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Álgebra Moderna I: Teorema de Cayley

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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Introducción

¡Hoy es el día en el que comenzamos la Unidad 4!

A partir de esta unidad veremos cada uno de los elementos de los grupos (para cualquier grupo) se puede ver como una permutación. Para fines introductorios, ilustremos qué pasa en el caso de un grupo finito. Sea $G = \{e,g_2,\dots, g_n\}$, podemos escribir su tabla de producto ($*$):

$*$$e$$g_2$$g_3$$\cdots$$g_n$
$e$
$g_2$
$g_3$
$\vdots$
$a = g_i$$ae$$ag_2$$ag_3$$\cdots$$ag_n$
$\vdots$
$g_n$

¿Qué pasa si elegimos un elemento fijo? Fijemos $g_i$, para distinguirlo, denotémoslo como $a = g_i.$ Así, en la tabla del producto ese renglón quedaría $ae \;\; ag_2 \;\; ag_3 \;\; \cdots \;\; ag_n$. Como $a = g_i \in G$ y todos los demás elementos también, ese renglón está conformado por elementos de $G$.

Podría darse el caso en que $ag_k = ag_t$ para algún $k,t\in \{1,\dots,n\}$, pero como $G$ es un grupo, podemos cancelar la $a$. Entonces $ag_k = ag_t \Leftrightarrow g_k = g_t$. Así, si suponemos que $g_k \neq g_t$ para todas $g \neq t$ con $g,t\in \{1,\dots,n\}$, en el renglón de $a$ aparecen $n$ elementos distintos. Es decir, aparecen todos los $n$ elementos de $G$ pero quizás en otro orden.

De esta manera, el efecto que tiene $a$ sobre los elementos de $G$ es de moverlos. Esto sucederá en cualquier renglón de la tabla, es decir, cualquier elemento de $G$ funciona como una permutación. Esto es importante porque nos permitirá visualizar a cualquier grupo como un grupo de permutaciones.

Esta es la razón por la cual las permutaciones son tan importantes y por eso tenemos que estudiarlas bien.

La función tao $\tau$

Bajo la idea propuesta en la demostración, todo grupo se puede pensar como un subgrupo de un grupo de permutaciones. Para formalizar esta idea comenzaremos con un lema.

Lema.
Sea $G$ un grupo, $a\in G$. La función $\tau_a:G \to G$ dada por $\tau_a(g) = ag$ para todo $g\in G$, es una biyección.

Demostración.

Sea $G$ un grupo, $a\in G$. Consideremos la función $\tau_a:G\to G$ con $\tau_a(g) = ag$ para todo $g\in G$.

P.D. $\tau_a$ es biyectiva.
Consideremos la función $\tau_{a^{-1}}:G\to G$ con $\tau_{a^{-1}} = a^{-1} g$, para toda $g\in G.$ Dado $g\in G$.
\begin{align*}
\tau_{a^{-1}}\circ\tau_a(g) & = \tau_{a^{-1}}(\tau_a(g)) = \tau_{a^{-1}}(ag) = a^{-1}(ag) = g\\
\tau_a\circ\tau_{a^{-1}}(g) &= \tau_a(\tau_{a^{-1}}(g)) = \tau_a(a^{-1}g) = a(a^{-1}g) = g.
\end{align*}

Donde todas las igualdades son por definición de $\tau$ y $\tau^{-1}$ ó por propiedades de grupo.

Así, $\tau_{a^{-1}}$ es la inversa de $\tau_a$ y entonces $\tau_a$ es biyectiva.

$\blacksquare$

Observación. Si $a\neq e$, $\tau_a$ no es un homomorfismo.
La demostración queda como ejercicio. Sucederá que si $a\neq e$, entonces $\tau_a$ seguirá siendo función biyectiva, pero no un homomorfismo.

El título de la entrada

El Teorema de Cayley es quien nos dirá exactamente lo que queremos formalizar esta entrada.

Teorema. Teorema de Cayley.
Todo grupo de $G$ es isomorfo a un subgrupo de $S_G$. En particular, todo grupo finito de orden $n$ es isomorfo a un subgrupo de $S_n$.

Demostración.
Sea $G$ un grupo. Definimos,
\begin{align*}
\phi: G \to S_G \text{ con } \phi(a) = \tau(a) \; \forall a\in G.
\end{align*}

Veamos que $\phi$ es un homomorfismo.
Tomemos $a,b\in G$.
P.D. $\phi(ab) = \phi(a)\circ\phi(b) = \phi(a)\phi(b)$.

Dado $g\in G$, aplicamos la función $\phi(ab)$ a $g$.
\begin{align*}
\phi(ab)(g) &= \tau_{ab}(g)\\
&= (ab)g \\
&= a(bg) \\
&= \tau_a(\tau_b(g)) \\
& = \tau_a\circ\tau_b(g) = \phi(a)\circ\phi(b)(g).
\end{align*}

Por lo tanto $\phi$ es un homomorfismo.

Veamos que $\phi$ es un monomorfismo. Sea $a\in \text{Núc }\varphi$,
\begin{align*}
\Rightarrow\; & \phi(a) = \text{id}_G & \text{Definición de Núc}\\
\Rightarrow\; & \phi(a) (g) = \text{id}_G(g) &\forall g\in G \\
\Rightarrow\; & \tau_a(g) = a & \forall g\in G\\
\Rightarrow\; &ag = g & \forall g\in G \\
\Rightarrow\; &a = e.
\end{align*}

En particular, podría ser $g = e$. Entonces podríamos probar que $a = e$ de distintas maneras y obtener lo mismo. De esta manera $\phi$ es un monomorfismo.

Así, al restringir el codominio de $\phi $ a la imagen $\text{Im }\phi$ obtenemos un isomorfismo.
Por lo tanto $G\cong \text{Im }\phi \leq S_G$. Con esto tenemos la primero parte del teorema demostrada.

En particular, si $|G| = n $ tenemos que $S_G \cong S_n$ y como $G\cong \text{Im }\phi \leq S_n$, entonces $G$ es isomorfo a un subgrupo de $S_n$.

