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Álgebra Moderna I: Una modificación al Teorema de Cayley

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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

Introducción

En la entrada anterior aprendimos que el Teorema de Cayley es muy útil porque nos permite visualizar a un grupo $G$ como un subgrupo del grupo de permutaciones. Si el grupo es de orden $n$, se puede visualizar como un subgrupo del grupo $S_n$ que tiene orden $n!$, entonces hemos visualizado a $G$ como parte de un grupo de permutaciones $S_n$ que es realmente mucho más grande que $G$. Lo que haremos en esta entrada es relacionar al grupo $G$ con un grupo simétrico pero más pequeño que $S_n$. Utilizaremos los elementos de $G$ no para mover sus propios elementos, si no, para mover clases laterales.

Después de probar este resultado, veremos una aplicación de esta modificación del Teorema de Cayley para trabajar con clase laterales. Esta aplicación generaliza el resultado que se probó para grupos normales, anteriormente establecimos que todo subgrupo de índice 2 es un subgrupo normal. Probaremos que si tomamos el menor primo que divide al orden de un grupo y tenemos un subgrupo ese índice, entonces este subgrupo tiene que ser normal.

Para esta entrada, es recomendable que repases los grupos de permutaciones.

Relacionemos a $G$ con un grupo simétrico más pequeño

En el siguiente teorema relaciona a $G$ con un grupo simétrico, pero en este caso $n$ no es el orden de $G$, si no el índice de $G$ con respecto a un subgrupo $H$.

Teorema. Sea $G$ un grupo, $H$ subgrupo de $G$ de índice finito, $[ G:H ] = n.$
Existe un homomorfismo $\phi: G \to S_n$ con $\text{Núc }\phi \leq H$.

Observemos que el Teorema de Cayley nos da un isomorfismo y este teorema sólo nos da un homomorfismo (no necesariamente inyectivo). De todas maneras, se puede usar este teorema para probar otros resultados.

Demostración.

Sea $G$ un grupo, $H\leq G$ de índice finito, digamos $[ G:H ] = n$. Para cada $a \in G$ definimos $\tau_a : G/H \to G/H$ con $\tau_a(gH) = agH$ para toda $g\in G$.

Para esta demostración, como $H$ no es necesariamente normal, $G/N$ no es un grupo. Sólo lo estamos pensando como la colección de todas las clases laterales de $G$ con respecto a $H$.

Dada $g\in G$,
\begin{align*}
\tau_a \circ \tau_{a^{-1}} (gH) &= \tau_a(\tau_{a^{-1}}(gH)) = a(a^{-1}g)H = gH\\
\tau_{a^{-1}} \circ \tau_a (gH)&= \tau_{a^{-1}} (\tau_a(gH)) = a^{-1}(ag)H = gH.
\end{align*}

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

Definimos entonces $\psi: G \to S_{G/H}$ con $\psi(a) = \tau_a$ para todo $a\in G$. Tomemos $a,b\in G$ y $g\in G$. A continuación demostraremos que $\psi$ es un homomorfismo:
\begin{align*}
\psi(ab) (gH) &= \tau_{ab}(gH) = (ab)gH = a(bg)H = \tau_a(\tau_b(gH))\\
&= \tau_a \circ \tau_b(gH) = \psi (a) \circ \psi(b) (gH)
\end{align*}

Observemos que las igualdades son producto exclusivamente de las definiciones de $\psi$ y de $\tau_a$. Así, $\psi(ab) = \psi(a)\circ\psi(b)$ para todo $a,b\in G$. Por lo que $\psi$ es un homomorfismo.

Ahora pasemos a la segunda parte del teorema.

Sí $a\in\text{Núc }\psi$, $\psi(a) = \text{id}_{G/N}$ y entonces, para todo $g\in G$ obtenemos,
\begin{align*}
\psi(a)(gH) = gH &\Rightarrow \tau_a(gH) = gH & \text{definición de }\psi\\
&\Rightarrow agH= gH & \text{pues } \psi(a) = \text{id}_{G/N} \\
&\Rightarrow aH = H &\text{en particular, cuando } g=e\\
&\Rightarrow a \in H.
\end{align*}

Por lo tanto $\text{Núc }\psi \leq H$.

Como $\#G/N = n$, sabemos que $S_{G/N}\cong S_n$ y existe $\rho: S_{G/H}\to S_n$ un isomorfismo. Así $\rho\circ\psi: G\to S_n$ es el homomorfismo buscado.

$\blacksquare$

Observación. Si $H = \{e\}$ se tienen el Teorema de Cayley.

Ilustremos lo aprendido

Veamos un ejemplo.

Ejemplo. Tomemos el grupo simétrico $G = S_3$, el subgrupo $H = \left<(1,2)\right>$ y el cociente $G/H = \{H, (1\;3)H, (2\;3)H\}$.

