Álgebra Moderna I: Orden de un elemento y Grupo cíclico

Introducción

En la entrada anterior aprendimos qué es un subgrupo, sus características y hablamos de los subgrupos finitos. Pero en general, si tenemos un conjunto $G$ y escogemos un subconjunto $X$ de $G$, $X$ no tendría por qué ser un subgrupo. A partir de esta entrada comenzaremos a estudiar qué necesitamos agregarle a $X$ para que se vuelva un subgrupo.

Particularmente, ahora hablaremos sobre el orden de un elemento y de cómo este orden puede inducir ciertos grupos y subgrupos. Por ejemplo, definiremos qué es un subconjunto generado por $a$, con $a \in G$.

El orden de un elemento

Definición. (Orden de un elemento)
Sea $G$ un grupo, $a \in G$. Si $a^k = e$ para algún $k \in \mathbb{Z}^+$ decimos que $a$ es de orden finito y en ese caso definimos el orden de $a$ como

$o(a) = \text{mín}\{k\in \z^+ \,|\, a^k = e\}$.

En caso contrario decimos que $a$ es de orden infinito.

Ejemplos.

  1. $\Gamma_8 = \{ \xi^k \, | \, 0 \leq k < 8 \}$ con $\xi=e^{\frac{\pi i}{4}}$. Entonces $o(\xi^2) = 4$.
  2. Consideremos el conjunto $V = \{ (0,0), (1,0), (0,1) (1,1)\}$ con la suma entrada a entrada módulo $2$. Éste se conoce como el grupo de Klein. Tenemos que
    • $o((1,0)) = 2$ ya que $(1,0) \neq (0,0)$ pero $2(1,0) = (1,0) + (1,0) = (0,0)$.
    • $o((0,0)) = 1$, $o((1,0)) = o((0,1)) = o((1,1)) = 2$.
  3. Consideremos $\z$, $o(0) = 1$ y para toda $a \in \z \setminus \{0\}$, $a$ es de orden infinito.

Lema. Sea $G$ un grupo, $a \in G$ de orden finito. Si $a^k = e$ para alguna $k \in \z$, entonces $o(a)$ divide a $k$.

Demostración.
Sea $a \in G$ de orden finito. Supongamos que $a^k = e$ para algún $k \in \z$.

P.D. $o(a) | k$
Por el algoritmo de la división en $\z$ existen $q,r \in \z$ tales que

$\begin{align*}
k &= o(a) \, q + r & \text{con } 0 \leq r < o(a)
\end{align*}$

Entonces

$\begin{align*}
e &= a^k \\
& = a^{o(a)q + r} \\
& = (a^{o(a)})^q a^r \\
& = e^q a^r \\
& = e a^r \\
& = a^r
\end{align*}$

Así $e = a^r$, con $0 \leq r < o(a)$. Pero $o(a)$ es el mínimo entero positivo tal que al colocarlo como exponente en $a$ da $e$, entonces $r=0$. Por lo tanto $o(a) | k$.

$\square$

Lema. Sea $G$ un grupo, $a \in G$ de orden finito. Sea $n \in \z^+$. Si se cumple que

  1. $a^n = e$
  2. $a^k = e$ con $k \in \z$ implica que $n|k$

entonces $n = o(a)$.

Demostración.
Sea $G$ un grupo, $a \in G$ de orden finito. Sea $n \in \z^+$ tal que cumple los incisos 1 y 2.

P.D. $n = o(a)$
Como se cumple el inciso 1, $a^n = e$. Entonces

$n \in \{k \in \z^+ \,|\, a^k = e\}$.


Veamos que $n$ es el elemento mínimo.
Sea $k \in \z^+$ tal que $a^k = e$. Por el inciso 2, se tiene que $n | k$, entonces $|n|\leq |k|$ pero $n, k \in \z^+$ entonces $n\leq k$.

Por lo tanto $n = \text{mín}\{k \in \z^+ \,|\, a^k = e\} = o(a)$.

$\square$

El subgrupo cíclico

Proposición. Sea $G$ un grupo y $a \in G$. El conjunto $\{a^n \,|\, n \in \z\}$ es un subgrupo de $G$.

