R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
G UIDO Z APPA
Sui gruppi di Hirsch supersolubili. Nota I
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 12 (1941), p. 1-11
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Nota I di GUIDO ZAPPA a Roma.
Come è
noto,
ungruppo G (finito
oinfinito)
è detto riso- lubilequando
la serie dei suoi successivisottogruppi
derivati haun numero finito di termini e si chiude con l’identità.
K. A. HIRSCH
(1)
ha recentemente studiato unaparticolare
classe di
gruppi
infinitirisolubili,
igruppi
cioè cheegli
chiamaS - gruppi,
e chenoi,
perdistinguerli
da altriS - gruppi
intro-dotti da HALL
("), preferiamo
chiamaregruppi
di HIRSCH. Essi si definiscono come segue :Un gruppo G vien detto gruppo di HIRSCH
quando possiede
almeno una serie di
sottogruppi
con un numero
finito
ditermini,
ilprimo
deiquali
è Gstesso, e è
t’ identità,
in modo cheogni sottogruppo
sia invariante nel
precedente,
e che ifattoriali ‘Gf / G~+1 (i
=0, ... , l 1)
siano tutti abeliani con un numerofinito
di
generatori..
HmsCH ha dato le
più importanti proprietà
dei suddettigruppi.
Traquesté
ricordiamo leseguenti :
I) Ogni sottogruppo,
eogni
gruppofattoriale
di ungruppo di
HmseR,
è ancora un gruppo di Hmscli.(1) K. A. HIBSCH, On infinite soluble groups, 1, Proc. London Math.
Soc., 2a serie, voI. 44, pp. 53-60 (1938).
(2) P. HALL, Â. note on soluble groups, Journal London Math. Soc., 3, pp. 98-105 (1928).
2
II)
Condixione necessaria esufficiente, affinchè
un grup- poinfinito
risolubile sia diHmscia,
è che in essoogni
catenacrescente di
sottogruppi
abbia un numerofinito
di terminidifferenti.
III)
Condizione necessaria esufficiente,
ungruppo
infinito
risolubile sia diHIRSCH,
è che esso abbia unnumero
finito
digeneratori.
Diremo caterta di
composixione
di un gruppo di HIRSCHuna serie costituita da un numero finito di
sottogruppi,
ciascunoinvariante nel
precedente,
iniziantesi con G e terminante conl’identità:
M1,..., Mh =1,
e tale che i fattorialiMi
/M,+~
sono ciclici infiniti o ciclici di ordineprimo.
Diremo invece catena
principale
di un gruppo G di Hmscauna serie costituita da un numero finito di
sottogruppi,
ciascunocontenuto nel
precedente
e invariante inG,
iniziantesi con G eterminante con l’identità : G =
No ,
... ,N,, =1,
e tale chea)
non esistanosottogruppi
invarianti di G contenentiN’+l
e contenuti inNi,
che abbiano indice infinito inNs (i = 0, :..
..., h -
1 )
,~ _.
b) ogni
fattorialeNs / N~1 sia,
seinfinito,
un gruppo abe- Iianolibero,
e, sefinito,
un gruppo abeliano d’ ordinepn (p pri mo)
etipo ( 1 , ... , 1 ).
Dal fatto che i
gruppi
di Hnwm sonorisolubili,
si deducefacilmente che
ogni
gruppo di HmscH ha almeno una catena dicomposizione.
Ma HiRsciEi ha dipiù
mostrato cheOgni
gruppodi
lImscBpossiede
almeno una cate-naprincipale.
’
Hmsca si è
poi posto
ilproblema,
se in due diverse catene.
principali,
o in due diverse catene dicomposizione
di uno stessogruppo
G,
igruppi
fattorialisiano,
a menodell’ ordine, isomorfi ;
ed ha dimostrato che
V)
In due diverse cateneprincipali (o
di’composizione)
di uno stesso gruppo G di
Hm,scH,
igruppi fattoriali
d’ ordineinfinito
sono nello ste88D e, adell’ ordgne,
a duea d ue
isomorfi.
Egli
ha inoltre fatto vedere conesempi,
che ciò non valepei gruppi
fattoriali d’ ordinefinito,
e~ si è posto ilquesito,
seciò
valga
anchepei gruppi
fattoriali d’ordinefinito, qualora
cisi limiti a considerare catene
principali,
01 dicomposizione,
conun numero minimo di
termini,
o, per usare la suadenominazione,
di
lunghezza
minima. ~HIRSCH ha dato
risposta
alquesito,
e in sensoaffermativo, per
unalarga
classe digruppi
diHIRSCH, detti, gruppi
con seriecentrale
(3),
e che sono caratterizzati dallaproprietà
di contenereuna catena di
composizione
G= Ko, K~,...,
iK’~"
=1,
taleche il fattoriale
K;
/Ki+i appartenga
al centrale di~G ~
HIRSCH ha determinato molte
proprietà
diquesti gruppi,
chesono
analoghe
aquelle possedute,
tra igruppi finiti,
daip-gruppi.