Retomemos la función de la demostración: $\psi: S_3 \to S_{G/H}$, $\psi(a) = \tau_a$ para toda $a \in S_3$. Entonces,

\begin{align*}
a \in \text{Núc }\psi &\Leftrightarrow \psi(a) = \text{id}_{G/N} \\ &\Leftrightarrow \tau_a(gH) = gH \;\; \forall g\in S_3\\
&\Leftrightarrow agH = gH \;\; \forall g\in S_3.
\end{align*}

Así, en este caso si $a\in \text{Núc }\psi$,
\begin{align*}
a(1\;3)H = (1\;3)H &\Rightarrow (1\;3) a (1\;3) \in H = \{(1), (1\;2)\}.
\end{align*}
Recordemos que dos clases laterales $aH, bH$ son iguales si y sólo si $b^{-1}ab\in H$. En este caso, el inverso de $(1\;3)$ es él mismo.
\begin{align*}
&\Rightarrow a = (1) \text{ ó } a = (1\; 3) (1\; 2)(1\;3) = (3\;2).
\end{align*}

Sin embargo, como $a\in\text{Núc }\psi$, no sólo deja fijo a $(1\;3)$, si no también a $(2\;3)$, siguiendo un razonamiento similar obtenemos:
\begin{align*}
a(2\;3)H = (2\; 3)H &\Rightarrow (2\; 3)a(2\; 3) \in H = \{(1), (1\;2)\}\\
&\Rightarrow a = (1) \text{ ó } a = (2\; 3) (1\; 2) (2\; 3) = (1\; 3).
\end{align*}

Entonces, por un lado tenemos que $a = (1) \text{ ó } a = (3\;2)$ y por el otro, tenemos que $a = (1) \text{ ó } a = (1\; 3)$. Así, $a = (1)$.

Por lo tanto, $\text{Núc }\psi = \{(1)\}\leq H.$

Aplicación de la modificación

A continuación veremos la aplicación de la modificación del Teorema de Cayley que mencionamos en la introducción. La aplicación consiste en una generalización de un resultado visto previamente. En entradas anteriores, vimos que todo subgrupo de índice 2 es un subgrupo normal. Ahora veremos que si hay un subgrupo de orden el menor primo que divide al orden de un grupo, este subgrupo será normal.

Corolario. Si $G$ es un grupo finito y $p\in \z^+$ es el menor primo positivo que divide al orden de $G$, entonces todo subgrupo de $G$ de índice $p$ es normal en $G$.

Demostración.

Sea $G$ un grupo finito, $|G|= n$, $p\in\z^+$ el menor primo positivo que divide a $n$.

Supongamos que $H\leq G$ con $[ G:H ] = p$. Probaremos que $H$ es normal.

Sea $\psi:G\to S_{G/H}$ con $\psi(a) = \tau_a$ para toda $a\in G$ como en el teorema anterior. Sabemos que $\text{Núc } \psi \leq H \leq G$, como secuencia del Teorema de Lagrange tenemos
\begin{align} \label{eq:orden}
[ G: \text{Núc }\psi] = [ G:H ] [ H: \text{Núc }\psi ] = p [ H:\text{Núc } \psi].
\end{align}

Por el Primer Teorema de Isomorfía, $$G/\text{Núc }\psi\cong \text{Im }\psi \leq S_{G/H}\cong S_p,$$

\begin{align*}
\Rightarrow& [ G: \text{Núc }\psi ] = \left|G/\text{Núc }\psi \right|\Big| |S_p|\\
\Rightarrow& p [ H: \text{Núc }\psi ] \Big| p! & \text{porque } |S_p| = p! \text{ y } (\ref{eq:orden})\\
\Rightarrow &[ H: \text{Núc }\psi ] \Big| (p-1)!
\end{align*}

Si $[ H: \text{Núc }\psi ] > 1$, existiría $q\in\z^+$ un primo que lo divide, entonces $q\Big| a$ con $a \in \{1,2,\dots,p-1\}$. Por lo tanto $q<p.$

Pero, por el Teorema de Lagrange, $$|G| = [ G:\text{Núc }\psi ] |\text{Núc }\psi| = [ G:H] [ H: \text{Núc }\psi] |\text{Núc }\psi|.$$ Entonces $[ H: \text{Núc }\psi] \Big| |G|.$

Y como $q| [ H : \text{Núc }\psi ]$, entonces $q\Big||G|$.

Entonces, $q$ sería un divisor primo positivo de $n$, menor que $p$. Esto es una contradicción.

Así $[ H: \text{Núc }\psi ] = 1$, de donde $|H| = |\text{Núc }\psi|$ y como $ \text{Núc }\psi \leq H$ concluimos que $H = \text{Núc }\psi \unlhd G.$

Por lo tanto $H\unlhd G$.

$\blacksquare$

Observación. No siempre existe dicho subgrupo, por ejemplo $A_4$ no tiene subgrupos de índice 2.

Esto sucede porque $A_4$ tiene 12 elementos, el menor primo que divide a 12 es 2. Pero, de acuerdo a lo que estudiamos, $A_4$ no tiene subgrupos de orden 6, entonces no existen subgrupos de índice 2.

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 la observación: Si $H = \{e\}$ se tienen el Teorema de Cayley.
  2. Sea $V$ el grupo de Klein. $H = \left< (1,0) \right>$. Determina cómo son las funciones $\tau_a$ para cada $a\in V$ y describe cómo se puede visualizar a cada elemento $a\in V$ como una permutación en $\{(a,b) + H\,|\, (a,b) \in V \}$, y como una permutación en $S_2$.
  3. Dado $G$ un grupo y $H$ un subgrupo de $G$ de índice finito $n$, sabemos que existe un homomorfismo $\phi$ de $G$ en $S_n$ con $\text{Núc }\phi \leq H.$ Da una condición necesaria y suficiente para que $\text{Núc }\phi = H.$
  4. Sea $G$ un grupo finito de orden $n$ y $H$ un subgrupo de de índice primo $p$. ¿Es $H$ normal en $G$? Prueba o da un contraejemplo.