Notación. A partir de ahora, al conjunto anterior lo denotaremos como $\left< a \right> = \{a^n \,|\, n \in \z\}$

Demostración de la proposición.
Sean $G$ un grupo y $a \in G$.

P.D. $\left< a\right> \leq G$
$e = a^0 \in \left< a \right>$
Sean $x, y \in \left< a \right>$, entonces $x = a^n$, $y = b^m$ con $n,m \in \z$.
Tenemos que $x y^{-1} = a^n(a^m)^{-1} = a^n a^{-m} = a^{n-m} \in \left< a \right>$.
Por lo tanto $\left< a \right> \leq G$.

$\square$

Definición. Sean $G$ un grupo y $a \in G$,

$\left< a \right> = \{a^n \,|\, n \in \z\}$

se llama el subgrupo cíclico de $G$ generado por $a$. Decidimos que $G$ es un grupo cíclico si $G= \left< a \right>$ para alguna $a \in G$ y en ese caso decimos que $a$ es un generador de $G$.

Ejemplo.

  1. $G = \{\xi^k \,|\, 0 \leq k < 8\}$ con $\xi=e^{\frac{\pi i}{4}}$.
    $G$ es un grupo cíclico, pues $G = \left<\xi\right>$ y $\xi$ es un generador de $G$.
    El conjugado de $\xi$, $\bar{\xi}$, es otro generador de $G$.
    $\{1,i,-1,-i\} = \left< \xi^2 \right>$ es el subgrupo cíclico de $G$ generado por $i$.
  2. $\z = \left< 1\right>$ es un grupo cíclico, $1$ y $-1$ son generadores de $\z$.
  3. Sea $V = \{(0,0), (1,0), (0,1), (1,1)\}$ el grupo de Klein definido al inicio de esta entrada. Tenemos que $\left<(1,0)\right> =\{(1,0),(0,0)\}$ es un subgrupo cíclico de $V$ generado por $(1,0)$. Se puede verificar que los elementos de $V$ generan subgrupos de uno o dos elementos. Por lo tanto $V$ no es cíclico.
  4. Sea $U(\z_{10}) = \{\overline{n} \in \z_{10} \,|\, (n,10)=1\}$ es un grupo con el producto.
    Tenemos que $U(\z_{10}) = \{\overline{1}, \overline{3}, \overline{7}, \overline{9}\}$.
    Como $\overline{3}^2 = \overline{9}$, $\overline{3}^3 = \overline{27} = \overline{7}$,
    $\overline{3}^4 =$$\overline{3}^3 \, \overline{3} = $$\overline{7}\, \overline{3}= $$\overline{21}= $$\overline{1}$, entonces $U(\z_{10}) = \left<\overline{3} \right>$ y $U(\z_{10})$ es cíclico.

Tarea moral

  1. Sea $G= GL(2, \mathbb{Q})$ (recuerda las definiciones en los ejemplos importantes de matrices). Considera las matrices
    $A = \begin{pmatrix}0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$, $B = \begin{pmatrix}0 & 1 \\ -1 & 1 \end{pmatrix}$
    Muestra que $A$ y $B$ tienen orden finito pero $AB$ no.
  2. Prueba que las siguientes 4 matrices forman un grupo multiplicativo y encuentra el orden de cada elemento.
    $\begin{pmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix} -1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix}1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}$, $\begin{pmatrix}-1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$
  3. Prueba o da un contraejemplo: Si $a^k = e$, entonces $k$ es el orden de $a$.
  4. Considera el grupo diédrico formado por las simetrías de un hexágono. Sea $R$ la rotación de $\frac{2 \pi}{3}$.
    • Determina el orden de $R$.
    • Encientra otros cincos valores $k$ enteros tales que $R^k = id$ y analiza si existe alguna relación entre $o(a)$ y estos valores de $k$.

Más adelante…

Ahora ya conocemos el subgrupo generado por $a$. En las siguientes entradas profundizaremos en las características de éste, definiremos el orden de un grupo y la relación que podemos encontrar entre ambos.

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