(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 un -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 en y un -subgrupo, tal que no es todo y luego tomamos un elemento de orden mínimo en , entonces el orden de es .
El segundo lema nos dice que si tenemos un elemento de orden máximo en , podemos ver a como el producto directo interno del generado de y un subgrupo de .
El tercer lema nos dice que cualquier -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 un primo y un -grupo abeliano. Sea un elemento de orden máximo. Si ( es subgrupo propio de ) y es un elemento de orden mínimo en , entonces y .
Demostración.
Sean un primo y un -grupo abeliano.
Por la definición de -grupo para algún .
Sea de orden máximo. Como , sabemos que divide a y así con .
Observemos que
ya que para toda , con (debido a que es máximo).
Supongamos que . Consideremos un elemento de orden mínimo en .
Veamos primero que .
Sabemos que para alguna .
Sabemos que . Así, por la elección de , y en consecuencia tenemos que
Entonces por (). Así,
Sabemos que . Si no divide a , como es una potencia de tendríamos que y así contradiciendo (). Concluimos entonces que es decir para algún .
Consideremos . Tenemos que
Además, si tendríamos que lo cual contradice la elección de .
Hemos encontrado entonces un elemento con . Notamos que ya que , entonces debe ser un elemento de orden . Pero es un elemento de orden mínimo en y con . Así, debe ser también de orden .
Veamos ahora que .
Sabemos que es un subgrupo de y es de orden , entonces es de orden o . Si tendríamos que con , entonces lo que implica que . En consecuencia tendríamos que , lo que contradice la elección de .
Concluimos que .
como producto de y un subgrupo cualquiera
Lema 2. Sean un primo y un -grupo abeliano. Supongamos que es un elemento de orden máximo. Entonces es el producto directo interno de y un subgrupo de .
Demostración.
Sean primo.
Realizaremos la demostración por el segundo principio de inducción.
H.I. Supongamos que para todo grupo abeliano con y se tiene que si es de orden máximo, entonces es el producto directo interno de y un subgrupo de .
Sea un -grupo abeliano con para algún .
Sea de orden máximo. Como , sabemos que divide a y así con .
Si el resultado se cumple considerando .
Si consideremos un elemento de orden mínimo en
Por el lema 1, sabemos que y que . Sea
Observemos que es un elemento de orden máximo en ya que por (), para todo . Además por lo que , y si tendríamos que
y así , es decir contradiciendo que .
Concluimos así que es un elemento de orden máximo en , con un -grupo abeliano de orden que es menor que el orden de .
Por H.I. sabemos que es el producto directo interno de y un subgrupo de .
Por el teorema de la correspondencia para algún .
Veamos que es el producto directo interno de y .
Veamos primero que .
Si , entonces y como es el producto directo de y , entonces . Así, , entonces lo que implica que .
Tenemos que probando que . Así, .
Veamos ahora que .
Sea , sabemos que . Esto implica que
Entonces con . Así . Como tenemos que , entonces .
Concluimos que y .
Así, es el producto directo interno de y .
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:
- Determina si los grupos anteriores son -grupos abelianos. De no serlo, considera un -subgrupo abeliano de ellos.
- Busca (en el grupo o en el -subgrupo abeliano) un elemento de orden máximo tal que sea un subgrupo propio y encuentra elemento de orden mínimo en el complemento de tal que su orden sea .
- Describe al grupo o al -subgrupo abeliano como el producto directo interno y un subgrupo .
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.
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