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A.3 · Grupos, classes laterais e mapas quociente

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Tópico 9

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Escopo e pré-requisitos

Preparação de graduação para o GRE. Objetivos locais dentro do escopo revisado do ETS; este é ensino original, não um teste oficial ou preditor de nota.

Pré-requisitos: axiomas de grupo, funções, divisibilidade inteira e permutações.

  • Verificar estrutura de grupo e calcular ordens dos elementos e índices de subgrupos
  • Usar núcleos e imagens para identificar grupos quociente
  • Diferenciar subgrupos normais de subgrupos arbitrários
  • Classificar conjugação de permutações pelo tipo de ciclo

cosseto: Uma translação de um subgrupo que forma uma parte da partição em cossetos.

subgrupo normal: Um subgrupo invariante sob conjugação por todo elemento do grupo.

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Escolher e justificar um método

Antes de calcular uma ordem, verifique fechamento, associatividade, identidade e inverso para cada elemento sob a operação especificada. Um subconjunto pode herdar a associatividade, mas falhar no fechamento ou omitir a identidade. Em um grupo finito, a ordem de um elemento é a menor potência positiva que resulta na identidade. No grupo aditivo Z/nZ, é o menor múltiplo positivo que resulta em zero; a ordem do resíduo a é n/gcd(a,n). O teorema de Lagrange afirma que as ordens dos subgrupos dividem a ordem do grupo. A recíproca não é um teorema geral de existência, e a ordem de um grupo não é a ordem de cada elemento.

Um cosseto esquerdo gH é uma translação de um subgrupo H. Cossetos têm tamanho igual e particionam o grupo, logo o índice é |G|/|H| em um grupo finito. Em um grupo aditivo, escreve-se g+H. Pertenecer ao mesmo cosseto significa que a diferença está em H. Um cosseto geralmente não é um subgrupo porque pode omitir a identidade.

Um homomorfismo preserva a operação. Seu núcleo consiste nos elementos mapeados à identidade, e sua imagem consiste nos valores realmente atingidos. Todo núcleo é normal. O primeiro teorema de isomorfismo identifica G/ker(phi) com im(phi); não substitua a imagem pelo contradomínio inteiro a menos que o mapa seja sobrejetivo.

A multiplicação quociente é bem definida apenas quando H é normal. Todos os subgrupos de um grupo abeliano são normais. Em um grupo não-abeliano, teste gHg^−1=H; um subgrupo de índice dois é normal. Para permutações, compose conforme a convenção especificada, aqui a mais à direita primeiro. Comprimentos de ciclos disjuntos determinam a ordem da permutação pelo seu mínimo múltiplo comum. Conjugação hσh⁻¹ renomeia os elementos nos ciclos de σ, preservando seus comprimentos; reciprocamente, permutações com os mesmos comprimentos de ciclos podem ser relacionadas por renomeação. Assim, classes de conjugação em S_n correspondem a partições de n, incluindo ciclos de pontos fixos. Em S4, os tipos são 1+1+1+1, 2+1+1, 2+2, 3+1 e 4: cinco classes, não uma classe para cada ordem possível de elemento. Os tipos 2+1+1 e 2+2 ambos têm ordem dois, mas não são conjugados.

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Raciocínio resolvido

Defina φ de Z/12Z para Z/3Z reduzindo resíduos módulo 3. Ele é sobrejetivo e preserva a adição. Seu kernel H é {0,3,6,9}, logo |H|=4 e o índice é 12/4=3. Os outros cosetores são {1,4,7,10} e {2,5,8,11}. Assim, (Z/12Z)/H é isomorfo a Z/3Z. O elemento 3 no grupo original tem ordem 12/gcd(3,12)=4, não 3.

Tabela: os cosets H, 1 + H e 2 + H de Z/12Z, cada um com quatro elementos, mapeiam para 0, 1 e 2 em Z/3Z
A redução mod ↦ 3 divide Z/12Z em três fibras de quatro elementos cada
Vocabulário Treinar
English Português
coset/ˈkɒset/ classe lateral
normal subgroup/ˈnɔːml ˈsʌbɡruːp/ subgrupo normal
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Condições e contraexemplos

Um quociente tem um elemento por cosetor, não um por elemento de seu kernel. Um homomorfismo pode não ser sobrejetivo em seu codomínio declarado.

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Aplicação guiada

No grupo aditivo $\mathbb Z/18\mathbb Z$, seja $H=\langle6\rangle$. Liste H e seus cossetos. Determine a ordem de 6 e identifique o grupo quociente.

Solução resolvida

$H=\{0,6,12\}$ tem tamanho três. Os seis cossetores são $r+H=\{r,r+6,r+12\}$ para $r=0,1,2,3,4,5$. Eles particionam todos os resíduos de 18. O elemento 6 tem ordem três, enquanto o quociente tem ordem seis. A redução módulo seis é sobrejetiva com kernel H, logo $(\mathbb Z/18\mathbb Z)/H\cong\mathbb Z/6\mathbb Z$. A normalidade vale porque o grupo original é abeliano.

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Transferência independente

Em $S_3$, considere $H=\{e,(12)\}$. Verifique se $H$ é normal e decida se a multiplicação de classes laterais define um grupo quociente. Separemente, encontre a ordem de $(123)(45)$ em $S_5$.

Verificar após tentar

A conjugação por $(123)$ envia $(12)$ para $(23)$, que está fora de H. Logo, H não é normal. Os cossetores esquerdos ainda particionam $S_3$, mas a multiplicação desses cossetores não está bem definida independentemente dos representantes. Os ciclos disjuntos em $(123)(45)$ têm comprimentos três e dois, portanto sua ordem é $\operatorname{lcm}(3,2)=6$. A ordem do elemento e o índice do subgrupo são quantidades diferentes.

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