El Teorea de la Función Implícita (parte 3)

Por Angélica Amellali Mercado Aguilar

Introducción

Teorema de la Función Implícita (sistemas de ecuaciones

Teorema 1. Considere las funciones z1=F(x,y,u,v) y z2=G(x,y,u,v). Sea P=(x,y,u,v)R4 un punto tal que F(P)=G(P)=0. Suponga que en una bola BR4 de centro P las funciones F y G tienen (sus cuatro) derivadas parciales continuas. Si el Jacobiano (F,G)(u,v)(P)0 entonces las expresiones F(x,y,u,v)=0 y G(x,y,u,v)=0 definen funciones (implícitas) u=φ1(x,y) y v=φ2(x,y) definidas en una vecindad v de (x,y) las cuales tienen derivadas parciales continuas en v

Dadas las funciones F y G de las variables u,v,x,y nos preguntamos cuando de las expresiones

F(x,y,u,v)=0
G(x,y,u,v)=0

podemos despejar a u y v en términos de x y y en caso de ser posible diremos que las funciones u=φ1(x,y) y v=φ2(x,y) son funciones implícitas dadas. Se espera que n funciones u=φ1(x,y) y
v=φ2(x,y) en

F(x,y,φ1(x,y),φ2(x,y)
G(x,y,φ1(x,y),φ2(x,y)

con (x,y) en alguna vecindad V

Suponiendo que existen φ1 y φ2 veamos sus derivadas

Fxxx+Fyyx+Fuux+Fvvx=0       Fuux+Fvvx=Fx

Gxxx+Gyyx+Guux+Gvvx=0       Guux+Gvvx=Gx

Lo anterior se puede ver como un sistema de 2 ecuaciones con 2 incógnitas ux y vx. Aquí se ve que para que el sistema tenga solución.

det|FuFvFuGv|0 en (P) (el det Jacobiano) y según la regla de Cramer

ux=det|FxFvGxGv|det|FuFvFuGv|=(F,G)(x,v)(F,G)(u,v), vx=det|FuFxGuGx|det|FuFvFuGv|=(F,G)(u,x)(F,G)(u,v).

Análogamente si derivamos con respecto a y obtenemos

Fuuy+Fvvy=Fy

Guuy+Gvvy=Gy

de donde

uy=det|FyFvGyGv|det|FuFvFuGv|=(F,G)(y,v)(F,G)(u,v), vy=det|FuFyGuGy|det|FuFvFuGv|=(F,G)(u,y)(F,G)(u,v).

Al determinante det|FuFvGuGv| lo llamamos Jacobiano y lo denotamos por (F,G)(u,v).

Ejemplo. Analizar la solubilidad del sistema
eu+ev=x+ye
ueu+vev=xye
Solución En este caso definimos
F(x,y,u,v)=eu+evxye=0
G(x,y,u,v)=ueu+vevxye=0
por lo que el sistema tendra solución si det|FuFvFuGv|0

En este caso
det|FuFvFuGv|=det|euevueu+eeuvev+ev|=eu(vev+ev)ev(ueu+eu)=veu+vuev+u0
por lo tanto u y v se pueden ver en términos de x,y se pueden calcular sus parciales en u=0, v=1, x=1, y=1 que es este caso dan
ux=det|1yeevvev+ev|veu+vuev+u=(vev+ev)+evyeveu+vuev+u|(0,1,1,1)=2ee2e=2e vx=det|euueu+eu1ye|veu+vuev+u=yeue+ueu+euveu+vuev+u|(0,1,1,1)=e1e=1e1
uy=det|exeevvev+ev|veu+vuev+u=e(vev+ev)+evxeveu+vuev+u|(0,1,1,1)=e2+e2e2e=e vy=det|euueu+euexe|veu+vuev+u=euxe+e(ueu+eu)veu+vuev+u|(0,1,1,1)=eee=0

Teorema de la Función Implícita (n-sistemas de ecuaciones

Considere las n-funciones
ui=Fi(x1,,xm,y1,,yn), i=1,,n Sea P=(x1,,xm,y1,,yn)Rn+m un punto tal que Fi(P)=0. Suponga que en una bola BRn+m de centro P las funciones Fi tienen (sus m+n) derivadas parciales continuas. Si el Jacobiano (F1,F2,,Fn)(y1,y2,,yn)=|F1y1F1y2F1ynF2y1F2y2F2ynFny1Fny2Fnyn|0 en  P

entonces las expresiones
Fi(x1,,xm,y1,,yn)=0 y G(x,y,u,v)=0 definen funciones (implícitas)
yi=φi(x1,,xm), i=1,,n definidas en una vecindad v de (x1,,xm) las cuales tienen derivadas parciales
continuas en v que se pueden calcular como
yixj=(F1,F2,,Fn)(y1,,yi1,xj,yi+1,,yn)(F1,F2,,Fn)(y1,y2,,yn)

