Seção 13.2 Grupos Solubles
Una serie subnormal de un grupo \(G\) es una sucesión finita de subgrupos
donde \(H_i\) es un subgrupo normal de \(H_{i+1}\text{.}\) Si cada subgrupo \(H_i\) es normal en \(G\text{,}\) entonces la serie se llama serie normal. El largo de una serie subnormal o normal es el número de inclusiones propias.
Exemplo 13.2.1.
Toda serie de subgrupos de un grupo abeliano es una serie normal. Considere las siguientes series de grupos:
Exemplo 13.2.2.
Una serie subnormal no es necesariamente una serie normal. Considere la sguiente serie subnormal del grupo \(D_4\text{:}\)
El subgrupo \(\{ (1), (12)(34) \}\) no es normal en \(D_4\text{;}\) en consecuencia, esta no es una serie normal.
Una serie subnormal (normal) \(\{ K_j \}\) es un refinamiento de una serie subnormal (normal) \(\{ H_i \}\) si \(\{ H_i \} \subset \{ K_j \}\text{.}\) Es decir, cada \(H_i\) es uno de los \(K_j\text{.}\)
Exemplo 13.2.3.
Las serie
es un refinamiento de la serie
La mejor forma de estudiar una serie subnormal o normal de subgrupos, \(\{ H_i \}\) de \(G\text{,}\) es realmente estudiar los grupos cociente \(H_{i+1}/H_i\text{.}\) Se dice que dos series subnormales (normales) \(\{H_i \}\) y \(\{ K_j \}\) de un grupo \(G\) son isomorfas si existe una correspondencia 1-1 entre las colecciones de grupos cociente \(\{H_{i+1}/H_i \}\) y \(\{ K_{j+1}/ K_j \}\text{.}\)
Exemplo 13.2.4.
Las dos series normales
del grupo \({\mathbb Z}_{60}\) son isomorfas pues
Una serie subnormal \(\{ H_i \}\) de un grupo \(G\) es una serie de composición si todos los grupos cociente son simples; es decir, ninguno de ellos contiene un subgrupo normal. Una serie normal \(\{ H_i \}\) de \(G\) es una serie principal si todos los cocientes son simples.
Exemplo 13.2.5.
El grupo \({\mathbb Z}_{60}\) tiene una serie de composición
con grupos cociente
Como \({\mathbb Z}_{60}\) es un grupo abeliano, esta serie es automáticamente una serie principal. Notemos que una serie de composición no es necesariamente única. La serie
también es una serie de composición.
Exemplo 13.2.6.
Para \(n \geq 5\text{,}\) la serie
es una serie de composición para \(S_n\) pues \(S_n / A_n \cong {\mathbb Z}_2\) y \(A_n\) es simple.
Exemplo 13.2.7.
No todo grupo tiene una serie de composición o una serie principal. Supongamos que
es ua serie subnormal de los enteros bajo la suma. Entonces \(H_1\) debe ser de la forma \(k {\mathbb Z}\) para algún \(k \in {\mathbb N}\text{.}\) En ese caso \(H_1 / H_0 \cong k {\mathbb Z}\) es un grupo cíclico infinito con muchos subgrupos normales propios no triviales.
Si bien una serie de composición no es necesariamente única como en el caso de \({\mathbb Z}_{60}\text{,}\) resulta que dos series de composición cualquiera están relacionadas. Los cocientes de las dos series de composición para \({\mathbb Z}_{60}\) son \({\mathbb Z}_2\text{,}\) \({\mathbb Z}_2\text{,}\) \({\mathbb Z}_3\text{,}\) y \({\mathbb Z}_5\text{;}\) es decir, las dos series de composición son isomorfas. El Teorema de Jordan-Hölder dice que esto siempre se cumple.
Teorema 13.2.8. Jordan-Hölder.
Dos series de composición cualquiera de \(G\) son isomorfas.
Demonstração.
Procederemos por inducción sobre el largo de la serie de composición. Si el largo de una serie de composición es 1, entonces \(G\) debe ser un grupo simple. En este caso cualquiera dos series de composición son isomorfas.
Supongamos que el teorema es verdadero para todos los grupos que tengan una serie de composición de largo \(k\text{,}\) donde \(1 \leq k \lt n\text{.}\) Sean
dos series de composición para \(G\text{.}\) Podemos formar dos nuevas series subnormales para \(G\) pues \(H_i \cap K_{m-1}\) es normal en \(H_{i+1} \cap K_{m-1}\) y \(K_j \cap H_{n-1}\) es normal en \(K_{j+1} \cap H_{n-1}\text{:}\)
Como \(H_i \cap K_{m-1}\) es normal en \(H_{i+1} \cap K_{m-1}\text{,}\) el Segundo Teorema de Isomorfía (Teorema 11.2.3) implica que
donde \(H_i\) es normal en \(H_i (H_{i+1} \cap K_{m-1})\text{.}\) Como \(\{ H_i \}\) es una serie de composición, \(H_{i+1} / H_i\) es simple; en consecuencia, \(H_i (H_{i+1} \cap K_{m-1})/ H_i\) es ya sea \(H_{i+1}/H_i\) o \(H_i/H_i\text{.}\) Es decir, \(H_i (H_{i+1} \cap K_{m-1})\) debe ser \(H_i\) o \(H_{i+1}\text{.}\) Removiendo las inclusiones impropias de las series
tenemos una serie de composición para \(H_{n-1}\text{.}\) La hipótesis de inducción dice que esta serie es equivalente a la serie de composición
Luego, las series de composición
y
son equivalentes. Si \(H_{n-1} = K_{m-1}\text{,}\) entonces las series de composición \(\{H_i \}\) y \(\{ K_j \}\) son equivalentes y estamos listos; de lo contrario, \(H_{n-1} K_{m-1}\) es un subgrupo normal de \(G\) que contiene propiamente a \(H_{n-1}\text{.}\) En este caso \(H_{n-1} K_{m-1} = G\) y podemos volver a aplicar el Segundo Teorema de Isomorfía; esto es,
Por lo tanto,
y
son equivalentes completando la demostración del teorema.
Un grupo \(G\) es soluble si tiene una serie subnormal \(\{ H_i \}\) tal que todos los cocientes \(H_{i+1} / H_i\) son abelianos. Los grupos solubles tendrán un rol fundamental cuando estudiemos teoría de Galois y la solución de ecuaciones polinomiales.
Exemplo 13.2.9.
El grupo \(S_4\) es soluble pues
tiene grupos cociente abelianos; pero, para \(n \geq 5\) la serie
es una serie de composición para \(S_n\) con un cociente no-abeliano. Por lo tanto, \(S_n\) no es un grupo soluble para \(n \geq 5\text{.}\)
Sage.
Sage es capaz de crear productos diectos de grupos cíclicos, pero esto se realizan como grupos de permutaciones. Esta es una situación que debiera mejorar. Sin embargo, con una clasificación de los grupos abelianos finitos, podemos describir como construir todo grupo de orden menor a 16 en Sage.