R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
F RANCO N APOLITANI Submodularità nei gruppi finiti
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 50 (1973), p. 355-363
<http://www.numdam.org/item?id=RSMUP_1973__50__355_0>
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gruppi
FRANCO NAPOLITANI
(*)
Si rammenta che in un reticolo .L due intervalli
primi [a/b]
e[eld]
(cioè a
copre b : a>b,
e copre d : c~d)
si diconotrasposti, [alb]
í[cld],
se a =
bue,
oppure b Essi diconsi pro-iettivi, [eld],
se esiste una sequenza finita di intervalliprimi [alb]
-[x2Iy2]~ ..., [x.ly,,,] = [eld]
tale che íi = 1, ... , n -1. La
relazione diproiettività n
è una relazione diequi-
valenza nell’insieme di tutti
gli
intervalliprimi
di L. Si denota conKL
il suo insieme
quoziente
e la classe diproiettività
a cui
appartiene
È
notoche,
se L è a catene limitatefinite, ogni congruenza A
di Lè univocamente determinata dall’insieme
B,1
costituito dalle classin annullate da
~1,
tali cioè che a = b modA,
e chequindi l’ap- plicazione
canonica e:~1 ~ B~
è un monomorfismo delreticolo L
delle congruenze di L nel reticolo di tutti i sottoinsiemi diKL.
Tamaschke
[6], [7]
ha chiamato submodulare un reticolo L a ca-tene limitate finite nel
quale
leseguenti
duecondizioni,
ciascuna dualedell’altra, valgono:
Egli
ha inoltreprovato
che l’essere 0 un isomorfismo caratterizza i reticoli submodulari.(*)
Indirizzo dell’Autore: Seminario Matematico Università - Via Bel- zoni 5 - 35100 Padova.Lavoro
eseguito
nell’ambito deigruppi
di ricerca matematica del C.N.R.356
In
questa
nota si caratterizzano igruppi
finiti G il cui reticoloL(G)
dei
sottogruppi
è submodulare. Inparticolare,
confermando una con-gettura
di G. Zacher diqualche
annofa,
si prova che il reticolo deisottogruppi
di un grupposemplice
ha una sola classe di intervalliprimi proiettivi.
Indichiamo con E il
sottogruppo
identico di un gruppo G e conQ,.
il gruppo dei
quaternioni
di ordine 2 n. Le altre notazioni e termino-logie
sonoquelle
usuali della teoria deigruppi [2]
e della teoria dei reticoli[1], [5].
Tutti igruppi
considerati sono finiti. G indica ungruppo non identico.
Le
seguenti proprietà
verrannofrequentemente
usate nelseguito:
1.1. Se G è un gruppo ed è un intervallo
primo
diL(G),
esiste un
primo pllGI
ed unp-sottogruppo
ciclico tale che[0Iu1(0)].
1.2. In un p-gruppo P di ordine p ~, = n se P è
ciclico,
‘ =
2 se P è deiquaternioni, IX L(P) =
1 se P non è deitipi
pre- cedenti.1.3. Se
NQ G,
alloraogni
intervalloprimo [HIK]
diL(G)
èproiettivo
ad almeno un intervallo in cuiX ~ N
oppureY>N.
La 1.1 è
evidente;
una dimostrazione della 1.2 è contenuta in[3]
e
[7].
La 1.3 discende da 1.1 osservando che perogni p-sottogruppo
ciclico non identico C si ha
CN
oppureLEMMA 1. Sia G =
PQ, Pa G, IP!
= p",(Q )
= q,primi.
SeQ
opera non banalmente su
P,
allora = 1 se P non è un gruppo deiquaternioni, IKL(Q)I
= 2 se P è un gruppo deiquaternioni (in questo
ultimo caso
~SL(2, 3)).
DIM. Da un risultato di Burnside
[2,
pag.174]
e dal teorema diMaschke,
segue che P contiene unsottogruppo proprio
G taleche sia abeliano elementare e
QNIN operi
irriducibilmente suP/N. Allora,
se ed si haOsservato che
Q
opera non banalmente suogni sottogruppo
non iden-tico di P se P è
ciclico,
e che i soli intervalliprimi proiettivi
a[Z(P)/E]
sono
[Z(P)QIQ]
equelli
ad essoconiugati
se P è un gruppo dei qua-ternioni,
il lemma segue da 1.1 ed 1.2.COROLLARIO 1. Sia P un
8,-sottogruppo
di un gruppo G. Se Pnon è un gruppo dei
quaternioni
e G non hap-complemento
normaleè
ciclico, gli
intervalliprimi
diL(P)
sono a due a dueproiettivi
in
L(G).
