Οµάδες και Υποοµάδες. Κεφάλαιο Συνοπτική Θεωρία Η Εννοια της Οµάδας - Βασικές Ιδιότητες Οµάδων

Transcript

1 Κεφάλαιο 2 Οµάδες και Υποοµάδες 2.1 Συνοπτική Θεωρία Στην παρούσα ενότητα υπενθυµίζουµε εν συντοµία την έννοια της οµάδας και ιδιαίτερα του πίνακα Cayley µιας οµάδας, την έννοια της υποοµάδας και ιδιαίτερα την έννοια του διαγράµµατος Hasse των υποοµάδων µιας οµάδας. Επιπρόσθετα υπενθυµίζουµε την έννοια της κανονικής υποοάδας, καθώς και τις ϐασικές ιδιότητες των πλέον σηµαντικών χαρακτηριστικών υποοµάδων µιας οµάδας. Τέλος στρέφουµε την προσοχή µας σε µεθόδους κατασκευής νέων οµάδων από παλαιές, καθώς και στη ϑεµελιώδη έννοια του ισοµορφισµού οµάδων Η Εννοια της Οµάδας - Βασικές Ιδιότητες Οµάδων Εν συντοµία µια οµάδα είναι ένα µονοειδές όλα τα στοιχεία του οποίου είναι αντιστρέψιµα. Αναλυτικότερα : Ορισµός Μια οµάδα είναι ένα Ϲεύγος (G, ), όπου G είναι ένα σύνολο, και : G G G, (x, y) = x y είναι µια διµελής πράξη επί του συνόλου G, για την οποία ικανοποιούνται τα ακόλουθα αξιώµατα : 1. Η πράξη είναι προσεταιριστική, δηλαδή ισχύει ότι : x, y, z G : x (y z) = (x y) z (2.1) 2. Υπάρχει ένα στοιχείο e G, το οποίο καλείται ουδέτερο ή ταυτοτικό στοιχείο της G, έτσι ώστε : x G : x e = x = e x (2.2) 3. Για κάθε στοιχείο x G, υπάρχει ένα στοιχείο x G, το οποίο καλείται αντίστροφο ή αντίθετο στοιχείο του x, έτσι ώστε να ισχύει : x G, x G : x x = e = x x (2.3) Μια οµάδα (G, ) καλείται αβελιανή 1 ή µεταθετική αν επιπλέον : 4. Η πράξη είναι µεταθετική, δηλαδή ισχύει : x, y G : x y = y x (2.4) 1 Η ορολογία «αβελιανή», στα Αγγλικά «abelian», προέρχεται από το επώνυµο του Nield Henrik Abel [ wikipedia.org/wiki/niels_henrik_abel], ο οποίος υπήρξε σηµαντικός Νορβηγός Μαθηµατικός µε πρωτοπόρα συµβολή στην Θεωρία Οµάδων, την Θεωρία Συναρτήσεων, και την Θεωρία (αλγεβρικών) Εξισώσεων. 53

2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 54 Η ακόλουθη ϐοηθητική πρόταση πιστοποιεί ότι το ουδέτερο στοιχείο e µιας οµάδας (G, ) είναι µοναδικό, και επίσης το αντίστροφο στοιχείο x κάθε στοιχείου x G είναι επίσης µοναδικό. Λήµµα Εστω (G, ) µια οµάδα. 1. Αν e και e είναι δύο ουδέτερα στοιχεία της G, δηλαδή τα στοιχεία τα οποία ικανοποιούν το Αξίωµα 2.2 του Ορισµού 2.1.1, τότε e = e. 2. Αν x G, και x και x είναι δύο αντίστροφα ή αντίθετα στοιχεία της G, δηλαδή στοιχεία του συνόλου G τα οποία ικανοποιούν το Αξίωµα 2.3 του Ορισµού 2.1.1, τότε x = x. Υπενθυµίζουµε ότι αν είναι µια προσεταιριστική πράξη επί ενός συνόλου X για την οποία υπάρχει ουδέτερο στοιχείο e X, τότε ορίζεται η n-οστή δύναµη n x κάθε στοιχείου x X, αν n 0 ή αν n < 0 και το στοιχείο x είναι αντιστρέψιµο µε αντίστροφο το στοιχείο x, ως εξής (ϐλέπε τον Ορισµό ): x x {{ x, αν n > 0 n παράγοντες n x := e, αν n = 0 (2.5) x x {{ x, αν n < 0 n παράγοντες Οπως και στο Κεφάλαιο 1, για την περαιτέρω ανάπτυξη της ϐασικών ιδιοτήτων της γενικής ϑεωρίας οµάδων, είναι χρήσιµο να απλοποιήσουµε τον συµβολισµό µας. Συµβολισµός Οπως και στην γενική ϑεωρία διµελών πράξεων επί συνόλων, στην ϑεωρία οµάδων οι επικρατέστεροι συµβολισµοί πράξεων είναι ο πολλαπλασιαστικός και ο προσθετικός συµβολισµός : (Πολλαπλασιαστικός Συµβολισµός) Αν ο συµβολισµός της διµελούς πράξης σε µια οµάδα G είναι «πολλαπλασιαστικός», δηλαδή προσοµοιάζει µε την συνήθη πράξη πολλαπλασιασµού σε ένα σύνολο αριθµών, οπότε χρησιµοποιούµε ως σύµβολο της διµελούς πράξης το σύµβολο, τότε για κάθε στοιχείο x σε µια οµάδα (G, ), και για κάθε ακέραιο n Z, ϑα γράφουµε nx := x n. Το στοιχείο x n καλείται η n-οστή δύναµη (ϕυσική ή ακέραια) του x ως προς την πράξη της οµάδας G. Σηµειώνουµε ότι στον πολλαπλασιαστικό συµβολισµό, συνήθως το ουδέτερο στοιχείο e συµβολίζεται µε 1, και το αντίστροφο x ενός στοιχείου x G συµβολίζεται µε x 1 X, και οι σχέσεις (2.5) παίρνουν την ακόλουθη µορφή : x x {{ x, αν n > 0 n παράγοντες x n e, αν n = 0 := x 1 x 1 {{ x 1, αν n < 0 ( n) παράγοντες (Προσθετικός Συµβολισµός) Αν ο συµβολισµός της διµελούς πράξης σε µια οµάδα G είναι «προσθετικός», δηλαδή προσοµοιάζει µε την συνήθη πράξη πρόσθεσης σε ένα σύνολο αριθµών, οπότε χρησιµοποιούµε ως σύµβολο της διµελούς πράξης το σύµβολο «+», τότε για κάθε στοιχείο x σε µια οµάδα (G, ), και για κάθε ακέραιο n Z, ϑα γράφουµε nx := nx. Το στοιχείο nx καλείται η n-οστό πολλαπλάσιο (ϕυσικό ή ακέραιο) του x ως προς την πράξη της οµάδας G. Σηµειώνουµε ότι στον προσθετικό συµβολισµό, συνήθως το ουδέτερο στοιχείο e συµβολίζεται µε 0, και το αντίστροφο x ενός στοιχείου x G συµβολίζεται µε x X, και οι σχέσεις (2.5) παίρνουν την ακόλουθη µορφή : x + x + {{ + x, αν n > 0 nx := n παράγοντες e, αν n = 0 ( x) + ( x) + + ( x), αν n < 0 {{ ( n) παράγοντες

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 55 Σηµειώνουµε ότι παραδοσιακά ο προσθετικός συµβολισµός για µια πράξη χρησιµοποιέιται συνήθως (αλλά όχι πάντα) όταν η πράξη είναι µεταθετική. Σύµβαση: Από τώρα και στο εξής, στην ανάπτυξη των ϐασικών στοιχείων της γενικής ϑεωρίας οµάδων ϑα χρησιµοποιούµε τον πολλαπλασιστικό συµβολισµό για την πράξη µιας οµάδας. Ετσι µια οµάδα ϑα είναι ένα Ϲεύγος (G, ), ή απλά G όταν η πράξη υπονοείται και δεν υπάρχει κίνδυνος σύγχισης, έτσι ώστε να ικανοποιούνται τα αξιώµατα του ορισµού Επιπλέον, και χάριν απλότητας, για µια οµάδα (G, ), αρκετές ϕορές ϑα γράφουµε: 1. x y για το αποτέλεσµα της πράξης x y στην οµάδα G. 2. e G ή e ή 1 για το ουδέτερο στοιχείο της οµάδας G. 3. x 1 για το αντίστροφο του στοιχείου x στην οµάδα G. 4. x n, όπου n Z, για την ϕυσική ή ακέραια δύναµη του στοιχείου x µιας οµάδας G. Παράλληλα, όπου κρίνουµε σκόπιµο, ϑα διατυπώνουµε στοιχεία της ϑεωρίας οµάδων χρησιµοποιώντας τον προσθετικό συµβολισµό, ο οποίος κατά κανόνα, αλλά όχι πάντα, ϑα είναι σε ισχύ όταν η οµάδα είναι αβελιανή. Τέλος αν και τυπικά µια οµάδα είναι ένα Ϲεύγος (G, ) όπου G είναι ένα µη-κενό σύνολο και είναι µια διµελής πράξη επι του G έτσι ώστε να ικανοποιούνται τα αξιώµατα 2.1, 2.2, 2.3 του ορισµού 2.1.1, χάριν απλότητας και αν δεν υπάρχει κίνδυνος σύγχισης, πολλές ϕορές ϑα αναφερόµαστε στην οµάδα G καθώς η πράξη ϑα υπονοείται. Παρατήρηση Με ϐάση την Σύµβαση του Συµβολισµού 2.1.3, αν (G, ) είναι µια οµάδα και x, y G, τότε ϑα γράφουµε x y = x y 1 ή απλά x y 1 για το αποτέλεσµα της πράξης του στοιχείου x µε το αντίστροφο του στοιχείου y. Στην περίπτωση προσθετικού συµβολισµού ϑα γράφουµε : x y = x + ( y) := x y Για τις δυνάµεις και αντιστοίχως τα πολλαπλάσια στοιχείων µιας οµάδας ισχύουν κανόνες ανάλογοι των κανόνων που ισχύουν για τις ακέραιες δυνάµεις και τα ακέραια πολλαπλάσια των γνωστών µας αριθµών. Πρόταση Εστω (G, ) µια οµάδα. Τότε για τυχόν στοιχείο x G ϑα έχουµε : n,m Z : x n+m = x n x m n,m Z : (x n ) m = x nm n Z : (x n ) 1 = x n = (x 1 ) n Τέλος αν x, y G και ισχύει ότι : x y = y x, τότε : n Z : (x y) n = x n y n Παρατήρηση Λαµβάνοντας υπ όψιν την Σύµβαση του Συµβολισµού 2.1.3, χρησιµοποιώντας προσθετικό συµβολισµό «+» για την πράξη µιας οµάδας (G, +), η Πρόταση παίρνει την ακόλουθη µορφή. Εστω x G ένα στοιχείο της G. Τότε : 1. n,m Z: (n + m)x = nx + mx. 2. n, m Z: n(mx) = (nm)x. 3. n Z: (nx) = ( n)x = n( x). 4. Αν x + y = y + x, τότε 2 n Z: n(x + y) = nx + ny. 2 Προσοχή : η προσθετική εκδοχή της τελευταίας σχέσης στην Πρόταση δεν είναι η σχέση (x + y) n = x n + y n η οποία γενικά δεν είναι αληθής.