In
questa
nota ciproponiamo
di studiare una classe digruppi
di HiRSCHpiù ampia
diquella
deigruppi
con serie cen- trale, e di dimostrare tra l’ altroche,
anchepei gruppi
di questanuova
classe,
i fattoriali di due cateneprincipali
dilunghezza
minima sono, a meno
dell’ ordine,
isomorfi.1. DEFINIZIONE. Un gruppo di HIRSCH si dirà
supersolubile
se
possiede
almeno una catenaprincipale,
i cuigruppi fatto-
riali .siano tutti cielici
infiniti,
ocielici
d’ ordineprimo.
Notiamo anzitutto che
Ogni sottogr,uppo
di un gruppo di HIRSCHsupersolubile,
ègruppo di
HlRSCUsupersolubile.
Sia G un gruppo di HIRSCH
supersolubile,
e siauna sua catena
principale,
in cuiogni
fattoriale / sia ciclicoinfinito,
o ciclico d’ordineprimo.
Sia L un
sottogruppo qualsiasi
di G. Dal teoremaI)
di HIRSCHsopra
riportato,
segue che L è ancora un gruppo di HIRSCH. Si indichi ora conL,
~ intersezione di L conN; (i
=0, .... , k).
(3) K. A. HIRSCK, On in finite soluble groups, Il, Proc. London Math.
Soc., 2s serie, vol. 44, pp. 336-344 (1938).
.4
Ogni sottogruppo Li
è invariante in N. Dettopoi R,
il minimogruppo contenente
Li
edNi+,
si ha da un teoremasugli
iso-morfismi che è oloedricamente isomorfo ad
L /
Ora un
sottogruppo
diN~ /
equindi
è alpari
di esso ciclico d’ordine
primo
o ciclicoinfinito;
talepertanto
dovrà essere
L, / L~+1,
e di conseguenza la serieL, Ll , ... , 1,,
= 1è una catena
principale,
i , cui fattoriali sono ciclici d’ordineprimo
o ciclici infiniti. Da ciò segue che L è un gruppo ’di HIRSCHsupersolubile,
c. d. d.Si osservi
parimenti
cheSe G è un gruppo di HIRSCH
supersolubile,
e L è un suosottogruppo invariante,
anche ilfattoriale
G/ L
è un ,gruppo di HIRSCHsupersolubile.
Sia G -=
No , Ni , ... , 2~
= 1 una catenaprincipale
diG,
in cui
ogni
fattoriale sia ciclico d’ordineprimo,
o ciclico infi- nito.Considerata,
accanto aquesta catena,
la serieG, L, 1,
disottogruppi invarianti,
si ha dal teorema di JoRDAN-HoLDER- SCBREIER. che si possono raffinare le dueserie,
in modo da otte-nere due nuove serie di
sottogruppi invarianti,
i cui fattorialisiano,
a meno dell’ordine,
isomorfi. Poichè una diqueste
seriesi ottiene raffinando la
G, Ni , ... , ~===1,
le due nuove seriesaranno anch’ esse serie
principali
con fattoriali ciclici d’ ordineprimo
o ciclici infiniti. Seè la catena
principale
ottenuta raffinando laserie G, L, 1,
laserie
è una serie
principale
di G/
L con fattoriali ciclici d’ ordineprimo
o ciclici infiniti. G1
L èpertanto supersolubile,
c. d. d. -2. Passiamo ora a provare che
In
ogni
catenaprincipale
di un gruppo di HIRSCHsolubile,
ifattoriali
sono tutti ciclici d’ ordineprimo
o cicliciinfiniti.
Sia f~ un gruppo di HIRSCH
supersolubile.
Siauna sua catena
principale (esistente
perdefinizione),
i cuifat-.
toriali siano tutti ciclici d’ordine
pri mo
’0 cicliciinfiniti,
e siaun’ altra sua catena
principale.
Si tratta di dimostrare che i fat- toriali diquesta godono
della stessaproprietà
diquelli
della(1).
. Facciamo la dimostrazione per
assurdo, supponendo pertanto che,
ad es., il fattoriale non sia ciclico d’ordine
primo,
nèciclico infinito. Sono allora
possibili
duecasi :
a)
è un gruppo abeliano libero non ciclico.All ora, pel
teoremaIV)
diHmscs,
di cui sopra,M, /
èisoniorfo ad un fattoriale della
(1),
che dovrebbe essere anch’ essoun gruppo abeliano libero non
cielico,
contro1’ ipotesi.
b) M, 1
è ungruppo
abeliano. d’ordinep- (p primo, n > 1 )
etipo . ( 1, 1, ... , 1).
