mostrare che per $\varphi \in \Aut(G)$ vale che $\varphi(S) = S$. Allora $\varphi([x, y]) = \varphi(x) \varphi(y) \varphi(x)\inv \varphi(y)\inv = [\varphi(x), \varphi(y)] \in S$, mostrando dunque che $G'$ è caratteristico. \item $G \quot G'$ è un gruppo perché $G'$, in quanto caratteristico, è normale. Siano $x$, $y \in X$, allora $xyG' = yxG'$ perché $xy(yx)\inv = xyx\inv y \inv = [x, y] \in G'$ per definizione, e quindi $G_{ab}$ è abeliano. \item Se $G \quot N$ è abeliano, $xyN = yxN \implies xy(yx)\inv \in N \implies [x, y] \in N$. Poiché allora $S \subseteq N$, vale che $G' = \gen{S} \leq N$. \item È sufficiente mostrare che $S \subseteq \Ker \varphi$. Si verifica dunque che: \[ \varphi([x, y]) = \varphi(x) \varphi(y) \varphi(x)\inv \varphi(y)\inv = e \implies [x, y] \in \Ker \varphi. \] Poiché allora $G' \subseteq \Ker \varphi$, per il Primo teorema di isomorfismo, ogni omomorfismo $\varphi \in \Hom(G, H)$ ammette un unico omomorfismo $\varphi' \in \Hom(G \quot G', H) = \Hom(G_{ab}, H)$ tale per cui il seguente diagramma commuti: \[\begin{tikzcd}[cramped] G && H \\ \\ {G_{ab}} \arrow["\varphi", from=1-1, to=1-3] \arrow["{\pi_{G_{ab}}}"', two heads, from=1-1, to=3-1] \arrow["{\varphi'}"', from=3-1, to=1-3] \end{tikzcd}\] Pertanto $\Hom(G, H) \bij \Hom(G_{ab}, H)$. \end{enumerate} \end{proof} \end{document}