$\blacksquare$

Ejemplo:

Tomemos $V = \{(0,0), (1,0), (0,1), (1,1)\}$ el grupo de Klein, con la suma entrada a entrada módulo 2.
Sean $a_1 = (0,0), a_2 = (1,0), a_3 = (0,1), a_4 = (1,1)$. Tenemos la tabla de suma de la siguiente manera:

$+$$a_1$$a_2$$a_3$$a_4$
$a_1$$a_1$$a_2$$a_3$$a_4$
$a_2$$a_2$$a_1$$a_4$$a_3$
$a_3$$a_3$$a_4$$a_1$$a_2$
$a_4$$a_4$$a_3$$a_2$$a_1$

Entonces $\tau_{a_2}$ intercambia $a_1$ y $a_2$ e intercambia $a_3$ y $a_4$ de lugar. Viendo a $a_2$ como una permutación, correspodería a $\sigma \in S_4$ con $\sigma = (1\;2)(3\;4).$

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Demostrar la observación:
    Observación. Si $a\neq e$, $\tau_a$ no es un homomorfismo.
  2. Para los siguientes grupos $G$ y $a\in G$ determina cómo es la función $\tau_g:$
    • $G$ es cíclico de orden 6, $g$ un generador de $G$.
    • $G = D_{2(4)}$, $g = b$ la reflexión sobre el eje $x$.
    • $G = Q$, $g = -j$.
  3. En los diferentes inicios del ejercicio anterior, describe cómo se puede visualizar al elemento $g\in G$ como una permutación en $S_n$ con $n = |G|.$

Más adelante…

Esta entrada es la primera de la unidad 4 porque a partir de aquí, sólo nos podemos ir más abstracto. Aquí vimos que un grupo se puede ver como permutaciones porque podemos multiplicar $g\in G$ con todos los elementos de $G$. Pero a lo largo de este curso vimos varias operaciones que están definidas a partir del producto de $G$, por ejemplo, si tenemos $aN \in G/N$ con $N$ normal en $G$, es perfectamente válido operar $gaN$. Siguiendo la lógica del Teorema de Cayley, ¿qué significa esto? ¿Será posible una relación similar entre cualesquiera dos grupos? Estas y más preguntas serán respondidas en las siguientes entradas.

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Álgebra Moderna I: Cuarto Teorema de Isomorfía

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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Introducción

En esta entrada veremos el Cuarto Teorema de Isomorfía, para entenderlo mejor es necesario ilustrarlo con diagramas de retícula.

Sean $G$ un grupo y $N$ un subgrupo normal de $G$. Recordemos que podemos escribir todos los subgrupos de $G$ en una retícula. Como estamos considerando a todos los subgruposde $G$, el subgrupo más pequeño es el conjunto que contiene sólo al neutro $\{e_G\}$. Así, $G$ va hasta arriba del diagrama y $\{e_G\}$ al final.

Por otro lado, como $H\unlhd G$, tiene sentido considerar otro diagrama, el del grupo $G/N$. De la misma manera que en el anterior, hasta abajo colocaríamos $\{e_{G/N}\}$ que es el conjunto unitario de $\{N\}$.

Diagramas de retícula de $G$ y de $G/N$.

Luego, como $N \unlhd G$. Podemos tomar un subgrupo $H$ de $G$ que contenga $N$ y colocarlos en el diagrama. Además, esto nos daría la existencia de $H/N \leq G/N$, entonces podríamos dar una correspondencia de $H \mapsto H/N$. Esto nos da una relación entre ambas retículas (la de $G$ y la de $G/N$):

\begin{align*}
G &\longmapsto G/N\\
H &\longmapsto H/N\\
N &\longmapsto \{e_G\} = \{N\}.
\end{align*}

La relación que existe entre la retícula desde $N$ a $G$ y la retícula de $G/N$ además de ser biyectica tiene otras propiedades, por ejemplo, si existe $N\leq K \unlhd H$, entonces $K/N \unlhd H/N$. Estas propiedades son las que veremos en el teorema que nos compete.

Diagramas de retícula de $G$ y de $G/N$ con correspondencia.

Enunciado y demostración del Teorema

A continuación veremos el Cuarto Teorema de Isomorfía (CTI), también conocido como Teorema de la Correspondencia.

Teorema. (Cuarto Teorema de Isomorfía)
Sea $G$ un grupo, $N$ subgrupo normal de $G$, $\pi: G \to G/N$ con $\pi(a) = aN$ (la proyección canónica) para toda $a\in G$. Consideremos

\begin{align*}
\text{Sub}_N^G &= \{H| N\leq H \leq G \}, \\
\text{Sub}_{ G/N} &= \{\mathcal{H} | \mathcal{H} \leq G/N\}.
\end{align*}

Entonces $\pi$ define una correspondencia biyectiva
\begin{align*}
F: \text{Sub}_N^G \to \text{Sub}_{ G/N}
\end{align*}
con $F(H) = \pi [H] = H/N$ para todo $H \in \text{Sub}_H^G$.

Además, si $H,K\in \text{Sub}_N^G$:

  1. $K\leq H$ si y sólo si $K/N \leq H/N$ y en este caso $[ H:K] = [H/N : K/N]$.
  2. $K \unlhd H$ si y sólo si $K/N \unlhd H/N$.
  3. $\left< H\cup K \right> / N = \left< H/N \cup K/N \right>$.
  4. $(H\cap K) / N = (H/ N) \cap (K/N)$.

Demostración.

Sean $G$ un grupo, $N\unlhd G$, $\pi:G\to G/N$ con $\pi(a) = aN$ para toda $a\in G$.
Sean
\begin{align*}
\text{Sub}_N^G &= \{H\,|\, N\leq H \leq G \}, \quad
\text{Sub}_{ G/N} = \{\mathcal{H} | \mathcal{H} \leq G/N\}.
\end{align*}

Definimos
\begin{align*}
F: \text{Sub}_N^G \to \text{Sub}_{ G/N}
\end{align*}
con $F(H) = \pi[ H] = H/N$ para todo $H \in \text{Sub}_H^G$. Donde $\pi[H]$ es la imagen directa de $H$ bajo $\pi$.

Como $\pi$ es un homomorfismo y $H\leq G$ entonces $\pi[H]\leq \pi[G ]$, es decir $H/N\leq G/N$, entonces $F$ está bien definida.

Veamos que $G$ es inyectiva, para ello probemos la primera parte del inciso 1.
Sean $H, K \in \text{Sub}_N^G$.
P.D. $K \leq H \Leftrightarrow K/N \leq H/N$.

$|\Rightarrow]$ Supongamos que $K \leq H$. Sea $x \in K/N, x = kN$ con $k\in K.$

Como $K\subseteq H$, $k\in H$ y así $x = kN \in H/N$. Por lo tanto $K/N \leq H/N$.

$[\Leftarrow|$ Supongamos que $K/N \leq H/N.$ Sea $k\in K$, tenemos las siguientes implicaciones:
\begin{align*}
k N \in K/N &\Rightarrow kN \in H/N &\text{pues } K/N \leq H/N \\
&\Rightarrow kN = hN \;\text{con } h\in H \\
& \Rightarrow k = hn\; \text{con } h\in H, n\in N &\text{por } k \in kN = hN\\
& \Rightarrow k \in H & \text{ya que } N \subseteq H.
\end{align*}

Por lo tanto $K \leq H$.

De este modo, si $H,K \in \text{Sub}_N^G $ son tales que $F(H) = F(K)$, entonces $H/N = K/N$, así
\begin{align*}
H/N \leq K/N &\Rightarrow H \leq K \\
K/N \leq H/N &\Rightarrow K \leq H,
\end{align*}

ambas implicaciones son consecuencia de lo que acabamos de probar del inciso 1 de CTI. Así, $H=K$.

