Sección6.2Teorema de Lagrange
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Proposición6.9
Sea \(H\) un subgrupo de \(G\) con \(g \in G\) y definamos una función \(\phi:H \rightarrow gH\) como \(\phi(h) = gh\text{.}\) La función \(\phi\) es biyectiva; luego el número de elementos en \(H\) es el mismo que el número de elementos en \(gH\text{.}\)
Demostración
Primero demostraremos que \(\phi\) es 1-1. Supongamos que \(\phi(h_1) = \phi(h_2)\) para ciertos elementos \(h_1, h_2 \in H\text{.}\) Debemos mostrar que \(h_1 = h_2\text{,}\) pero \(\phi(h_1) = gh_1\) y \(\phi(h_2) = gh_2\text{.}\) Así \(gh_1 = gh_2\text{,}\) y por cancelación a la izquierda \(h_1= h_2\text{.}\) Mostrar que \(\phi\) es sobreyectiva es fácil. Por definición, todo elemento de \(gH\) es de la forma \(gh\) para cierto \(h \in H\) y \(\phi(h) = gh\text{.}\)
Teorema6.10Lagrange
Sea \(G\) un grupo finito y sea \(H\) un subgrupo de \(G\text{.}\) Entonces \(|G|/|H| = [G : H]\) es el número de clases laterales izquierdas diferentes de \(H\) en \(G\text{.}\) En particular, el número de elementos en \(H\) debe dividir al número de elementos en \(G\text{.}\)
Demostración
El grupo \(G\) está particionado en \([G : H]\) clases lateralez izquierdas diferentes. Cada clase lateral izquierda tiene \(|H|\) elementos; por lo tanto, \(|G| = [G : H] |H|\text{.}\)
Corolario6.11
Supongamos que \(G\) es un grupo finito y que \(g \in G\text{.}\) Entonces el orden de \(g\) divide al número de elementos en \(G\text{.}\)
Corolario6.12
Sea \(|G| = p\) con \(p\) primo. Entonces \(G\) es cíclico y cualquier \(g \in G\) tal que \(g \neq e\) es un generador.
Demostración
Sea \(g\) un elemento de \(G\) tal que \(g \neq e\text{.}\) Por el Corolario 6.11, el orden de \(g\) divide el orden del grupo. Como \(|\langle g \rangle| \gt 1\text{,}\) debe ser \(p\text{.}\) Luego, \(g\) genera \(G\text{.}\)
El Corolario 6.12 sugiere que los grupos de orden primo \(p\) se ven de alguna manera como \({\mathbb Z}_p\text{.}\)
Corolario6.13
Sean \(H\) y \(K\) sbgrupos de un grupo finito \(G\) tales que \(G \supset H \supset K\text{.}\) Entonces
\begin{equation*}
[G:K] = [G:H][H:K].
\end{equation*}
Demostración
Notemos que
\begin{equation*}
[G:K] = \frac{|G|}{|K|} = \frac{|G|}{|H|} \cdot \frac{|H|}{|K|} = [G:H][H:K].
\end{equation*}
Proposición6.15
El grupo \(A_4\) no tiene subgrupo de orden 6.
Demostración
Como \([A_4 : H] = 2\text{,}\) hay solo dos clases laterales de \(H\) en \(A_4\text{.}\) En tanto una de las clases laterales es el mismo \(H\text{,}\) clases laterales derechas e izquierdas deben coincidir; por lo tanto, \(gH = Hg\) o \(g H g^{-1} = H\) para todo \(g \in A_4\text{.}\) Como existen ocho 3-ciclos en \(A_4\text{,}\) al menos uno de los 3-ciclos debe estar en \(H\text{.}\) Sin perder generalidad, supongamos que \((123)\) está en \(H\text{.}\) Entonces \((123)^{-1} = (132)\) también debe estar en \(H\text{.}\) Como \(g h g^{-1} \in H\) para todo \(g \in A_4\) y todo \(h \in H\) y
\begin{align*}
(124)(123)(124)^{-1} & = (124)(123)(142) = (243)\\
(243)(123)(243)^{-1} & = (243)(123)(234) = (142)
\end{align*}
concluimos que \(H\) debe tener al menos los siete elementos
\begin{equation*}
(1), (123), (132), (243), (243)^{-1} = (234), (142), (142)^{-1} = (124).
\end{equation*}
Por lo tanto, \(A_4\) no tiene subgrupo de orden 6.
De hecho, podemos decir más cuándo dos ciclos tienen el mismo largo.
Teorema6.16
Dos ciclos \(\tau\) y \(\mu\) en \(S_n\) tienen el mismo largo si y solo si existe \(\sigma \in S_n\) tal que \(\mu = \sigma \tau \sigma^{-1}\text{.}\)
Demostración
Supongamos que
\begin{align*}
\tau & = (a_1, a_2, \ldots, a_k )\\
\mu & = (b_1, b_2, \ldots, b_k ).
\end{align*}
Defina \(\sigma\) como la permutación
\begin{align*}
\sigma( a_1 ) & = b_1\\
\sigma( a_2 ) & = b_2\\
& \vdots \\
\sigma( a_k ) & = b_k.
\end{align*}
Entonces \(\mu = \sigma \tau \sigma^{-1}\text{.}\)
Recíprocamente, supongamos que \(\tau = (a_1, a_2, \ldots, a_k )\) es un \(k\)-cycle y \(\sigma \in S_n\text{.}\) Si \(\sigma( a_i ) = b\) y \(\sigma( a_{(i \bmod k) + 1 )} = b'\text{,}\) entonces \(\mu( b) = b'\text{.}\) Luego,
\begin{equation*}
\mu = ( \sigma(a_1), \sigma(a_2), \ldots, \sigma(a_k) ).
\end{equation*}
Como \(\sigma\) es una biyección, \(\mu\) es un ciclo del mismo largo que \(\tau\text{.}\)