Ejemplo. Considere las ecuaciones
F(x,y,u,v,w)=x+y+u+v+w=0G(x,y,u,v,w)=x2y2+u22v2+w2+1=0H(x,y,u,v,w)=x3+y3+u43v4+8w4+2=0

En el punto P=(1,1,1,1,0), se tiene F(P)=G(P)=H(P)=0. Todas las derivadas parciales de F, G, H son continuas. Se tiene además que
(F,G,H)(u,v,w)=det|1112u4v2w4u312v332w2|u=1v=1w=0=80
Entonces el teorema asegura que en torno a P podemos despejar u,v,w en términos de x,y y establecer funciones
u=u(x,y), v=v(x,y), w=w(x,y)
las cuales tienen derivadas parciales continuas en una vecindad de (1,1) que se pueden calcular

ux=(F,G,H)(x,v,w)(F,G,H)(u,v,w),uy=(F,G,H)(y,v,w)(F,G,H)(u,v,w)

vx=(F,G,H)(u,x,w)(F,G,H)(u,v,w),vy=(F,G,H)(u,y,w)(F,G,H)(u,v,w)

wx=(F,G,H)(u,v,x)(F,G,H)(u,v,w),  wy=(F,G,H)(u,v,y)(F,G,H)(u,v,w)

El Teorema de la función implícita (parte 2)

Por Angélica Amellali Mercado Aguilar

Teorema de la Función Implícita (f:RR

Teorema. Considere la función y=f(x). Sea (x0,y0)R2 un punto tal que F(x0,y0)=0. Suponga que la función F tiene derivadas parciales continuas en alguna bola con centro (x0,y0) y que Fy(x0,y0)0. Entonces F(x,y)=0 se puede resolver para y en términos de x y definir así una función y=f(x) con dominio en una vecindad de (x0,y0), tal que y0=f(x0), lo cual tiene derivadas continuas en V que pueden calcularse como y=f(x)=Fx(x,y)Fy(x,y), xV.

Ejercicio. Si y=f(x)=Fx(x,y)Fy(x,y) calcular y»

Solución. En este caso
y»=(Fy)[2Fx2dxdx+2Fyxdydx](Fx)[2Fxydxdx+2Fy2dydx](Fy)2
=(Fy)[2Fx2+2Fyx(FxFy)](Fx)[2Fxydxdx+2Fy2(FxFy)](Fy)2
=(Fy)2(2Fx2)(2Fyx)(Fx)(Fy)(Fx)(Fy)(2Fxy)+(Fx)2(2Fy2)(Fy)3
=(Fy)2(2Fx2)2(2Fyx)(Fx)(Fy)+(Fx)2(2Fy2)(Fy)3

Teorema de la Función Implícita (f:R2R)

Teorema. Considere la función F(x,y,z). Sea (x0,y0,z0)R3 un punto tal que F(x0,y0,z0)=0. Suponga que la
función F tiene derivadas parciales Fx, Fy, Fz continuas en alguna bola con
centro (x0,y0,z0) y que Fz(x0,y0,z0)0.
Entonces F(x,y,z)=0 se puede resolver para z en términos de x,y
y definir así una función z=f(x,y) con dominio en una vecindad de
(x0,y0,z0), tal que z0=f(x0,y0), lo cual tiene derivadas continuas
en V que pueden calcularse como dzdx(x,y)=Fx(x,y)Fz(x,y)   dzdy(x,y)=Fy(x,y)Fz(x,y)

Ejercicio. Si
dzdx(x,y)=Fx(x,y)Fz(x,y) calcular 2Fx2

Solución. Tenemos que
2Fx2=x(Fx(x,y)Fz(x,y))=(Fz)[2Fx2dxdx+2Fyxdydx+2Fzxdzdx](Fx)[2Fxzdxdx+2Fyzdydx+2Fz2dzdx](Fz)2
=(Fz)[2Fx2+2Fzxdzdx](Fx)[2Fxz+2Fz2dzdx](Fz)2
=(Fz)[2Fx2+2Fzx(FxFz)](Fx)[2Fxz+2Fz2(FxFz)](Fz)2
=(Fz)22Fx222FzxFxFz+(Fx)22Fz2(Fz)3

Ejercicio. Si
dzdy(x,y)=Fy(x,y)Fz(x,y) calcular 2Fy2

Solución. tenemos que
2Fy2=y(Fy(x,y)Fz(x,y))=(Fz)[2Fyxdxdy+2Fy2dydy+2Fzydzdy](Fy)[2Fxzdxdy+2Fyzdydy+2Fz2dzdy](Fz)2
=(Fz)[2Fy2+2Fzydzdy](Fy)[2Fyz+2Fz2dzdy](Fz)2
=(Fz)[2Fy2+2Fzy(FyFz)](Fy)[2Fyz+2Fz2(FyFz)](Fz)2
=(Fz)22Fy222FzyFyFz+(Fy)22Fz2(Fz)3