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ Στοιχειώδεις Ιδιότητες Οµάδων Στην παρούσα υποενότητα ϑα αναλύσουµε τις ϐασικές ιδιότητες τις οποίες έχει µια οµάδα και οι οποίες ϑα µας είναι χρήσιµες στη συνέχεια. Επιπλέον ϑα δώσουµε διάφορους χαρακτηρισµούς για το πότε ένα σύνολο εφοδιασµένο µε µια διµελή πράξη είναι οµάδα. Η ακόλουθη Πρόταση δείχνει ότι σε µια οµάδα ισχύουν οικεία αποτελέσµατα που αφορούν γνωστές πράξεις µεταξύ αριθµών, όπως οι νόµοι διαγραφής και η επίλυση πρωτοβάθµιων γραµµικών εξισώσεων. Πρόταση Εστω (G, ) µια οµάδα. 1. (Υπαρξη και Μοναδικοτητα Λυσεων Γραµµικων Εξισωσεων σε Οµαδες). Αν a, b G, τότε η εξίσωση έχει µοναδική λύση την ακόλουθη : 2. (Νοµοι ιαγραφης σε Οµαδες). Αν a,b,c G, τότε : a x = b (αντίστοιχα y a = b) x = a 1 b ( αντίστοιχα y = b a 1 ) a b = a c = b = c και b a = c a = b = c Το ακόλουθο χρήσιµο αποτέλεσµα διευκολύνει πολύ την περαιτέρω ανάπτυξη της ϑεωρίας οµάδων. Πρόταση Εστω (G, ) µια οµάδα. 1. Αν a,b G, τότε : Γενικότερα αν a 1, a 2,, a n G, τότε : 2. Αν a,b G, τότε : (αʹ) a b = e = a = b 1 και b = a 1. (ϐʹ) a 2 = a = a = e. (γʹ) a b = a = b = e. (δʹ) a b = b = a = e. (a b) 1 = b 1 a 1 και (a 1 ) 1 = a (a 1 a 2 a n ) 1 = a 1 n a 1 2 a 1 1 (2.6) Η ακόλουθη Πρόταση δείχνει ότι τα αξιώµατα 2.2 και 2.3 στον ορισµό οµάδας, µπορούν να απλοποιηθούν περαιτέρω. Σηµειώνουµε ότι στην παρακάτω Πρόταση η ύπαρξη αριστερού ουδέτερου στοιχείου και η ύπαρξη αριστερού αντίστροφου κάθε στοιχείου µπορεί να αντικατασταθεί µε την ύπαρξη δεξιού ουδέτερου στοιχείου και την ύπαρξη δεξιού αντίστροφου κάθε στοιχείου. Πρόταση Εστω (G, ) ένα Ϲεύγος το οποίο αποτελείται από ένα σύνολο G και µια προσεταιριστική πράξη επί του G έτσι ώστε να ικανοποιούνται τα εξής : 1. ( Υπαρξη αριστερού ουδέτερου στοιχείου). Υπάρχει ένα στοιχείο e έτσι ώστε e a = a, a G. 2. ( Υπαρξη αριστερού αντίστροφου στοιχείου). Για κάθε στοιχείο a G, υπάρχει ένα στοιχείο a G έτσι ώστε : a a = e. Τότε το Ϲεύγος (G, ) είναι οµάδα µε ουδέτερο στοιχείο το e. Αναφέρουµε για µελλοντική χρήση τον ακόλουθο ϐασικό ορισµό ο οποίος ταξινοµεί την κλάση των οµάδων µε ϐάση το πλήθος των στοιχείων τους. Ορισµός Μια οµάδα (G, ) καλείται πεπερασµένη οµάδα αν το πλήθος των στοιχείων της είναι πεπερασµένο : G <, διαφορετικά η G καλείται άπειρη οµάδα. Η τάξη της οµάδας G ορίζεται να είναι το πλήθος G των στοιχείων του συνόλου G όταν η οµάδα είναι πεπερασµένη, διαφορετικά το σύµβολο αν η οµάδα G είναι άπειρη, και τότε ϑα γράφουµε G =.

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ Ο Πίνακας Cayley µιας Οµάδας Εστω (G, ) µια οµάδα. Αν το σύνολο G έχει πεπερασµένο πλήθος στοιχείων, τότε ο πίνακας Cayley της G είναι ο πίνακας Cayley της πράξης όπως στον Ορισµό Οπως ϑα δούµε, στην περίπτωση των οµάδων, ο πίνακας Cayley ικανοποιεί επιπρόσθετες ιδιότητες και επιπλέον όλες οι ϐασικές πληροφορίες οι οποίες αφορούν µια πεπερασµένη οµάδα εµπεριέχονται στον πίνακα Cayley της οµάδας. Περισσότερο αναλυτικά ϑεωρούµε µια οµάδα µε πεπερασµένο πλήθος στοιχείων, έστω (G, ), όπου : G = { a 1 = e, a 2,, a n και : G G G, (a i, a j ) a i a j Υπενθυµίζουµε πρώτα ότι αν A = (a i j ) είναι ένας n n πίνακας µε στοιχεία από ένα τυχόν σύνολο, τότε το στοιχείο a i j ϐρίσκεται στην τοµή της i-γραµµής και της j -στήλης του πίνακα A. Ορισµός Ο τετραγωνικός n n πίνακας C(G, ) = (a i j ) στοιχείων της G, όπου : a i j := a i a j, 1 i, j n καλείται πίνακας Cayley της οµάδας (G, ), και παρίσταται όπως στο παρακάτω σχήµα : a 1 a 2 a i a j a n a 1 a 1 a 1 a 1 a 2... a 1 a i... a 1 a j... a 1 a n a 2 a 2 a 1 a 2 a 2... a 2 a i... a 2 a j... a 2 a n a i a i a 1 a i a 2 a i a i a i a j a i a n a j a j a 1 a j a 2 a j a i a j a j a j a n a n a n a 1 a n a 2 a n a i a n a j a n a n Σχήµα 2.1: Ο πίνακας Cayley της οµάδας (G, ), όπου G = { a 1, a 2,, a n. Παρατήρηση Ιδιότητες Πίνακα Cayley µιας Οµάδας (G, ) Εστω όπως και παραπάνω (G, ) µια οµάδα µε πεπερασµένο πλήθος στοιχείων G = { a 1, a 2,, a n. Θεωρούµε το πίνακα Cayley C(G, ) της οµάδας όπως στο Σχήµα Οταν είναι γνωστός ο πίνακας Cayley C(G, ) µιας οµάδας (G, ), τότε µπορεί να διαπιστωθεί άµεσα αν η πράξη η οµάδα G είναι αβελιανή ή όχι. Πράγµατι, είναι αρκετό να παρατηρήσει κανείς ότι για κάθε i, j µε 1 i, j, n, τα στοιχεία a i j = a i a j και a j i = a j a i, ϐρίσκονται συµµετρικά ως προς την κύρια διαγώνιο του πίνακα η οποία αποτελείται από τα στοιχεία a ii = a i a i, 1 i n. Συνεπώς η πράξη είναι µεταθετική, και άρα η οµάδα G είναι αβελιανή, αν και µόνο αν τα στοιχεία του πίνακα Cayley C(G, ) που κείνται συµµετρικά ως προς την κύρια διαγώνιό του είναι ίσα. Ισοδύναµα η οµάδα (G, ) είναι αβελιανή αν και µόνον αν ο πίνακας Cayley C(G, ) είναι συµµετρικός 3 : C(G, ) = t C(G, ). 3 Υπενθυµίζουµε ότι ο ανάστροφος πίνακας t A ενός πίνακα A = (a i j ), είναι ο πίνακας t A = (a j i ), δηλαδή στην τοµή της i-γραµµής και της j -στήλης ϐρίσκεται το στοιχείο a j i του πίνακα A. Εξ ορισµού ο πίνακας A είναι συµµετρικός αν συµπίπτει µε τον ανάστροφό του : A = t A.

