Un grupo puede mover puntos, vértices, elementos e incluso subgrupos. Una acción mantiene coherencia entre combinar movimientos y aplicarlos. Las posiciones alcanzables forman órbitas; los movimientos que dejan una posición quieta forman estabilizadores. Esos dos conteos preparan las pruebas y aplicaciones de Sylow.
Si necesitas repasar:
1. Una acción convierte cada elemento del grupo en una biyección
En el segundo miembro actúa h primero y g después. Actuar con g⁻¹ deshace g, así que cada elemento produce una biyección de X.
No exigimos que elementos distintos produzcan movimientos distintos. Si solo el neutro actúa como identidad sobre todo X, la acción es fiel. Esa propiedad es adicional; los axiomas de acción por sí solos permiten movimientos indistinguibles.
Trasladar mediante enteros
ℤ actúa en ℝ por n·x=x+n.
Neutro
0·x=x.Componer
(n+m)·x=x+n+m=n·(m·x).Deshacer
La traslación por −n es inversa de la de n.
Es una acción izquierda por biyecciones.
No dice que cualquier real se alcance desde cualquier otro con un entero; eso será una pregunta de órbitas.
Una acción que no distingue elementos del grupo
Cualquier G actúa trivialmente en X: g·x=x.
Neutro
Deja x igual.
Composición
Ambos lados de (gh)·x=g·(h·x) valen x.Pérdida
Si G tiene elementos no neutros, todos producen la misma biyección identidad.
Es una acción válida, aunque no fiel para G no trivial y X no vacío.
Acción no significa necesariamente movimiento visible de todos los puntos.
2. Una órbita reúne las posiciones a las que podemos llegar
Contiene x por el neutro.
Por tanto alcanzabilidad es una relación de equivalencia y las órbitas particionan X.
Dos órbitas que comparten un punto coinciden. Una acción transitiva tiene una sola órbita, pero puede tener movimientos no triviales que fijen un punto. Tamaño de órbita y tamaño del grupo no son lo mismo.
La negación del dibujo
El grupo de dos operaciones {id,σ}, con σ([x])=[−x], actúa en ℤ/6ℤ.
Axioma
σ²=id, de modo que aplicar dos negaciones deshace el cambio.
Fijos
Cero y tres vuelven a sí mismos al negar.
Parejas
Uno se intercambia con cinco y dos con cuatro.
Las órbitas son {0},{3},{1,5},{2,4}.
Las cuatro partes son disjuntas y sus tamaños 1+1+2+2 suman los seis puntos.
Órbitas infinitas de una traslación
Usa la acción n·x=x+n de ℤ en ℝ.
Desde un punto
La órbita de x es x+ℤ.
Misma órbita
0,2 y 1,2 difieren en uno y están en la misma órbita.
Otra órbita
0,7−0,2=0,5 no es entero; esos dos puntos no están en la misma órbita.
La acción no es transitiva en ℝ.
Las comas de 0,2 y 0,7 son decimales; no designan parejas de coordenadas.
3. El estabilizador fija una posición, no necesariamente todo el conjunto
Es subgrupo: contiene e; si g,h fijan x, también gh⁻¹ lo fija. El inverso de un movimiento que fija x sigue fijándolo. No hace falta que estos movimientos dejen quietos los demás puntos.
Si y=g·x, entonces Gᵧ=gGₓg⁻¹: conjugamos los movimientos que fijaban x para obtener los que fijan y. Los estabilizadores de una misma órbita tienen por ello el mismo tamaño en grupos finitos.
Diferentes estabilizadores en una acción pequeña
Usa identidad y negación en ℤ/6ℤ.
En cero
Ambas operaciones fijan cero: estabilizador completo, de tamaño dos.
En uno
La negación envía uno a cinco; solo la identidad fija uno.
Comparar
Un estabilizador grande corresponde aquí a una órbita más pequeña.
Fijar un punto depende de cuál elijamos.
La negación fija cero sin ser identidad sobre todo el conjunto.
Un estabilizador de matrices
GL₂(ℝ) actúa en vectores; fija e₁=(1,0).
Primera columna
Ae₁=e₁ obliga a que la primera columna sea (1,0).Invertibilidad
Las matrices son [[1,b],[0,d]], con d≠0.No inmóviles en todo
Si b≠0, el vector (0,1) cambia, aunque e₁ permanezca fijo.
Ese conjunto de matrices es el estabilizador de e₁.
El hecho de ser subgrupo ya se deduce de la acción; no implica que todas sus matrices actúen como identidad.
