(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 $G_i^{\ast }$. Demostramos que para un grupo $G=G_1\times \cdots \times G_n$ se cumple que:

1. $G_i^{\ast }⊴G\mathrm{\forall }i\in \{1,\dots ,n\}$.
2. ${\displaystyle G_i^{\ast }\cap \left(\prod _{j\ne i}{G}_j^{\ast }\right)=\{e_G\}\text{ para toda }i\in \{1,\dots ,n\}}$.
3. ${\displaystyle G=\prod _{i=1}^n{G}_i^{\ast }}$.

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 $H_i$, con $i\in \{1,\dots ,n\}$ 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, $H_1,\dots ,H_n$ subgrupos de $G$. Decimos que $G$ es el producto directo interno de $H_1,\dots ,H_n$ si

1. $H_i⊴G$ para toda $i\in \{1,\dots ,n\}$.
2. ${\displaystyle H_i\cap \left(\prod _{j\ne i}{H}_j\right)=\{e\}}$ para toda $i\in \{1,\dots ,n\}$.
3. ${\displaystyle G=\prod _{i=1}^n{H}_i}$.

Observación 5. $G_1\times \cdots \times G_n$ es el producto directo interno de los $G_i^{\ast }$.

Observación 6. Si $G$ es el producto directo interno de $H_1,\cdots ,H_n$, entonces $xy=yx$ para toda $x\in H_i,y\in H_j$ con $i\ne j$.

Demostración.
Sea $G$ producto directo de $H_1,\dots ,H_n$, sean $x\in H_i,y\in H_j$, con $j\ne i$, entonces
$$\begin{array}{r}xy{x}^{-1}{y}^{-1}=x(y{x}^{-1}{y}^{-1})\in H_i,\end{array}$$
porque $x\in H_i$ y $y{x}^{-1}{y}^{-1}\in H_i$ pues $H_i⊴G$.

Por otro lado,
$$\begin{array}{r}xy{x}^{-1}{y}^{-1}=(xy{x}^{-1})y^{-1}\in H_j,\end{array}$$
ya que, análogamente, $xy{x}^{-1}\in H_j$ debido a que $H_j⊴G$ y $y^{-1}\in H_j.$

Así, ${\displaystyle xy{x}^{-1}{y}^{-1}\in H_i\cap H_j\subseteq H_i\cap \prod _{k\ne i}{H}_k=\{e\}}$. Entonces $xy{x}^{-1}{y}^{-1}=e$.

Por lo tanto $xy=yx$.

$\mathrm{<img\; draggable="false"\; role="img"\; class="emoji"\; alt="◼"\; src="https://s.w.org/images/core/emoji/14.0.0/svg/25fc.svg">}$

Ejemplo. Sea $G=⟨a⟩$ con $o(a)=12$. Busquemos subgrupos $H_1,\dots ,H_n$ para alguna $n\in \mathbb{N}$ tales que $G$ sea el producto directo interno de estos subgrupos.

Sean $H_1=⟨a^3⟩,H_2=⟨a^4⟩$. Como $G$ es abeliano, $H_1⊴G,H_2⊴G$. Además
$$\begin{array}{r}{H}_1\cap H_2=\{e,a^3,a^6,a^9\}\cap \{e,a^4,a^8\}=\{e\}.\end{array}$$

Como
$$\begin{array}{r}a=ae=a{a}^{12}=a^{13}=a^9{a}^4\in H_1{H}_2\end{array}$$
tenemos que $G=⟨a⟩\subseteq H_1{H}_2$. Por la cerradura del producto en $G$ se tiene además que $H_1{H}_2\subseteq G$, entonces $G=H_1{H}_2$.

Por lo tanto $G$ es el producto directo interno de $H_1$ y $H_2$.

Observación 7. Sean $G$ un grupo, $H_1,\dots ,H_n$ subgrupos de $G$. Si $G$ es el producto directo interno de $H_1,\dots ,H_n$, entonces
$$\begin{array}{r}\phi :H_1\times \cdots \times H_n\to G\end{array}$$
con $\phi (h_1,\dots ,h_n)=h_1\cdots h_n$ para toda $(h_1,\dots ,h_n)\in H_1\times \cdots \times H_n$ es un isomorfismo.

Es consecuencia, si $G$ es finito tenemos que $|G|=|H_1|\cdots |H_n|$.

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 $p_1,\dots ,p_t$ los distintos factores primos del orden de $G$ y $P_1,\dots ,P_t$ subgrupos de Sylow de $G$ asociados a $p_1,\dots ,p_t$ respectivamente. Si $P_i⊴G$ para toda $i\in \{1,\dots ,t\}$, entonces $G$ es el producto directo interno de $P_1,\dots ,P_t$.

Demostración.
Sea $G$ un grupo finito de orden $n$. Sean $p_1,\dots ,p_t$ los distintos factores primos de $n$ con $n=p_1^{{\alpha }_1}{p}_2^{{\alpha }_2}\cdots p_t^{{\alpha }_t}$. Sean $P_1,\dots ,P_t$ subgrupos de $G$ con $P_i$ un $p_i$-subgrupo de Sylow de $G$ y $P_i⊴G$ para toda $i\in \{1,\dots ,t\}$.