Veamos que $F$ es suprayectiva. Se $\mathcal{H} \in \text{Sub}_{G/N}$, es decir $\mathcal{H} \leq G/N$. Como $\pi: G \to G/N$ es un homomorfismo y $\{N\}\leq \mathcal{H} \leq G/N$, entonces $N \leq \pi^{-1}[\mathcal{H}] \leq G$.

Diagrama de la imagen inversa de $\mathcal{H} = \pi^{-1}[\mathcal{H}]$.

Nos vamos a fijar en el subgrupo $\pi^{-1} [\mathcal{H}]$, porque nos va a servir para probar la suprayectividad que buscamos.
Entonces apliquemos $F$: $$F(\pi^{-1} [\mathcal{H} ]) = \pi [\pi^{-1}[\mathcal{H}]]= \mathcal{H}$$ pues $\pi$ es suprayectiva. Así, $F$ es suprayectiva.

Probaremos ahora la segunda parte del inciso 1).
Sean $H,K\in \text{Sub}_N^G$, con $K\leq H$.
P.D. $[H: K ] = [H/N: K/N]$.

Recordemos que $[H/N : K/N]$ es la cardinalidad de $\{(hN)K/N \,|\, hN \in H/N\}$.

Para simplificar, denotaremos a $K/N$ por $K^*$ y como $\pi (h) = hN$, entonces $[H/N : K/N ]$ es la cardinalidad de $\{\pi(h)K^* | h\in H\}.$

P.D. $\{hK | h \in H \}$ y $\{\pi(h)K^*|h\in H\}$ tienen la misma cardinalidad.

Sea $f: \{hK | h \in H\} \to \{\pi(h)K^*| h\in H\}$ definida por $f(hK) = \pi(h)K^*$ para toda $h\in H$. Demostraremos que es una función biyectiva.
Primero, veamos que $f$ está bien definida. Tomemos $h, \tilde{h} \in H$. Tenemos las siguientes implicaciones:

\begin{align*}
hK = \tilde{h}K &\Rightarrow h^{-1}\tilde{h} \in K \\
&\Rightarrow h^{-1}\tilde{h} N \in K/N = K^*\\
&\Rightarrow \pi(h^{–1}\tilde{h}) \in K^* & \text{definición de }\pi\\
&\Rightarrow \pi(h)^{-1} \pi(\tilde{h}) \in K^* & \pi\text{ es homomorfismo}\\
&\Rightarrow \pi(h)K^* = \pi(\tilde{h})K^*.
\end{align*}
Por lo tanto, $f$ está bien definida.

Ahora veamos que $f$ es inyectiva. Sean $hK,\tilde{h}K$ con $h,\tilde{h}\in H$, tales que $f(hK) = f(\tilde{h}K)$. Seguiremos las siguientes implicaciones,

\begin{align*}
f(hk) = f(\tilde{h}K) & \Rightarrow \pi(h)K^* = \pi(\tilde{h})K^* &\text{definición de }f \\
&\Rightarrow \pi(h)^{-1}\pi(\tilde{h}) \in K^* \\
&\Rightarrow \pi(h^{–1}\tilde{h}) \in K^* &\pi\text{ es homomorfismo}\\
&\Rightarrow h^{–1}\tilde{h}N\in K^*&\text{definición de }\pi\\
&\Rightarrow h^{-1}\tilde{h}N = kN \text{ con } k \in K & \text{porque }K^* = K/N\\
&\Rightarrow h^{-1}\tilde{h} = kn, k\in K, n\in N &\text{porque } h^{-1}\tilde{h}\in h^{-1}\tilde{h}N \\
&\Rightarrow h^{-1}\tilde{h}\in K &\text{pues } N\subseteq K \\
&\Rightarrow hK = \tilde{h}K.
\end{align*}
Por lo tanto $f$ es inyectiva.

Además, si tenemos $\pi(h)K^*$ con $h\in H$, entonces $\pi(h)K^* = f(hK) \in \text{Im}f$. Por lo tanto $f$ es suprayectiva.

Así,
\begin{align*}
[H:K] &= \# \{hK | h \in H\} \\
&= \#\{\pi(h)K^* | h \in H\} = [H/N:K/N].
\end{align*}

Ahora, demostraremos el inciso 2.

Sean $H,K\in \text{Sub}_N^G$.
P.D. $K \unlhd H \Leftrightarrow K/N \unlhd H/N.$

El inciso 1 (que acabamos de probar) ya nos da que $K \leq H \Leftrightarrow K/N \leq H/N.$ Entonces lo que nos resta probar es que son subgrupos normales.

$|\Rightarrow]$ Supongamos que $K\unlhd H$. Sean $x\in H/N, y \in K/N$, entonces $x = hN, y = kN$ con $h\in H, k\in K$.

Lo que queremos es considerar el conjugado $xyx^{-1}$, es decir, ver que si tomamos un elemento de $K$ módulo $N$ (al que llamamos $y$) y lo conjugamos con cualquier elemento de $H$ módulo $N$ (en este caso $x$), vuelvo a tener un elemento en $K$ módulo $N$. Esto se ve de la siguiente manera:
\begin{align*}
x y x^{-1} = (hN)(kN)(hN)^{-1} = (hN)(kN)(h^{-1}N) = hkh^{-1}N.
\end{align*}

Como $k \in K, h \in H$ y $K\unlhd H$, se tiene que $hkh^{-1} \in K$.

Así, $xyx^{-1} = hkh^{-1} N \in K/N$. Por lo que $K/N \unlhd H/N$.

$[\Leftarrow|$ Supongamos que $K/N \unlhd H/N$. Sean $k\in K, h\in H$.

Veamos qué sucede con la clase $hkh^{-1}N$:
\begin{align*}
hkh^{-1} N = (hN)(kN)(h^{-1}N) = (hN)(kN)(hN)^{-1}
\end{align*}

Es otras palabras, estamos conjugando un elemento de $kN\in K/N$ con un elemento de $kN\in K/N$. Luego, como sabemos que $K/N \unlhd H/N$ obtenemos que esta conjugación sigue estando en $K/N$. Es decir, $hkn^{-1}N\in K/N$.

Podríamos reescribir $hkh^{-1}N = \tilde{k}N$ con $\tilde{k} \in K$. Así,

\begin{align*}
hkh^{-1}N &= \tilde{k}N & \text{con }\tilde{k} \in K\\
\Rightarrow hkh^{-1} &= \tilde{k}n, \tilde{k}\in K, n\in N & \text{por } hkh^{-1} \in hkh^{-1}N = \tilde{k}N \\
\Rightarrow hkh^{-1}&\in K &\text{pues } N\subseteq K.
\end{align*}

Por lo tanto $K\unlhd H$.