4. Órbita–estabilizador cuenta cuántas maneras distintas quedan después de agrupar las equivalentes
La aplicación gGₓ↦g·x es una biyección. Cambiar g por gh con h∈Gₓ no cambia el destino; si g·x=k·x, entonces k⁻¹g fija x y las clases coinciden. Todo punto de la órbita se alcanza por definición.
No se necesita normalidad del estabilizador: estamos contando clases como conjunto, sin construir una operación de grupo cociente.
Las ocho simetrías del cuadrado
D₄, aquí grupo de orden ocho, actúa en cuatro vértices.
Órbita
Las simetrías pueden llevar el vértice uno a cualquiera de las cuatro posiciones.
Fijar uno
Solo identidad y reflexión en la diagonal uno tres lo dejan quieto.
Cuenta
4·2=8, como dice órbita–estabilizador.
La acción es transitiva y el estabilizador tiene dos elementos.
La reflexión del dibujo fija uno y tres, pero intercambia dos y cuatro.
Mover un par sin exigir fijar sus puntos uno a uno
S₄ actúa en subconjuntos de dos elementos de {1,2,3,4}.
Órbita
Cualquier par puede llevarse a otro: hay seis pares.
Estabilizar {1,2}
Se puede permutar internamente uno dos y también tres cuatro: 2!·2!=4 posibilidades.
Total
24=6·4.
El estabilizador del conjunto tiene cuatro elementos.
Fijar el subconjunto permite intercambiar sus dos puntos; es diferente de fijarlos individualmente.
5. Conjugación mueve elementos y también subgrupos
En la acción de G sobre sí mismo por g·x=gxg⁻¹, las órbitas son clases de conjugación y el estabilizador es C_G(x), el centralizador: elementos que conmutan con x. Los elementos del centro tienen órbita de tamaño uno.
Si los objetos son subgrupos, la acción g·P=gPg⁻¹ tiene estabilizador N_G(P), el normalizador. Contiene a P. Si toda conjugación deja P como conjunto, su normalizador es todo G y P es normal. Esta acción será la que cuente los Sylow.
Las clases de conjugación de S₃
Agrupa las seis permutaciones por conjugación.
Tipos
Identidad sola, tres intercambios y dos ciclos de longitud tres.
Partición
Los tamaños son 1+3+2=6.Centralizador
Para un ciclo de longitud tres, órbita de tamaño dos da centralizador de tamaño 6/2=3.
El tipo de movimiento organiza las órbitas de esta conjugación.
El estabilizador aquí no fija un objeto de {1,2,3}: fija una permutación al conjugarla.
Normalizar un subgrupo de orden dos
En S₃, P={e,(12)}.
Conjugadas
Se obtienen los tres subgrupos generados por (12),(13),(23).
Órbita
La órbita de P tiene tamaño tres.
Normalizador
|N_G(P)|=6/3=2; es precisamente P.
P no es normal en S₃.
Que P esté dentro de su normalizador no obliga a que ese normalizador sea todo G.
6. Primer Sylow: existe un subgrupo de la máxima potencia prima del orden
Un p-Sylow tiene orden pᵃ, y el primer teorema asegura que existe. Un p-subgrupo es cualquier subgrupo de orden potencia de p. Ser Sylow se refiere a la máxima potencia prima, no a ser maximal entre todos los subgrupos propios.
Una prueba usa la acción de G por traslación en los subconjuntos S⊆G de tamaño pᵃ. Su número es el coeficiente de t^(pᵃ) en (1+t)^(pᵃm). Módulo p, la identidad (1+t)^(pᵃm)≡(1+t^(pᵃ))ᵐ muestra que ese coeficiente es m, no divisible por p. La identidad sale de que los coeficientes binomiales intermedios de (1+t)ᵖ son divisibles por p, repitiendo ese paso tantas veces como indica el exponente a.
Por tanto hay una órbita cuyo tamaño no es divisible por p. Su estabilizador H preserva S y actúa libremente en él por traslación: hs=s fuerza h=e. Así |H| divide pᵃ. Además el tamaño de esa órbita es |G|/|H|, no divisible por p, lo que fuerza |H|=pᵃ.
Ese H es el Sylow buscado.
Ver el mecanismo para orden doce
|G|=12=2²·3; queremos un subgrupo de orden cuatro.
Objetos
Hay C(12,4)=12·11·10·9/(4·3·2·1)=495 formas de escoger cuatro elementos de doce; es un número impar.
Órbita
Alguna órbita de la traslación tiene tamaño impar.
Estabilizador
|H| divide cuatro: 1,2 o 4. Los índices 12,6,3 solo son impares en el último caso.
Existe un subgrupo H de orden 4.
La conclusión no viene de invertir Lagrange: la acción y el conteo garantizan que aparece un estabilizador de ese tamaño.
La misma prueba con un primo distinto
|G|=18=3²·2; busca orden nueve.
