\documentclass[12pt]{scrartcl} \usepackage{notes_2023} \begin{document} \title{Azione di coniugio e $p$-gruppi} \maketitle \begin{note} Nel corso del documento per $(G, \cdot)$ si intenderà un qualsiasi gruppo. \end{note} Si consideri l'omomorfismo $\zeta$ che associa ad ogni $g \in G$ l'automorfismo interno che induce. Questo omomorfismo induce la cosiddetta: \begin{definition}[azione di coniugio] Si definisce \textbf{azione di coniugio} l'azione di $G$ su sé stesso indotta da $\zeta : G \to \Aut(G)$ dove: \[ g \xmapsto{\zeta} \varphi_g = \left[ h \mapsto g h g\inv \right]. \] \end{definition} L'orbita di un elemento $g \in G$ prende in questo particolare caso il nome di \textbf{classe di coniugio} (e si indica come $\Cl(g)$), mentre il suo stabilizzatore viene detto \textbf{centralizzatore} (indicato con $Z_G(g)$). Si verifica facilmente che $Z_G(g)$ è composto da tutti gli elementi $h \in G$ che commutano con $g$, ossia tali che $gh = hg$. Allora vale in particolare che: \[ Z(G) = \Ker \zeta = \bigcap_{g \in G} Z_G(g). \] \medskip Si osserva inoltre che se $g \in Z(G)$, allora $\Cl(g) = \{g\}$ (infatti, per $h \in G$, si avrebbe $h g h\inv = h h\inv g = g$). Si può dunque riscrivere la somma data dal Teorema orbita-stabilizzatore nel seguente modo: \[ \abs{G} = \sum_{g \in \mathcal{R}} \frac{\abs{G}}{\abs{Z_G(g)}} = \sum_{g \in Z(G)} \underbrace{\abs{\Cl(g)}}_{=1} + \sum_{g \in \mathcal{R} \setminus Z(G)} \frac{\abs{G}}{\abs{Z_G(g)}} = (*), \] che riscritta ancora si risolve nella \textbf{formula delle classi di coniugio}: \[ (*) = \abs{Z(G)} + \sum_{g \in \mathcal{R} \setminus Z(G)} \frac{\abs{G}}{\abs{Z_G(g)}}, \] dove $\mathcal{R}$ è un insieme di rappresentanti delle orbite dell'azione di coniugio (si osserva che ogni elemento di $Z(G)$ è un rappresentante dacché l'orbita di un elemento del centro è banale). \medskip Utilizzando la nozione di centralizzatore, si può contare ``facilmente'' il numero di classi di coniugio di un gruppo. Infatti, si osserva crucialmente che $\Fix(g)$ (il numero di elementi di $G$ lasciati invariati sotto il coniugio di $g$) è lo stesso insieme $Z_G(g)$. Infatti vale che: \[ \Fix(g) = \{ h \in G \mid gh = hg \} = Z_G(g). \] Allora, per il lemma di Burnside, se $k(G)$ è il numero di classi di coniugio di $G$, vale che: \[ k(G) = \frac{1}{\abs{G}} \sum_{g \in G} \abs{Z_G(g)}. \] \bigskip La formula delle classi di coniugio risulta in particolare utile nella discussione dei $p$-gruppi, definiti di seguito. \begin{definition}[$p$-gruppo] Sia $G$ un gruppo finito. $G$ si dice allora \textbf{$p$-gruppo} se $\abs{G} = p^n$ per $n \in \NN^+$ e un numero primo $p \in \NN$. \end{definition} Infatti, grazie alla formula delle classi di coniugio, si osserva facilmente che il centro di un $p$-gruppo non è mai banale (ossia composto dalla sola identità), come mostra la: \begin{proposition} Sia $G$ un $p$-gruppo. Allora $\abs{Z(G)} > 1$. \end{proposition} \begin{proof} Dalla formula delle classi di coniugio si ha che: \[ \abs{G} = \abs{Z(G)} + \sum_{g \in \mathcal{R} \setminus Z(G)} \frac{\abs G}{\abs{Z_G(g)}}. \] Si osserva in particolare che il secondo termine della somma a destra è divisibile per $p$. Infatti, poiché $g \notin Z(G)$ per ipotesi, $Z_G(g) \neq Z(G)$; da cui si deduce che $\abs{Z_G(g)}$ deve essere un divisore stretto di $p^n$, e dunque che $p \mid \nicefrac{\abs G}{\abs{Z_G(g)}}$. Prendendo l'identità di sopra modulo $p$, si deduce allora che: \[ \abs{Z(G)} \equiv 0 \pod p. \] Combinando questo risultato col fatto che $\abs{Z(G)} \geq 1$ (infatti $Z(G) \leq G$), si conclude che deve valere necessariamente la tesi. \end{proof} \medskip Quest'ultima proposizione spiana il terreno per un risultato interessante sui gruppi di ordine $p^2$, come mostra il: \begin{theorem} Ogni gruppo $G$ di ordine $p^2$ è abeliano. \end{theorem} \begin{proof} Dal momento che $G$ è un $p$-gruppo, per la precedente proposizione $\abs{Z(G)} > 1$. Allora $\abs{Z(G)}$ è pari a $p$ o $p^2$, per il Teorema di Lagrange. Se $\abs{Z(G)}$ fosse pari a $p$, allora $\abs{G \quot Z(G)} = \nicefrac{\abs G}{\abs{Z(G)}} = p$. Pertanto $G \quot Z(G)$ sarebbe ciclico, e dunque $G$ sarebbe abeliano; assurdo, dal momento che si era presupposto che $Z(G)$ fosse un sottogruppo proprio di $G$, \Lightning. Allora $Z(G)$ ha ordine $p^2$, e dunque $Z(G) = G$. \end{proof} Questo risultato ha un'immediata applicazione, se combinato con il Teorema fondamentale dei gruppi abeliani finiti. Infatti, esso implica che $G$ deve per forza essere isomorfo a $\ZZ_{p^2}$ o a $\ZZ_{p} \times \ZZ_{p}$. \end{document}