Veamos que para todo $S\subseteq \{1,\dots ,t\}$, ${\displaystyle \prod _{j\in S}{P}_j}$ es un producto directo interno por inducción sobre $\mathrm{\#}S$.

Caso Base. Supongamos que $\mathrm{\#}S=1$,
$S=\{i\}\subseteq \{1,\dots ,t\}$ y $P_i$ es el producto directo interno de $P_i$.

H.I. Supongamos que si $T\subseteq \{1,\dots ,t\}$ con $\mathrm{\#}T<\mathrm{\#}S$, entonces ${\displaystyle \prod _{j\in T}{P}_j}$ es un producto directo interno.

Sea ${\displaystyle H=\prod _{j\in S}{P}_j}$. Veamos que $H$ es el producto directo interno de los $P_j$ con $j\in S$.

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

Sean $i\in S$, ${\displaystyle x\in P_i\cap \prod _{\begin{array}{c}j\in S\\ j\ne i\end{array}}{P}_j}$.

Como $x\in P_i$, entonces $o(x)$ divide a $|P_i|$.

Como ${\displaystyle x\in \prod _{\begin{array}{c}j\in S\\ j\ne i\end{array}}{P}_j}$, entonces el orden de $x$ divide al orden del producto: ${\displaystyle o(x)|\left|\prod _{\begin{array}{c}j\in S\\ j\ne i\end{array}}{P}_j\right|=\prod _{\begin{array}{c}j\in S\\ j\ne i\end{array}}|P_j|}$ donde la última igualdad se debe a que ${\displaystyle \prod _{\begin{array}{c}j\in S\\ j\ne i\end{array}}{P}_j}$ es un producto directo interno por H.I. y por la observación 7.

Pero $|P_i|=p_i^{{\alpha }_i}$ y ${\displaystyle \prod _{\begin{array}{c}j\in S\\ j\ne i\end{array}}|P_j|=\prod _{\begin{array}{c}j\in S\\ j\ne i\end{array}}{p}_j^{{\alpha }_j}}$ con ${\alpha }_j\in {\mathbb{N}}^{+}$ para toda $j\in S$, entonces $|P_i|$ y ${\displaystyle \prod _{\begin{array}{c}j\in S\\ j\ne i\end{array}}|P_j|}$ son primos relativos. Así, $o(x)=1$. Por lo que ${\displaystyle P_i\cap \prod _{\begin{array}{c}j\in S\\ j\ne i\end{array}}{P}_j=\{e\}}$.

Hemos probado entonces que ${\displaystyle \prod _{\begin{array}{c}j\in S\end{array}}{P}_j}$ es un producto directo interno para toda $S\subseteq \{1,\dots ,t\}$. En particular para $S=\{1,\dots ,t\}$ tenemos que ${\displaystyle \prod _{j=1}^t{P}_j}$ es un producto directo interno. Por la observación 7,
$$\begin{array}{r}\left|\prod _{j=1}^t{P}_j\right|=\prod _{j=1}^t|P_j|=n=|G|\end{array}$$
ya que $P_1,\dots ,P_t$ son subgrupos de Sylow asociados a los distintos factores primos de $G$.

Como ${\displaystyle \prod _{j=1}^t{P}_j}$ es un subgrupo de $G$ de orden $|G|$ tenemos que ${\displaystyle G=\prod _{j=1}^t{P}_j}$.

Por lo tanto $G$ es el producto directo interno de $P_1,\dots ,P_t$.

$\mathrm{<img\; draggable="false"\; role="img"\; class="emoji"\; alt="◼"\; src="https://s.w.org/images/core/emoji/14.0.0/svg/25fc.svg">}$

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.
   • $G_1\times \cdots \times G_n$ es el producto directo interno de los $G_i^{\ast }$.
   • Sean $G$ un grupo, $H_1,\dots ,H_n$ subgrupos de $G$. Si $G$ es el producto directo interno de $H_1,\dots ,H_n$, entonces
     $$\begin{array}{r}\phi :H_1\times \cdots \times H_n\to G\end{array}$$
     con $\phi (h_1,\dots ,h_n)=h_1\cdots h_n$ para toda $(h_1,\dots ,h_n)\in H_1\times \cdots \times H_n$ es un isomorfismo.
2. Regresa a la entrada de Ejemplo de Sylow y considera $S_4$.
   • De existir, busca $H_1,\dots ,H_n$ tal que $S_4$ sea producto directo de $H_1,\dots ,H_n.$
   • Usando los $p$-subgrupos de Sylow que encontramos, describe a $S_4$ como producto directo interno de ellos. Aplica el último teorema visto.
3. Aplica el último teorema visto a los grupos ${\mathbb{Z}}_6$ y $T=S_3\times {\mathbb{Z}}_4$. Para cada uno encuentra los primos $p_1,\dots ,p_n$ que conforman al orden del grupo y los $P_1,\dots ,P_n$ 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.

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