Más adelante…

Con este teorema hemos avanzado un pasito en la idea de usar elementos de un grupo para modificar otro, ahora usando clases laterales. El Teorema de Cayley y su modificación son importantes para el tema que veremos en la siguiente entrada, donde ahora sí, usaremos un grupo cualquiera para actuar sobre otro grupo cualquiera.

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Geometría Analítica I: Grupos de transformaciones

Por Paola Berenice García Ramírez

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Introducción

En la primera entrada de esta unidad [1a entrada] indicamos que serán muy importantes tanto las propiedades de los vectores como los lugares geométricos vistos en las primeras dos unidades, pues serán de vital apoyo para comprender los tipos de transformaciones que estaremos viendo.

En la entrada anterior [2a entrada] contemplamos los conceptos necesarios de las funciones que nos ayudaron a definir formalmente a una transformación. En ésta entrada vamos a comenzar por dos conjuntos: $\Delta_{2}$ y $\Delta_{3}$, las propiedades que cumplen y que nos ayudarán a comprender la definición de un grupo. Ambos conjuntos son los ejemplos más representativos de los grupos de transformaciones: los grupos simétricos de orden n. Pretendemos dar a conocer el tema en éste primer curso de Geometría Analítica de forma introductoria; pero puede profundizarse en asignaturas más avanzadas de la carrera universitaria, una de ellas es Álgebra Moderna en la Teoría de Grupos.

El conjunto $\Delta_{2}$

Antes que nada nos pondremos de acuerdo en la notación que vamos a usar: $x \mapsto y$ nos indicará que al elemento $x$ le corresponde el elemento $y$ bajo la función correspondiente.

El primero conjunto que conoceremos tiene dos elementos $\{ 0,1 \}$, a quien identificaremos por $\Delta_{2}$ y se lee «delta-dos». ¿Cuáles son las funciones de $\Delta_{2}$ en sí mismas? Primero tenemos a

\begin{align*}
0 & \xmapsto{id} 0\\
1 & \mapsto 1\\
\end{align*}

a quien llamaremos por $id$ (identidad de $\Delta_{2}$); porque al elemento $0$ le corresponde él mismo y al elemento $1$ le corresponde él mismo. La siguiente función es

\begin{align*}
0 & \xmapsto{\rho} 1\\
1 & \mapsto 0\\
\end{align*}

que denotamos por $\rho$. ¿Qué ocurre si recurrimos a la función composición $\rho \circ \rho$? Si comenzamos con $0$ sabemos bajo $\rho$ que $\rho (0) = 1$, por ello

\begin{align*}
(\rho \circ \rho)(0) &= \rho [\rho (0)]\\
& = \rho (1) = 0.\\
\end{align*}

Y si comenzamos con $\rho (1)$, en forma análoga obtendremos $(\rho \circ \rho)(1) = 1$. Podemos darnos cuenta que $\rho$ es su propio inverso, pues $(\rho \circ \rho = id)$.

Otra forma en que podemos trabajar la composición de funciones es siguiendo los elementos mediante una tablita. Vamos a ver que $\rho \circ \rho = id$ como sigue:

\begin{align*}
0 & \xmapsto{p} 1 \xmapsto{p} 0\\
1 & \mapsto 0 \mapsto 1\\
\end{align*}

donde colocamos la función correspondiente sobre cada flecha entre los elementos y nos damos cuenta que los elementos iniciales coinciden con las imágenes finales bajo la composición. Entonces concluimos que se cumple $\rho \circ \rho = id$.

Tenemos otras dos funciones:

\begin{align*}
0 & \xmapsto{C_{0}} 0 \hspace{0.2cm} & 0 \xmapsto{C_{1}} 1\\
1 & \mapsto 0 \hspace{0.18cm} &1 \mapsto 1\\
\end{align*}

e independientemente del elemento inicial, bajo $C_{0}$ corresponde el elemento $0$ y bajo $C_{1}$ corresponde el elemento $1$. Tanto $C_{0}$ como $C_{1}$ se consideran funciones constantes; mientras que las únicas transformaciones que contemplaremos de $\Delta_{2}$ son $ id $ y $ \rho $.

El conjunto $\Delta_{3}$

Ahora consideremos al conjunto $\Delta_{3} := \{ 0,1,2 \}$ e indicaremos las funciones de $\Delta_{3}$ en sí mismo bajo la notación

\begin{align*}
0 & \mapsto x\\
1 & \mapsto y\\
2 & \mapsto z
\end{align*}

donde $x, y, z \in \Delta_{3}$. Como $x, y, z \in \Delta_{3}$ son imágenes arbitrarias, habrán $3^3 = 27$ funciones, pero sólo 6 serán transformaciones. Vamos a explicar porqué sólo 6 transformaciones: puesto que queremos biyectividad, al elegir a $0$ y corresponderle su imagen, entonces al $1$ le podrán corresponder sólo $2$ opciones y a su vez, cuando llegamos al $2$, ya sólo le podrá corresponder $1$ opción. En resumen, en la primera posición hay $3$ opciones, en la segunda hay $2$ opciones y en la tercera sólo $1$ y el número de transformaciones será de $3 \times 2 \times 1 = 6$.