Ejercicio. Si
dzdy(x,y)=FyFz calcular 2Fyx

Solución. tenemos que
2Fyx=y(Fx)=y(FxFz)=
(Fz)[2Fyx+2Fzxzy](Fx)[2Fyz+2Fz2zy](Fz)2
(Fz)[2Fyx+2Fzx(FyFz)](Fx)[2Fyz+2Fz2(FyFz)](Fz)2
=(Fz)22Fyx2FzxFyFz2FyzFxFz+2Fz2FxFy(Fz)3

Teorema de la Función Implicita (version sistemas de ecuaciones)

Consideremos ahora el sistema

au+bvk1x=0
cu+dvk2y=0

con a,b,c,d,k1,k2 constantes. Nos preguntamos cuando
podemos resolver el sistema para u y v en términos de x y y.
Si escribimos el sistema como

au+bv=k1x
cu+dv=k2y

y sabemos que este sistema tiene solución si det|abcd|0 en tal caso escribimos

u=1det|abcd|(k1dxk2by),~~v=1det|abcd|(k2ayk1cx).

Esta solución no cambiaría si consideramos


au+bv=f1(x,y)
cu+dy=f2(x,y)


donde f1 y f2 son funciones dadas de x y y. La posibilidad de despejar las variables u y v en términos de x y y recae sobre los coeficientes de estas variables en las ecuaciones dadas.

Ahora si consideramos ecuaciones no lineales en u y v escribimos el sistema como

g1(u,v)=f1(x,y)
g2(u,v)=f2(x,y)

nos preguntamos cuando del sistema podemos despejar a uy v en términos de x y y. Mas generalmente, consideramos el problema siguiente, dadas las funciones F y G de las variables u,v,x,y nos preguntamos cuando de las expresiones

F(x,y,u,v)=0
G(x,y,u,v)=0

podemos despejar a u y v en términos de x y y en caso de ser posible diremos que las funciones u=φ1(x,y) y v=φ2(x,y) son funciones implícitas dadas. Se espera que n funciones u=φ1(x,y) y v=φ2(x,y) en

F(x,y,φ1(x,y),φ2(x,y)
G(x,y,φ1(x,y),φ2(x,y)

con (x,y) en alguna vecindad V. Suponiendo que existen φ1 y φ2 veamos sus derivadas

Fxxx+Fyyx+Fuux+Fvvx=0       Fuux+Fvvx=Fx

Gxxx+Gyyx+Guux+Gvvx=0       Guux+Gvvx=Gx

Lo anterior se puede ver como un sistema de 2 ecuaciones con 2 incógnitas ux y vx. Aquí se ve que para que el sistema tenga solución

det|FuFvFuGv|0 en (P) (el det Jacobiano) y según la regla de Cramer.

ux=det|FxFvGxGv|det|FuFvFuGv|,    vx=det|FuFxGuGx|det|FuFvFuGv|      (con los dos det Jacobianos).

Análogamente si derivamos con respecto a y obtenemos

Fuuy+Fvvy=Fy

Guuy+Gvvy=Gy

de donde
uy=det|FyFvGyGv|det|FuFvFuGv|,    vy=det|FuFyGuGy|det|FuFvFuGv|      (con los dos det Jacobianos).

Al determinante det|FuFvGuGv| lo llamamos Jacobiano y lo denotamos por (F,G)(u,v).

Teorema de la Función Implícita (sistemas de ecuaciones)

Teorema 3. Considere las funciones z1=F(x,y,u,v) y z2=G(x,y,u,v). Sea P=(x,y,u,v)R4 un punto tal que F(P)=G(P)=0. Suponga que en una bola BR4 de centro P las funciones F y G tienen (sus cuatro) derivadas parciales continuas. Si el Jacobiano (F,G)(u,v)(P)0 entonces las expresiones F(x,y,u,v)=0 y G(x,y,u,v)=0 definen funciones (implícitas) u=φ1(x,y) y v=φ2(x,y) definidas en una vecindad v de (x,y) las cuales tienen derivadas parciales continuas en v que se pueden calcular como se menciona arriba.

Demostración. Dado que det|FuFvFuGv|0 entonces Fu(p), Fv(p), Gu(p), Gv(p) no son cero al mismo tiempo, podemos suponer sin perdida de generalidad que Gv(p)0. Entonces la función z1=G(x,y,u,v) satisface las hipótesis del T.F.I y en una bola abierta con centro p, v se puede escribir como v=ψ(x,y,u).