$\blacksquare$

Ejemplo de CTI

Ejemplo. Tomemos el grupo diédrico (todas las simetrías de un cuadrado) $D_{2(4)} = \left<a,b \right>$, donde $a$ la rotación de $\frac{\pi}{2}$ y $b$ es la reflexión respecto al eje $x$.

Construyamos la retícula de $D_{2(4)}$: comenzamos con $D_{2(4)}$ hasta arriba, este tiene orden de 8. En el siguiente nivel colocamos los subgrupos:
\begin{align*}
\left<a^2,b\right> &= \{\text{id}, a^2, b, a^2b\}\\
\left<a\right> &= \{\text{id}, a, a^2, a^3\} \\
\left<a^2,ab\right> &= \{\text{id}, a^2, ab, a^3b\}.
\end{align*}

Cada uno de esos subgrupos tiene orden 4, en realidad esos son los únicos subgrupos de $D_{2(4)}$ que tienen orden 4. Siéntete libre de confirmar las cuentas.

Luego podemos colocar en el tercer nivel los subgrupos de orden 2:
\begin{align*}
\left< b\right> &= \{\text{id}, b\}\\
\left< a^2b\right> &= \{\text{id}, a^2b\}\\
\left< a^2\right> &= \{\text{id}, a^2\}\\
\left< ab\right> &= \{\text{id}, ab\}\\
\left< a^3b\right> &= \{\text{id}, a^3b\}.
\end{align*}

Por último, hasta abajo tenemos al unitario de la identidad $\{\text{id}\}$. Si verificamos las operaciones, nos daremos cuenta que hemos construido todo el diagrama de retícula de $D_{2(4)}$.

Para poder usar el CTI, consideremos $\left<a^2\right> \unlhd D_{2(4)}$ y concentremos nuestra atención en la parte de la retícula que se encuentra entre esos dos (marcada con rojo en la imagen).

Ahora, dibujaremos el diagrama de retícula de $D_{2(4)}/\left<a^2\right>$, éste va hasta arriba. Colocamos los cocientes respectivos en el siguiente nivel, siguiendo esta correspondencia:

\begin{align*}
\left<a^2,b\right> &\longmapsto \left<a^2,b\right> / \left<a^2\right>\\
\left<a\right> &\longmapsto \left<a\right>/ \left<a^2\right>\\
\left<a^2,ab\right> &\longmapsto \left<a^2,ab\right>/ \left<a^2\right>.
\end{align*}

Haciendo las cuentas veremos que:
\begin{align*}
\left<a^2,b\right> / \left<a^2\right> = \left<b \left<a^2\right>\right>\\
\left<a\right>/ \left<a^2\right> = \left<a \left<a^2\right>\right>\\
\left<a^2,ab\right>/ \left<a^2\right> = \left<ab \left<a^2\right>\right>.
\end{align*}

Construcción de los diagramas de retícula

Por último, haremos una observación. Si tomamos uno de los subgrupos de de orden 2, que no sea $\left< a^2\right>$ igual podríamos aplicarle $\pi$ y seguirían cayendo en elementos de la retícula de $D_{2(4)}/\left<a^2\right>$. Por ejemplo, si tomamos $\left< a^3b\right>$, entonces:
\begin{align*}
\pi[\left< a^3b\right>] = \{\text{id}\left<a^2\right>, a^3b\left<a^2\right>\} = \left<ab\left<a^2\right>\right>.
\end{align*}

Esto haría a $\pi$ no biyectiva, pero esto no contradice el Teorema de la Correspondencia porque en realidad $\left< a^3b\right>$ ni siquiera está contemplado porque no forma parte de la retícula entre $D_{2(4)}$ y $\left<a^2\right>$.

Diagrama de retícula completo.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Prueba los incisos 3 y 4 del Teorema de la correspondencia (Cuarto Teorema de Isomorfía).
  2. Encuentra la retícula de sugrupos de $\z$ que contienen a $24\z$.
    • Encuentra la retícula de subgrupos de $\z/24\z$.
    • Compara ambas retículas.
  3. Usando el diagrama reticular de subgrupos de $\z_{36}$ encuentra el de $\z_{36}/N$ donde $N = \{\bar{0}, \overline{12}, \overline{24}\}$.

Más adelante…

Con esta entrada concluimos la Unidad 3. En la siguiente unidad comenzaremos a ver cómo es posible ver a cualquier grupo como un subgrupo de permutaciones. ¿Puedes imaginártelo?

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Álgebra Moderna I: Tercer Teorema de Isomorfía

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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Introducción

Alguna vez te haz preguntado: ¿qué ocurre con un cociente de cocientes? Comencemos con un ejemplo para crear intuición.

Digamos que queremos que el siguiente cociente tenga sentido:
\begin{align*}
(G/K) \Big/ (H/T).
\end{align*}
Para ello, necesitamos que $K\unlhd G$, $T\unlhd H$ y además $H/T \unlhd G/K$. Lo último nos indica en particular que $H/T$ debe ser un subconjunto de $ G/K$. Como los elementos de $H/T$ son de la forma $hT$con $h\in H$ y los de $G/K$ de la forma $gK$ con $g\in G$, para que $H/T\subseteq G/K$ necesitamos primero que las clases se formen con respecto al mismo subgrupo, es decir requerimos que $T=K$. Además, todo $h\in H$ debería ser elemento de $G$, por lo que $H\subseteq G.$

Volvamos a escribir el cociente ahora con $T=K$,
\begin{align*}
(G/K) \Big/ (H/K).
\end{align*}
También actualicemos las necesidades:

  1. $K\unlhd G$,
  2. $K\unlhd H$ y
  3. $H/K\unlhd G/K$ con $H\subseteq G.$

Notemos que $K \subseteq H \subseteq G$ y la primera condición, $K \unlhd G$, nos da la segunda, $K\unlhd H$. También podemos pedir que $H\unlhd G$ y de esto obtendríamos la tercera necesidad, $H/K\unlhd G/K$. Además, al pedir que $H\unlhd G$ podríamos considerar al cociente $G/H$.

En esta entrada, demostraremos el Tercer Teorema de Isomorfía, el cual nos respalda en afirmar, bajo las condiciones ya establecidas, que
\begin{align*}
G/H \cong (G/K) \Big/ (H/K).
\end{align*}

De esto podemos concluir que, cuando se tiene un cocientes de cocientes existe una manera de reducirlo ya que es isomorfo a un cociente más sencillo.

Enunciado del Teorema

Comenzaremos enunciando y demostrando el teorema. Como ya dijimos en la entrada del Primer Teorema de Isomorfía, aquí volveremos a usarlo para probar el Tercero.

Diagrama de retícula que representa que $H\unlhd G$ y $K\unlhd G$.

