R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
E NRICO J ABARA
Gruppi di operatori che fissano un sottogruppo di Sylow
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 105 (2001), p. 77-85
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un
sottogruppo di Sylow.
ENRICO
JABARA (*)
SUMMAR,Y - Let be A and G finite groups and suppose that A acts on G. In this no-
te we
study
groups Gadmitting
aunique
A-invariantSylow p-subgroup
forevery
1. Introduzione.
Sia G un gruppo
finito,
un gruppo A dioperatori
su G verrà detto S- gruppo dioperatori
di G se perogni
esiste uno ed un solo r-sot-togruppo
diSylow
di G normalizzato da A . La definizione diS-gruppo
dioperatori,
sempre associata alla condizione dicoprimalità (I Gl,
=
1,
è stata presa in considerazioneindipendentemente
da svariati autori(si
vedano inparticolare [6], [7], [1], [8]) soprattutto perché
sipresta
mol-to bene a
generalizzare
il concetto di gruppo di automorfismi(di
ordinecoprimo
con cheagisce
senzapunti
fissi non banali su G .È
ovvio che se un gruppo G ammette il gruppo identico comeS-gruppo
di opera- tori allora G risultanilpotente;
cos in[1]
si dice che un gruppo G è A-nil-potente
se esso ammette unS-gruppo
dioperatori
A di ordinecoprimo
con
[ G [
.Scopo
diquesto
lavoro è lo studio deigruppi
finiti dotati di unS-grup-
po di
operatori
A che sia un p-gruppo(per qualche
numeroprimo p)
con pnon necessariamente
coprimo
coni G 1; seguendo [1]
si dirà che tali grup-pi
sonoA-p-nilpotenti.
Ricorrendo ad alcuni risultati che utilizzano la (*) Indirizzo dell’A.:Dipartimento
di MatematicaApplicata
e Informatica, Università «Ca’ Foscari» di Venezia, Via Torino 155, 31073 Mestre, Venezia.78
classificazione dei
gruppi semplici
finiti si dimostrerà che un gruppoA-p- nilpotente
è necessariamentep-nilpotente
e risolubile. Siproverà
inoltreche se e sono soddisfatte alcune condizioni su
A ,
allora la lun-ghezza
diFitting
di G non supera n +2;
sepoi
A èciclico,
e sono soddi-sfatte alcune ulteriori condizioni su p e
G ,
siproverà
che lalunghezza
diFitting
di G non supera n + 1. Alcuniesempi
mostreranno che tali limita- zioni non si possonomigliorare.
2. Notazioni e risultati
preliminari.
Tutti i
gruppi
considerati inquesto
lavoro sonofiniti;
con G si indicaun gruppo e con A un gruppo che
agisce
su G.Con p ,
q , r si indicano sempre numeriprimi.
Se A è unS-gruppo
dioperatori
che è un p-gruppo si dice che A è unS-p-gruppo
dioperatori
e che G èA-p-nilpotente.
SeA =
(a)
è unS-gruppo
dioperatori
e ae Aut (G),
si dice che a è un S-au- tomorfismo di G.In
quanto
segue si considerano iseguenti
sottoinsiemi di G(definiti
induttivamente perogni
numero naturalei):
Se non esiste
pericolo
diequivoci
tali insiemi sono denotati con econ K
rispettivamente;
è elementare la verifica che si tratta di insiemi A- invarianti di G.Per
ogni
a E A si considera lafunzione 8a:
G - Gg H g a g -1 .
Se i èun numero naturale e a 2 , ... ,
a i E A con ó(ai,a2,.. a 2 ~ (g )
si indicaUal(Va2(...~a2(g)...));
si e solo se~(ai,a2,...~)(~)
=1 per ogni
.(al,
a2, ...,Infine se G è un gruppo e r E
yr(G)
connr ( G )
si indica il numero dei r-sottogruppi
diSylow
contenuti in G.Per il resto le notazioni sono
quelle
comunemente in uso(come,
peresempio,
in[3]).
