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Matemáticas · Glosario

¿Qué es subgrupo normal?

Definición 1.1 Matemáticas universitarias — Grado 3 · Capítulo 1 — Teoría de grupos

Un subgrupo NN de GG es normal (se escribe N⊴GN \trianglelefteq G) cuando gNg−1=NgNg^{-1} = N para todo g∈Gg \in G — equivalentemente, cuando las clases laterales por la izquierda y por la derecha coinciden: gN=NggN = Ng para todo gg.

Ejemplos

Ejemplo 1.9

Cinco acciones gobiernan toda la teoría de grupos finitos:

  1. GG sobre sí mismo por traslación por la izquierda g⋅x=gxg \cdot x = gx: libre y transitiva.
  2. GG sobre sí mismo por conjugación g⋅x=gxg−1g \cdot x = gxg^{-1}: las órbitas son las clases de conjugación, los estabilizadores los centralizadores ZG(x)={g:gx=xg}Z_G(x) = \{g : gx = xg\} y los puntos fijos el centro Z(G)Z(G).
  3. GG sobre el espacio de clases G/HG/H por g⋅xH=gxHg \cdot xH = gxH: transitiva, con estabilizador de la clase HH igual a HH. Toda acción transitiva es de esta forma (Ejercicio 1.8).
  4. GG sobre el conjunto de sus subgrupos por conjugación: el estabilizador de HH es el normalizador NG(H)={g:gHg−1=H}N_G(H) = \{g : gHg^{-1} = H\}, el mayor subgrupo de GG en el que HH es normal.
  5. SnS_n sobre [ ⁣[1, n] ⁣]\intint{1}{n}: la madre de todos los ejemplos.

Ejemplo 1.22

Sea ∣G∣=pq\abs G = pq con p<qp < q primos y p∤q−1p \nmid q - 1. Entonces nq∣pn_q \mid p y nq≡1 mod qn_q \equiv 1 \bmod q obligan a nq=1n_q = 1 (pues p<qp < q); np∣qn_p \mid q y np≡1 mod pn_p \equiv 1 \bmod p obligan a np=1n_p = 1 (pues q≢1 mod pq \not\equiv 1 \bmod p). Sean P,QP, Q los dos subgrupos de Sylow normales: P∩Q={e}P \cap Q = \{e\} (órdenes coprimos), luego ∣PQ∣=pq\abs{PQ} = pq (Ejercicio 1.4) y G≅P×Q≅Z/pZ×Z/qZ≅Z/pqZG \cong P \times Q \cong \Z/p\Z \times \Z/q\Z \cong \Z/pq\Z por la Proposición 1.24 de más abajo. Todo grupo de orden 1515, 3333, 3535, … es cíclico. El caso excluido p∣q−1p \mid q - 1 produce exactamente un grupo más, no abeliano — véase el problema de fin de semana (Problema 1.1).

Ejemplo 1.23 (Un censo de Sylow completo: S4S_4)

Apliquemos el método a G=S4G = S_4, ∣G∣=24=23⋅3\abs G = 24 = 2^3\cdot3. Sylow 33: n3∣8n_3 \mid 8, n3≡1 mod 3n_3 \equiv 1 \bmod 3, luego n3∈{1,4}n_3 \in \{1, 4\}; como ⟨(123)⟩\langle(123)\rangle y ⟨(124)⟩\langle(124)\rangle son distintos, n3=4n_3 = 4 — los cuatro subgrupos ⟨(abc)⟩\langle(abc)\rangle, uno por cada subconjunto 33 de {a,b,c}\{a, b, c\} elementos, que dan cuenta de los 88 ciclos de longitud tres. Por Sylow II son conjugados, y aquí el morfismo de conjugación S4→SSyl3≅S4S_4 \to S_{\mathrm{Syl}_3} \cong S_4 es un isomorfismo (su núcleo está contenido en N=NG(⟨(123)⟩)N = N_G(\langle(123)\rangle), de orden 24/4=624/4 = 6, y un subgrupo normal de S4S_4 dentro de un S3S_3 como NN ha de ser trivial: constaría de permutaciones pares que fijan los cuatro subgrupos de Sylow, y solo ee lo hace). Sylow 22: n2∣3n_2 \mid 3, n2≡1 mod 2n_2 \equiv 1 \bmod 2: n2∈{1,3}n_2 \in \{1, 3\}. El subgrupo D=⟨(1234),(13)⟩D = \langle(1234), (13)\rangle tiene orden 88 (un diédrico D4D_4: las simetrías del cuadrado de vértices 1,2,3,41, 2, 3, 4), no es normal ((12)(1234)(12)=(2134)(12)(1234)(12) = (2134) genera un subgrupo cíclico de orden 44 distinto), luego n2=3n_2 = 3: las tres copias de D4D_4 corresponden a las tres maneras de emparejar 44 puntos formando un «cuadrado». Obsérvese la moraleja del censo: ∣S4∣=24\abs{S_4} = 24 deja margen para que cualquiera de los dos Sylow deje de ser normal, y ambos lo hacen — compárese con el orden 1212, donde el recuento obliga a que uno de ellos sea normal (Parte IV del Problema 1.1).

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