Hacemos ahora
H(x,y,u)=F(x,y,u,ψ(x,y,u)) y tenemos que
Hu=Fxxu+Fyyu+Fuuu+Fvψu=Fu+Fvψu

por otro lado
ψu=GuGv
por lo tanto
Hu=Fu+Fvψu=Fu+Fv(GuGv)=FuGvFvGuGv0por lo tanto para H(x,y,u)=0 tenemos que existe una función u=φ1(x,y) y por lo tanto v=ψ(x,y,u)=ψ(x,y,φ1(x,y,u))=φ2(x,y) y por tanto u,v se pueden expresar en términos de x,y en una vecindad de p. ◻

Álgebra Moderna I: Lemas previos al teorema fundamental de los grupos abelianos finitos.

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

Como dijimos en la primera entrada de esta unidad, uno de los temas a los que queremos llegar es el Teorema fundamental de los grupos abelianos finitos. Para ello seguiremos el desarrollo hecho por Judson, T.W. en el libro Abstract Algebra: Theory and Applications, Department of Mathematics and Statistics Stephen F. Austin State University que aparece en la bibliografía y que puede revisarse en http://abstract.ups.edu/aata/struct-section-finite-abelian-groups.html. Así, en esta entrada presentaremos tres lemas para que sea más sencillo identificarlos y que serán útiles en la demostración del Teorema fundamental de los grupos abelianos finitos en la siguiente entrada. En los tres lemas se considerará G un p-grupo abeliano y se hablará de elementos de orden máximo (o mínimo) en algún grupo refiriéndose a elementos cuyo orden es mayor (o menor) o igual que el orden de los demás elementos del grupo en cuestión.

El primer lema nos dice que si tomamos un elemento de orden máximo g en G y un p-subgrupo, tal que g no es todo G y luego tomamos un elemento de orden mínimo h en Gg, entonces el orden de h es p.

El segundo lema nos dice que si tenemos un elemento de orden máximo g en G, podemos ver a G como el producto directo interno del generado de g y un H subgrupo de G.

El tercer lema nos dice que cualquier p-subgrupo abeliano es producto directo interno de grupos cíclicos.

En esta entrada enunciamos y probamos los primeros dos lemas, el tercero está en la siguiente entrada.

El orden de un elemento mínimo

Lema 1. Sean pZ+ un primo y G un p-grupo abeliano. Sea gG un elemento de orden máximo. Si gG (g es subgrupo propio de G) y h es un elemento de orden mínimo en Gg, entonces o(h)=p y gh={e}.

Demostración.
Sean pZ+ un primo y G un p-grupo abeliano.

Por la definición de p-grupo |G|=pn para algún nN.

Sea gG de orden máximo. Como |G|=pn, sabemos que o(g) divide a |G|=pn y así o(g)=pm con mn.

Observemos que
(1)apm=e para toda aG,
ya que para toda aG, o(a)=pl con lm (debido a que o(g)=pm es máximo).

Supongamos que gG. Consideremos un elemento h de orden mínimo en Gg.

Veamos primero que o(h)=p.

Sabemos que o(h)=pt para alguna tn.

Sabemos que o(hp)=pt1<pt=o(h). Así, por la elección de h, hpg y en consecuencia tenemos que
(2)hp=gs para algún sN.

Entonces (gs)pm1=(hp)pm1=hpm=e por (1). Así,
(3)o(gs)<pm y gs no genera a g.

Sabemos que o(gs)=o(g)(s,o(g)). Si p no divide a s, como o(g) es una potencia de p tendríamos que (s,o(g))=1 y así o(gs)=o(g)=pm contradiciendo (3). Concluimos entonces que p|s es decir s=pq para algún qZ.

Consideremos a=gqh. Tenemos que
ap=gpqhp=gshp=gsgs por (2)=e.

Además, si ag tendríamos que h=agqg lo cual contradice la elección de h.

Hemos encontrado entonces un elemento ag con ap=e. Notamos que ae ya que ag, entonces a debe ser un elemento de orden p. Pero h es un elemento de orden mínimo en Gg y aGg con o(a)=p. Así, h debe ser también de orden p.

Veamos ahora que gh={e}.

Sabemos que gh es un subgrupo de h y h es de orden p, entonces gh es de orden 1 o p. Si |gh|=p tendríamos que ghh con |gh|=p=|h|, entonces gh=h lo que implica que hg. En consecuencia tendríamos que hg, lo que contradice la elección de h.

Concluimos que gh={e}.

◼

G como producto de g y un subgrupo cualquiera

Lema 2. Sean pZ+ un primo y G un p-grupo abeliano. Supongamos que gG es un elemento de orden máximo. Entonces G es el producto directo interno de g y un subgrupo H de G.

Demostración.
Sean pZ+ primo.

Realizaremos la demostración por el segundo principio de inducción.

H.I. Supongamos que para todo grupo abeliano G~ con |G~|=pk y 0k<n se tiene que si g~G~ es de orden máximo, entonces G~ es el producto directo interno de g~ y un subgrupo H~ de G~.

Sea G un p-grupo abeliano con |G|=pn para algún nN.

Sea gG de orden máximo. Como |G|=pn, sabemos que o(g) divide a |G|=pn y así o(g)=pm con mn.