In base alteorema
di JORDAN-H(SLDER-SCgREIER,
saràpossibile
raffinare le due cateneprincipali (1), (2)
in modo che igruppi
fattoriali chesi originano
sianoa due a due isomorfi. E
poiché
nella(1),
o inqualunque
catenache si
ottenga
raffinando la( 1 ),
igruppi
fattoriali sonociclici,
si dovranno
poter
inserire traM,
ed deisottogruppi
inva-rianti,
in modo che i fattoriali che sioriginano
sianciclici,
eciò contro la definizione di catena
principale.
Il teorema è per- tanto inogni
caso dimostrato.3. Estendiamo ora ai
gruppi
di HIRSCHsupersolubili
u-nteorema
già
notopei gruppi
finitisupersolubili (~).
(4) Pei gruppi finiti supersolubili, cioè pei gruppi finiti i cui, fattori principali sono. tutti numeri primi, tale teorema fu trovato da E. WNNDT nel 1901 cine Klasse von Gruppen, Math. Ann. 55, pp. 4’79 -
492). Esso fu recentemente ritrovato dall’ Aatore (a cui, per involontario,
6
Il derivato di un ,gruppo di Hiiiscii
supersolubile
è ungruppo con serie centrale.
Sia infatti G’ il deri vato di un gruppo di HiRSC;x superso- lubile
G,
e siaG = No, 2V1, ... ,
1Nk = 1
una catenaprincipale
di G. Chiamiamo
H,
~ intersezione di conG’ ~i = 0, ... , k).
I
sottogruppi H;, quali
intersezioni disottogruppi
invariantiin -
G,
sono invarianti in G. Dalragiolamento
fatto per dimostrare ilprimo
teorema del n.1,
segue che isottogrup- pi Hi
costituiscono una catenaprincipale
diG’,
e che ifattoriali
Hi (i
=1, ... , k)
sono tutti ciclici d’ ordineprimo
o ciclici infiniti. Siano a e b duequalsiasi
elementidi
G;
essi determineranno in ciascuno dei fattoriali/ H,
automorfismipermutabili, perchè
il gruppo di automorfismi diun gruppo ciclico è sempre abeliano. Essendovi un isomorfismo tra
gli
elementi di G egli
automorfismi che essi determinano inH~-l / Ri,
il commutante b di a e b determina suH;_1 / H~
un automorfismo che è il commutantedegli
automor-fismi determinati da a e
b,
vale a dire Fautomorf smo identico.Pertanto
ogni commutante,
equindi
ancheogni
elemento diG’,
determina
1’ automorfismo
identico in ciascuno dei fattoriali ondeappartiene
al centrale diG’ f H; ,
e laserie
G’, H~,...,
1H~, _ ~
è una serie centrale diG’,
c, d. d.4. Per arrivare a
proprietà più importanti
suigruppi
diHiRSCH
supersolubili,
cigioveremo
deiseguenti
lemmi.A)
Se ungruppo di
Hixscgsupersolubile
ha zcn ele-mento it cui ordine è divisibile
pel
numeroprimo
p, inogni
sua catena di
composixione (e quindi
ancheprincipale)
v’ èal naeno un
fattoriale
d’ ordine p.Poichè nei
gruppi
di HmseRsupersolubili
le cateneprinci-
deplorevole errore, era sfuggita la inemoria ora citata di nella nota :
9ruppi supersolubilZ (ti,end. Sem. Mat. Univ. Roma, v serie, vol. ,
pp. 323-330 (1938j) e. contemporaneamente, in modo molto semplice, da
0. ORE nella memoria : Contributions to the theory of groups o f finite order, (Dute mathematical Journal, vol. 5, pp. 431-460 (1939)). È appunto la dimostrazione di ORE che vien qui estesa ai grupp i di HIRSCH superso- lubili.
pali
sonoparticolari
catene dicomposizione,
basterà dimostrare la cosa perquest’ ultime.
’
Sia un tal gruppo, e a un suo elemento il cui ordine è divisibile per p. Una conveniente
potenza
di a, che diremo b, deve avere esattamente ordine p. Se G= No, Ni , ... ,
iN~, =
1è una catena di
composizione
diC~,
si indichi con1V,
ilprimo
dei suoi
sottogruppi,
che noncontenga
b. Nell’isomorfismo me-riedrico tra
N (-1
ed/ N,,
all’ elemento b dovràcorrispon-
dere in
N;
un elemento diversodall’ identità, quindi
ne-cessariamente d’ordine p. Ma allora non
può
essereciclico
infinito;
esso dovrà avere per ordine un numeroprimo,
e
precisamente
p, c. d. d.B)
Se un gr1tppO G ha unsottogruppo
invariante N ciclico cui indice un numeroprimo dispari
p,e non ha elementi d’ordine
finito,
è esso stesso un gruppo ci- clicoinfinito.