Las primeras 3 transformaciones que veremos son:

\begin{align*}
&0 \xmapsto{id} 0 &0 \xmapsto{\rho_{1}} 1& \hspace{0.2cm} &0 \xmapsto{\rho_{2}} 2\\
&1 \mapsto 1 &1 \mapsto 2 & \hspace{0.2cm} &1 \mapsto 0\\
&2 \mapsto 2 &2 \mapsto 0 & \hspace{0.2cm} &2 \mapsto 1
\end{align*}

De hecho a las 6 transformaciones las visualizaremos como las «simetrías» de un triángulo equilátero. Las primeras 3 corresponden a rotaciones (la identidad es quien rota $0$ grados). Diremos que $\rho_{1}$ y $\rho_{2}$ son inversas, pues $\rho_{1} \circ \rho_{2} = \rho_{2} \circ \rho_{1} = id$ (vamos a dejar esta relación como ejercicio de la tarea moral, para practicar). Es decir, con cualquier elemento inicial, la imagen de la composición será el mismo elemento inicial. Esto quiere decir que una rotación rotará $120°$ en una dirección y al aplicar la segunda rotación rota $120°$ pero en dirección contraria. Los triángulos correspondientes son:

También se cumple que $\rho_{1} \circ \rho_{1} = \rho_{2}$, pues

\begin{align*}
0 & \xmapsto{\rho_{1}} 1 \xmapsto{\rho_{1}} 2\\
1 & \mapsto 2 \mapsto 0 \\
2 & \mapsto 0 \mapsto 1
\end{align*}

Entonces decimos que cumple la siguiente definición:

Definición. Sea $f$ cualquier transformación, decimos que

\begin{equation*}
f^{n} = f \circ f \circ \cdots \circ f,
\end{equation*}

es decir, $f^{n}$ es $f$ compuesta consigo misma n veces.

En nuestro ejemplo, escribiremos que se cumple entonces la relación $\rho_{1}^{2} = \rho_{2}$. Por otro lado, para $\Delta_{3}$ tenemos otras 3 transformaciones llamadas transposiciones que geométricamente las visualizamos como reflexiones y son:

\begin{align*}
&0 \xmapsto{\alpha} 0 & 0 \xmapsto{\beta} 2 & \hspace{0.2cm} & 0 \xmapsto{\gamma} 1\\
&1 \mapsto 2 &1 \mapsto 1 & \hspace{0.2cm} &1 \mapsto 0\\
&2 \mapsto 1 &2 \mapsto 0 & \hspace{0.2cm} &2 \mapsto 2
\end{align*}

El triángulo que representa a estas transformaciones es:

Las direcciones de la flecha dependerán de cada transformación. Ahora vamos a probar una relación que cumple $ \alpha, $ la cual es:

Demostrar que se cumple $\alpha^{2} = id$.

Demostración. En efecto, recordemos que $ \alpha^{2} = \alpha \circ \alpha$, así que desarrollaremos el seguimiento de elementos a través de la composición $\alpha \circ \alpha$ como sigue:

\begin{align*}
0 & \xmapsto{\alpha} 0 \xmapsto{\alpha} 0\\
1 & \mapsto 2 \mapsto 1 \\
2 & \mapsto 1 \mapsto 2
\end{align*}

y observemos que al final de la composición obtuvimos $\alpha^2 (0)=0$, $\alpha^2 (1)=1$, $\alpha^2 (2)=2$ y con ello vemos que $\alpha^{2}=id.$

$\square$

En la sección de tarea moral dejaremos unos ejercicios de práctica sobre más relaciones que cumplen $\alpha$, $\beta$ y $\gamma$; como son $\alpha^2 = \beta^2 = \gamma^2 = id$, $\alpha \circ \beta = \rho_{1}$ y que $\alpha \circ \beta \circ \alpha = \beta \circ \alpha \circ \beta = \gamma$.

A continuación vamos a definir a un conjunto de transformaciones que cumplen ciertas propiedades interesantes y para ejemplificar a dicho conjunto retomaremos uno de los conjuntos vistos en esta entrada.

Grupos de transformaciones

Definición. A un conjunto $G$ de transformaciones de un conjunto $A$ le llamaremos un grupo de transformaciones de $A$ si cumple:

  1. $id_{A} \in G$
  2. $f,g \in G \longrightarrow g \circ f \in G$
  3. $f \in G \longrightarrow f^{-1} \in G$

Como ejemplos, tomemos a $A$ como $A = \Delta_{3}$. Sabemos que tiene 6 elementos, pero un grupo de transformaciones es el de las rotaciones ya que contiene a la identidad $(1)$, es cerrado bajo la composición $(2)$ y es cerrado bajo inversas $(3)$.

Otro grupo de transformaciones de $A=\Delta_{3}$ es el de las transposiciones (o reflexiones) junto con la identidad.

Definición. Dado un conjunto cualquiera de transformaciones de $A$, el grupo que genera es el grupo de transformaciones obtenido de todas las posibles composiciones con elementos de él o sus inversos.

Como ejemplo de un grupo que genera tenemos a $\alpha$ y $\beta$ ya que generan todas las transformaciones de $\Delta_{3}$.

También $\rho_{1}$ genera el grupo de rotaciones de $\Delta_{3}$ ( porque $\rho^{3} = id$, $\rho_{1}$ y $\rho^{2} = \rho_{2}$).