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ Χωρίς ϐλάβη της γενικότητας, αναδιατάσσοντας αν είναι ανάγκη τα στοιχεία της οµάδας G, µπορούµε να υποθέσουµε ότι το ουδέτερο στοιχείο της οµάδας είναι το στοιχείο e = a 1. Τότε ϑα έχουµε a 1 a k = a k = a k a 1, 1 k n, και εποµένως η πρώτη γραµµή a 1k = a 1 a k, 1 k n, και η πρώτη στήλη a k1 = a k a 1, 1 k n, του πίνακα Cayley στο Σχήµα αποτελείται από τα στοιχεία a 1, a 2,, a n της G µε την ίδια σειρά αναγραφής. Με άλλα λόγια η ύπαρξη ουδετέρου στοιχείου e G δείχνει ότι ακριβώς µια γραµµή και µια στήλη του πίνακα Cayley της G συµπίπτει µε τα στοιχεία της οµάδας χωρίς να αλλάξει η σειρά αναγραφής τους. 3. Επειδή από την Πρόταση 2.1.7, οι εξισώσεις a x = b και y a = b, για κάθε a,b G, έχουν µοναδική λύση στην G, έπεται ότι κάθε στοιχείο της G εµφανίζεται ακριβώς µια ϕορά σε κάθε γραµµή και σε κάθε στήλη του πίνακα Cayley. Με άλλα λόγια αν a k είναι ένα τυχόν στοιχείο της G, τότε για κάθε στήλη j και για κάθε γραµµή i, υπάρχουν µοναδικά στοιχεία a m και a l της οµάδας G έτσι ώστε : a i a l = a k και a m a j = a k. Παρατήρηση Ο ακόλουθος ισχυρισµός είναι πολύ χρήσιµος στον σχηµατισµό του πίνακα Cayley µιας οµάδας, όπως ϑα δούµε στην συνέχεια. Ισχυρισµός: Εστω (G, ) ένα Ϲεύγος το οποίο αποτελείται από ένα πεπερασµένο σύνολο G και µια προσεταιριστική πράξη επί του G. Εστω ότι για τον πίνακα Cayley C(G, ) της πράξης ισχύουν τα εξής : 1. Υπάρχει τουλάχιστον µια γραµµή (αντίστοιχα στήλη) του πίνακα Cayley C(G, ) η οποία συµπίπτει µε τα στοιχεία του συνόλου G χωρίς να αλλάξει η σειρά αναγραφής τους. 2. Σε κάθε στήλη (αντίστοιχα γραµµή) του πίνακα Cayley C(G, ), κάθε στοιχείο του συνόλου G εµφανίζεται ακριβώς µια ϕορά. Τότε το Ϲεύγος (G, ) είναι οµάδα Υποοµάδες Στην παρούσα ενότητα ϑα ορίσουµε την έννοια της υποοµάδας µια οµάδας, ϑα αναφέρουµε τα ϐασικά αποτελέσµατα τα οποία αφορούν υποοµάδες, και ϑα δώσουµε µια πληθώρα παραδειγµάτων και κατασκευών υποοµάδων. Εστω ότι (G, ) είναι µια οµάδα. Υπενθυµίζουµε ότι ένα υποσύνολο H G είναι κλειστό ως προς την πράξη : G G G της οµάδας G, αν : a,b H : a b H Οταν το υποσύνολο H είναι κλειστό ως προς την πράξη της G, τότε όπως γνωρίζουµε η απεικόνιση επάγει µια πράξη : H H H επί της H. Προφανώς η επαγόµενη πράξη είναι προσεταιριστική. Είναι σηµαντικό να γνωρίζουµε ποιά υποσύνολα µιας οµάδας κληρονοµούν την ιδιότητα της οµάδας, και έτσι οδηγούµαστε στον ακόλουθο ορισµό. Ορισµός Εστω ότι (G, ) είναι µια οµάδα. Ενα υποσύνολο H G της G καλείται υποοµάδα της G αν : 1. Το υποσύνολο H είναι κλειστό στην πράξη της οµάδας G. 2. Το Ϲεύγος (H, ) αποτελεί οµάδα.

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 59 Συµβολισµός Συνήθως, δηλώνουµε ότι ένα υποσύνολο H µιας οµάδας (G, ) είναι µια υποοµάδα τής G γράφοντας H G Μια υποοµάδα H της G καλείται γνήσια αν H G. Θα δηλώνουµε ότι ένα υποσύνολο H µιας οµάδας (G, ) είναι µια γνήσια υποοµάδα τής G γράφοντας H < G Το µονοσύνολο { e αποτελούµενο µόνο από το ουδέτερο στοιχείο e µιας οµάδας G είναι προφανώς υποοµάδα της G η οποία καλείται τετριµµένη υποοµάδα. Η επόµενη ϐοηθητική πρόταση µας εξασφαλίζει ότι τα ουδέτερα στοιχεία µιας οµάδας και µιας υποοµάδας συµπίπτουν, και επίσης το αντίστροφο ενός στοιχείου σε µια υποοµάδα συµπίπτει µε το αντίστροφο στοιχείο στην οµάδα : Λήµµα Εστω (G, ) µια οµάδα µε ουδέτερο στοιχείο e, και έστω H G µια υποοµάδα της. 1. Το ουδέτερο στοιχείο e H της οµάδας H συµπίπτει µε το ουδέτερο στοιχείο e της οµάδας G. 2. Για κάθε a H, το αντίστροφό του a 1 H στην οµάδα H συµπίπτει µε το αντίστροφό του a 1 στην G. Η ακόλουθη πρόταση δίνει ένα χρήσιµο κριτήριο για το πότε ένα υποσύνολο µιας οµάδας είναι υποοµάδα. Πρόταση Αν (G, ) είναι µια οµάδα µε ουδέτερο στοιχείο e, και H είναι ένα υποσύνολό της, τότε τα ακόλουθα είναι ισοδύναµα : 1. Το H είναι µια υποοµάδα της (G, ). 2. (αʹ) Το υποσύνολο H είναι κλειστό στην πράξη της G. (ϐʹ) e H. (γʹ) a H: a 1 H. 3. (αʹ) H. (ϐʹ) a,b H: a b 1 H. Παρατήρηση Ακολουθώντας προσθετικό συµβολισµό, έστω (G, +) µια οµάδα µε ουδέτερο στοιχείο e. Αν H είναι ένα υποσύνολο της G, τότε η Πρόταση λαµβάνει την ακόλουθη µορφή : 1. Το H είναι µια υποοµάδα της (G,+). 2. Το υποσύνολο H είναι κλειστό στην πράξη της G, e H, και a H: a H. 3. H, και a,b H: a b H. Παρατήρηση Εστω K, H δύο υποσύνολα µιας οµάδας (G, ), έτσι ώστε K H. 1. Αν το υποσύνολο H είναι υποοµάδα της οµάδας G και το υποσύνολο K είναι υποσύνολο της οµάδας H, τότε το υποσύνολο K είναι υποοµάδα της οµάδας G: H G και K H = K G 2. Αν το υποσύνολα H και K είναι υποοµάδες της οµάδας G, τότε το υποσύνολο K είναι υποοµάδα της οµάδας H: K, H G = K H Η απόδειξη των παραπάνω ισχυρισµών είναι άµεση εφαρµογή του κριτηρίου Σε µερικές περιπτώσεις ο έλεγχος αν ένα υποσύνολο µιας οµάδας αποτελεί υποοµάδα, είναι εξαιρετικά απλός, όπως δείχνει η ακόλουθη Πρόταση : Πρόταση Εστω (G, ) µια οµάδα και H ένα µη κενό υποσύνολό της το οποίο έχει πεπερασµένο πλήθος στοιχείων : H <. Αν το H είναι κλειστό ως προς την πράξη της G, τότε το H είναι υποοµάδα της G.

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ Το ιάγραµµα Hasse των Υποοµάδων µιας Οµάδας Εστω ότι (G, ) είναι µια οµάδα. Θεωρούµε το σύνολο Sub(G) των υποοµάδων της οµάδας (G, ): Sub(G) = { H G H : υποοµάδα της G Υπενθυµίζουµε ότι αν H είναι µια υποοµάδα της G, τότε γράφουµε H G, και αν H και K είναι υποοµάδες της G έτσι ώστε K H, τότε K H, δηλαδή η υποοµάδα K είναι υποοµάδα της H. Επίσης γράφουµε K H αν K H και H K. Ετσι ορίζεται µια σχέση επί του συνόλου Sub(G) των υποοµάδων της οµάδας G. Λήµµα Το Ϲεύγος (Sub(G), ) είναι ένα µερικώς διατεταγµένο σύνολο. Υπενθυµίζουµε από την υποενότητα 1.1.2, ότι αν (X, ) είναι ένα µερικώς διατεταγµένο σύνολο, τότε το διάγραµµα Hasse του (X, ) έχει ως κορυφές σηµεία τα οποία είναι σε «1-1» και «επί» αντιστοιχία µε τα στοιχεία του συνόλου X. ύο κορυφές του διαγράµµατος οι οποίες αναπαριστούν τα στοιχεία x, y του X, ενώνονται µε µια ακµή, αν το y είναι κάλυψη του x, δηλαδή x y και δεν υπάρχει στοιχείο z X έτσι ώστε x z y, και τότε τοποθετούµε τη κορυφή y υπεράνω της κορυφής x. Υπενθυµίζουµε επίσης ότι x y σηµαίνει ότι x y και x y. Ορισµός Αν (G, ) είναι µια οµάδα, τότε το διάγραµµα Hasse του µερικώς διατεταγµένου συνόλου (Sub(G), ) καλείται το διάγραµµα Hasse των υποοµάδων της G. Εποµένως το διάγραµµα Hasse των υποοµάδων της G έχει ως κορυφές σηµεία τα οποία είναι σε «1-1» και «επί» αντιστοιχία µε τις διακεκριµµένες υποοµάδες της G. Χάριν απλότητας, από τώρα και στο εξής, ταυτίζουµε τις κορυφές του διαγράµµατος µε τις υποοµάδες της G. ύο κορυφές του διαγράµµατος οι οποίες αναπαριστούν υποοµάδες H, K της G ενώνονται µε µια ακµή H K αν K H και δεν υπάρχει υποοµάδα L της G µε K L H, και τότε τοποθετούµε την υποοµάδα H υπεράνω της υποοµάδας K Τοµή Υποοµάδων και Υποοµάδες Παραγόµενες από Υποσύνολα - Κυκλικές Υποοµάδες Υπάρχουν διάφοροι τρόποι µέσω των οποίων µπορούµε να αποκτήσουµε νέα παραδείγµατα (υπο)οµάδων από ήδη γνωστές (υπο)οµάδες. Στην παρούσα υποενότητα ϑα αναλύσουµε τους πλέον ϐασικούς τρόπους κατασκευής υποοµάδων. Πρόταση Εστω ότι (G, ) είναι µια οµάδα, και ότι H = { H i H i G i I είναι µια οικογένεια υποοµάδων της G. Τότε η τοµή H = H = H i i I είναι µια υποοµάδα της G. Το ακόλουθο παράδειγµα δείχνει ότι, αντίθετα µε την τοµή υποοµάδων, η ένωση υποοµάδων µιας οµάδας, δεν είναι γενικά υποοοµάδα. Παράδειγµα { (Παράδειγµα οµάδας G και υποοµάδων H,K G έτσι ώστε: H K G). Εστω V 4 = e, a,b,c η οµάδα των τεσσάρων στοιχείων του Klein. Εύκολα ϐλέπουµε ότι τα υποσύνολα {e, a και {e,b είναι υποοµάδες της V 4. Αν H 1 = {e, a και H 2 = {e,b, τότε η ένωση H 1 H 2 = {e, a,b δεν είναι υποοµάδα της V 4 διότι αν και a,b H 1 H 2, το στοιχείο a b = c H 1 H 2.