Il caso P non ciclico essendo ovvia conseguenza di
1.2,
sup-poniamo
che P sia ciclico. I’oichè G non hap-complemento normale,
G contiene un
sottogruppo
ciclicoQ
di ordine qn inducente su P un au- tomorfismo di ordine q. Per il lemma1,
==1 equindi
l’as-serto.
LEMMA 2. Il reticolo dei
sottogruppi
di und grupposemplice
G hauna sola classe di intervalli
primi proiettivi.
Dm.
Supposto, lecito,
G nonabeliano,
siano H e .K due sot-togruppi
di G di ordineprimo
p. Poichè ilsottogruppo
di Frattini di G èidentico,
esiste unsottogruppo
massimo M non contenente H. Se per unqualche
x EH,
K non è contenuto in si haAltrimenti contiene K. In
questa eventualità,
sia Uun
8,-sottogruppo
di TH contenente contiene almeno due sotto-gruppi
distinti di ordine p ed uno diquesti,
siaJ,
non è in T.Segue
da ciò
[HIE]
e( = 1,
equindi Poichè,
essendo G
semplice,
perogni p I
esiste un elemento di ordine pnon in
M, quanto
dettocomporta
che duequalunque
intervalliprimi
iminimali
(cioè
intervalliprimi
della forma di sonoproiet-
tivi. Per la 1.1 la dimostrazione sarà
completa
ove risultiche,
perogni
tuttigli
intervalliprimi
del reticolo deisottogruppi
diun
8,-sottogruppo
P di G sonoproiettivi
ad un intervalloprimo
mi-nimale. Se P non è un gruppo dei
quaternioni,
ciò è assicurato dalcor. 1.
Supposto
P gruppo deiquaternioni (in
un grupposemplice questa
situazione non sipresenta,
ma sipreferisce
non far uso del teo-rema di
Brauer-Suzuki), esiste,
per il teorema di Frobenius sui com-plementi normali,
un 3-elemento che normalizza ma non centralizzaun
sottogruppo
di P.Segue
dal lemma 1 cheogni
intervalloprimo
diL(PIZ(P))
èproiettivo
ad un intervalloprimo
di unS:}-sottogruppo
e
pertanto
adogni
intervalloprimo
minimale.COROLLARIO 2. Se P e P sono
p-sottogxuppî
diuguale
ordine diun gruppo G e
P~
e151
sonosottogruppi
massimirispettivamente
di P e
P,
allora[PIP1] n
358
DIM. Siano
G,
e0,
dueSp-sottogruppi
di G contenentirispettiva-
mente P e P e a un a,utomorfism_o_di G tale che
G’ Gp. Poichè,
perla
1.2,
èproiettivo
a[P/Pl], negando
la tesi esisterebbe ungruppo G* avente un automorfismo J e contenente un
p-sottogruppo
P per cui non è
proiettivo
a e di ordine minimorispetto
a
queste
condizioni. L’esistenza in G* di unsottogruppo
caratteristiconon banale contraddirebbe la minimalità di G*. Pertanto G* dovrebbe
essere caratteristicamente
semplice,
contro il lemma 2 e la 1.2.OSSERVAZIONE 1. Una
autoproiettività
di ungruppo G
induceuna
permutazione
suKL(G)’
L’insieme delleautoproiettività
cheinducono la
permutazione
identica su formano unsottogruppo
normale del di tutte le
autoproiettività.
Il corollario 2implica
che.K(G)
contiene l’insieme delleautoproiettività
che conser-vano
gli
indici.Dal corollario 2 segue
che,
fissato perogni
unSp-sottogruppo G,
diG,
naturalequindi
chiedersiquali
sono ipi JGI
gruppi
che inrapporto
alla strutturaproiettiva
deipropri sottogruppi
di
Sylow
hanno massimo numero di classi diproiettività.
Larisposta
è data dal
seguente teorema, già provato
daFrigerio [4]
per igruppi
risolubili.
TEOREMA 1. Un
gruppo G
ènilpotente
se e solo seove
G1)
è unSp-sottogruppo
di G.DiM. Sia G un gruppo per cui La
precedente uguaglianza implica
che diogni p-sottogruppo
di
G,
perogni
è un p-gruppo; altrimenti dal lemma 1seguirebbe
l’esistenza di due
primi
distinti t e q tali chequalche
intervalloprimo
del reticolo dei
sottogruppi
di unSt-sottogruppo
di G siaproiettivo
a
qualche
intervalloprimo
del reticolo di unS-sottogruppo
di G equindi i
Ma allora per il teorema di Frobenius G hap-complemento
normale perogni
e cos G ènilpotente.