Para terminar con esta entrada daremos un concepto adicional. Si te llamaron la atención los conjuntos $\Delta_{2}$ y $\Delta_{3}$ y quieres saber más de ellos o si hay más conjuntos similares, la respuesta es sí. Pertenecen a un conjunto de transformaciones, el cual definiremos a continuación:

Definición. Al conjunto de todas las transformaciones de un conjunto con $n$ elementos $\Delta_{n} := \{ 0, 1, \cdots, n-1 \}$ se le llama grupo simétrico de orden $n$ y se le denota $S_{n}$. Dicho grupo tiene $n! = n \times (n-1) \times (n-2 ) \cdots \times 2 \times 1$ ($n$ factorial) elementos a los cuales se le llaman permutaciones.

Tarea moral

  • Considerando el conjunto $\Delta_{3}$ y sus transformaciones $id$, $\rho_{1}$ y $\rho_{2}$ que vimos en esta entrada, demostrar que $\rho_{1}$ y $\rho_{2}$ son inversas, es decir:
    1. $\rho_{1} \circ \rho_{2} = \rho_{2} \circ \rho_{1} = id$
  • Considerando el conjunto $\Delta_{3}$ y sus transformaciones $id$, $\alpha$, $\beta$ y $\gamma$ que vimos en esta entrada, demostrar que se cumplen las relaciones siguientes:
    1. $\alpha^2 = \beta^2 = \gamma^2 = id$. [Sugerencia: Hacer cada composición por separado].
    2. $\alpha \circ \beta = \rho_{1}$
    3. $\alpha \circ \beta \circ \alpha = \beta \circ \alpha \circ \beta = \gamma$.
  • Demuestren que $\rho_{1}$ genera el grupo de rotaciones de $\Delta_{3}$. [Sugerencia: Demuestren que se cumplen las relaciones $\rho^{3} = id$, y $\rho^{2} = \rho_{2}$), porque $\rho_{1}$ es un elemento de dicho grupo de rotaciones].

Más adelante

En esta entrada vimos que en el conjunto $\Delta_{3}$ hay dos posibles grupos de transformaciones: el de las rotaciones y el de las transposiciones junto con la identidad. Mediante triángulos pudimos visualizar el comportamiento que hay en los elementos iniciales y sus imágenes; con ello se comprende porque están en cada grupo.

En la siguiente entrada continuaremos con un primer grupo de transformaciones en los \mathbb{R}, que es de las transformaciones afines, que tiene una muy buena relación con un lugar geométrico que ya hemos visto: las rectas. La entrada [Rectas en forma paramétrica] de la Unidad 1 nos podrá ayudar como repaso si lo requerimos.

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Álgebra Moderna I: Permutaciones y Grupo Simétrico

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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

Introducción

La Unidad 2 empieza con algunas definiciones nuevas. Veremos un ejemplo específico de grupo, primero definiremos qué es una permutación y luego, el conjunto de todas las permutaciones, al que llamaremos grupo simétrico junto con la composición. Este grupo es importante porque más adelante descubriremos que los grupos se pueden visualizar como subgrupos de grupos de permutaciones.

Primeras definiciones

Definición. Una permutación de un conjunto $X$ es una función biyectiva de $X$ en $X$.

Notación. Denotaremos por $S_X$ al conjunto

\begin{align*}
S_X = \{\sigma: X \to X | \sigma \text{ es biyectiva}\}.
\end{align*}

Si $X = \{1,…,n\}$, $S_X$ se denota por $S_n$. Si tomamos $\alpha, \beta \in S_X$ la composición de $\alpha$ seguida de $\beta$ se denota por $\beta\alpha$.

Observación 1. $S_X$ con la composición es un grupo, se llama el Grupo Simétrico.

Observación 2. $|S_n| = n!$

Definición. Sea $\alpha \in S_n$, $i \in \{1,2,…,n\}$.

Decimos que $\alpha$ mueve a $i$ si $\alpha(i) \neq i$, y que $\alpha$ fija a $i$ si $\alpha(i) = i$. El soporte de $\alpha$ es

\begin{align*}
\text{sop }\alpha = \{i \in \{1,\dots, n\}: \alpha(i) \neq i\}.
\end{align*}

Ejemplo

Sea $\alpha \in S_{10}$, definida como

\begin{align*}
\alpha = \begin{pmatrix}1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 10\\
8 & 3 & 1 & 7 & 2 & 6 & 4 & 5 & 9 & 10 \end{pmatrix}.
\end{align*}

La matriz es una manera de representar una permutación, la fila de arriba son todos los elementos de $X= \{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10\}$ y la fila de abajo está formada por las imágenes bajo $\alpha$ de cada elemento de la fila de arriba. Es decir, la matriz de $\alpha$ se puede leer como: «$\alpha$ manda al $1$ al $8$», «el $ 2 $ lo manda al $3$», etc. Entonces tenemos que, $\alpha$ mueve a $1,2,3,4,5,7,8$ y fija al $6,9,10$. Así

\begin{align*}
\text{sop } \alpha = \{1,2, 3, 4, 5, 7, 8\}.
\end{align*}

Definición de ciclo

Definición. Sea $\alpha \in S_n$, $r\in\z$, $r>1$. Decimos que $\alpha$ es un ciclo de longitud $r$ o un $r$-ciclo si existen $i_1, \dots, i_r \in \{1, \dots, n\}$ distintos tales que $\text{sop }\alpha = \{i_1, \dots, i_r\}$ y

\begin{align*}
\alpha(i_t) = \begin{cases}
i_{t+1} & \text{si } t \in \{1, \dots, r-1\} \\
i_1 & \text{si } t = r
\end{cases}
\end{align*}

Figura para ilustrar la definición de un ciclo.