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 61 Επειδή, σύµφωνα µε το Παράδειγµα , γενικά η ένωση υποοµάδων µια οµάδας δεν είναι υποοµάδα, τίθεται ϕυσιολογικά το ερώτηµα : «Ποιά είναι η µικρότερη υποοµάδα της οµάδας η οποία περιέχει την ένωση δύο υποοµάδων»; Γενικότερα τίθεται ϕυσιολογικά το ακόλουθο ενδιαφέρον ερώτηµα : «αν (G, ) µια οµάδα, και S G είναι ένα υποσύνολο της G, ποιά είναι, αν υπάρχει, η µικρότερη υποοµάδα της G η οποία περιέχει το υποσύνολο S;» Η απάντηση στο γενικότερο ερώτηµα είναι εξαιρετικά απλή στην περίπτωση κατά την οποία το υποσύνολο S αποτελείται από ένα στοιχείο. Πρόταση Εστω ότι (G, ) είναι µια οµάδα και a G ένα στοιχείο της. Το υποσύνολο a := { a n G n Z είναι µια υποοµάδα της G. Επιπλέον ισχύει ότι a = a 1 και η a είναι η µικρότερη υποοµάδα της G η οποία περιέχει το στοιχείο a: a = a H G H. Υποοµάδες της µορφής a G, όπου a G, είναι σηµαντικές διότι, όπως προκύπτει από την Πρόταση , η περιγραφή των στοιχείων τους καθώς και δοµή τους είναι πολύ απλή. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι οµάδες G για τις οποίες ισχύει ότι G = a, για κάποιο στοιχείο a G. Ετσι προκύπτει ϕυσιολογικά, η έννοια της κυκλικής (υπο)οµάδας. Ορισµός Εστω (G, ) µια οµάδα και a G ένα στοιχείο της. Η υποοµάδα a της G καλείται η κυκλική υποοµάδα της G η οποία παράγεται από το στοιχείο a. Η οµάδα G καλείται κυκλική οµάδα, αν υπάρχει στοιχείο a G έτσι ώστε : G = a. Κάθε στοιχείο a µιας οµάδας G έτσι ώστε : G = a καλείται γεννήτορας της κυκλικής οµάδας G. Επιστρέφοντας στην αρχική ερώτηση αναφορικά µε την ύπαρξη και περιγραφή υποοµάδας η οποία παράγεται από ένα υποσύνολο, είµαστε έτοιµοι να διατυπώσουµε την ακόλουθη Πρόταση. Πρόταση Εστω (G, ) µια οµάδα, και S G ένα τυχόν µη-κενό υποσύνολο της G. Τότε η τοµή S = H H (S) H = S H G της οικογένειας H (S) = { H G S H όλων των υποοµάδων της G οι οποίες περιέχουν το σύνολο S είναι η µικρότερη υποοµάδα της G η οποία περιέχει το S, και έχει την ακόλουθη περιγραφή : S = { = s n 1 1 sn 2 { s ±1 k G k N, n i Z, και s i S, όπου 1 i k s±1 n G s k S, 1 k n, n N 0 2 sn k 1 s±1 2 H Ορισµός Εστω (G, ) µια οµάδα, και S G ένα τυχόν µη-κενό υποσύνολο της G. 1. Η υποοµάδα S της Πρότασης καλείται η υποοµάδα της G η οποία παράγεται από το υποσύνολο S. 2. Το υποσύνολο S G καλείται σύνολο γεννητόρων της G, και τα στοιχεία s S καλούνται γεννήτορες της G, αν G = S. 3. Η οµάδα (G, ) καλείται πεπερασµένα παραγόµενη, αν η G έχει ένα πεπερασµένο σύνολο γεννητόρων, δηλαδή υπάρχει ένα πεπερασµένο υποσύνολο S G, έτσι ώστε : G = S. Εποµένως αν H,K G είναι υποοµάδες µιας οµάδας (G, ), τότε η µικρότερη δυνατή υποµάδα της G η οποία περιέχει την ένωση H K είναι η υποοµάδα H K η οποία παράγεται από την ένωση των συνόλων H και K. Γενικότερα, από το Πόρισµα προκύπτει το ακόλουθο :

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 62 Πόρισµα Εστω { H i i I µια οικογένεια υποοµάδων µιας οµάδας (G, ). Τότε η οµάδα i I H i είναι η µικρότερη υποοµάδα της G η οποία περιέχει κάθε υποοµάδα H i, i I, και έχει την ακόλουθη περιγραφή : i I { H i = x i1 x i2 x in G x ik H ik, όπου i k I, 1 k n Παρατήρηση Χρησιµοποιώντας προσθετικό συµβολισµό, έστω (G, +) µια προσθετική οµάδα και a G. Τότε η κυκλική υποοµάδα a της G η οποία παράγεται από το a ορίζεται ως : a = { na G n Z και είναι η µικρότερη υποοµάδα της G η οποία περιέχει το στοιχείο a. Γενικότερα η υποοµάδα της G η οποία παράγεται από ένα υποσύνολο S G είναι : S = { n1 s 1 + n 2 s n k s k G n i Z και s i S, 1 i k, k 1 = { n 1 s 1 + n 2 s n k s k G n i = ±1 και s i S, 1 i k, k 1 Παρατήρηση Γενικά µια οµάδα έχει πολλά σύνολα γεννητόρων. Συνήθως όταν η οµάδα G είναι πεπερασµένα παραγόµενη, τότε για προφανείς λόγους, ενδιαφερόµαστε για ελάχιστα σύνολα γεννητόρων, δηλαδή συνόλων γεννητόρων S της G µε την ιδιότητα ότι κάθε γνήσιο υποσύνολο T S παράγει µια γνήσια υποοµάδα της G: T G. Φυσικά η ύπαρξη και µοναδικότητα για ελάχιστα σύνολα γεννητόρων δεν εξασφαλίζεται, µε την έννοια ότι µια οµάδα µπορεί να µην διαθέτει ελάχιστο σύνολο γεννητόρων, και επίσης µπορεί να διαθέτει πολλά διαφορετικά ελάχιστα σύνολα γεννητόρων. Σηµειώνουµε ότι πεπερασµένα σύνολα γεννητόρων µε τον µικρότερο δυνατό πλήθος στοιχείων είναι ελάχιστα σύνολα γεννητόρων, αλλά το αντίστροφο δεν ισχύει. Εστω (G, ) µια οµάδα. Τότε το σύνολο Sub(G) = { H G H G όλων των υποοοµάδων της G είναι ένα µερικώς διατεταγµένο σύνολο όταν εφοδιασθεί µε την σχέση έγκλεισης ή ισοδύναµα µε την σχέση υποοµάδας. Παρατηρούµε ότι το µερικώς διατεταγµένο σύνολο (Sub(G), ) έχει ελάχιστο στοιχείο, την τετριµµένη υποοµάδα {e, και µέγιστο στοιχείο, την υποοµάδα G. Επιπλέον η παρακάτω Πρόταση δείχνει ότι το µερικώς διατεταγµένο σύνολο (Sub(G), ) είναι πλήρης σύνδεσµος, µε την έννοια του Ορισµού Πόρισµα Εστω (G, ) µια οµάδα. Τότε το µερικώς διατεταγµένο σύνολο (Sub(G), ) των υποοµάδων της G είναι ένας πλήρης σύνδεσµος µε ελάχιστο στοιχείο την τετριµµένη υποοµάδα {e και µέγιστο στοιχείο την οµάδα G. Για κάθε µη-κενό υποσύνολο H Sub(G) υποοµάδων της G, έχουµε ότι : H = H και H = H H H Χαρακτηριστικές Υποοµάδες µιας Οµάδας - Κανονικές Υποοµάδες Κάθε οµάδα διαθέτει κάποιες χαρακτηριστικές υποοµάδες, η δοµή των οποίων µας επιτρέπει να εξάγουµε σηµαντικές πληροφορίες για την οµάδα. Στην παρούσα υποενότητα υπενθυµίζουµε κάποιες από αυτές τις χαρακτηριστικές υποοµάδες, και επίσης υπενθυµίζουµε ϐασικές ιδιότητες της σηµαντικής κλάσης των κανονικών υποοµάδων µιας οµάδας Κεντροποιητής, Κανονικοποιητής, και Κέντρο - Συζυγείς Υποοµάδες Από τώρα και στο εξής, σταθεροποιούµε µια (πολλαπλασιαστική) οµάδα (G, ), και ένα τυχόν µη-κενό υποσύνολο S G.