Subconjuntos
Hay C(18,9)=18!/(9!·9!)=48620 formas de escoger nueve elementos de dieciocho; el número deja resto dos módulo tres.
Órbita
Alguna órbita no tiene tamaño divisible por tres.
Posibilidades
|H| divide nueve: 1,3,9. Sus índices son 18,6,2; solo el último no es divisible por tres.
Existe un 3-Sylow de orden 9.
El argumento identifica un subgrupo; no afirma todavía que sea único.
7. Segundo Sylow: cualquier p-subgrupo cabe en una conjugada de un Sylow
Fija un p-Sylow P y deja que un p-subgrupo Q actúe por izquierda en las clases G/P. Hay m clases, número no divisible por p. Las órbitas de Q tienen tamaños potencias de p por órbita–estabilizador; las no triviales tienen tamaño divisible por p. Tiene que existir una clase fija gP.
Que todos los q∈Q fijen gP significa qgP=gP, equivalente a g⁻¹Qg⊆P.
Si Q también es Sylow, ambos tamaños son pᵃ y la inclusión es igualdad: todos los p-Sylow son conjugados.
Dos subgrupos conjugados de S₃
P=⟨(12)⟩ y Q=⟨(23)⟩.
Tamaños
Ambos tienen orden dos, máxima potencia de dos en seis.
Conjugador
g=(123) satisface g(12)g⁻¹=(23).Conjuntos
gPg⁻¹=Q.
Son dos 2-Sylow distintos y conjugados.
Conjugados no significa iguales; la igualdad para todas las conjugaciones sería normalidad.
Contener un subgrupo más pequeño
|G|=40, P es 2-Sylow de orden ocho y Q tiene orden cuatro.
Clases
Hay [G:P]=5 clases.Acción
Q tiene orden cuatro; sus órbitas en esas clases tienen tamaño 1,2 o 4. Para sumar cinco hace falta alguna de tamaño uno.
Fija
Esa clase gP da g⁻¹Qg⊆P.
Q está contenido en alguna conjugada de P.
No se afirma Q=P: sus órdenes cuatro y ocho son distintos.
8. Tercer Sylow: la cantidad divide m y deja resto uno al dividir por p
Sea nₚ el número de p-Sylow.
El normalizador contiene a P, de modo que su orden es pᵃd con d|m. El índice es m/d; por tanto nₚ|m.
Para la congruencia, P actúa por conjugación en todos los p-Sylow. El único fijo es P: si otro Q fuera fijo, P normalizaría Q y PQ sería un p-subgrupo. Su orden es |P||Q|/|P∩Q|, potencia de p; contener a P y no superar la máxima potencia pᵃ fuerza PQ=P=Q.
La fórmula del producto cuenta que cada elemento tiene |P∩Q| representaciones como producto.
Las demás órbitas de P tienen tamaños divisibles por p.
Las dos restricciones son simultáneas; no basta cumplir solo una.
Dos candidatos aritméticos que el grupo concreta
|A₄|=12; estudia n₃.
Parte coprima
12=3·4: n₃ divide cuatro y es uno módulo tres.Filtrar
De 1,2,4 quedan 1 y 4.
Contar en A₄
Hay ocho ciclos de orden tres; cada subgrupo de orden tres tiene dos no neutros y dos de esos subgrupos distintos no comparten ninguno.
En A₄ resulta n₃=8/2=4.
Las congruencias daban candidatos; el conteo concreto decidió cuál ocurre aquí.
Un Sylow distinto del mismo grupo
Estudia los 2-Sylow de A₄.
Tamaño
Deben tener orden cuatro.
Elementos
A₄ tiene exactamente tres elementos de orden dos: los dobles intercambios. Con identidad forman el subgrupo de Klein de cuatro elementos.
Unicidad
Un subgrupo de orden cuatro no puede contener ciclos de orden tres por Lagrange; tiene que usar esos mismos tres no neutros.
n₂=1.
Los candidatos de Sylow eran 1 o 3; la estructura concreta del grupo muestra el primero.
9. Ser el único Sylow equivale a ser normal
Si nₚ=1, cualquier conjugada del único P es otro p-Sylow y tiene que ser P: es normal. Si P es normal, todas sus conjugadas son P y, como todos los Sylow son conjugados, nₚ=1.
Procedimiento: factoriza el orden, identifica pᵃ y m, enumera divisores de m y filtra por resto uno módulo p. Si solo queda uno, la normalidad está probada. Si quedan varios, necesitamos información adicional; no elegimos el que parezca más cómodo.
La aritmética fuerza normalidad
|G|=45=5·9; estudia n₅.
