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Estructura de grupos de orden $pq$, donde $p,q$ son primos distintos.

No conozco los Teoremas de Sylow.

Pero he estado pensando en una demostración del hecho de que un grupo de orden $pq$, donde $p$ y $q$ son primos distintos, debe ser cíclico. No logro entender completamente los detalles, pero aquí está la idea general. Me gustaría ayuda para completar los detalles. Parto del supuesto de que ya se sabe que $G$ tiene subgrupos de orden $p$ y subgrupos de orden $q$.

Si $G$ es un grupo de orden $pq$ ($p\neq q$), entonces sé que $G$ tiene un subgrupo $H$ de orden $p$ y un subgrupo $K$ de orden $q$. Entonces $H\simeq \mathbb{Z}_p$ y $K\simeq \mathbb{Z}_q.

Pero entonces $H\oplus K \simeq \mathbb{Z}_{pq}$, así que pensaríamos que $H\oplus K \simeq G$. Supongo que se podría hacer un producto directo interno en lugar de un producto directo externo, pero no sé si $H$ y $K$ son subgrupos normales.

Pido ayuda para completar este argumento.

Editar: Veo en los comentarios que a continuación que tal vez necesite suponer que el primo más pequeño no divide al primo más grande menos $1$. O quizás es suficiente asumir que los primos son mayores o iguales a $3$ (todavía distintos).

48voto

luv Puntos 111

Para un grupo en general de orden $p$ y $q$, hay muy pocas posibilidades (aunque necesitas los teoremas de Sylow para saber esto). De hecho, para $p>q$ y $G$ un grupo de orden $pq$, debemos tener $$G\cong C_p\rtimes C_q$$ donde el producto semidirecto está definido en términos de algún homomorfismo $$\Phi:C_q\to\mathrm{Aut}(C_p)\cong C_{p-1}.$$

Si $q$ no divide a $p-1$, este homomorfismo debe ser trivial y obtienes $G\cong C_p\times C_q\cong C_{pq}$.

Cuando $\Phi$ es no trivial, podemos escribir $\Phi(c_q^k)=\phi_k$. Entonces, la estructura de producto en $C_p\rtimes C_q$ está dada por $$(c_p^a,c_q^b)(c_p^r,c_q^s)=(c_p^a\phi_b(c_p)^r,c_q^{b+s}).$$ Es un buen ejercicio verificar que esta es una estructura de grupo, y que $C_p$ es normal. También es útil describir explícitamente el isomorfismo $S_3\to C_3\rtimes C_2$.

EDITAR: Como estás solicitando más detalle, aquí lo tienes:

Sea $G$ un grupo de orden $pq$ con primos $p>q$. Usando el teorema de Cauchy, hay subgrupos (cíclicos) $P=\langle x\mid x^p=1\rangle$ y $Q=\langle y\mid y^q=1\rangle$ de órdenes $p$ y $q$, respectivamente. Se sigue de los teoremas de Sylow que $P\lhd G$ es normal (Dado que todos los subgrupos de Sylow $p$ son conjugados en $G$ y el número $n_p$ de subgrupos de Sylow $p$ debe dividir a $q$ y satisface $n_p\equiv 1$ (mod $p$)).

Con esto dado, es sencillo probar que $G\cong P\rtimes Q$, donde el producto semidirecto está definido en términos de un homomorfismo $\phi:Q\to\mathrm{Aut}(P)$.

  1. Primero notamos que dado que $|P\cap Q|$ divide tanto $p$ como $q$, debemos tener $|P\cap Q|=1$. Se sigue que $$|PQ|=\frac{|P||Q|}{|P\cap Q|}=pq=|G|$$ Por lo tanto, $PQ=G$.

  2. Ahora, dado que $Q=\langle y\rangle$ normaliza a $P=\langle x\rangle$, el mapa $\phi_k:P\to P$ dado por $\phi_k(x)=y^kxy^{-k}$ está bien definido. Además, es claramente un automorfismo con inverso $\phi_{-k}$. Finalmente, dado que $\phi_{k}\phi_j=\phi_{k+j}$, el mapa $y^k\mapsto\phi_k$ define un homomorfismo $$\phi:Q\to \mathrm{Aut}(P).$$

  3. Como arriba, definimos $P\rtimes Q$ como $P\times Q$ como un conjunto, con la multiplicación $$(x^i,y^j)(x^k,y^l)=(x^i\phi_j(x^k),y^{j+k}).$$ Por supuesto, es necesario verificar que esto es de hecho un grupo. La identidad es $(1,1)$, $(x^k,y^l)^{-1}=(\phi_{-l}(x^{-k}),y^{-l}). La asociatividad es tediosa pero verdadera.

