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Si un subgrupo $S$ de $G$ es Abeliano (¡el subgrupo, no el grupo entero!) ¿entonces es $S$ un subgrupo normal?

Vi un destello de similitud en sus definiciones y pensé en intentar probar o refutarlo.

Tengo la sensación de que es cierto, pero mis intentos de formar una prueba (de que dado un subgrupo abeliano, ese grupo es un subgrupo normal) usando el estilo $x\in S$ para mostrar que si está en el LHS entonces está en el RHS han fallado porque debo tener cuidado de que no esté en la parte no abeliana.

Me encantaría tener un ejemplo de que es cierto, o que es falso, mi fracaso en probar podría deberse a que no es cierto.

He intentado buscar, pero los resultados de búsqueda son para "cada subgrupo de un grupo abeliano es normal", lo cual es algo totalmente diferente.

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Sasha Patotski Puntos 4506

Toma el grupo $S_n$ de permutaciones. El subgrupo generado por una trasposición $(12)$ es cíclico, pero no es normal.

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Monkey Wrench Puntos 1

Resulta ser falso. Considere, por ejemplo, el grupo diedral $D_8$ de orden $8$, que puede verse como compuesto por reflexiones y rotaciones. El subgrupo $H$ generado por cualquier reflexión $h$ de orden $2$ es abeliano pero no es un subgrupo normal de $D_8$. De hecho, si $g\in D_8$ tiene orden $4$, entonces $g^{-1}Hg$ es un subgrupo diferente de orden $2$.

Más generalmente, aquí hay una condición necesaria y suficiente para que un subgrupo de orden $2$ sea un subgrupo normal.

Proposición. Sea $G$ cualquier grupo. Si $N$ es un subgrupo de $G$ tal que $|N|=2$, entonces $N\lhd G$ si y solo si $N\subseteq Z(G)$, donde $Z(G)$ es el centro de $G$.

Prueba. La implicación hacia atrás sigue del hecho de que la conjugación por cualquier elemento de $G$ fija cualquier elemento de $Z(G)$, incluyendo todos los elementos de $N$.

Volviendo ahora a la implicación directa. Sea $N\lhd G$, y suponga $N=\{e,x\}$, donde $e$ es el elemento identidad de $G$, y $x$ es cualquier elemento no identidad de $G$. Notamos que $e\in Z(G)$, porque $Z(G)$ es un subgrupo de $G$. Luego, sea $g\in G$. Tenemos, $$g^{-1}xg\in g^{-1}Ng=N$$ porque $N$ es un subgrupo normal de $G$. Por lo tanto, $g^{-1}xg=x$ o $g^{-1}xg=e$. Si $g^{-1}xg=e$, entonces $x=gg^{-1}=e$, lo cual es una contradicción. Por lo tanto, $g^{-1}xg = x$. Se sigue que $x$ conmuta con cada elemento de $G$, por lo que $x\in Z(G)$. Dado que tanto $e$ como $x$ pertenecen a $Z(G)$, tenemos $N\subseteq Z(G)$. q.e.d.

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justartem Puntos 13

¿Por qué lo haría? queremos demostrar que para cualquier $G \in G$ y $h \in S$ $ghg^{-1}\in G$ pero esto no depende de la estructura de $S$ sino más bien de la estructura de $G.

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