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 63 Πρόταση Το υποσύνολο C G (S) = { x G x s = s x, s S είναι µια υποοµάδα της G. Ιδιαίτερα το υποσύνολο Z(G) = C G (G) = { x G x a = a x είναι µια υποοµάδα της G η οποία είναι αβελιανή. G = Z(G). Επιπλέον η οµάδα G είναι αβελιανή αν και µόνον αν Ορισµός Αν (G, ) είναι µια οµάδα, και S G, τότε η υποοµάδα C G (S) καλείται ο κεντροποιητής του συνόλου S στην οµάδα G. Η υποοµάδα Z(G) καλείται το κέντρο της οµάδας G. Με ϐάση τους παραπάνω ορισµούς, ο κεντροποιητής C G (S) ενός υποσυνόλου S G δίνει ένα µέτρο του πόσο απέχει το υποσύνολο S από το να περιέχεται στο κέντρο της οµάδας G, και το κέντρο Z(G) της οµάδας G δίνει ένα µέτρο του πόσο απέχει η οµάδα G από το να είναι αβελιανή. Στη συνέχεια είναι αναγκαίο να εισάγουµε συµβολισµό ο οποίος αφορά την επέκταση της πράξης µεταξύ στοιχείων της οµάδας G σε πράξη µεταξύ τυχαίων υποσυνόλων της G. Συµβολισµός (Πράξεις µεταξύ Υποσυνόλων). Εστω (G, ) µια οµάδα, και S, T δύο µη-κενά υποσύνολα της G. Τότε ϑα συµβολίζουµε : S T = { s t G s S και t T Ιδιαίτερα αν S = {s ή T = {t, ϑα γράφουµε : st = {s T = { s t G t T, ή αντίστοιχα S t = S {t = { s t G s S. Επίσης ϑα συµβολίζουµε : S 1 = { s 1 G s S Γενικότερα, αν S 1, S 2,, S n είναι µη-κενά υποσύνολα της οµάδας G, τότε : S 1 S 2 S n = { s 1 s 2 s n G s i S i, 1 i n Αν για την πράξη της οµάδας G χρησιµοποιούµε προσθετικό συµβολισµό «+», τότε οι παραπάνω συµβολισµοί παίρνουν την ακόλουθη µορφή, όπου T,S 1,,S n G, και s G: s + T = { s + t G t G, T + s = { t + s G t G, T = { t G t T S 1 + S S n = { s 1 + s s n G s i S i, 1 i n Πρόταση Εστω (G, ) µια οµάδα. 1. Για κάθε στοιχείο x G και για κάθε µη-κενό υποσύνολο S G, το υποσύνολο N G (S) = { x G xsx 1 = S = { x G x 1 Sx = S είναι µια υποοµάδα της G. 2. Για κάθε στοιχείο x G και για κάθε υποοµάδα H G, τα υποσύνολα xh x 1 = { x h h 1 G h H και x 1 Hx = { x 1 h x G h H είναι υποοµάδες της G και xhx 1 = H = x 1 Hx 3. Αν H είναι µια υποοµάδα της G η οποία περιέχεται στο κέντρο Z(G) της G, τότε : x G : xhx 1 = H

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 64 Ορισµός Αν (G, ) είναι µια οµάδα, και S G, τότε η υποοµάδα N G (S) καλείται ο κανονικοποιητής του συνόλου S στην οµάδα G. ύο υποσύνολα S, T G της G καλούνται συζυγή υποσύνολα, αν υπάρχει στοιχείο x G έτσι ώστε : xsx 1 = T. Τότε συνήθως τα υποσύνολα S και T καλούνται x-συζυγή υποσύνολα. Ιδιαίτερα δύο υποοµάδες H,K G καλούνται συζυγείς υποοµάδες, αν υπάρχει στοιχείο x G έτσι ώστε : xh x 1 = K. Τότε συνήθως οιν υποοµάδες H και K καλούνται x-συζυγείς υποοµάδες. Τέλος δύο στοιχεία a,b G καλούνται συζυγή στοιχεία αν τα υποσύνολα {a και {b είναι συζυγή, δηλαδή αν υπάρχει στοιχείο x G: x a x 1 = b. Αν a,b G είναι στοιχεία της οµάδας G, τότε το στοιχείο [a,b] = a b a 1 b 1 καλείται ο µεταθέτης των στοιχείων a,b, και δίνει ένα µέτρο για το πόσο απέχουν τα στοιχεία a,b από το να µετατίθενται : [a,b] = e a b a 1 b 1 = e a b a 1 = e b = b a b = b a Για την µελέτη µεταθετών στοιχείων µιας οµάδας, ϑεωρούµε το σύνολο M = { [a,b] G a,b G όλων των µεταθετών της οµάδας G. Το σύνολο M περιέχει το ουδέτερο στοιχείο e της G διότι προφανώς e = [e,e], και επίσης περιέχει το αντίστροφο κάθε στοιχείου του M όπως δείχνει η ακόλουθη σχέση : a,b G : [a,b] 1 = (a b a 1 b 1 ) 1 = (b 1 ) 1 (a 1 ) 1 b 1 a 1 = b a b 1 a 1 = [b, a] υστυχώς όµως το παραπάνω σύνολο δεν αποτελεί υποοµάδα της G, και ο λόγος είναι ότι το γινόµενο δύο µεταθετών δεν είναι απαραίτητα µεταθέτης. Ετσι οδηγούµαστε ϕυσιολογικά στην ϑεώρηση της µικρότερης υποοµάδας της G η οποία περιέχει το υποσύνολο M, δηλαδή όλους τους µεταθέτες της G: Ορισµός Αν (G, ) είναι µια οµάδα, τότε η µεταθέτρια υποοµάδα της G ορίζεται να είναι η υποοµάδα [G,G] η οποία παράγεται από το σύνολο όλων των µεταθετών της G: {[a,b] [G,G] = G a,b G Η µεταθέτρια υποοµάδα [G,G] της G συµβολίζεται επίσης και ως G. Επειδή το αντίστροφο στοιχείο ενός µεταθέτη είναι µεταθέτης, από την Πρόταση , έπεται ότι η µεταθέτρια υποοµάδα της G έχει την ακόλουθη περιγραφή : { [G,G] = [a 1,b 1 ] [a 2,b 2 ] [a n,b n ] G a k,b k G, 1 k n, n N Προφανώς : [G,G] = { e αν και µόνον αν η οµάδα G είναι αβελιανή. Η ακόλουθη Πρόταση καταγράφει µια σηµαντική ιδιότητα της µεταθέτριας υποοµάδας, η οποία ϑα µας είναι χρήσιµη στη συνέχεια. Πρόταση Η µεταθέτρια υποοµάδα [G,G] της G συµπίπτει µε κάθε συζυγή της υποοµάδα : x G : x[g,g]x 1 = [G,G] Κανονικές Υποοµάδες Οπως είδαµε στις Προτάσεις και , κάθε υποοµάδα µιας οµάδας η οποία περιέχεται στο κέντρο της οµάδας, καθώς και η µεταθέτρια υποοµάδα µιας οµάδας, ικανοποιούν την ιδιότητα ότι η υποοµάδα συµπίπτει µε κάθε συζυγή υποοµάδα της. Με ϐάση αυτή την παρατήρηση προκύπτει ο ακόλουθος ορισµός ο οποίος ταξινοµεί µια σηµαντική κλάση υποοµάδων µιας οµάδας.

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 65 Ορισµός Εστω (G, ) µια οµάδα. Μια υποοµάδα H G της G καλείται κανονική 4, αν η H συµπίπτει µε κάθε συζυγή υποοµάδα της, δηλαδή : x G : xhx 1 = H Αν η H είναι κανονική υποοµάδα της G, ϑα γράφουµε : H G. Η ακόλουθη Πρόταση δίνει ισοδύναµες περιγραφές κανονικών υποοµάδων. Πρόταση Αν (G, ) είναι µια οµάδα και H G µια υποοµάδα της G, τότε τα ακόλουθα είναι ισοδύναµα : 1. Η υποοµάδα H είναι κανονική. 2. N G (H) = G. 3. x G: xh x 1 H. 4. x G, h H: x h x 1 H. Παράδειγµα Εστω (G, ) µια οµάδα. Προφανώς η τετριµµένη υποοµάδα {e καθώς και η ίδια η οµάδα G είναι κανονικές υποοµάδες της G. Επιπλέον : 1. Αν H G είναι µια υποοµάδα της G µε την ιδιότητα H Z(G), τότε η H είναι κανονική. Ιδιαίτερα : (αʹ) Αν η G είναι αβελιανή, τότε κάθε υποοµάδα της είναι κανονική. (ϐʹ) Το κέντρο Z(G) της G είναι µια κανονική υποοµάδα της G. 2. Η µεταθέτρια υποοµάδα [G,G] της G είναι κανονική. 3. Αν H G είναι µια υποοµάδα της πεπερασµένης οµάδας G και η H είναι η µοναδική υποοµάδα της G µε τάξη H, τότε η H είναι κανονική. Η ακόλουθη Πρόταση παρουσιάζει κάποιες ϐασικές ιδιότητες των κανονικών υποοµάδων. Πρόταση Εστω (G, ) µια οµάδα. Τότε : 1. Αν H G είναι µια υποοµάδα της G, τότε ο κανονικοποιητής N G (H) της H στην G είναι η µεγαλύτερη υποοµάδα της G η οποία περιέχει την H ως κανονική υποοµάδα : H K G = K N G (H). 2. Αν { H i i I είναι µια οικογένεια κανονικών υποοµάδων της G, τότε η τοµή i I H i είναι µια κανονική υποοµάδα της G: i I : H i G = i I H i G είναι µια κανονική υποοµάδα της G. 3. Εστω H και K δύο κανονικές υποοµάδες της G. (αʹ) Το σύνολο HK = K H είναι µια κανονική υποοµάδα της G. (ϐʹ) Η υποοµάδα H K είναι κανονική υποοµάδα της H και της K Ευθέα Γινόµενα Οµάδων Στην παρούσα ενότητα υπενθυµίζουµε τις ϐασικές ιδιότητες µιας σηµαντικής κατασκευής οµάδων η οποία από την µια πλευρά µας επιτρέπει να αποκτήσουµε νέα παραδείγµατα οµάδων, και από την άλλη πλευρά, σε κάποιες περιπτώσεις, µας επιτρέπει την διάσπαση µιας οµάδας σε απλούστερα κοµµάτια της. 4 Ο όρος «κανονική» υποοµάδα συναντάται στην ϐιβλιογραφία και ως : «ορθόθετη υποοµάδα» ή «αναλλοίωτη υποοµάδα».