OSSERVAZIONE 1. Dalla finitezza di
I G I
discende che esiste un nu- mero naturale t minimo per laproprietà
=K ~t + 1 > ;
si ha allora K ==K~t~.
Se(IGI,
, allora t= 1 eK=CG(A).
LEMMA 1. un insieme di
sottogruppi
diSylow
di G(uno
perogni
divisoreprimo
di e sia N =n NG ( Gr ).
Allora N è unsottogruppo nilpotente
di G.DIM. Fissato r E
n(N)
siaNr
unr-sottogruppo
diSylow
di N . PoichéGr
è l’unicor-sottogruppo
diSylow
diNG ( Gr )
si haNr ~ Gr
equindi Nr S
N n
Gr .
D’altraparte
N nGr
è unr-sottogruppo
di N equindi,
confron-tando
gli ordini,
si ottieneNr
= N nGr. Allora,
perogni r E n(N),
N pos- siede come unicor-sottogruppo
diSylow
N nGr
e ciò dimostra che N ènilpotente. a
LEMMA 2. Se A è un p-gruppo di
operatori
di G allora K contiene(almeno)
unp-sottogruppo
diSylow
di G.DIM. Si consideri il
prodotto
semidiretto T = GA con l’azione natu- ralmente indotta da A su G. Per i teoremi diSylow
in r esiste unp-sotto-
gruppo di
Sylow Fp
contenente A .Allora,
essendo Ga T , G~
= G nT ~
èun
p-sottogruppo
diSylow
di G che risulta A-invariante. Poiché7"
è nil-potente,
esiste un numero naturale i tale cheDunque
La dimostrazione del
seguente
lemma è elementare.LEMMA 3. Se H ~ G è A-invariante allora
KH (A )
= H n K.LEMMA
4).
Se è A-invariante allora - u sepoi
H c K allora i
Dim. La
prima parte
dell’asserto è evidente. Sia allora H c K esia esiste
perciò
un numero naturale i tale che perogni (a 1, a 2, ..., a i) E=- A
i si haó(~~...~)(~H")=~
ovveroó (a 1, a 2, ..., a,) (9)
Poiché esiste un numeronaturale j
tale cheper
ogni
h E H eogni
si ha~(ai,a2,...,~)(~)=l.
Allora per
ogni (a~,
Ct 2 9... si haó~
a 2,...,a,+,) (9) = 1
eg EE K. a
In
quanto
segue se A è unS-gruppo
dioperatori
di G conG,
si denotal’unico
r-sottogruppo
diSylow
di G che è A-invariante.80
LEMMA 5. Se A è un
S-gruppo
dioperatori
di G allora(K)
normaliz-za
Gr
perogni r E=- jr(G).
DIM. Fissato
r E=- ir(G)
è sufficiente mostrare chegli
elementi di normalizzanoGr
perogni
i ~ 0. Sipuò procedere
per induzione su i os-servando che la base dell’induzione è banale. Sia allora i > 0 e
dunque
perogni
a E A èx a x -1 E K ~i -1 ~
e, perl’ipotesi
induttiva= Da ciò segue
Gx
=Gr a
= perogni
a E A eGj
risultar r r r r r
essere un
r-sottogruppo
diSylow
A-invariante di G.L’ipotesi
di unicitàporge allora
G r x
=Gr..
LEMMA 6. Se A è un
S-gruppo
dioperatori
di G allora(K)
ènilpotente.
DIM.
Segue
immediatamente dai lemmi 5 e 1.LEMMA 7. Se A è un
S-p-gruppo
dioperatori
di G allora K =~K)
erisulta
DIM. Sia H =
~K);
per il lemma 2 èGp
c K eGp
deve essere unp-sot-
togruppo
diSylow
di H . Poiché Hè,
per il lemma6, nilpotente
si ha cheGp
è un fattore diretto di H: H =Gp
x Sia r E p;poiché H
normalizza
Gr (lemma 5)
sipuò
considerare ilprodotto
semidiretto ,S ==
Gr Hp ,
che è certamente A-invariante. PoichéGr
è l’unicor-sottogruppo
di
Sylow
A-invariante di G esso è anche l’unico di ,S equindi Hr
= H nGr.