Si G=g el resultado se cumple considerando H={e}.

Si gG consideremos un elemento h de orden mínimo en Gg.

Por el lema 1, sabemos que o(h)=p y que gh={e}. Sea H=h.

Observemos que gH es un elemento de orden máximo en G/H ya que por (1), (aH)pm=apmH=H para todo aG. Además (gH)o(g)=go(g)H=H por lo que o(gH)o(g)=pm, y si o(gH)<pm tendríamos que
H=(gH)pm1=gpm1H
y así gpm1gH={e}, es decir gpm1=e contradiciendo que o(g)=pm.

Concluimos así que gH es un elemento de orden máximo en G/H, con G/H un p-grupo abeliano de orden |G/H|=|G|/|H|=pnp=pn1 que es menor que el orden de G.

Por H.I. sabemos que G/H es el producto directo interno de gH y un subgrupo H~ de G/H.

Por el teorema de la correspondencia H~=K/H para algún HKG.

Veamos que G es el producto directo interno de g y K.

Veamos primero que gK={e}.

Si xgK, entonces xHgHK/H=gHH~ y como G/H es el producto directo de gH y H~, entonces gHH~={H}. Así, xH{H}, entonces xH=H lo que implica que xH.

Tenemos que xgH={e} probando que x=e. Así, gK={e}.

Veamos ahora que G=gK.

Sea yG, sabemos que yHG/H=gHH~=gHK/H. Esto implica que
yH=(gH)tkH para algunos tZ,kK=gtkH.

Entonces (gtk)1y=h^ con h^H. Así y=gtkh^. Como HK tenemos que kh^K, entonces ygK.

Concluimos que gK={e} y gK=G.

Así, G es el producto directo interno de g y K.

◼

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.

Considera los siguientes grupos y realiza para cada uno los ejercicios descritos a continuación:

  • S4.
  • Z11.
  • A5.
  • Q8={±1,±i,±j,±k}.
  1. Determina si los grupos anteriores son p-grupos abelianos. De no serlo, considera un p-subgrupo abeliano de ellos.
  2. Busca (en el grupo o en el p-subgrupo abeliano) un elemento g de orden máximo tal que g sea un subgrupo propio y encuentra h elemento de orden mínimo en el complemento de g tal que su orden sea p.
  3. Describe al grupo o al p-subgrupo abeliano como el producto directo interno g y un subgrupo H.

Más adelante…

Aunque estos lemas pueden parecer muy técnicos, su función es clara y se verá en la siguiente entrada. Como estos lemas ya están demostrados, la prueba del Teorema fundamental de los grupos abelianos finitos es bastante directa. En la siguiente entrada enunciaremos y demostraremos el tercer lema que se requiere y por fin podremos enfrentarnos al Teorema fundamental de los grupos abelianos finitos.

Entradas relacionadas

Álgebra Moderna I: Producto directo interno

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

Continuamos con el estudio del producto de grupos siguiendo el desarrollo de la sección 4.3 del libro de Grupos I de Avella, Mendoza, Sáenz y Souto que se encuentra en la bibliografía del curso. En la entrada anterior definimos el producto directo externo de grupos, luego vimos unas funciones naturales y definimos los subgrupos Gi. Demostramos que para un grupo G=G1××Gn se cumple que:

  1. GiGi{1,,n}.
  2. Gi(jiGj)={eG} para toda i{1,,n}.
  3. G=i=1nGi.

En resumen, esta proposición nos dice que si G es el producto directo externo de varios grupos, también lo podemos ver como producto de subgrupos normales que cumplen el inciso 2.

En esta entrada queremos generalizar esta idea: ahora G será un grupo cualquiera, tomaremos subgrupos normales Hi, con i{1,,n} de G que cumplan estas propiedades y probaremos que G se puede ver como el producto directo externo de estos subgrupos.

En el producto directo externo, construíamos G a partir de otros grupos que pudieran incluso no estar relacionados entre sí. Ahora intentaremos describir a un grupo G como producto de algunos de sus subgrupos normales, por eso llamaremos a este concepto el producto directo interno.

Producto directo interno de subgrupos

Comencemos definiendo nuestro nuevo producto entre subgrupos normales de G.

Definición. Sean G un grupo, H1,,Hn subgrupos de G. Decimos que G es el producto directo interno de H1,,Hn si

  1. HiG para toda i{1,,n}.
  2. Hi(jiHj)={e} para toda i{1,,n}.
  3. G=i=1nHi.

Observación 5. G1××Gn es el producto directo interno de los Gi.

Observación 6. Si G es el producto directo interno de H1,,Hn, entonces xy=yx para toda xHi,yHj con ij.

Demostración.
Sea G producto directo de H1,,Hn, sean xHi,yHj, con ji, entonces
xyx1y1=x(yx1y1)Hi,
porque xHi y yx1y1Hi pues HiG.