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ Εξωτερικό Ευθύ Γινόµενο Οµάδων Υποθέτουµε ότι τα Ϲεύγη (G 1, 1 ), (G 2, 2 ),, (G n, n ) είναι οµάδες µε ουδέτερο στοιχείο e k αντίστοιχα, όπου 1 k n. Η επόµενη Πρόταση δείχνει ότι στο καρτεσιανό γινόµενο G = n k=1 G k = G 1 G 2 G n µπορεί να ορισθεί δοµή οµάδας µε ϕυσικό τρόπο. Πρόταση Με τους παραπάνω συµβολισµούς, το Ϲεύγος (G, ) είναι οµάδα, όπου G = n k=1 G k, και : (x 1, x 2,, x n ) (y 1, y 2,, y n ) = ( x 1 1 y 1, x 2 2 y 2,, x n n y n ) Η οµάδα ( n k=1 G k, ) είναι αβελιανή αν και µόνον αν η οµάδα (G k, k ) είναι αβελιανή, 1 k n. Ορισµός Εστω ότι { (G k, k ) n k=1 είναι µια πεπερασµένη οικογένεια οµάδων. Η οµάδα (G, ), όπου G = n k=1 G k, της Πρότασης , καλείται η οµάδα (εξωτερικό) ευθύ γινόµενο των οµάδων (G 1, 1 ), (G 2, 2 ),, (G n, n ), και συµβολίζεται ως εξής : n G k = G 1 G 2 G n k=1 Επισηµαίνουµε ότι ο ορισµός του ευθέως γινοµένου πεπερασµένου πλήθους οµάδων επεκτείνεται ακρι- ϐώς µε τον ίδιο τρόπο και για άπειρο πλήθος οµάδων. Αναλυτικότερα, έστω { (G i, i ) i I µια οικογένεια οµάδων, όπου I είναι ένα, εν γένει άπειρο, σύνολο δεικτών. Στο καρτεσιανό γινόµενο σύνολων G i = { (x i ) i I x i G i i I µε στοιχεία οικογένειες (x i ) i I, ή απλούστερα (x i ), στοιχείων x i G i υπεράνω του συνόλου δεικτών I, ορί- Ϲουµε διµελή πράξη ως εξής : : G i G i G i, (x i ) i I (y i ) i I = (x i i y i ) i I i I i I i I Σύµβαση - Συµβολισµός Εστω (G 1, 1 ), (G 2, 2 ),, (G n, n ) ένα πεπερασµένο πλήθος οµάδων, και ϑεωρούµε την οµάδα εξωτερικό ευθύ γινόµενο ( n k=1 G k, ). Από τώρα και στο εξής, αν δεν υπάρχει κίνδυνος σύγχισης, ϑα συµβολίζουµε ενιαία τις εµπλεκόµενες πράξεις «k», 1 k n, και, µε το ίδιο σύµβολο, δηλαδή ϑα χρησιµοποιούµε τον πολλαπλασιαστικό συµβολισµό για όλες τις εµπλεκόµενες οµάδες. Ετσι ϑα ϑεωρούµε πεπερασµένο πλήθος οµάδων (G 1, ), (G 2, ),, (G n, ), και η πράξη µε την οποία η οµάδα ευθύ γινόµενο (G, ) δοµείται σε οµάδα παίρνει την µορφή : (x 1, x 2,, x n ) (y 1, y 2,, y n ) = ( x 1 y 1, x 2 y 2,, x n y n ) Αντίστοιχα, όταν οι εµπλεκόµενες οµάδες δίνονται µε προσθετικό συµβολισµό, τότε ϑα χρησιµοποιούµε το ίδιο σύµβολο «+», και άρα η οµάδα εξωτερικό ευθύ γινόµενο των οµάδων (G 1,+), (G 2,+),, (G n,+) δοµείται σε οµάδα µε πράξη (x 1, x 2,, x n ) + (y 1, y 2,, y n ) = ( x 1 + y 1, x 2 + y 2,, x n + y n ) Ο παραπάνω συµβολισµός επεκτείνεται και σε άπειρο πλήθος οµάδων Εσωτερικό Ευθύ Γινόµενο (Υπο)οµάδων Εστω ότι (G, ) είναι µια οµάδα και ότι H 1, H 2,, H n είναι υποοµάδες της G. Ορισµός Με τους παραπάνω συµβολισµούς, η οµάδα G καλείται η οµάδα εσωτερικό ευθύ γινόµενο των υποοµάδων H i, 1 i n, αν : 1. Οι υποοµάδες H i είναι κανονικές υποοµάδες της G, 1 i n: H i G.

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ G = H 1 H 2 H n. 3. i = 1,2,,n: H i ( H1 H 2 H i 1 H i+1 H n ) = { e. Η ακόλουθη Πρόταση περιγράφει τις ϐασικές ιδιότητες οµάδων οι οποίες είναι εσωτερικά ευθέα γινόµενα πεπερασµένου πλήθους υποοµάδων της. Πρόταση Εστω ότι (G, ) είναι µια οµάδα και ότι H 1, H 2,, H n είναι υποοµάδες της G. Αν η οµάδα G είναι το εσωτερικό ευθύ γινόµενο των υποοµάδων H i, 1 i n, τότε : 1. (αʹ) Αν 1 i j n, τότε : H i H j = {e. (ϐʹ) Αν 1 i j n, και h i H i και h j H j, τότε : h i h j = h j h i. Ιδιαίτερα : H i H j = H j H i. 2. Κάθε στοιχείο a της οµάδας G γράφεται κατά µοναδικό τρόπο ως γινόµενο : a = h 1 h 2 h n, όπου h i H i, 1 i n ηλαδή, αν επίσης έχουµε : a = h 1 h 2 h n, όπου h i H i, 1 i n, τότε : h i = h i, 1 i n. Ιδιαίτερα : G = H 1 H2 Hn. Η ακόλουθη Πρόταση παρουσιάζει το αντίστροφο της Πρότασης Πρόταση Εστω (G, ) µια οµάδα η οποία περιέχει κανονικές υποοµάδες H i G, 1 i n, έτσι ώστε κάθε στοιχείο a G γράφεται µοναδικά ως a = h 1 h 2 h n, όπου h i H i, 1 i n. Τότε η οµάδα G είναι το εσωτερικό ευθύ γινόµενο των υποοµάδων H i, 1 i n. Το ακόλουθο Θεώρηµα περιγράφει τη σχέση µεταξύ εσωτερικού ευθέος γινοµένου υποοµάδων και εξωτερικού ευθέος γινοµένου οµάδων. Η σχέση αυτή εκφράζεται µέσω της έννοιας του ισοµορφισµού οµάδων, ϐλέπε την επόµενη υποενότητα. Θεώρηµα Εστω ότι (G, ) = ( n k=1 G k, ) είναι το εξωτερικό ευθύ γινόµενο πεπερασµένου πλή- ϑους οµάδων (G 1, ),, (G n, ). Τότε η οµάδα G είναι το εσωτερικό ευθύ γινόµενο υποοµάδων της G 1,, G n, όπου G k = {e 1 {e k 1 G k {e k+1 {e n, 1 k n, και επιπλέον υπάρχουν ισοµορ- ϕισµοί οµάδων, k = 1,2,,n: G k = Gk 2. Εστω ότι (G, ) είναι µια οµάδα η οποία είναι το εσωτερικό ευθύ γινόµενο πεπερασµένου πλήθους υ- ποοµάδων H 1,, H n. Τότε η οµάδα G είναι ισόµορφη µε το εξωτερικό ευθύ γινόµενο των οµάδων H 1,, H n : G = H1 H 2 H n Πόρισµα Εστω ότι (G, ) είναι µια οµάδα και ότι H 1, H 2,, H n είναι υποοµάδες της G. Τότε τα ακόλουθα είναι ισοδύναµα : 1. Η οµάδα G είναι το εσωτερικό ευθύ γινόµενο των υποοµάδων H 1,, H n. 2. Η απεικόνιση f : H 1 H 2 H n G, f (h 1,h 2,,h n ) = h 1 h 2 h n είναι ισοµορφισµός οµάδων.