Poiché
(r, p)
= 1 si haHr
=CGr(A)
c K. Ciò dimostra cheHp,
èprodotto
diretto di
CGr (A )
al variare di e che tutti isottogruppi
diSylow
di H sono contenuti in K. Per dimostrare che H c K basta ricorda-re che
ogni
elemento di H èprodotto
delle suer-componenti
che tra lorocommutano e ognuna delle
quali appartiene
alsottogruppo
A-invariante Si conclude osservando che se q, r eE Hr
allora[(x)A, ~y)A] ~ [Hq, Hr]
= 1 equindi
perogni
a E A si hae in
quanto
exy E K.
LEMMA 8. Sia G un gruppo dotato di un
S-p-gruppo
dioperatori
A.Se G contiene un
p ’-sottogruppo
di Hall A-invariante T allora A inducesu T un
S-p-gruppo
dioperatori.
DIM. Per
ogni q E n(T)
esiste certamente unq-sottogruppo
diSylow
di T che è A-invariante in
quanto può applicare
il teo-rema 6.2.2 di
[3]. Tq
è l’unicoq-sottogruppo
diSylow
normalizzato da Aperché Tq
è anche unq-sottogruppo
diSylow
di G.Se A è un
S-p-gruppo
dioperatori
di G si consideri ilprodotto
semidi-retto T = GA con l’azione indotta in maniera naturale da A su G. Sia
poi
A * =
T ~
=GpA.
Con tali notazioni sipuò
enunciare il:LEMMA 9. A * induce per
coniugio
su T unS-p-gruppo
dioperatori.
DIM.
Gp
è l’unicop-sottogruppo
diSylow
di G normalizzato da A equindi 7"p
è l’unicop-sottogruppo
diSylow
di T normalizzato da A *. Ser E
jr(r)
con r # p siaGr
l’unicor-sottogruppo
diSylow
di G normalizzato da A . Per il lemma 5Gr
è normalizzato da K equindi
daGp perché (lem-
ma
2) G p ç K. Dunque Gr
è normalizzato da A * ed esso è evidentemente l’unicor-sottogruppo
diSylow
di G chegode
di taleproprietà
inquanto
A ~ A * . e A è un p-gruppo
Gr
=r r
risulta essere un r-sotto-gruppo di
Sylow
di T ed esso è l’unico a essere normalizzato da A *.3. Risolubilità dei
gruppi A-p-nilpotenti.
In
questa parte
si fa ricorso a due risultati che utilizzano la classifica- zione deigruppi semplici
finiti. Ilprimo
è dovuto a A. Beltràn(teorema
B di[1]):
(B)
Se un gruppo G ammette un gruppo dioperatori
A con( ~ G ~ , ~
= 1 eCG (A) nilpotente
allora G è risolubile.Il secondo è la
dimostrazione,
dovuta a N.Chigira (corollario
1 di[2])
dellaseguente congettura proposta
da B.Huppert (e
di unageneralizza-
zione di
essa):
(H)
Un gruppo G èp-nilpotente
se e solo se perogni r E=- z(G)
si ha:i) (nr(G), p) = 1;
ii)
per se- è unr-sottogruppo
diSylow
di G alloraNG (R )
èp-nilpotente.
I risultati ottenuti in
[2] permettono
di dimostrare una formapiù
for-te della
congettura
diHuppert:
LEMMA 10. Un gruppo G è
p-nilpotente
se e solo se leseguenti
duecondizioni sono soddisfatte:
82
i)
perogni
si ha(nr(G), p)
= 1.ii)
se P è unp-sottogruppo
diSylow
P di G alloraNG (P)
èp-nilpotente.