Por otro lado,
xyx1y1=(xyx1)y1Hj,
ya que, análogamente, xyx1Hj debido a que HjG y y1Hj.

Así, xyx1y1HiHjHikiHk={e}. Entonces xyx1y1=e.

Por lo tanto xy=yx.

◼

Ejemplo. Sea G=a con o(a)=12. Busquemos subgrupos H1,,Hn para alguna nN tales que G sea el producto directo interno de estos subgrupos.

Sean H1=a3,H2=a4. Como G es abeliano, H1G,H2G. Además
H1H2={e,a3,a6,a9}{e,a4,a8}={e}.

Como
a=ae=aa12=a13=a9a4H1H2
tenemos que G=aH1H2. Por la cerradura del producto en G se tiene además que H1H2G, entonces G=H1H2.

Por lo tanto G es el producto directo interno de H1 y H2.

Observación 7. Sean G un grupo, H1,,Hn subgrupos de G. Si G es el producto directo interno de H1,,Hn, entonces
φ:H1××HnG
con φ(h1,,hn)=h1hn para toda (h1,,hn)H1××Hn es un isomorfismo.

Es consecuencia, si G es finito tenemos que |G|=|H1||Hn|.

Descomposición de G en p-subgrupos

Algunos subgrupos importantes que vimos son los p-subgrupos de Sylow, para p primo. Ahora los usaremos junto con el producto directo interno para describir a G como el producto de sus p-subgrupos de Sylow, esto nos recuerda mucho al Teorema Fundamental de la Aritmética. Siguiendo el desarrollo de la página 193 del libro de Dummit, D. S. y Foote R. M. que aparece en la bibliografía tenemos:

Teorema. Sea G un grupo finito con p1,,pt los distintos factores primos del orden de G y P1,,Pt subgrupos de Sylow de G asociados a p1,,pt respectivamente. Si PiG para toda i{1,,t}, entonces G es el producto directo interno de P1,,Pt.

Demostración.
Sea G un grupo finito de orden n. Sean p1,,pt los distintos factores primos de n con n=p1α1p2α2ptαt. Sean P1,,Pt subgrupos de G con Pi un pi-subgrupo de Sylow de G y PiG para toda i{1,,t}.

Veamos que para todo S{1,,t}, jSPj es un producto directo interno por inducción sobre #S.

Caso Base. Supongamos que #S=1,
S={i}{1,,t} y Pi es el producto directo interno de Pi.

H.I. Supongamos que si T{1,,t} con #T<#S, entonces jTPj es un producto directo interno.

Sea H=jSPj. Veamos que H es el producto directo interno de los Pj con jS.

Por hipótesis se cumplen las condiciones 1 y 3 de la definición de producto directo interno. Veamos que se cumple 2.

Sean iS, xPijSjiPj.

Como xPi, entonces o(x) divide a |Pi|.

Como xjSjiPj, entonces el orden de x divide al orden del producto: o(x)||jSjiPj|=jSji|Pj| donde la última igualdad se debe a que jSjiPj es un producto directo interno por H.I. y por la observación 7.

Pero |Pi|=piαi y jSji|Pj|=jSjipjαj con αjN+ para toda jS, entonces |Pi| y jSji|Pj| son primos relativos. Así, o(x)=1. Por lo que PijSjiPj={e}.

Hemos probado entonces que jSPj es un producto directo interno para toda S{1,,t}. En particular para S={1,,t} tenemos que j=1tPj es un producto directo interno. Por la observación 7,
|j=1tPj|=j=1t|Pj|=n=|G|
ya que P1,,Pt son subgrupos de Sylow asociados a los distintos factores primos de G.

Como j=1tPj es un subgrupo de G de orden |G| tenemos que G=j=1tPj.

Por lo tanto G es el producto directo interno de P1,,Pt.

◼

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. Demuestra las observaciones 5 y 7.
    • G1××Gn es el producto directo interno de los Gi.
    • Sean G un grupo, H1,,Hn subgrupos de G. Si G es el producto directo interno de H1,,Hn, entonces
      φ:H1××HnG
      con φ(h1,,hn)=h1hn para toda (h1,,hn)H1××Hn es un isomorfismo.
  2. Regresa a la entrada de Ejemplo de Sylow y considera S4.
    • De existir, busca H1,,Hn tal que S4 sea producto directo de H1,,Hn.
    • Usando los p-subgrupos de Sylow que encontramos, describe a S4 como producto directo interno de ellos. Aplica el último teorema visto.
  3. Aplica el último teorema visto a los grupos Z6 y T=S3×Z4. Para cada uno encuentra los primos p1,,pn que conforman al orden del grupo y los P1,,Pn subgrupos de Sylow que corresponden a estos primos. Al final, representa a cada grupo como producto directo interno de estos p-subgrupos de Sylow.

