Математика / Курсовая работа: Теоремы Силова

Курсовая работа: Теоремы Силова

ВВЕДЕНИЕ

Строение абелевых групп во многом определяется строением максимальных р-подгрупп. В теории конечных групп максимальные подгруппы также играют существенную роль. Теорема, доказанная норвежским математиком Л. Силовом в 1872 году, явилась краеугольным камнем теории конечных групп. Она неоднократно обобщалась в разных направлениях как в нашей стране (С. А. Чунихин и др.), так и за рубежом (Ф. Холл и др.). В связи с этой теоремой и в честь ее автора максимальные р-подгруппы конечных (а часто и бесконечных) групп называются силовскими р-подгруппами. Проблема нахождения силовской подгруппы данной группы является важной задачей вычислительной теории групп. Для групп перестановок Уильям Кантор доказал, что силовская p-подгруппа может быть найдена за время, полиномиальное от размера задачи (в данном случае это порядок группы, помноженный на количество порождающих элементов).

Говорят, что группа G действует на множестве М, если для каждых элементов, определен элемент , причем и me=m для всех , ; здесь e — единица группы G. Множество называется орбитой элемента m. Очевидно, орбиты любых двух элементов из М либо совпадают, либо не пересекаются, так что множество М разбивается на непересекающиеся орбиты. Людвиг Силов (норв. Peter Ludvig Mejdell Sylow — фонетически правильней транслитерация «Сюлов»; 1832—1918) — норвежский математик. Автор нескольких работ по теории эллиптических функций и по теории групп. С 1858 по 1898 годы был учителем в школе в городе Фредериксхальд. В 1862 году Силов заменил профессора по теории Галуа в университете Христиании, где он поставил задачу, которая привела к наиболее важному результату его жизни — так называемым теоремам Силова, опубликованным в 1872 году.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕМЫ СИЛОВА

Пусть G – конечная группа, а р – простое число, которое делит порядок G. Подгруппы порядка p^t называются р-подгруппами. Выделим из порядка группы G примарный делитель по р, то есть | G | = pⁿ s , где s не делится на р. Тогда силовской р-подгруппой называется подгруппа G, имеющая порядок pⁿ . Под N(P) понимается нормализатор подгруппы Р в G.

Теорема 1.(первая теорема Силова).

Силовские р-подгруппы существуют.

Доказательство.

Докажем теорему индукцией по порядку G. При |G| = p теорема верна. Пусть теперь |G| > p. Пусть Z(G) - центр группы G. Возможны два случая:

а) p делит |Z|. Тогда в центре существует циклическая группа (как элемент примарного разложения центра), которая нормальна в G. Факторгруппа G по этой циклической группе имеет меньший порядок, чем G, значит, по предположению индукции, в ней существует силовская p-подгруппа. Рассмотрим её прообраз в G. Он и будет нужной нам силовской p-подгруппой G.

б) p не делит |Z|. Тогда рассмотрим разбиение G на классы сопряжённости: (поскольку если элемент лежит в центре, то его класс сопряжённости состоит из него одного). Порядок G делится на p, значит, должен найтись класс K_a , порядок которого не делится на p. Соответствующий ему нормализатор имеет порядок pⁿ r, r < s. Значит, по предположению индукции, в нём найдётся силовская p-подгруппа — она и будет искомой.

Теорема 2.(вторая теорема Силова).

Всякая p-подгруппа содержится в некоторой силовской p-подгруппе. Все силовские p-подгруппы сопряжены (т.е. каждая представляется в виде gPg ^{− 1} , где g — элемент группы, а P — силовская подгруппа из теоремы 1).

Доказательство

Итак, пусть силовские р-подгруппы в Gсуществуют и Р — одна из них. Пусть, далее, — произвольная р-подгруппа группы G, не обязательно силовская. Заставим действовать левыми сдвигами на множестве левых смежных классов Gпо Р. Длина любой орбиты относительно делит порядок ,. Таким образом,

где,... — длины орбит. Так как НОД(m,p) = 1, то хотя бы одна орбита имеет длину p^ki = 1, т. е.

(1)

для некоторого элемента. Переписав соотношение (1) в виде, мы приходим к заключению, что

(2)

(поскольку — группа). В частности, если — силовская р-подгруппа, то | | = |Р|, и из (2) следует, что =.

Теорема 3(третья теорема Силова).

Количество силовских p-подгрупп сравнимо с единицей по модулю pи делит порядок G.

Доказательство.

Рассмотрим несколько более общую ситуацию. Именно, пусть , где , t может делится на p, и пусть - число всех подгрупп порядка в G. Оказывается, что имеет место сравнение , в частности, G содержит подгруппы любого порядка , s=1,2,…,n и .