Diremos que la permutación $\text{id}\in S_n$ es un ciclo de longitud $1$ o un $1$-ciclo. Los ciclos de longitud dos se llaman transposiciones.

Las transposiciones son muy importantes porque, como veremos más adelante, nos permitirán describir a las demás permutaciones.

Notación.

  • Un $r$-ciclo $\alpha$, tal que cada $i_j$ va a $i_{j+1}$ para cada $j \in \{1,…,r-1\}$ y $i_r$ regresa a $i_1$ se denota como $\alpha = (i_1\; i_2 \; \dots \; i_r)$.
  • Además, denotamos como $r = \text{long } \alpha$ a la longitud de $\alpha$.

Ejemplos

  1. $\alpha \in S_8$ con $\alpha = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 \\ 1 & 4 & 3 & 5 & 8 & 2 & 7 & 6 \end{pmatrix}$.

\begin{align*}
\alpha &= (2 \; 4 \; 5 \; 8 \; 6) = (4 \; 5 \; 8 \; 6 \; 2) \\
& = (5 \; 8 \; 6 \; 2 \; 4) = (8 \; 6 \; 2 \; 4 \; 5) \\
& = (6 \; 2 \; 4 \; 5 \; 8).
\end{align*}

Representación de $\alpha$.

En este caso, $\alpha$ es un $5-$ciclo y $\text{long }\alpha = 5$.
Observemos que el ciclo se puede comenzar a escribir con cualquier elemento de su soporte, siempre y cuando se cumpla la regla de correspondencia establecida.

2. Ahora, consideremos $\beta \in S_8$ como

Representación de $\beta$.

\begin{align*}
\beta =\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 \\ 1 & 2 & 5 & 4 & 3 & 6 & 7 & 8\end{pmatrix},
\end{align*}
entonces podemos decir que $\beta = (3 \; 5)$, porque a los otros elementos los deja fijos.

Si componemos $\beta$ con el $\alpha$ del ejemplo anterior obtenemos:

\begin{align*}
\alpha\beta &= (2 \; 4 \; 5 \; 8 \; 6) (3 \; 5) = (2 \; 4 \; 5 \; 3 \; 8 \; 6).
\end{align*}

Para verificar qué ésta es efectivamente la composición de $\beta$ seguida de $\alpha$, tenemos que observar a dónde manda a cada elemento:

  • Comenzamos con el $2$ (esto es arbitrario, se puede comenzar con el número que sea), observamos que $\beta$ lo deja fijo, entonces nos fijamos a dónde lo manda $\alpha$, en este caso, el $2$ es mandado al $4$. Así, $\alpha\beta$ manda al $2$ en el $4$.
  • Repetimos el proceso con el $4$, $\beta$ lo deja fijo y $\alpha$ lo manda al $5$. Así, $\alpha\beta$ manda al $4$ en el $5$.
  • Ahora con el $5$, $\beta$ manda al $5$ en $3$, entonces ahora vemos a dónde manda $\alpha$ al $3$, en este caso lo deja fijo. Así, $\alpha\beta$ manda al $5$ en el $3$.
  • Entonces ahora tenemos que observar a dónde es mandado el $3$ después de la composición. Primero, $\beta$ manda el $3$ al $5$ y $\alpha$ manda el $5$ al $8$, por lo tanto $\alpha\beta$ manda el $3$ al $8$.
  • Así continuamos con todos los elementos que aparezcan en la composición hasta terminar.

    Ahora, veamos qué sucede con $\beta\alpha$. El proceso es análogo:
    \begin{align*}
    \beta\alpha &= (3 \; 5) (2 \; 4 \; 5 \; 8 \; 6) = (3 \; 5 \; 8 \; 6 \; 2 \; 4).
    \end{align*}
    Por lo tanto $\alpha\beta \neq \beta\alpha$.

3. En $S_5$. Podemos considerar la siguiente permutación: $(1 \; 2 \; 3 \; 4)(2 \; 4 \; 5)$. A esta permutación la podemos simplificar usando el mismo procedimiento que en el ejemplo 2.

Observamos a dónde lleva cada uno de sus elementos:

  • Comencemos con el 2, la primera parte de la permutación, lleva el 2 al 4 y, la segunda parte lleva el 4 al 1.
  • Ahora veamos a dónde va el 1. La primera parte lo deja fijo y la segunda lo lleva al 2. Entonces obtenemos una permutación $(1\;2)$. Pero todavía falta ver el resto de elementos.
  • Ahora, veamos qué sucede con el 3. La primera parte lo deja fijo y la segunda lo manda al 4.
  • La primera parte de nuestra permutación manda el 4 al 5 y, el 5 se queda fijo.
  • Por último, el 5 es mandado al 2 por la primera parte de la permutación y, la segunda parte manda al 2 en el 3. Por lo tanto, el 5 regresa al 3. Esto se puede escribir como:

\begin{align*}
(1 \; 2 \; 3 \; 4)(2 \; 4 \; 5) = (1 \; 2) (3 \; 4 \; 5).
\end{align*}

Es decir:

Representación de $(1 \; 2 \; 3 \; 4)(2 \; 4 \; 5) = (1 \; 2) (3 \; 4 \; 5)$.