Más adelante…

La descomposición de un grupo en p-subgrupos que vimos es una probada de lo que veremos en el Teorema fundamental de grupos abelianos finitos, la relación de los primos que componen al orden del grupo con los p-subgrupos del mismo grupo. Pero antes de poder enunciarlo, necesitamos enunciar algunos teoremas que nos ayudarán y que se sirven de los productos directos interno y externo que hemos estado viendo.

Entradas relacionadas

El Teorema de la Función Implícita

Por Angélica Amellali Mercado Aguilar

Introduccion

El Teorema de la función implicita versión para funciones f:RR

Teorema 1. Considere la función y=f(x). Sea (x0,y0)R2 un punto tal que F(x0,y0)=0. Suponga que la función F tiene derivadas parciales continuas en alguna bola con centro (x0,y0) y que Fy(x0,y0)0. Entonces F(x,y)=0 se puede resolver para y en términos de x y definir así una función y=f(x) con dominio en una vecindad de (x0,y0), tal que y0=f(x0), lo cual tiene derivadas continuas en V que pueden calcularse como y=f(x)=Fx(x,y)Fy(x,y), xV.

Demostración. Como Fy(x0,y0)0 supongamos sin perdida de generalidad que Fy(x0,y0)>0. Por ser Fy continua en una vecindad de (x0,y0) entonces exite un cuadrado S, centrado en (x0,y0) totalmente contenido en esa vecindad, en donde Fy(x,y)>0  x,yS.Sea
S={(x,y)R2 | |xx0|<h y |yy0|<k}

En todo punto (x,y) que pertenece a S, Fy(x,y)>0. Esto quiere decir que en S, F es creciente y fijando x0 en [x0h,x0+h] se tiene que F es creciente en [y0k,y0+k] y se anula en y0, por lo que
F(x0,y0k)<0  yF(x0,y0+k)>0 Consideremos ahora el par de funciones F(x,y0k) y F(x,y0+k) definidas en el intervalo (x0k,x0+k). Donde ambas funciones solo tienen x como variable. La primera función cumple F(x0,y0k)<0 y por ser continua en x0, es negativa en toda una vecindad (x0h1x0+h1) de x0. Análogamente, la segunda función cumple F(x0,y0+k)>0 y por ser continua en x0, es positiva en toda una vecindad (x0h2x0+h2) de x0. Sea h=minh1,h2. Entonces para toda x tal que |xx0| y F(x,y0+k)>0 Fijemos x en el intervalo (x0h,x0+h), y consideremos a F(x,y), sólo como función de y, sobre [y0k,y0+k]. Esta función cumple que

F(x,y0k)<0 y F(x,y0+k)>0

por lo tanto según el teorema del valor intermedio, existe un único y en (y0k,y0+k) tal que F(x,y)=0. Así queda establecida la existencia y unicidad de la función y=f(x). Donde además, y0=f(x0), y para todo x(x0h,x0+h) F(x,f(x))=0,y  Fy(x0,y0)0

Vamos a comprobar que la función es continua, para ello se tiene
x[x0h,x0+h]  |xx0|<h
tomando h<δ se tiene
|xx0|<δ
esto quiere decir que
|yy0|<k es decir|f(x)f(x0)|,Fy(x0,y0)
existen y son continuas entonces F es diferenciable por lo que
F(x0+h,y0+k)F(x0,y0)=Fx(x0,y0)h+Fy(x0,y0)k+R(h,k)
Tenemos que F es continua por lo que
F(x0+h,y0+k)F(x0,y0)=0sih,k0
también
R(h,k)0sih,k0
por lo que
Fx(x0,y0)h+Fy(x0,y0)k=0
esto es
kh=Fx(x0,y0)Fy(x0,y0)
y cuando h,k0 se tiene
dydx=Fx(x0,y0)Fy(x0,y0)

Importante: Este es un resultado que garantiza la
existencia de una función y=f(x) definida implícitamente por
F(x,y)=0. Esto es, puede resolverse para y en términos de x,
pero no nos dice como hacer el despeje.

Ejemplo. Considere la función F(x,y)=e2y+x+sin(x2+y)1 en el punto (0,0) tenemos F(0,0)=0. Las derivadas parciales de F son
Fx=e2y+x+2xcos(x2+y)
Fy=2e2y+x+cos(x2+y)

que son siempre continuas. Además, Fy(0,0)=30 de modo que T.F.Im. garantiza una vecindad de x=0 en la cual podemos definir una función y=f(x) tal que F(x,f(x))=0. Obsérvese que en este caso no podemos hacer explícita la función y=f(x) sin embargo tal función existe y su derivada es

y=f(x)=FxFy=e2y+x+2xcos(x2+y)2e2y+x+cos(x2+y)

Ejemplo. Considere F(x,y)=x4exy31 en el punto (1,1) F(1,1)=11=0, Fx=4x3y3exy31 Por lo tanto, Fx|(1,1)=3, Fy=3xyexy31
Y así, Fy|(1,1)=3, y Fy=30.