Teorema. (Tercer Teorema de Isomorfía)
Sean $G$ un grupo, $H$ y $K$ subgrupos normales de $G$ con $K\leq H$. Entonces $H/K \unlhd G/K$ y
\begin{align*}
(G/K)\, \Big/\, (H/K) \cong G/H.
\end{align*}

Demostración.
Sean $G$ un grupo, $H\unlhd G$, $K\unlhd G$ con $K \leq H$.
Como $K\unlhd G$, al conjugar elementos de $K$ con cualquier elemento de $G,$ obtenemos elementos de $K$. En particular, si conjugamos elementos de $K$ con cualquier elemento de $H,$ obtenemos elementos de $K$. Así obtenemos que $K\unlhd H$.

Ahora, usaremos el Primer Teorema de Isomorfía para probar el isomorfismo buscado, para ello bastaría definir una $\varphi$ tal que $\text{Núc } \varphi = H/K$ y $\text{Im }\varphi = G/H$.

Sea $\varphi: G/K \to G/H$ con $\varphi(gK) = gH$ para toda $g\in G$.

Primero, veamos que $\varphi$ está bien definida.
Tomemos $a,b \in G$.
\begin{align*}
aK = bK &\Rightarrow b^{-1}a \in K \\
&\Rightarrow b^{-1}a\in H &\text{Porque } K \subseteq H\\
&\Rightarrow aH = bH.
\end{align*}
Esto nos dice que debido a la contención $K\subseteq H$, dos clases que son iguales con respecto a $K$, seguirán siendo iguales con respecto a $H$. Así, $\varphi$ está bien definida.

Ahora veamos que $\varphi$ es un homomorfismo. Sean $a,b\in G$
\begin{align*}
\varphi(aKbK) = \varphi(abK) = ab H = aHbH = \varphi(aK)\varphi(bK)
\end{align*}
entonces $\varphi$ es un homomorfismo.

Ahora sí, comencemos a analizar su núcleo:
\begin{align*}
\text{Núc }\varphi &= \{gK\in G/K \,:\, \varphi(gK) = e_{G/H}\} & \text{Definición de núcleo} \\ &= \{gK\in G/K \,:\, gH = H \} &\text{Definición de $\varphi$ y neutro del cociente}\\
&= \{gK \in G/K \,:\, g\in H\} & gH = H \Leftrightarrow g\in H \\
&= H/K
\end{align*}

Así, $\text{Núc }\varphi =H/K$ y en consecuencia $H/K \unlhd G/K.$

Veamos ahora que $\varphi$ es suprayectiva.
Sea $x\in G/H$, $x = gH$ con $g\in G$. Por definición de $\varphi$ tenemos,
\begin{align*}
x = gH = \varphi(gK) \in \text{Im }\varphi.
\end{align*}
Como siempre sucede que $\text{Im }\varphi \subseteq G/H$. Entonces $\text{Im }\varphi = G/H$.

Por el Primer Teorema de Isomorfía:
\begin{align*}
(G/K)\,\Big/\, \text{Núc }\varphi \cong \text{Im }\varphi
\end{align*}
entonces, de acuerdo a lo que analizamos,
\begin{align*}
(G/K)\,\Big/\, (H/K) \cong G/H.
\end{align*}

$\blacksquare$

Ejemplo

Veamos ahora un ejemplo del Tercer Teorema de Isomorfía.

Tomemos $G = (\r, +), H= (\z, +)$. Consideremos $n\in\z$ y $K = \left< n\right> = n\z$.

Diagrama que representa $\left< n\right>\unlhd \r$ y $\z \unlhd \r$.

Sabemos que $\z\unlhd\r$ y que $\left< n\right>\unlhd \r$ ya que $\r$ es abeliano.
Por el 3er Teorema de Isomorfía,
\begin{align*}
(\r/\left<n\right>)\,\Big/\, (\z/\left< n\right>) \cong \r/\z.
\end{align*}

Veamos cómo es $\z / \left<n\right>$. Sea $\varphi:\z\to\z_n$ con $\varphi(m) = \bar{m}$ para todo $m\in\z$. Por lo que tenemos estudiado de Álgebra Superior II, sabemos que $\varphi$ es un epimorfismo con $\text{Núc }\varphi = \left<n\right>$ y por el 1er Teorema de Isomorfía
\begin{align*}
\z/\left<n\right> \cong \z_n.
\end{align*}

Analicemos ahora el cociente $\r/\left<n\right>$. Sea $\psi:\r \to \mathbb{C}^*$ con $\psi(x) = e^{\frac{2\pi ix}{n}}$ para toda $x\in \r$. Tenemos que $\psi$ es un homomorfismo con
\begin{align*}
\text{Núc }\psi &= \{x\in \r : \psi(x) = 1\} = \{x\in\r : e^{\frac{2\pi ix}{n}} = 1\}\\
&= \{nk : k\in\z\} = \left< n\right>.\\
\text{Im }\psi &= \{\psi(x) : x\in \r\} = \{e^{\frac{2\pi ix}{n}}: x\in \r\}\\
&=\{z \in \mathbb{C}:|z|=1\} = \s^1.
\end{align*}
Por el 1er Teorema de Isomorfía aplicado a $\psi$ obtenemos que $\r/\left<n\right> \cong \s^1$.

Por último, veamos cómo es $\r/\z$. Sea $F:\r\to\mathbb{C}^*$ con $F(x) = e^{2\pi ix}$ para toda $x\in\r$. Tenemos que $F$ es un homomorfismo con
\begin{align*}
\text{Núc }F &= \{x\in\r : F(x) = 1\} = \{x\in\r : e^{2\pi ix} = 1\}\\
&= \{x : x\in\z\} = \z\\
\text{Im }F &= \{F(x) : x\in\r\} = \{e^{2\pi ix}: x\in \r\}\\
&= \{z\in\mathbb{C} : |z| = 1\} = \s^1.
\end{align*}

Así, $\r/\z \cong \s^1$ por el 1er Teorema de Isomorfía.

Recapitulando, hemos visto que
\begin{align*}
\s^1 &\cong \r/\left<n\right> \\
\z_n &\cong \z/\left<n\right>.
\end{align*}

Entonces, retomando el cociente con el que iniciamos:
\begin{align*}
(\r/\left<n\right>) \,\Big/\, (\z/\left<n\right>) \cong \r/\z \cong \s^1.
\end{align*}

donde $\s^1\cong \r/\left<n\right>$ y $\z_n\cong \z/\left<n\right>.$ Entonces, un cociente de $\s^1$ módulo un subgrupo suyo no trivial (que es isomorfo a $\z_n$), resulta ser isomorfo a $\s^1$.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Sea $G$ un grupo, $H$ y $K$ subgrupos normales de $G$ con $K$ un subgrupo de $H$. Describe cómo son en general los elementos del cociente $(G/K)/(H/K)$.
  2. Sea $\z_{12}$, considera sus subgrupos $H = \langle\bar{2}\rangle$ y $K = \langle\bar{4}\rangle$.
    • Determina en este caso qué pasa al aplicar el Tercer Teorema de Isomorfía.
    • Describe cómo son los cocientes $\z_{12}/K$ y $H/K$ encontrando explícitamente su orden, el orden de sus elementos y su tabla de multiplicar.