Este ejemplo nos permite intuir que en ocasiones las permutaciones se pueden simplificar.

Observación. Si $n \geq 3$, entonces $S_n$ no es abeliano.

Tarea moral

  1. Demostrar la observación 1: $S_X$ con la composición es un grupo, se llama el Grupo Simétrico.
  2. Sea $X$ un conjunto infinito, $H$ la colección de permutaciones de $S_X$ que mueven sólo un número finito de elementos y $K$ la colección de permutaciones que mueven a lo más $50$ elementos. ¿Son $H$ y $K$ subgrupos de $S_X$?
  3. Considera los siguientes elementos de $S_{10}$
    \begin{align*} \alpha &= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 10 \\
    10 & 4 & 3 & 2 & 9 & 7 & 5 & 1 & 6 & 8 \end{pmatrix} \\\\
    \beta &= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 & 10 \\
    10 & 9 & 8 & 7 & 6 & 5 & 4 & 3 & 2 & 1 \end{pmatrix}. \end{align*}
    Encuentra $\alpha \beta, \beta \alpha, \alpha^{-1}$ y $\beta^{-1}$.
  4. Sea $a \in S_n, $ con $n > 2$. Si $\alpha$ conmuta con toda permutación de $S_n$ ¿puedes decir quién debe ser $\alpha$?

Más adelante…

Por el momento continuaremos hablando de las permutaciones. El último ejemplo visto nos da la noción de permutaciones disjuntas, este tema es el que profundizaremos en la siguiente entrada, pero por el momento ¿puedes imaginarte de qué se trata?

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Álgebra Moderna I: Definición de Grupos

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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

Introducción

Ahora sí, comenzaremos con el tema de este curso. Después de estudiar las operaciones binarias por fin veremos para qué nos sirven. Los grupos son una estructura algebraica. Están constituidos por dos partes, un conjunto y una operación ¿Puedes imaginarte de qué tipo de operación estamos hablando?

Para motivarlo, veamos cómo resolvemos esta ecuación:

\begin{align*}
x+8 & = 5\\
(x + 8) + (-8) &= 5 + (-8)\\
x + 0 &= -3\\
x &= -3
\end{align*}

Al resolver la ecuación, formalmente estamos usando las siguientes propiedades:

  • Asociatividad
  • Inverso aditivo
  • Neutro

En ese mismo orden.

En esta entrada definiremos formalmente a los grupos y daremos muchos ejemplos para que te empapes de la definición. Revisaremos los ejemplos que vimos en entradas anteriores y determinaremos cuáles son un grupo y cuáles no.

¿Qué es un grupo?

Definición. Sea $G$ un conjunto con una operación binaria $*$. Decimos que $(G,*)$ es un grupo si

  1. La operación $*$ es asociativa, es decir, $(a * b)*c = a*(b*c) \quad \forall a,b,c \in G$
  2. Existe $e \in G$ tal que $e*a = a*e = a \quad \forall a \in G$.
    A $e$ se le llama neutro en $G$.
  3. Para toda $a \in G$ existe $\tilde{a} \in G$ tal que $a*\tilde{a} = \tilde{a}*a=e$.
    En este caso, $\tilde{a}$ se llama inverso de a.

Si además * es conmutativa, es decir $a*b = b*a \quad \forall a,b \in G$, decimos que $(G,*)$ es un grupo abeliano.

Nota. Sea $G$ conjunto con una operación binaria $*$:

  • Si $G \neq \emptyset$, $(G,*)$ se llama magma.
  • Si $G\neq \emptyset$ y se cumple 1, $(G,*)$ se llama semigrupo.
  • Si se cumplen 1 y 2, $(G,*)$ se llama monoide.

Repaso de ejemplos anteriores

Veamos de nuevo algunos ejemplos de las entradas anteriores y comprobemos si cumplen con la definición de grupo.

  • $G : = \z^+$, $a*b = \text{máx}\{a,b\}$.
    • En la entrada anterior vimos que $*$ es asociativa y conmutativa.
    • $1$ es el neutro.
      Demostración. $1*a = a*1 = \text{máx}\{1,a\} = a \quad \forall a \in \z^+$. $\blacksquare$
    • $2$ no tiene inverso.
      Demostración. $2*a = \text{máx}\{2,a\} \geq 2 \quad \forall a \in \z^+$, por lo que $2 * a \neq 1 \quad a \in \z^+$.

$\therefore (\z^+,*)$ NO es un grupo. $\blacksquare$

  • $G:= \z^+$, $a*b = a$.
    • No tiene neutro, si existiera $e \in \z^+$ neutro, entonces para toda $a\in\z^+$, por la definción de la operación $e*a = e$, pero la definición de neutro requiere que $e*a = a$. Entonces, esto implica que $e = a$ y como esto no es necesariamente cierto, pues $a$ es un entero positivo cualquiera, obtenemos una contradicción.