DIM. Per il teorema
principale
di[2]
se G è uncontroesempio
di or-dine minimo all’asserto si deve avere p = 3 e G =
U3 (q)
con q =2f e f nu-
mero
pari
non divisibile per 3. Si ha e se P è un3-sottogruppo
diSylow
di G allora(dalla
dimostrazione del teorema 1 di[2]) NG (P)
= C xx D dove C è un
sottogruppo
ciclico di ordine q + 1 e D unsottogruppo
die-drale di ordine
2(q - 1 ). Quindi NG (P)
non è3-nilpotente,
contro ilpunto ii)
delleipotesi.
TEOREMA 1. Se G è un gruppo
A-p-nilpotente
allora G èp-nilpoten-
te e risolubile.
DIM. Sia F = GA
allora,
per il lemma8,
A *= Gp A
induce su T un S-p-gruppo di
operatori.
Per dimostrare che G èp-nilpotente
è sufficiente far vedere che T èp-nilpotente (infatti
unp-complemento
normale di T è anche unp-complemento
normale diG).
Dal lemma 5 discende che per
ogni r E Jr(T)
ilsottogruppo Kr(A * )
ècontenuto in per il lemma 2 si ha
Kr(A * )
equindi
p non di- videT : dunque
= 1 perogni
r E Se c è la clas-se di
nilpotenza
diTp,
allora è immediato constatare che,w I ..I. ,11,11,11,1
Kr(A * ).
Per i lemmi 6 e 7Kr(A * )
è unsottogruppo nilpotente
e
quindi
essendonilpotente,
ammette unp-comlpemento
norma-le. Si
può
alloraapplicare
il lemma 10 e concludere che T ammette un p-complemento
normale T(che
è anche unp-complemento
normale diG).
Per il lemma 8 A è un
S-gruppo
dioperatori
di T eA ~ ) = 1
inoltre,
per il lemma6, CT(A)
ènilpotente;
siapplica
allora(B)
per con- cludere che T è risolubile.Dalla risolubilità di T discende immediatamente
quella
di G.4. Struttura dei
gruppi A-p-nilpotenti.
Sia
Wp
ilprodotto
intrecciato standard di duegruppi
diordine .
Ungruppo P si dice
Wp-libero
se non contiene sezioni isomorfe aWp .
Datoun p-gruppo A di
operatori
si consideri laseguente
condizione:(t) Se p
= 2 oppure se p è unprimo
di Mersenne allora A èWp-libero.
TEOREMA 2. Sia G un gruppo
A-p-nilpotente.
Se e se lacondizione
(t)
è soddisfatta allora lalunghezza
diFitting
di G non supera n+2.DIM Sia T il
complemento
normale e risolubile di G(teorema 1);
per il lemma 8 A induce unS-p-gruppo
dioperatori
su T . Utilizzando i risul- tati di[9]
e il teorema di[5]
come nella dimostrazione del teorema di[8]
si
può
concludere che T halunghezza
diFitting
alpiù n
+ 1. Poiché G/T ènilpotente
l’asserto è dimostrato.Si osservi che dalla dimostrazione del teorema
precedente
discendeche,
sotto le stesseipotesi,
anche r = GA halunghezza
diFitting
alpiù
n+2.
LEMMA 11. Sia A un
S-p-gruppo
dioperatori
del gruppo G e sia Hun p
’-sottogruppo
normale e A-invariante di G . Allora A induce suG/H
un
S-p-gruppo
dioperatori.
DIM. Posto
G
= G/H sia r EE e R =Gr
l’unicor-sottogruppo
diSylow
A-invariante di G. Allora HR/H è unr-sottogruppo
diSylow
A-in-variante di
G.
Per dimostrare che è l’unico siragiona
per assurdo suppo- nendo che sia unr-sottogruppo
diSylow
A-invariante diG
distinto dalprecedente.