Más adelante…

Ya vamos 3/4 de los teoremas. ¡Qué emoción! En la próxima entrada veremos el más largo de los Teoremas de Isomorfía.

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Álgebra Moderna I: Segundo Teorema de Isomorfía 

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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Introducción

Comencemos introduciendo la idea del Segundo Teorema de Isomorfía. Para ello tomemos $H,K$ dos subgrupos de $G$ tales que $H\unlhd G$. Por favor, apóyate en el diagrama de retícula.

Diagrama de retícula para explicar el Segundo Teorema de Isomorfía.

Observemos el cociente $HK/H$, este es posible porque $H\unlhd HK$ (como se hizo notar en la entrada anterior y esto se indica en el diagrama). Por nuestra experiencia manejando fracciones, podríamos pensar que es posible cancelar la $H$ y obtener que $HK/H \cong K$. Sin embargo, esto no es cierto porque $K$ puede tener elementos en común con $H$. Por ejemplo, si tomamos el caso cuando $H=K$ el isomorfismo $HK/H \cong K$ ya no se cumple.

¡Pero no temais! porque sí existe un isomorfismo para $HK/H$, en esta entrada el Segundo Teorema de Isomorfía nos dice que $$HK/H \cong K/(H\cup K).$$

Cabe notar que en la literatura suelen mezclarse el Segundo y el Tercer Teorema de Isomorfía entre sí. El Primer Teorema de Isomorfía siempre es el que enunciamos en la entrada pasada, pero a veces el Segundo puede ser el Tercero y viceversa. Esto lo aclaramos por si el teorema que tratamos en esta entrada no es el que te esperabas.

Segundo Teorema de Isomorfía

El segundo Teorema de isomorfía también es llamado del Teorema del Diamante por la forma del diagrama de retícula asociado.

Diagrama de retícula del STI.

Teorema. (2do Teorema de Isomorfía)
Sean $G$ un grupo, $H,K$ subgrupos de $G$ con $H\unlhd G$. Entonces $HK\leq G$, $H \unlhd HK$, $H\cap K \unlhd K$ y
\begin{align*}
HK/H \cong K/(H\cap K).
\end{align*}

Demostración.
Sean $G$ un grupo, $H \unlhd G$, $K \leq G$.
Como $H \unlhd G$, entonces $HK \leq G$. Tenemos que $H\leq HK$ y como $H \unlhd G$, entonces $H \unlhd HK$.

En esta demostración queremos usar el Primer Teorema de Isomorfía. Para ello bastaría construir un homomorfismo cuyo núcleo sea $H\cap K$ y cuya imagen sea $HK/H$. Comencemos definiendo dicho homomorfismo:

Sea
\begin{align*}
\varphi: K \to HK/H
\end{align*}
con $\varphi(k) = kH, \forall k\in K$.

P.D. $\varphi$ es un homomorfismo.

Sean $k, \tilde{k} \in K$,
\begin{align*}
\varphi(k\tilde{k}) = k\tilde{k}H = kH\tilde{k}H = \varphi(k)\varphi(\tilde{k}).
\end{align*}
Así, $\varphi$ es un homomorfismo.

Ahora veamos quién es el núcleo de $\varphi$:
\begin{align*}
\text{Núc }\varphi &= \{ k\in K | \varphi(k) = e_{HK/H} \} \\
&= \{k \in K | kH = H\} \\ &= \{k\in K|k\in H\} = H\cap K.
\end{align*}
De este modo, $H\cap K = \text{Núc }\varphi \unlhd K$.

Veamos ahora que $\varphi$ es suprayectiva.
Sea $x\in HK/H$, $x = hk H$ con $h\in H, k \in K$.
\begin{align*}
x = hk H = (kk^{-1})hk H = k(k^{-1}hk) H = kH
\end{align*}
ya que $k^{-1}hk\in H$ pues $H\unlhd G$.

Entonces $x = kH = \varphi(k) \in \text{Im }\varphi$. Por lo que $\varphi$ es suprayectiva y además, $\text{Im }\varphi = HK/H$.

Por el 1er Teorema de Isomorfía,
\begin{align*}
K/\text{Núc }\varphi \cong \text{Im }\varphi
\end{align*}
entonces
\begin{align*}
K/(H\cap K) \cong HK/H.
\end{align*}

$\blacksquare$

Un ejemplo para reforzar del STI

Consideremos $G = GL(2,\c), H = \{zI_2| z \in\c^*\}$ y $K = SL(2,\c)$. Recordemos que $K$ es el grupo lineal especial.

Dado $z \in\c^*$ y $A\in GL(2,\c)$,
\begin{align*}
A(zI_2)A^{-1} = zAI_2A^{-1} = zI_2.
\end{align*}
Así $H \unlhd G$.

Además,
\begin{align*}
H\cap K &= \{zI_2|\det(zI_2) = 1\}\\ &= \left\{ \begin{pmatrix}
z & 0\\0 & z \end{pmatrix} : z^2 = 1\right\}\\
& = \left\{\left( \begin{array}{rr}1 & 0\\0 & 1 \end{array}\right), \left( \begin{array}{rr}
-1 & 0\\0 & -1 \end{array}\right) \right\} = \{I_2, -I_2\}.
\end{align*}

Por el Segundo Teorema de Isomofía,
\begin{align*}
HSL(2,\c)/ H \cong SL(2,\c)/ \{I_2, -I_2\}.
\end{align*}

Diagrama que describe las relaciones entre los grupos del ejemplo.

Analicemos qué pasa con $HSL(2,\mathbb{C})$. Primero $HSL(2,\c) \leq GL(2, \mathbb{C})$, y si $A \in GL(2,\mathbb{C})$.
\begin{align*}
A = \left(\sqrt{\det A} \;I_2 \right) \left(\frac{1}{\sqrt{\det A}}\right)A.
\end{align*}

Como el primer término está en $H$ y el segundo está en $SL(2,\c)$, entonces $A \in H\,SL(2,\c)$.
Así, tenemos que $H\,SL(2,\c) = GL(2,\mathbb{C})$.

Reescribiendo lo que nos dice el Segundo Teorema de Isomorfía obtenemos:
\begin{align*}
GL(2,\mathbb{C})/H \cong SL(2,\mathbb{C})/\{I_2, -I_2\}.
\end{align*}

Diagrama actualizado

Analicemos ahora cómo es $GL(2,\c)/H$. Tomemos $A,B \in GL(2,\mathbb{C})$,
\begin{align*}
AH = BH &\Leftrightarrow A^{-1}B\in H\\ &\Leftrightarrow A^{-1}B = \begin{pmatrix}z & 0 \\ 0 & z\end{pmatrix} \quad \text{con }z\in \c^* \\
&\Leftrightarrow B = A \begin{pmatrix} z & 0 \\ 0 & z \end{pmatrix} = z A \quad \text{con }z\in \c^*
\end{align*}

es decir, en el cociente identificamos a matrices que difieren por un escalar no nulo.