Ilviceversa è evidente.
LEMMA 3. Sia G un gruppo ed
L ( G )
sia immerso in un reticolo L in modo che A inL(G) impli chi A
B in L. Allora:a) gli
intervalliprimi
diL(G)
sono a due a dueproiettivi
in Lse G è
L-indecomponibile
e, perogni
duequalunque
intervalliprimi
del reticolo deisottogruppi
di unSj)-sottogruppo
di G sono pro- iettivi in L.b) gli
intervalliprimi
del reticolo deisottogruppi
di un8,-sotto-
gruppo di G sono a due a due
proiettivi
in L se G haS2-sottogruppi
deiquaternioni,
centro di ordinedispari,
non ha2-complemento
normalee due
qualunque
intervalliprimi
del reticolo deisottogruppi
di un8,,-sottogruppo
di G sonoproiettivi
in L nel caso che16 , a
e G ab-bia
3-complemento
normale.DIM. Proviamo sia la
a)
che lab)
per induzionesu 101;
è chiaroche in entrambi i casi si
può supporre G
nonsemplice.
a)
Sia N unsottogruppo
normale minimo di G e sia N unacomponente L-indecomponibile
di~~
sufficiente provare che duequalunque
intervalliprimi
diL(Gi)
sonoproiettivi
in
L ;
equindi, poichè ==
1 e perl’ipotesi
di induzionegli
in-tervalli
primi
di sono a due a dueproiettivi
inL,
che esisteun intervallo
primo
diproiettivo
ad un intervalloprimo
diL(N).
Ciò è immediata conseguenza delleipotesi
seINI J
e1GiINI
nonsono relativamente
primi,
e del lemma1,
ove si noti che per laL-indecomponibilità
diL(G), Gi
contienepropriamente
equindi
esiste
in Gi
unp-elemento
inducente un automorfismonon identico su un
sottogruppo
diSylow
diN,
se JB" è di Hall in(~2.
b)
Sia N unsottogruppo
normale minimo di G. Possiamo sup- porre che2~JB~. Allora,
seZ(G/N)
è di ordinedispari,
lab)
è veraper
l’ipotesi
di induzione. Rimane SiaH/N
ilsottogruppo
diordine 2 di
Z(GIN).
PoichèH,
il lemma 1implica IKL(H) i
=1.Inoltre è un gruppo con
S2-sottogruppi
deiquaternioni
eprivo
di2-complemento
normale:pertanto 3I I. Dunque, poichè
due
qualunque
intervalliprimi
di un8,-sottoaruppo
di G sono, per il corollario 1 o per leipotesi, proiettivi
in L(non
esistono infattigruppi
con
S2-sottogruppi
deiquaternioni,
aventi ordine divisibile per16, 3-complemento
normale ma non2-complemento normale),
= 1per
ogni Sa-sottogruppo
P di G. Ove si osservi che G ha una sezione isomorfa al gruppo alternoA4
lab )
èprovata.
OSSERVAZIONE 2. Nella
b)
del lemma 3 l’assunzione che due qua-lunque
intervalliprimi
del reticolo deisottogruppi
di un8,-sottogruppo
di G siano
proiettivi
in L nel caso16 ~ IGI (
e G abbia3-complemento
normale è
insopprimibile. Infatti,
sia p unprimo
congr·uo 1 modulo 9e sia N un gruppo abeliano elementare di ordine
p2. GL(2, p)
contiene360
un
sottogruppo
della formaQ~~a~
Xa~,
conQ~~a~ ^~ ~SL(~, 3)
conte-nuto in
SL(2, p)
e a di ordine 9 nel centro diGL(2, p).
L’estensione di N mediante è un gruppo G in cui duequalunque
intervalliprimi
di unS3-sottogruppo
non sonoproiettivi
inL(G)
pur essendoverificate tutte le restanti
ipotesi
dellab)
del lemma 3. Ingli
intervalli
primi
di un8,-sottogruppo
di G non sono a due a due pro- iettivi.Come corollario si ottiene:
COROLLARIO 3. Sia G un gruppo
perfetto.
= 1 se e sola-mentre se il centro di G è di ordine
dispari quando G
ha8,-sottogruppi
dei
quaternioni.
Dim. Sia G un gruppo
perfetto
avente centro di ordinedispari
se i suoi
8,-sotto,-ruppi
sono deiquaternioni.