Divisores
n₅∈{1,3,9}.Congruencia
Solo uno de esos números es uno módulo cinco.
Conclusión
Hay un único subgrupo de orden cinco y es normal.
n₅=1 para todo grupo de orden 45.
No se supuso conmutatividad del grupo.
Varios Sylow implican que ninguno es normal
Los 3-Sylow de A₄ son cuatro.
Conjugación
Todos están en la misma órbita de conjugación.
Si uno fuera normal
Su órbita tendría un solo elemento.
Contradicción
La órbita real tiene cuatro, por tanto ninguno es normal.
Los cuatro subgrupos de orden tres son no normales.
Normalidad es una propiedad de cada subgrupo; aquí la conjugación permite deducirla simultáneamente para todos los de ese tipo.
10. Si quedan varias opciones, ambas pueden ocurrir en grupos diferentes
Para orden 21=3·7, las condiciones dan n₃∈{1,7}; ambas dejan resto uno módulo tres. No basta conocer el orden para elegir. En cambio n₇ divide tres y es uno módulo siete, de modo que n₇=1 en cualquier grupo de ese orden.
Separar tamaño de un Sylow y cantidad de Sylow evita errores: cada 3-Sylow tiene tres elementos, sea su cantidad uno o siete. Las acciones pueden mover puntos, elementos o subgrupos; nombrar X mantiene claro qué estamos contando.
Una opción en el grupo cíclico
G=ℤ/21ℤ aditivo.
Cíclico
Tiene exactamente un subgrupo por divisor del orden.
Orden tres
El subgrupo generado por siete es {0,7,14}.
Cantidad
Es el único 3-Sylow.
Aquí n₃=1.
Las restricciones aritméticas permitían siete, pero este grupo concreto tiene la otra opción.
La otra opción con movimientos afines
Sobre restos módulo siete, toma x↦ax+b, a∈{1,2,4} y b∈ℤ/7ℤ.
Grupo
Componer da (a,b)(c,d)=(ac,ad+b); los tres coeficientes a son cerrados con inversos y hay 3·7=21 mapas distintos.
Elementos de orden tres
Si a=2 o 4, tres composiciones dan a³=1 y desplazamiento (1+a+a²)b=0 módulo siete.
Como a≠1, su orden es tres.Otros
Con a=1 y b≠0 hay traslaciones de orden siete; la identidad corresponde a a=1,b=0.
Contar
Hay catorce elementos de orden tres. Cada subgrupo de orden tres aporta dos y dos subgrupos distintos de ese orden solo comparten identidad.
Aquí n₃=14/2=7.
Los dos grupos de orden veintiuno muestran que los candidatos no resueltos por las restricciones no se pueden decidir solo por el tamaño.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Acción de permutaciones
S₃ actúa sobre {1,2,3}. Tamaño del estabilizador de 1.
Acción
S₃ permuta los objetos uno dos tres; buscamos las permutaciones que fijan uno.
Grupo
|S₃|=3!=6.Órbita
Uno puede enviarse a cualquiera de los tres puntos, así que su órbita tiene tamaño tres.
Teorema
6=3·|G₁|, luego |G₁|=2.Enumerar
Son identidad y (23).
Interpretar
La acción es transitiva, pero el estabilizador no es trivial. Fijado uno, los otros dos pueden permutarse de 2!=2 maneras.
El estabilizador tiene 2 elementos.
Fijado el uno, quedan dos objetos que pueden permutarse de 2!=2 maneras, el mismo conteo.
EJEMPLO RESUELTO 2
Un Sylow único
En un grupo de orden 15, estudia n₅.
Factorizar
15=5¹·3, con máxima potencia de cinco igual a cinco.
Existencia
Sylow garantiza al menos un subgrupo de orden cinco.
Divisores
n₅ divide tres: candidatos uno y tres.
Congruencia
n₅≡1 módulo cinco; solo uno cumple.
Unicidad
n₅=1.Normalidad
Cada conjugada sería otro 5-Sylow; al ser único, se conserva bajo toda conjugación y es normal.
El subgrupo de orden 5 es normal.
La conclusión no supone que G sea abeliano: se ha deducido de Sylow y la aritmética del orden.
Los símbolos que hemos usado
- g·x
- Resultado de la acción del elemento g sobre el objeto x.
- Gx
- Órbita de x: todos los g·x con g∈G.
- G_x
- Estabilizador: elementos g con g·x=x.
- pᵃm
- Descomposición de |G| con p primo, a≥1 y p no divide m.
- p-Sylow
- Subgrupo de orden pᵃ, la mayor potencia de p que divide |G|.
- n_p
- Número de subgrupos p-Sylow.
- N_G(P)
- Normalizador: elementos g con gPg⁻¹=P.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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