Ahora, analicemos el cociente $SL(2,\c)/\{I_2, -I_2\}$. Tomemos $A,B\in SL(2,\c)$,
\begin{align*}
A\{I_2, -I_2\} = B\{I_2,-I_2\} &\Leftrightarrow A^{-1}B \in \{I_2, -I_2\}\\ &\Leftrightarrow A^{-1}B = \pm I_2 \\
&\Leftrightarrow B = \pm A
\end{align*}
es decir, identificamos a los matrices que difieren a lo mucho por su signo.

Versión intuitiva del ejemplo

Veamos ahora el ejemplo de una manera más intuitiva (con dibujos) para entender por qué esos cocientes son isomorfos.

Lo que hicimos fue tomar el grupo general lineal $GL(2,\c)$ y hacer un cociente respecto a $H$, que consiste en todas las matrices escalares con escalares no nulos. Esto hace que cada matriz $A$ se identifique con cualquier otra de la forma $zA$, con $z$ un escalar no nulo.

Diagrama de lo que sucede en $GL(2,\c).$

En el caso del grupo especial lineal $SL(2,\c)$, hicimos un cociente con $H\cap K$ que consta solamente de la identidad $I_2$ y de su inverso aditivo $-I_2$. De acuerdo con lo que analizamos, las clases de equivalencia tienen 2 elementos. Cada matriz $A$ se identifica con su inverso aditivo $-A$.

Diagrama de lo que sucede en $SL(2,\c).$

Luego, regresando a $GL(2,\c)$, si nos tomamos la matriz dada por $\frac{1}{\sqrt{\text{det }A}} A$, ésta está en la misma clase de equivalencia que $A$ ya que es de la forma $zA$ con $z=\frac{1}{\sqrt{\text{det }A}}$ un escalar no nulo. Pero además, $\frac{1}{\sqrt{\text{det }A}} A$ es de determinante igual a 1. Entonces, en la misma clase de equivalencia dos matrices con determinante 1:

\begin{align*}
\frac{1}{\sqrt{\text{det }A}} A, \quad -\frac{1}{\sqrt{\text{det }A}} A.
\end{align*}

Diagrama de que $\pm\frac{1}{\sqrt{\text{det }A}} A$ están en $GL(2,\c).$

Además, éstas son las únicas dos opciones con determinante 1. Esto sucede porque ya $\text{det}(zA) = z^2 \text{det }A$ debido a las propiedades del determinante. Entonces si queremos que $zA$ sea de determinante uno, obtendríamos:
\begin{align*}
1 = \text{det}(zA) = z^2 \text{det }A &\Leftrightarrow z^2 = \frac{1}{\text{det }A} \\
&\Leftrightarrow z = \pm \frac{1}{\sqrt{\text{det }A}}.
\end{align*}

Entonces, podemos usar alguna de esas dos matrices de determinante uno como representante de la clase de equivalencia de $A$. De la misma manera $I_2, -I_2 \in H$ tienen determinante uno, por lo que podríamos usar alguna de ellas como representante de la clase $H$.

Al trabajar en el contexto de $SL(2,\c)$ consideraríamos sólo las matrices con determinante uno, así que en la clase $H\cap K$ sólo quedarían $I_2$ y $-I_2$. De modo más general, en $GL(2,\c)$ módulo $H$ cada matriz $A$ se identifica con cualquiera de la forma $zA$, y sabemos que sólo $\pm \frac{1}{\sqrt{\text{det }A}} A$ tienen determinante uno, así que al trabajar ahora en $SL(2,\c)$ la clase de cada matriz $A$ en $SL(2,\c)$ consistirá sólo de $\pm \frac{1}{\sqrt{\text{det }A}} A$, y como $\text{det }A=1$, en cada clase tendríamos sólo a la matriz y a su inverso aditivo $\pm A$ .

Diagrama completo.

Esto es lo hay de fondo cuando decimos que los cocientes son isomorfos:

\begin{align*}
GL(2,\mathbb{C})/H \cong SL(2,\mathbb{C})/\{I_2, -I_2\}.
\end{align*}

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Sea $G$ un grupo finito, $H$ y $K$ subgrupos de $G$ con $H$ normal en $G$. ¿Cuál es la cardinalidad de $HK$ en términos de la de $H$ y de la de $K$? ¿Qué sucede si $H$ no es normal?
  2. Sea $G$ un grupo finito, $S$ y $T$ subconjuntos de $G$. ¿Cuál es la cardinalidad de $ST$ en términos de la de $S$ y la de $T$?
  3. Da otra prueba del 2do Teorema de Isomorfía encontrando un homomorfismo adecuado $\varphi: HK \to K/(H\cap K)$.
  4. Sean $G= Q$ el grupo de los cuaternios, $H = \left< i \right>$, $K = \left< k \right>$. Calcula los cocientes $HK/H$ y $K/(H\cap K)$ encontrando explícitamente su orden, el orden de sus elementos y su tabla de multiplicar, y a partir de ello compara ambos cocientes.
  5. Sean $G = \z \times \z \times \z$ con la suma entrada a entrada, $H = \z\times\z\times \{0\}$, $K = \{0\}\times\z\times\z$.
    • Analiza cómo es el cociente $(H+K)/H$ entendido qué se requiere para que $(a,b,c) + H = (d,f,g) + H$.
    • Analiza cómo es el cociente $K/(H\cap K)$ entendiendo qué se requiere para que $(a,b,c)+H\cap K = (d,f,g)+ H\cap K$.
    • Encuentra un homomorfismo $\varphi: \{0\}\times\z\times\z \to \z$ que te permita entender cómo es el cociente $K/(H\cap K)$.

Más adelante…

Ahora ya conocemos al que llamaremos el Segundo Teorema de Isomorfía, a diferencia del PTI, éste no se usa para probar el Tercero, pero igual lo ocupando en las unidades siguientes.

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Álgebra Moderna I: Primer Teorema de Isomorfía y Diagrama de Retícula

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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Introducción

La estrella de esta entrada es el primero de los cuatro Teoremas de Isomorfía que veremos. Como el nombre indica, estos teoremas relacionan dos conjuntos a través de una isomorfía, pero no sólo eso, además en los conjuntos que se relacionan aparece un cociente de grupos. El primer teorema de isomorfía nos permite entender cómo están relacionados el dominio, el núcleo y la imagen de un homomorfismo de grupos, de forma similar al teorema de la dimensión en Álgebra lineal, que establece la relación entre el dominio, el núcleo y la imagen de una transformación lineal.

El Primer Teorema de Isomorfía se usa en la prueba del resto de los teoremas de isomorfía, así que al final de esta unidad te quedará muy claro cómo se usa y para qué sirve. Normalmente se usa definiendo un homomorfismo clave para que al aplicarlo en el grupo obtengamos los cocientes necesarios.