El T.F.Im. nos garantiza que en los alrededores de (1,1) el nivel cero de F se ve como la gráfica de la función y=f(x) y que su derivada es y=4x3y3exy313xy2exy31.

Observe que en este caso la función F permite hacer el despeje en términos de x.

F(x,y)=x4exy31=0
x4=exy31
ln(x4)=xy31
(ln(x4)+1x)13=y=f(x) que al derivar se debe de llegar al mismo resultado.

Ejemplo. Considere F(x,y)=x2y31 en el punto (x0,y0) con y00 tal que F(x0,y0)=0, Fx=2x,  Fy=2y
Por lo tanto, Fx|(x0,y0)=2x0,
Y así, Fy|(x0,y0)=2y0, y Fy=2y00.
El T.F.Im. nos garantiza que en los alrededores de (x0,y0) el
nivel cero de F se ve como la gráfica de la función y=f(x) y que su derivada es
y(x)=Fx(x0,y0)Fy(x0,y0)
en este caso
y(x)=2x02y0=x0y0
si y0>0 tal función es f(x)=1x2 por lo que
y=x1x2=xy
si y0<0 tal función es f(x)=1x2 por lo que
y=x1x2=xy

El Teorema de la función implicita versión para funciones f:R2R

Considere la función F(x,y,z). Sea (x0,y0,z0)R3 un punto tal que F(x0,y0,z0)=0. Suponga que la función F tiene derivadas parciales Fx, Fy, Fz continuas en alguna bola con centro (x0,y0,z0) y que Fz(x0,y0,z0)0.
Entonces F(x,y,z)=0 se puede resolver para z en términos de x,y y definir así una función z=f(x,y) con dominio en una vecindad de
(x0,y0,z0), tal que z0=f(x0,y0), lo cual tiene derivadas continuas
en V que pueden calcularse como dzdx(x,y)=Fx(x,y)Fz(x,y)   dzdy(x,y)=Fy(x,y)Fz(x,y)
Importante: Este es un resultado que garantiza la existencia de una función z=f(x,y) definida implícitamente por F(x,y,z)=0. Esto es, puede resolverse para z en términos de x,y, pero no nos dice como hacer el despeje.

Demostración. Consideremos el par de funciones
F(x,y,z0)yF(x,y,z0+)
definidas para (x,y)[x0h,x0+h]×[y0k,y0+k]\La primera satisface
F(x0,y0,z0)<0 la segunda cumple F(x0,y0,z0+)>0
Fijemos (x,y) en [x0h,x0+h]×[y0k,y0+k] y consideramos F(x,y,z) solo como función de z, sobre [z0,z0+]. Esta función cumple
F(x,y,z0)<0 y F(x,y,z0+)>0
por lo que al aplicar el Teorema del valor intermedio, obteniendose un único z en (z0,z0+) en donde F(x,y,z)=0.Queda así establecida la existencia y unicidad de la función z=f(x,y) con dominio [x0h,x0+h]×[y0k,y0+k] y rango [z0,z0+] Vamos a probar que dicha f es continua, para ello si
(x[x0h,y0+h],y[y0k,y0+k])  (|xx0|<hyy0|<k)
por lo que
|(x,y)(x0,y0)|<|xx0|+|yy0|<h+k
si h<k
|(x,y)(x0,y0)|<2k=δ
donde
|f(x,y)f(x0,y0)|=|zz0|<=ϵ
por lo tanto f(x,y) es continua.Ahora si suponemos que Fx, Fy, Fz son continuas en los alrededores de (x0,y0,z0) en tonces F es diferenciable y se tiene
F(x0+h,y0,z0+)F(x0,y0,z0)=Fx(x0,y0,z0)h+Fy(x0,y0,z0)0+Fz(x0,y0,z0)+R(h,k,)

De donde
F(x0+h,y0,z0+)F(x0,y0,z0)0
R(h,k,)0
por lo que
Fx(x0,y0,z0)h+Fz(x0,y0,z0)=0
  h=Fx(x0,y0,z0)Fz(x0,y0,z0)
y cuando h,0 se tiene
dzdx=Fx(x0,y0,z0)Fz(x0,y0,z0)
Análogamente
F(x0,y0+k,z0+)F(x0,y0,z0)=Fx(x0,y0,z0)0+Fy(x0,y0,z0)k+Fz(x0,y0,z0)+R(h,k,)
De donde
F(x0,y0+k,z0+)F(x0,y0,z0)0
R(h,k,)0
por lo que
Fy(x0,y0,z0)k+Fz(x0,y0,z0)=0
  k=Fy(x0,y0,z0)Fz(x0,y0,z0)
y cuando h,0 se tiene
dzdy=Fy(x0,y0,z0)Fz(x0,y0,z0) ◻