$\therefore (\z^+,*)$ NO es un grupo. $\blacksquare$

  • $(\cM_{2\times 2}(\z), +)$ es un grupo abeliano, la demostración queda como ejercicio.
  • $(\{ f \; | \; f:\r \to \r\}, \circ)$ no es un grupo, pues aunque $\mathrm{id}_{\r}$ es neutro, no todo elemento tiene inverso, como se ve en Álgebra Superior I.
  • $(S_3, \circ)$ es un grupo no abeliano. Generalizaremos este ejemplo más adelante y le llameremos grupo simétrico.
  • $\cS = \{2,4,6\}$ con la operación
$*$$2$$4$$6$
$2$$2$$4$$6$
$4$$4$$4$$6$
$6$$6$$6$$6$

Si observamos la tabla, podemos concluir que:

  • $2$ es neutro.
  • $4$ y $6$ no tienen inversos.

Por lo tanto, NO es un grupo.

$\blacksquare$

  • $\cS = \{2,4,6\}$ con la operación
$*$$2$$4$$6$
$2$$2$$2$$2$
$4$$4$$4$$4$
$6$$6$$6$$6$
  • No hay un neutro.

Como no hay neutro, ni siquiera tiene sentido pensar en la existencia de inversos. Por lo tanto, NO es un grupo.

$\blacksquare$

  • $\cS = \{1,-1\}$
$*$$1$$-1$
$1$$1$$-1$
$-1$$-1$$1$
  • El $1$ es el neutro.
  • La operación es asociativa.
  • $1$, $-1$ son sus propios inversos.
  • Además, la operación conmuta, porque la operación es el producto usual.

Por lo tanto es un grupo abeliano.

$\blacksquare$

  • $(\z, +)$ es un grupo.
  • Sea $K$ un campo y $K^* = K \setminus \{0_K\}$. Si consideramos $(K^*, \cdot)$ tenemos un grupo abeliano. Le quitamos el $0_K$ pues es el único número que no tiene inverso multiplicativo.
  • $\mathbb{S}’ = \{z \in \mathbb{C} \; |\; |z|= 1\}$. Es decir, los complejos con norma igual a $1$. Es un grupo abeliano con el producto.
Representación geométrica del conjunto.
  • Dentro de los complejos podemos considerar $$\Gamma_n = \left\{ \xi^k \; | \; 0 \leq k < n \right\},$$ con $\xi = e^{\frac{2\pi i}{n}}$. Geométricamente corresponden a los vértices de un polígono regular de $n$ lados y algebraicamente son las raíces $n$-ésimas de la unidad. Forman un grupo abeliano con el producto.
Representación geográfica del conjunto cuando $n= 6$.

Ejemplos importantes de matrices

Los siguientes son ejemplos de algunos grupos importantes. Recuérdalos porque son ejemplos que serán recurrentes en futuras entradas. Recuerda que no todas las matrices tienen inverso multiplicativo y que el producto de matrices no es conmutativo. Para refrescar tu memoria, puedes consultar las entradas de matrices inversas y operación de matrices.

  1. $$GL(n,\r) = \{A \in \cM_{n\times n}(\r) \;|\; \det A \neq 0\},$$ con el producto usual es un grupo no abeliano. Este par ordenado $(GL(n,r), \cdot)$ es conocido como el grupo lineal general.
  2. $$SL(n,\r) = \{A \in \cM_{n\times n}(\r) \;|\; \det A = 1\},$$ con el producto usual es un grupo no abeliano. Este es el grupo lineal especial.
  3. $$SO(n,\r) = \{A \in \cM_{n\times n}(\r) \; | \; AA^t = I_n, \; \det A = 1\},$$ con el producto usual es un grupo no abeliano. A éste se le conoce como grupo ortogonal especial.
  4. $$O(n, \r) = \{A \in \cM_{n\times n}(\r) \; |\; AA^t = I_n\},$$ con el producto usual es un grupo no abeliano. Este es conocido como el grupo ortogonal.

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. Determina, en cada uno de los siguientes casos, si el sistema descrito es grupo o no. En caso negativo, señala cuál o cuáles de los axiomas de grupo no se verifican. En caso afirmativo demuestra que es un grupo:
    • $G = \r \setminus \{-1\}$, $a*b := a+b+ab$.
    • $G = \r^*$, $a*b = |a|b$.
    • $G = \{r \in \mathbb{Q} \;|r\text{ se puede expresar como }\; r = \frac{p}{q} \text{ con } (p,q)= 1 \text{ y } q \text{ impar}\}$, $a*b = a+b$ (la adición usual).
    • Sea $X$ un conjunto. Considera $G = \mathcal{P}(X)$ el conjunto potencia de $X$ con la operación binaria $A \triangle B = (A \cup B)\setminus (A \cap B)$ para todo $A,B \in \mathcal{P}(X)$.
  2. Demuestra la siguientes afirmaciones referentes a grupos, dadas en los ejemplos anteriores:
    • $(\cM_{2\times 2}(\z), +)$ es un grupo abeliano.
    • $(S_3, \circ)$ es un grupo no abeliano.
    • $(\z, +)$ es un grupo.
    • $(K^*, \cdot)$ con $K$ un campo, es un grupo abeliano.
    • $(\Gamma_n, \cdot)$ es un grupo abeliano, con $\cdot$ el producto.
  3. Demuestrá por qué los ejemplos importantes de matrices son grupos no abelianos.

Más adelante…

Después de tantas definiciones y ejemplos, comenzaremos a ver más teoremas y demostraciones. En la siguiente entrada profundizaremos en las propiedades de grupos derivadas de su definición. Además, veremos un teorema conocido como la «Definición débil de Grupo».

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