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ Ισοµορφισµοί Οµάδων Στην παρούσα ενότητα, υπενθυµίζουµε τις ϐασικές ιδιότητες οµοµορφισµών οµάδων. Ιδιαίτερα επικεντρωνόµαστε στην έννοια του ισοµορφισµού οµάδων µέσω της οποίας µπορούµε να ταυτίσουµε οµάδες οι οποίες έχουν τις ίδιες δοµικές ιδιότητες και εποµένως από την πλευρά της ϑεωρίας οµάδων είναι ταυτόσηµες. Ορισµός Εστω ότι (G 1, ) και (G 2, ) είναι δύο οµάδες. Μια απεικόνιση f : G 1 G 2 καλείται οµοµορφισµός οµάδων αν : x 1, x 2 X : f (x 1 x 2 ) = f (x 1 ) f (x 2 ) Το σύνολο όλων των οµοµορφισµών οµάδων από την οµάδα (G 1, ) στην οµάδα (G 2, ) συµβολίζεται µε : Hom Grp (G 1,G 2 ) = { f : G 1 G 2 f : οµοµορφισµός οµάδων Ο οµοµορφισµός οµάδων είναι ο κατάλληλος τρόπος µέσω του οποίου µπορούµε να συσχετίσουµε ή να συγκρίνουµε δύο οµάδες. Ανάλογα η έννοια του ισοµορφισµού µας επιτρέπει να ταυτίσουµε δύο οµάδες όταν αυτές είναι δοµικά «ίδιες»: Ορισµός Ενας οµοµορφισµός οµάδων f : (G 1, ) (G 2, ) καλείται ισοµορφισµός οµάδων αν η απεικόνιση f είναι απεικόνιση «1-1» και «επί», και τότε ϑα συµβολίζουµε : f : (G 1, ) = (G 2, ) Ενας ισοµορφισµός οµάδων f : (G, ) (G, ) καλείται αυτοµορφισµός της (G, ). Γενικότερα ο οµοµορφισµός οµάδων f : (G 1, ) (G 2, ) καλείται : 1. µονοµορφισµός οµάδων αν η f είναι απεικόνιση «1-1». 2. επιµορφισµός οµάδων αν η f είναι απεικόνιση «επί». Η επόµενη Πρόταση περιγράφει ϐασικές ιδιότητες οµοµορφισµών οµάδων 5. Πρόταση Εστω (G 1, ) και (G 2, ) οµάδες µε ουδέτερα στοιχεία e 1 και e 2 αντίστοιχα. 1. Εστω f : G 1 G 2 ένας οµοµορφισµός οµάδων. Τότε : (αʹ) f (e 1 ) = e 2. (ϐʹ) a G 1 : f (a 1 ) = f (a) 1. (γʹ) Αν a 1,, a n G, n 1, τότε : f (a 1 a n ) = f (a 1 ) f (a n ). (δʹ) a G 1, n Z: f (a n ) = f (a) n. 2. Η σύνθεση οµοµορφισµών (ισοµορφισµών) οµάδων οµάδων είναι (οµοµορφισµός) ισοµορφισµός οµάδων. 3. (αʹ) Αν ο οµοµορφισµός οµάδων f : (G 1, ) (G 2, ) είναι ισοµορφισµός, τότε η αντίστροφη απεικόνιση f 1 : G 2 G 1 είναι ισοµορφισµός οµάδων. (ϐʹ) Ενας οµοµορφισµός οµάδων f : (G 1, ) (G 2, ) είναι ισοµορφισµός αν και µόνον αν υπάρχει οµοµορφισµός οµάδων g : (G 2, ) (G 1, ), (και τότε g = f 1 ), έτσι ώστε : f g = Id G2 και g f = Id G1 5 Αν f : (G1, ) (G 2, ) είναι ένας οµοµορφισµός οµάδων, τότε ϑεωρώντας την f ως απεικόνιση µεταξύ µονοειδών, ο Ορισµός δεν εξασφαλίζει ότι η f είναι οµοµορφισµός µονοειδών, διότι δεν γνωρίζουµε αν η f στέλνει το ουδέτερο στοιχείο της G 1 στο ουδέτερο στοιχείο της οµάδας (G 2, ). Αυτό πραγµατικά συµβαίνει, όπως πιστοποιεί το µέρος 1(α ) της Πρότασης Άρα κάθε οµοµορφισµός οµάδων είναι και οµοµορφισµός των υποκείµενων µονοειδών.

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 69 Ορισµός Συµβολίζουµε µε Grp την κλάση όλων των οµάδων. Στην κλάση Grp ορίζουµε µια σχέση «=» ως εξής : αν (G 1, ), (G 2, ) Grp τότε : (G 1, ) = (G 2, ) υπάρχει ισοµορφισµός οµάδων f : (G 1, ) = (G2, ) Η σχέση «=» καλείται σχέση ισοµορφίας στην κλάση των οµάδων, και δύο οµάδες (G 1, ) και (G 2, ) καλούνται ισόµορφες, αν : (G 1, ) = (G 2, ). Η ακόλουθη συνέπεια της Πρότασης δείχνει ότι η σχέση ισοµορφίας επί της κλάσης των οµάδων είναι µια σχέση ισοδυναµίας. Πόρισµα Η σχέση ισοµορφίας «=» η οποία ορίζεται στην κλάση Grp όλων των οµάδων είναι µια σχέση ισοδυναµίας. Η σχέση ισοµορφίας «=» διαµερίζει την κλάση 6 Grp όλων των οµάδων σε κλάσεις ισοµορφίας, και δύο οµάδες οι οποίες ανήκουν στην ίδια κλάση ισοµορφίας, έχουν τις ίδιες δοµικές ιδιότητες, για παράδειγµα έχουν ταυτόσηµο πίνακα Cayley. 2.2 Παραδείγµατα Αναφέρουµε για µελλοντική χρήση µια σειρά παραδειγµάτων οµάδων και συναφών εννοιών. Παράδειγµα Τα Ϲεύγη (Z,+), (Q,+), (R,+), (C,+), όπου «+» είναι η συνήθης πράξη πρόσθεσης αριθµών αποτελούν αβελιανές οµάδες. Αν K είναι ένα εκ των συνόλων { Z,Q,R,C, τότε η αβελιανή οµάδα (K,+) καλείται η προσθετική οµάδα του K. 2. Τα Ϲεύγη (Q, ), (R, ), (C, ), όπου είναι η συνήθης πράξη πολλαπλασιασµού αριθµών αποτελούν αβελιανές οµάδες. Υπενθυµίζουµε ότι K = K\{0. Αν K είναι ένα εκ των συνόλων {Q,R,C, η αβελιανή οµάδα (K, ) καλείται η πολλαπλασιαστική οµάδα των µη-µηδενικών στοιχείων του K. 3. Γενικότερα, έστω (V, +, ) ένας K-διανυσµατικός χώρος υπεράνω ενός «σώµατος» K {Q, R, C, µε την έννοια της Γραµµικής Άλγεβρας. Τότε το Ϲεύγος (V,+) είναι µια αβελιανή οµάδα η οποία καλείται η προσθετική οµάδα του διανυσµατικού χώρου V. 4. Εστω M m n (R) το σύνολο όλων των n m πινάκων A µε στοιχεία πραγµατικούς αριθµούς : a 11 a 12 a 1n M m n (R) = { A = (a i j ) a i j R, 1 i m, 1 j n a 21 a 22 a 2n, όπου A = (a i j ) = a m1 a m2 a mn Στο σύνολο M m n (R) ϑεωρούµε την συνήθη πράξη πρόσθεσης πινάκων : αν A = (a i j ) και B = (b i j ), τότε A + B = (c i j ), όπου c i j = a i j + b i j, 1 i m, 1 j n. Τότε το Ϲεύγος (M m n (R),+) είναι µια αβελιανή οµάδα. Παρόµοιο συµπέρασµα προκύπτει αν στη ϑέση του συνόλου R των πραγµατικών αριθµών είναι ένα εκ των συνόλων Z, Q, και C, και έτσι αποκτούµε τις αβελιανές οµάδες : (M m n (Z),+), (M m n (Q),+), και (M m n (C),+) των n m πινάκων A µε στοιχεία ακεραίους, ϱητούς, και µιγαδικούς αριθµους, αντίστοιχα. 6 Η συλλογή όλων των οµάδων, όλων των µονοειδών, κλπ., δεν αποτελεί σύνολο. Οταν αναφερόµαστε σε µια σχέση ισοδυναµίας ή σε µια διαµέριση ορισµένης επί µιας κλάσης η οποία δεν είναι σύνολο, εννοούµε ότι η σχέση ισοδυναµίας ή η διαµέριση έχει τις τυπικές ιδιότητες τις οποίες έχει µια σχέση ισοδυναµίας ή µια διαµέριση ορισµένη επί ενός συνόλου.

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 70 Παράδειγµα (Η Οµάδα του Κύκλου). Θεωρούµε την οµάδα (C, ) των µη-µηδενικών µιγαδικών αριθ- µών, όπου είναι ο συνήθης πολλαπλασιασµός µιγαδικών αριθµών. Τότε το υποσύνολο T = { z C z = 1 του C, όπου z συµβολίζει το µέτρο του µιγαδικού αριθµού z, είναι µια υποοµάδα της (C, ). Γεωµετρικά το σύνολο T είναι περιφέρεια κύκλου µε ακτίνα 1 στο επίπεδο R 2. Γι αυτόν τον λόγο η οµάδα T καλείται οµάδα του κύκλου. Παράδειγµα (Η Οµάδα των n-οστών Ριζών της Μονάδας). Για κάθε ϑετικό ακέραιο n, ϑεωρούµε το υποσύνολο U n = { z C z n = 1 του C. Προφανώς U n, διότι 1 U n, και U n C. Θεωρούµε τυχόντα στοιχεία z 1, z 2 U n, δηλαδή z1 n = 1 = zn 2. Τότε : (z 1 z2 1 )n = z1 n (zn 2 ) 1 = = 1 = z 1 z2 1 U n Εποµένως σύµφωνα µε την Πρόταση , έπεται ότι το υποσύνολο U n είναι µια υποοµάδα της (C, ) η οποία καλείται η οµάδα των n-οστών ϱιζών της µονάδας. Η οµάδα U n έχει την ακόλουθη περιγραφή Θέτοντας και εποµένως { U n = e 2kπi n = cos( 2kπ n ζ n = e 2πi n = cos( 2π n ) + i sin( 2π n U n = { 1, ζ n, ζ 2 n ) + i sin( 2kπ n ) C 0 k n 1 ), ϑα έχουµε : cos( 2kπ n,, ζn 1n = ζn ) + i sin( 2kπ n ) = ζk n και άρα η οµάδα U n των n-οστών ϱιζών της µονάδας είναι µια κυκλική οµάδα τάξης n, και κάθε γεννήτοράς της, όπως το στοιχείο ζ n καλείται πρωταρχική n-οστή ϱίζα της µονάδας. Γεωµετρικά τα στοιχεία της οµάδας U n είναι κορυφές κανονικού n-γώνου εγγεγραµµένου σε κύκλο ακτίνας 1 στο επίπεδο R 2. Μια µεγάλη κλάση παραδειγµάτων οµάδων προκύπτει απί την ακόλουθη πρόταση η οποία πιστοποεί ότι το σύνολο των αντιστρέψιµων στοιχείων ενός µονοειδούς αποτελεί οµάδα. Πρόταση Εστω (M, ) ένα µονοειδές µε ουδέτερο στοιχείο e. 1. Το Ϲεύγος (U(M, ), ) αποτελεί οµάδα, όπου U(M, ) = { a M a 1 M : a a 1 = e = a 1 a είναι το σύνολο των αντιστρέψιµων στοιχείων του µονοειδούς (M, ). Επιπρόσθετα, αν το µονοειδές (M, ) είναι µεταθετικό, τότε η οµάδα (U(M, ), ) είναι αβελιανή. 2. Το µονοειδές (M, ) είναι οµάδα αν και µόνον αν M = U(M, ) (δηλαδή κάθε στοιχείο του µονοειδούς M είναι αντιστρέψιµο). Ως εφαρµογή της Πρότασης αποκτούµε τα ακόλουθα παραδείγµατα οµάδων. Παράδειγµα (Οµάδες Κλάσεων Υπολοίπων mod n). Θεωρούµε τα µεταθετικά µονοειδή (Z n,+) και (Z n, ), όπου Z n = { [0] n, [1] n,, [n 1] n είναι το σύνολο των κλάσεων υπολοίπων mod n και «+», οι πράξεις οι οποίες ορίσθηκαν στο µέρος 3 του Παραδείγµατος Από την Πρόταση 2.2.4, έπεται ότι τα Ϲεύγη U(Z n,+) και U(Z n, ) των αντιστρέψιµων