Si quieres reforzar algunos temas que usaremos mucho a lo largo de estas entradas, puedes revisar los conceptos de Subgrupo Normal, Cociente de grupos, Isomorfísmos y Núcleo e Imagen de un Homomorfismo. Será de mucha ayuda que los tengas presentes.

Por último, junto con los Teoremas de Isomorfía usaremos una ayuda visual llamada Diagrama de Retícula, es importante para describir las relaciones entre los distintos grupos, subgrupos y subgrupos normales que estaremos manejando.

El Teorema que vamos a tratar

Teorema. (Primer Teorema de Isomorfía)
Sean $G,\bar{G}$ grupos, $\varphi: G\to \bar{G}$ un homomorfismo. Entonces
\begin{align*}
G/\text{Núc }\varphi \cong \text{Im }\varphi.
\end{align*}

Demostración.
Sea $G,\bar{G}$ grupos, $\varphi: G\to \bar{G}$ un homomorfismo, $N =\text{Núc }\varphi$.

En la entrada anterior probamos que $N \unlhd G$, de modo que $G/\text{Núc }\varphi$ tiene estructura de grupo.

Para probar que $G/\text{Núc }\varphi$ y $\text{Im }\varphi$ son isomorfos, tenemos que dar un isomorfismo entre ellos. Primero construiremos una función que vaya de $G/N$ a $\text{Im }\varphi$. Sea
\begin{align*}
\psi : G/N &\to \text{Im }\varphi \\
a N &\mapsto \varphi(a) \quad \forall a \in G.
\end{align*}

Definiremos nuestra función $\psi$ como aquella que manda una clase $aN$ de $G/N$ a $\varphi(a)$, pero no queda claro si al tomar otro representante de la clase, digamos $b$, sucederá que $\varphi(a) = \varphi(b)$. Esto tenemos que probarlo.

Tomemos $a,b\in G$ tales que $aN = bN$. Entonces,

\begin{align*}
aN = bN &\Leftrightarrow a^{-1}b\in N \\
&\Leftrightarrow \varphi(a^{-1}b) = e_{\bar{G}}\\
& \Leftrightarrow \varphi(a^{-1}) \varphi(b) = e_{\bar{G}}\\
& \Leftrightarrow (\varphi(a))^{-1}\varphi(b) = e_{\bar{G}} &\text{Propiedades de homomorfismos}\\
& \Leftrightarrow \varphi(b) = \varphi(a).
\end{align*}
En realidad todas las equivalencias anteriores son producto de las propuedades de homomorfismos que ya vimos. Las implicaciones de ida ($\Rightarrow$) nos dicen que $\psi$ está bien definida, como queríamos probar. Pero las implicaciones de regreso ($\Leftarrow$) nos dicen algo más: nuestra $\psi$ es inyectiva.

Por lo tanto $\psi$ está bien definida y es inyectiva.

Ahora nos falta ver que en efecto $\psi$ es un homomorfismo y es suprayectiva.

Para ver que es un homomorfismo consideremos $a,b\in G$, entonces:
\begin{align*}
\psi(aNbN) = \psi(abN) = \varphi(ab) = \varphi(a)\varphi(b) = \psi(aN)\psi(bN).
\end{align*}
Lo anterior sale de la definición de $\psi$ y de que $\varphi$ es un homomorfismo. Así, $\psi$ es un homomorfismo.

Finalmente, si $c \in \text{Im }\varphi$, $c = \varphi(a)$ con $a\in G$. Entonces, por definición:
\begin{align*}
c = \varphi(a) = \psi(aN) \in \text{Im }\psi.
\end{align*}

Así, $\psi$ es suprayectiva.

Por lo tanto tenemos que $\psi$ es un homomorfismo inyectivo y suprayectivo, es decir, $\psi$ es un isomorfismo. En consecuencia, $G/N \cong \text{Im }\varphi$.

$\blacksquare$

Diagrama de retícula

A partir de las siguientes entradas comenzaremos a usar algo llamado diagrama de retícula. Este diagrama es una manera de representar la relación de ser subgrupo. Se escriben todos o algunos subgrupos de un grupo $G$, y se unen dos subgrupos $H$ y $K$ con una arista si $H$ es subgrupo de $K$, de modo que $H$ quede más abajo que $K$. De esta manera, si se consideran todos los sugrupos de $G$ el grupo $G$ aparece hasta arriba y el subrgupo $\{e\}$ hasta abajo del diagrama.

Veamos un ejemplo: Sea $G$ un grupo y $H,K$ subgrupos de $G$. Si consideramos $HK$, sabemos que es subgrupo de $G$, pero además, sabemos que $H\leq HK$ y $K\leq HK$. Por último, consideremos $H\cap K$, que es a su vez un subgrupo de $H$ y $K$.

Todo esto se puede resumir en el siguiente diagrama de retícula:

Diagrama de Retícula.

¿Por qué no unimos $H$ con $G$? Pues porque este diagrama es transitivo, es decir como $H \leq HK \leq G$, está implícito que $H \leq G$. Tampoco unimos un grupo consigo mismo.

Además, si un subgrupo es un subgrupo normal, anotaremos el símbolo $\unlhd$.

Observemos que si $H\unlhd G$, entonces todo elemento en $H$, al ser conjugado con elementos de $G$, sigue siendo un elemento de $H$. En particular, si conjugamos a un elemento de $H$ con un elemento de $HK$ seguimos obteniendo un elemento de $H$. Esto nos dice que $H$ también es normal en $HK$. En el diagrama, la propiedad de ser normal se escribe de la siguiente manera:

Diagrama de Retícula donde se muestra una relación de Subgrupo Normal.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Sea $G$ un grupo cíclico con $G = \left<a\right>$. Considera el homomorfosmo $\varphi: \z \to G$ dado por $\varphi(m) = a^m$ para toda $m\in \z$.
    • Si $a$ es de orden finito con $o(a) = n$ ¿qué concluyes al aplicar el 1er Teorema de Isomorfía? ¿Qué relación existe entre dos grupos cíclicos finitos de orden $n$?
    • Si $a$ es de orden infinito ¿qué concluyes al aplicar en 1er Teorema de Isomorfía? ¿Qué relación existe entre dos grupos cíclicos infinitos?

Opcional

Puedes revisar los siguientes videos que hablan de homomorfismos:

Más adelante…

Uno de los principales usos del Primer Teorema de Isomorfía es definiendo una $\varphi$ ideal para que el núcleo y la imágen de $\varphi$ sean justo lo que queremos probar. Esto lo veremos en la siguiente entrada, donde lo usamos para probar el Segundo Teorema de Isomorfía.

El diagrama de retícula se volverá fundamental sobretodo cuando veamos el Cuarto Teorema de Isomorfía, porque veremos cómo relacionar muchos subgrupos con grupos cocientes correspondientes.

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