Per il corollario 1 e lab)
del lemma 3
gli
intervalliprimi
di unqualsivoglia sottogruppo
diSylow
di G sono a due a due
proiettivi
inL(G).
Per il teorema di Feit-Thompson,
G èL-indecomponible
equindi,
per laa)
del lemma3,
IKL(o) =
1.Poichè è più grande
di 1 in un gruppo G con8,-sotto- gruppi
deiquaternioni
e centro di ordinepari,
il corollario èprovato.
LEMMA 4. Sia G =
POp-(G)
con P p-gruppo ciclico o deiquater-
nioni e sia un intervallo diL(G)
tale cheA21 ==jP? IA21 = p" d
con
( p, d) = 1.
Sia inoltre ove n = a seP è
ciclico,
e vale zero oppure 1 a seconda che « = 0 oppure a ~ 1se P è un gruppo dei
quaternioni.
Se è un intervalloprimo
tra-sposto
ad allora con( p, d ) = 1,
se Pè ciclico oppure
ot = 0;
con~>1
eventualmente diverso da a se a ~ 1 e P è un gruppo deiquaternioni.
Dm.
A2
èsottogruppo
normale diA~
ed èA2 = P2D
con contenuti in un
coniugato
di P in G e.D ~ O~, (G).
Perprovare il lemma è sufficiente dimostrare che risulta K
H,
le rima-nenti
proprietà
di[HfK]
essendone conseguenza. Ciò è chiaro seH A,.
Supposto H > A~
e scritto H nella forma _P* D* con eD* ~ 0,, (G),
notiamoche,
se K non contenesseD*,
allora si avrebbeH = KD* e cos K conterrebbe un
8,sottogruppo P
di H. Scelto P in modo checontenga P2,
èP =F P*.
L’intersezione èP2
seP* è ciclico o, in
ogni
caso, se a =0 ;
contiene invece.P2
se P* èdei
quaternioni
ed col. Considerato un elemento tale cheallora ma Pertanto
K >D*
e cos H.
TEOREMA 2. Sia G un gruppo finito di ordine
composto
e sia v l’insieme deiprimi
p per iquali
G hap-complemento
noimale e8v-sotto- gruppi
ciclici o deiquaternioni.
Nel reticoloL(G)
deisottogruppi
diG due
qualunque
intervalliprimi
sonoproiettivi
se e solo se sono ve-rificate le
seguenti
condizioni:(i) l’applicazione : = 0,
è strettameiite de- crescente se P è unSp-sottogruppo
di G con(ii)
il centro di G è di ordinedispari
se G haS2-sottogruppi
deiquaternioni ;
(iii) l’applicazione: Si(P) OCaS?(P))),
io,
ove P è un83-
sottogruppo
ciclico diG,
è strettamente decrescente se:1)
è isomorfo alprodotto
semi-diretto ma non di- retto diQ8
mediante P edogni {2, 3}’-elemento
che centralizza un2-elemento non identico centralizza anche tutto il
2-sottogruppo
diSylow
cui essoappartiene;
(iv)
con lecomponenti L-indecomponibili
di0"-(G)
sipuò
co-struire una sequenza finita
{N;,
in cui le suddettecomponenti
com-paiano
ciascuna almeno unavolta,
e taleche,
se esistanoun
elemento
e duesottogruppi rispettivamente
diN;
e aventiordine
dispari
se vale la1)
di(iii),
suiquali t,
induca automorfisminon identici dello stesso ordine.
Sia G un gruppo di ordine
composto
in cui duequalunque
intervalli
primi
sonoproiettivi.
Per il lemma 4 la(i)
è vera in G. La(ii)
è evidente e la
(iii)
si prova conargomentazioni analoghe
aquelle
svolte per provare il lemma 4. Rimane la
(iv).
Facendo uso del lemma4,
èpossibile
determinare la strutturadegli
intervalliprimi
che possonoessere
trasposti
ad un intervalloprimo [HIK]
conI
che dividel’ordine di una fissata
componente L-indecomponibile
N diO,,(G)
(risp.:
di02.(Oy,, (G))
se vale la1)
di(iii)).
In effetti
implica i
oppure conYi = p"d, (p, d) = 1,
=I=- essendo P unS2)-sottogruppo
di G = a se P èciclico, n
= 0 oppure n = 1 a se-conda che a = 0 oppure se P è un gruppo dei
quaternioni (risp.:
con, in
più,
intervalli con =2d,
ddispari,
ei Y
= d se Nè il
2-complemento
normale dellacomponente L-indecomponibile
diordine
pari
di se... ) .