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ 71 στοιχείων του Z n ως προς τις πράξεις και «+», είναι αβελιανές οµάδες. Προφανώς (U(Z n,+) = (Z n,+). Από την άλλη πλευρά ισχύει ότι : U(Z n, ) = { [k] n Z n (k,n) = 1 (2.7) Η αβελιανή οµάδα (Z n,+) καλείται η προσθετική οµάδα των κλάσεων υπολοίπων mod n, και η αβελιανή οµάδα U(Z n, ) καλείται η πολλαπλασιαστική οµάδα των αντιστρέψιµων κλάσεων υπολοίπων mod n. Παράδειγµα (Οµάδες Μεταθέσεων - Συµµετρικές Οµάδες). Για κάθε µη-κενό σύνολο X, ϑεωρούµε το µονοειδές (Map(X ), ), όπου Map(X ) = { f : X X f : απεικόνιση είναι το σύνολο των απεικονίσεων επί ενός µη-κενού συνόλου X, και είναι η πράξη της σύνθεσης απεικονίσεων : : Map(X ) Map(X ) Map(X ), (f, g ) f g Για το σύνολο των αντιστρέψιµων στοιχείων, έχουµε : U(Map(X ), ) = { f : X X f : απεικόνιση «1-1» και «επί» = S(X ) και άρα αποκτούµε την οµάδα (S(X ), ) η οποία καλείται η οµάδα των µεταθέσεων του συνόλου X. Σηµειώνουµε ότι η οµάδα µεταθέσεων (S(X ), ) είναι αβελιανή αν και µόνον αν X 2. Σηµειώνουµε ότι αν το πλήθος των στοιχείων του συνόλου X είναι X = n, τότε το πλήθος των στοιχείων της οµάδας S(X ) είναι n!. Υπενθυµίζουµε ότι αν X = {1,2,,n, τότε συµβολίζουµε S(X ) = S n και η οµάδα (S n, ) έχει τάξη n! και καλείται η n-οστή συµµετρική οµάδα ή η συµµετρική οµάδα ϐαθµού n. Θεωρούµε την n-οστή συµµετρική οµάδα (S n, ), n 1. Υπενθυµίζουµε ότι S n = n!, και τα στοιχεία της S n, δηλαδή οι «1-1» και «επί» απεικόνισεις σ : { 1,2,,n { 1,2,,n, i σ(i) παρίστανται, χάριν εποπτείας, µε έναν 2 n πίνακα ( ) 1 2 i n 1 n σ = σ(1) σ(2) σ(i) σ(n 1) σ(n) του οποίου η πρώτη γραµµή περιέχει τα στοιχεία του συνόλου N n και η δεύτερη γραµµή περιέχει τις εικόνες των στοιχείων αυτών µέσω της µετάθεσης σ. Αν σ,τ S n, τότε για το γινόµενο σ τ των µεταθέσεων σ και τ, δηλαδή για τη σύνθεση των απεικονίσεων σ και τ, όπου πρώτα εφαρµόζουµε τη συνάρτηση τ, ϑα έχουµε ( )( ) 1 2 n 1 n 1 2 n 1 n στ = = σ(1) σ(2) σ(n 1) σ(n) τ(1) τ(2) τ(n 1) τ(n) ( ) 1 2 n 1 n = σ(τ(1)) σ(τ(2)) σ(τ(n 1)) σ(τ(n)) Η ταυτοτική µετάθεση, δηλαδή η ταυτοτική απεικόνιση Id Nn, συµβολίζεται συνήθως µε ι και είναι η εξής : ( ) 1 2 n 1 n ι = 1 2 n 1 n Υπενθυµίζοντας τον κυκλικό συµβολισµό µεταθέσεων, ϑα γράφουµε έναν k-κύκλο σ στα στοιχεία a 1, a 2,, a k (µε αυτή τη σειρά) του συνόλου { 1,2,,n ως σ = ( a 1 a 2 a n 1 a n ) δηλαδή σ είναι η µετάθεση η οποία µεταθέτει κυκλικά τα στοιχεία a 1, a 2,, a k και διατηρεί σταθερά τα υπόλοιπα : { ak+1, αν 1 k n 1 σ(a k ) = και σ(x) = x, αν x { 1,2,,n \ { a 1, a 2,, a k a 1, αν k = n Η ταυτοτική µετάθεση ι S n είναι ένας 1-κύκλος, και άρα διατηρεί όλα τα στοιχεία του συνόλου {1,2,,n σταθερά και συµβολίζεται συνήθως µε ι = (1). Για λόγους αναφοράς περιγράφουµε τα στοιχεία των συµµετρικών οµάδων S n, όταν n 3.

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΟΜΑ ΕΣ ΚΑΙ ΥΠΟΟΜΑ ΕΣ Αν n = 1, τότε προφανώς η µόνη µετάθεση του συνόλου N 1 = {1 είναι η ταυτοτική µετάθεση ι: S 1 = { ι = ( 1 ) 2. Αν n = 2, τότε ϑα έχουµε : S 2 = { ι = (1), σ = (12) 3. Αν n = 3, τότε ϑα έχουµε : { S 3 = ι = ι = (1), µ 1 = (23), µ 2 = (13), µ 3 = (12), ρ 1 = (123), ρ 2 = (132) Παράδειγµα (Η Γενική Γραµµική Οµάδα). Υπενθυµίζουµε ότι για κάθε ϑετικό ακέραιο n µπορούµε να ορίσουµε στο σύνολο M n (R) := M n n (R) των n n πινάκων µε στοιχεία πραγµατικούς αριθµούς µια νέα πράξη, την πράξη του πολλαπλασιασµού πινάκων ως εξής : n Αν A = (a i j ) και B = (b i j ), τότε : A B = ((A B) i j ) = (c i j ), όπου c i j = a ik b k j, k=1 1 i, j n Οπως προκύπτει εύκολα η πράξη πολλαπλασιασµού πινάκων είναι προσεταιριστική, αλλά γενικά όχι µεταθετική, και ο µοναδιαίος n n πίνακας I n αποτελεί ουδέτερο στοιχείο για την πράξη. Εποµένως το Ϲεύγος (M n (R), ) είναι ένα µονοειδές. Το σύνολο U(M n (R), ) των αντιστρέψιµων στοιχείων του µονοειδούς (M n (R), ) συµπίπτει µε το σύνολο GL(n,R) των αντιστρέψιµων n n πινάκων πραγµατικών αριθµών : U(M n (R), ) := GL(n,R) = { A M n (R) A : αντιστρέψιµος Σηµειώνουµε ότι, όπως γνωρίζουµε από την Γραµµική Άλγεβρα, ισχύει ότι GL(n,R) = { A M n (R) Det(A) 0. Η παραπάνω ανάλυση δείχνει ότι το Ϲεύγος (GL(n,R), ) είναι οµάδα, η οποία καλείται η γενική γραµµική οµάδα υπεράνω του R, και συµβολίζεται και ως GL n (R). Παρόµοιο συµπέρασµα προκύπτει αν στη ϑέση του συνόλου R των πραγµατικών αριθµών είναι ένα εκ των συνόλων Z, Q, και C, και έτσι αποκτούµε τις γενικές γραµµικές οµάδες : (GL(n,Z), ), (GL(n,Q), ), και (GL(n,C), ) των n n αντιστρέψιµων πινάκων µε στοιχεία ακεραίους, ϱητούς, και µιγαδικούς αριθµούς, αντίστοιχα. Σηµειώνουµε ότι η γενική γραµµική οµάδα GL(n,K), όπου K {Z,Q,R,C, είναι αβελιανή αν και µόνον αν n = 1, και τότε GL(n,K) = K. Παράδειγµα (Η Ειδική Γραµµική Οµάδα). Θεωρούµε την γενική γραµµική οµάδα GL(n,K) = { A M n (K) A : αντιστρέψιµος των n n αντιστρέψιµων πινάκων µε στοιχεία από το σύνολο K, όπου K είναι ένα εκ των συνόλων αριθµών Q, R, C, εφοδιασµένο µε την πράξη του πολλαπλασιασµού πινάκων. Το υποσύνολο SL(n,K) = { A GL(n,K) det(a) = 1 είναι µια υποοµάδα της οµάδας GL(n, K), η οποία καλείται η n-οστή ειδική γραµµική οµάδα υπεράνω του K, και συµβολίζεται και ως SL n (K). Παράδειγµα (Η Ορθογώνια Οµάδα και η Οµάδα Περιστροφών του R n ). Υπενθυµίζουµε ότι ένας πίνακας A M n (R) καλείται ορθογώνιος, αν : A t A = I n = t A A, όπου I n είναι ο µοναδιαίος n n πραγµατικών αριθµών και t A είναι ο ανάστροφος του πίνακα A. Η παραπάνω σχέση δείχνει ότι ο πίνακας A είναι αντιστρεψιµος, άρα A GL(n,R), και ο αντίστροφός του είναι A 1 = t A. Το σύνολο όλων των ορθογώνιων πινάκων O(n) = { A M n (R) A : ορθογώνιος