Si ha HR #
HQ
e si devonodistinguere
due casi:I)
r # p.Poichè HR e
HQ
hanno ordinecoprimo
con pessi,
per il teorema 6.2.2 di[3], contengono
unr-sottogruppo
diSylow
A-invariante. Tale sotto- gruppo è anche unr-sottogruppo
diSylow
A-invariante di G chequindi
deve coincidere con R .
Dunque R S HQ
eHQ
= HR: contraddizione.II) r =p.
Allora,
per il lemma2, KHR (A )
eKHQ (A ) contengono
unp-sottogrup-
po di
Sylow rispettivamente
di HR eHQ .
Per il lemma 3 si haKHR (A) _
= K n HR e
KHQ (A )
= K n Ma K è unsottogruppo
A-invariantenilpo-
tente di G
(lemma 6)
equindi
contiene R come unicop-sottogruppo
diSylow. Dunque R S HQ
eHQ
= HR: contraddizione.84
Dato un gruppo G che ammette un
S-p-gruppo
dioperatori
di ordinep n
si consideri laseguente
condizione:(:~) a)
se p è un numeroprimo
di Fermat i2-sottogruppi
diSylow
diG sono abeliani.
b)
se p = 2 tutti iq-suttogruppi
diSylow
diG,
con q numeroprimo
di Mersenne eq 2n ,
sono abeliani.Si
può
allora enunciare ilTEOREMA 3. Sia G un gruppo e a ’un suo S-automorfismo di ordine
p n.
Se la condizione($)
è soddisfatta allora lalunghezza
diFitting
di Gnon supera n + 1.
DIM. Sia T il
p-complemento
normale e risolubile di G(teorema 1).
Allora,
per il lemma8,
a induce su T un S-automorfismo di ordine(che
Poiché la condizione(:~)
è certamente soddisfatta daT ,
il teo-rema 1 di
[6]
porge che la serie:è una serie di T che è
normale, a-invariante,
aquozienti nilpotenti
e dilunghezza
alpiù n
+ 1. Si verifica immediatamente che anche la seriegode
delle stesseproprietà.
SuT/[T, a]G
l’automorfismo a induce l’iden- tità. PostoG = G/[ T , a ]G
si ha allora = G. Per il lemmapreceden-
te a induce su
G
un S-automorfismo equindi,
per il lemma6,
è nil-potente. Dunque
G ammette una serie normale(A-invariante)
aquozien-
ti
nilpotenti
dilunghezza
alpiù n
+ 1.Nell’esempio
1 dato in[6]
si sonocostruiti,
perogni
numeroprimo
p eogni
numero intero n ,dei p ’-gruppi
dilunghezza
diFitting n
+ 1 dotatidi un S-automorfismo di ordine
(in
taliesempi
tutti isottogruppi
diSylow
di G sonoabeliani). Quindi
la limitazione fornita dal teorema 3 nonè
migliorabile.
Sia q ;
5 un numeroprimo,
V un gruppo abeliano elementare di ordineq 2 , Q
il gruppo deiquaternioni (di
ordine8) e (a)
un gruppo di ordine 3. Sia G il gruppo di Frobenius avente come nucleo V e comecomplemento
il pro- dotto semidiretto =SL(2, 3).
Si verifica che a induce sulprodotto
se-midiretto
VQ
un S-automorfismo di ordine 3(si
vedal’esempio
2 di[6]);
per il lemma 9 a induce un S-automorfismo di ordine 3 su r =G(a).
Poiché r halunghezza
diFitting
3 taleesempio
mostra che la limitazione fornita nel teorema 2 non emigliorabile,
inoltre la condizione(:~) a)
è essenziale per ot- tenere il teorema 3(per gli
altri numeriprimi
di Fermat si costruisconoesempi analoghi
utilizzando il teorema 3.5.3. di[4]).
L’autore non è a conoscenza di
esempi
che mostrino che la condizione(:~) b)
è necessaria per ottenere il teorema 3.BIBLIOGRAFIA
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[9] A. TURULL,
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solvable groups, Math.Z., 183 (1983), pp. 47-73.
Manoscritto pervenuto in redazione il 5 ottobre 1999.