  4. Definimos un mapa $\psi: P\rtimes Q\to G$ por $\psi(x^i,y^j)=x^iy^j$. El mapa $\psi$ es sobreyectivo ya que $PQ=G$, y es inyectivo porque $|P\rtimes Q|=pq=|G|$. Para ver que es un homomorfismo calculamos \begin{align*} \psi((x^i,y^j)(x^k,y^l))&=\psi(x^i\phi_j(x^k),y^{j+l})\\ &=x^i\phi_j(x^k)y^{j+l}\\ &=x^i(y^jx^ky^{-j})y^{j+l}\\ &=x^iy^jx^ky^l=\psi(x^i,y^j)\psi(x^k,y^l). \end{align*} Por lo tanto, $\psi$ es un isomorfismo como se prometió.

  5. Ahora bien, el homomorfismo $phi:Q\to\mathrm{Aut}(P)$ es trivial o no. Si es trivial, entonces $$G\cong P\rtimes Q=P\times Q\cong C_p\times C_q\cong C_{pq}.$$ Si el homomorfismo es no trivial, entonces $G$ tiene la siguiente presentación: $$G = \langle x,y\mid x^p=1=y^q, yx=x^ny\rangle$$ donde $n\in\mathbb{Z}$ satisface $n\not\equiv1 \bmod p$), pero $n^q\equiv 1 \bmod p$). (Para ver esto, observa que $yxy^{-1}=x^n$ para algún $n\not\equiv_p 1$, pero $x=y^qxy^{-q}=x^{n^q}$.)

  6. Esto funciona para cualquier par de primos con $q|(p-1)$, no solo con $p=3$. Un ejemplo: $p=11$, $q=5$. Tomamos $n=3$ y tenemos $$G=\langle x,y\mid x^{11}=1,y^5=1,yx=x^3y\rangle.$$ Este grupo tiene orden $55$ y puedes calcular \begin{align*} yxy^{-1}&=x^3\\ yx^3y^{-1}&=(yxy^{-1})^3=x^9\\ yx^{9}y^{-1}&=x^{27}=x^5\\ yx^5y^{-1}&=x^{15}=x^4\\ yx^4y^{-1}&=x^{12}=x \end{align*}

14voto

merkuro Puntos 4077

Sea $\lvert G \rvert = pq$ para números primos $p, q$ tal que $q < p$ y $q \not \mid p-1$. Sean $n_p$ y $n_q$ el número de subgrupos de Sylow de $p$ y de $q$, respectivamente.

Por el Tercer Teorema de Sylow, $n_p \mid q$ y $n_p \equiv 1 \pmod p$ lo cual implica que $n_p = 1$ ya que $q < p$.

De manera similar, $n_q \mid p$ y $n_q \equiv 1 \pmod q$ implica que $n_q = 1$ ya que $p \not\equiv 1 \pmod q$.

Sea $P$ el único subgrupo de Sylow de $p$ y $Q$ el único subgrupo de Sylow de $q$. Dado que $p$ y $q$ son primos, $P$ y $Q$ son cíclicos: $P \cong \mathbb Z / p \mathbb Z$ y $Q \cong \mathbb Z / q \mathbb Z$.

Reafirmación del 1. de la respuesta de David Hill: $P \cap Q \le P, Q$ entonces por el teorema de Lagrange tenemos que $|P\cap Q|$ divide tanto a $p$ como a $q$, y debemos tener $|P\cap Q|=1$. Se sigue entonces que $$|PQ|=\frac{|P||Q|}{|P\cap Q|}=pq=|G|$$ Por lo tanto, $PQ=G$. Dado que $P$ y $Q$ son únicos, por consecuencia del Tercer Teorema de Sylow, $P,Q \lhd G$. Luego el producto directo interno y externo son isomorfos, entonces $G \cong P \times Q$.

Un análogo al Teorema Chino del Residuo para grupos muestra que si $\operatorname{gcd}(m,n)=1$ entonces $\mathbb Z / m \mathbb Z \times \mathbb Z / n \mathbb Z \cong \mathbb Z / mn \mathbb Z$. (demostrado con el Primer Teorema de Isomorfismo y el Teorema Chino del Residuo estándar) Así que por este teorema, $G \cong P \times Q \cong \mathbb Z / pq \mathbb Z$ y por lo tanto cíclico.

8voto

user279325 Puntos 109

Considera $S_3$, el grupo de simetrías del triángulo. No es cíclico y tiene orden $6=2\cdot 3$.

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