Si deduceche,
se =1,
con le com-ponenti Z-indecomponibili
di0,,,(G) (risp.:
di0~.(O,,-(G))
se... )
è pos-362
sibile costruire una sequenza finita
~N;~
in cui le suddettecomponenti compaiono
ciascuna almeno unavolta,
e taleche,
se.21T9 ~ N;+~ ,
esi-stono un p E v ed un intero per i
quali,
se P è unSf)-sottogruppo
di
G,
si hacontemporaneamente
#Si vede facilmente che esiste un elemento che induce un automorfismo di ordine p sia su che su
e cos vale anche la
(iv).
Viceversa, supponiamo
che G sia un gruppo che verifica le condi- zioni da(i)
a(iv)
dell’enunciato. Il lemma3,
tenuto conto della(ii)
e del corollario
1, implica
che duequalunque
intervalliprimi
del reti-colo dei
sottogruppi
di una medesimacomponente L-indecomponibile
di
(risp. ; 02~ (Ov, (G))
se... )
sonoproiettivi
inL(G). Dunque
perla
(iv)
duequalunque
intervalliprimi
di(risp.: L(O2-(Oy~(G))~~
sono
proiettivi.
Infine per(i), (ii)
e(iii) ogni
intervallo conY ~ 0,,~ (G) (risp. : y~0~’(~’(~)) se ...)
èproiettivo
ad un intervalloprimo
di(risp.: L(02-(Ov,(G)))
se... )
e cosIKL(G)/
= 1.TEOREMA 3. Sia G un gruppo
L-indecomponibile.
Il reticoloL(G)
dei
sottogruppi
di G è submodulare se e solo se G = HK con_Kd G,
H gruppo
nilpotente
asottogruppi
diSylow
ciclici odei
quaternioni
ed esiste unsottogruppo
normale N c H tale che1 -
1 . *Dmz. Sia G un gruppo
L-indecomponibile
conL(G)
submodulare.Se G è un p-gruppo chiaramente G verifica le condizioni espresse dal- l’enunciato.
Supposto
G di ordinecomposto,
sia v l’insieme deiprimi
p
I
per cui G hap-conipleniento
normale eSf)-sottogruppi
ciclicio dei
quaternioni.
Posto K - ed indicato con H uncomple-
mento di K in
G,
l’intersezione N di H conZ(G )
è un elelnento neutrodi
L(G) [5,
pag.79].
Ciòimplica
cheL(GIN)
è omomorfo aL(G)
equindi
è anch’essosubmodulare;
inoltre èL-indecomponibile.
Per concludere è sufficiente provare che
= 1,
o, ciò che è lostesso,
9 che1 KL,G) =
1 se N ~ E.Supponiamo dunque
N = E e sia Pun
8,-sottogruppo
diG,
p e v. Per la struttura diP,
esiste un sotto-gruppo di
Sylow Q
di0,,(G)
normalizzato da P e sulquale P agisce
fedelmente. Con
procedimenti già applicati
si vede che G ha una se- zione T che è estensione di un q-gruppo, abeliano elementareQ*
mediante
P,
con P cheagisce
irriducibilmente e fedelmente suQ*.
Considerato in T un
coniugato
P* di ~’ distinto daP,
si ha P* r1 P = Eed
applicando
l’assioma(S)
si ha che duequalunque
intervalliprimi
di
L(P)
sonoproiettivi
a equindi proiettivi.
Osservato che Gha
2-complemento
normale se esso ha centro di ordinepari
eS2-sotto- gruppi
deiquaternioni,
dal lemma 3 segue che = 1.Viceversa,
sia G un gruppo soddisfacente alle condizioni espresse dall’enunciato del teorema.Supposto,
com’èlecito,
N di ordine2d,
ddispari, qualora 2 ) ) N) i
e la2-componente
di H sia un gruppo dei qua-ternioni,
N è un elemento neutro diL(G). L’applicazione
Cf N:è
pertanto
un omomorfismo diZ(G)
suL(N).
Sia Al’insieme delle congruenze di canonicamente associate
agli
omo-morfismi del
tipo
oc essendo l’omomorfismo canonico disu Poichè
Z(N)
è submodulare 2IKL(N)’. Sia_
ove A è la congruenza diL(G)
associata all’endo-mornsmo
1
e nessun elemento di Aè in
A.
PertantolA! -~-
e ciòimplica
cheL(G)
è submodulare.I.
BIBLIOGRAFIA
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of
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O. TAMASCHKE, DieKongruenzrelationen
im Verband derzüganglichen Subnormalteiler,
Math. Z., 75(1961).
Manoscritto pervenuto in redazione il 17