Sotto le
ipotesi fatte,
G sarà generato da un elementoh,
generatore diN,
e da un elemento a, tale che a" sia in N.Essendo N invariante in
C~,
trasformando mediante agli
ele-menti di
N,
si deve determinare in N unautomorfismo,
il cuiordine divide p.
Ma,
essendo .7V ciclicoinfinito,
essopossiede,
oltre l’automorfismo
identico,
solo 1’ automorfismo d’ordine 2~che muta ciascun elemento nel suo inverso. Onde a determinerà in N l’ automorfismo
identico,
vale a dire saràpermutabile
conb e G di conseguenza sarà abeliano. Due casi sono allora da
distinguersi :
onde
(che
è diversodall’identità, perchè a
non è inN),
ha ordine finito p, contro le
ipotesi
fatte.Questo
casopertanto
si esclude.
E ap
=b’,
con k non divisibile per p.L’equazione
inde-terminata
-
8
ha allora soluzione
(perchè D (k, p) = 1).
Presi due numeri x e y che soddisfino ad essa, si haperchè a
e b sonopermutabili,
ed inoltreperchè a-* = b’‘,
e per la(3).
Insostanza,
b èpotenza
diAnalogamente
si ha..
onde anche a è
potenza
di a-’ b". Pertanto axb~’, generando
igeneratori
a e b diQ~,
genera tutto(~,
che è di conseguenza cielico infinito. Il lemma èquindi
dimostrato.-
Dalla
dimostrazioneprecedente
risulta delpari
cheC)
Se. un gruppo G ’ha unsottogruppo
invariante N~ciclico
infinito,
il cui indice sia un numeroprimo dispari
p,esso è abeliano.
È poi
immediato che -D)
Se un gruppo G ha unsottogruppo
invariante N d’ ordine2,
il cui indice sia un numeroprimo dispari
p, essoè
(ciclico, quindi)
abeliano. ,5. Per arrivare a stabilire che i fattoriali di due catene
principali
dilunghezza
minima sono, a ffionodell’ ordiné,
iso-morfi,
occorre provare cheData una
principale E
di un gruppo di HiRSCasupersolubile G, può
costruirsi un’ attra catenaprincipale ~*,
tale che ~ -
a)
Il numerov* , dei fattoriali
di ~* supera il nu-mero v dei
fattoriali
di ~.b)
Tra i vfattoriali
di E se ne possonoscegliere v*,
iquali siano,
a menodell’ ordine, isomorfi
aifattoriali
di ~..c)
Esiste un numero p tale che iprimi
v* pfatto-
riali di ~* siano d’ ordine
infinito
o d’ ordine2,
egli
ultimip d’ ordine
pri mo dispari.
8ia
la
catèna principale
E. Se in E nessun fattoriale d’ ordineprimo dispari
èseguito
da fattoriali d’ordine infinito o d’ordine2, già
1 soddisfa alle condizioni che si desiderano per E*. In caso
.
contrario,
siaNi-, 1 Ni
l’ ultimofattoriale~
di S d’ordineprimo dispari
che siaseguito
dafattoriali
d’ordine infinito od’ ordine _
2. Allora sono da
distinguersi
tre casi :I)
ha ordine 2. Per laD)
del numeroprecedente, N~-~ /
è alloraabeliano,
e, detto p l’ ordine diN;_I ~ l% ,
siha che
gli
elementi diNi_, /
d’ordine p formano un sot-togruppo
caratteristicoLi 1
La catenaè una nuova catena
principale, ~",
i cui fattoriali sono isomorfia
quelli
di1,
e che differisce da Epel
fattoche,
o è diminuitodi uno il numero dei fattoriali dr ordine
dispari
cheprecedano
fattoriali d’altro
tipo,
oppure l’ ultimo di tali fattoriali, anzichèessere al
posto i-esimo,
è alposto (i+ 1)-esimo.
.
II) N; ~
ha ordineinfinito,
eNi-, 1 N;+i
ha e,lementid’ ordine
primo dispari
p. AlloraN;_i /
èabeliano,
per laC)
del numeroprecedente,
e i suoi elementi d’ordine p formanoun
sottogruppo
caratteristico .L, 1
La catenaè una nuova catena
principale, I’,
i cui fattoriali sono isomorfia
quelli
diE, e
che differisce da Epel
fattoche,
o è diminuitoil numero dei fattoriali d’ ordine
dispari
che.precedono
fattorialid’altro
tipo, oppure
l’ultimo di talifattoriali,
anzichè essere alposto i-esimo,
è al posto(i -E-
III), N, 1
ha ordineinfinito,
ma non haelementi d’ordine
primo dispari
p.Allora,
per laB)
del nu-10
mero
precedente, Nf-J /
è ciclico infinito. La catenaè una nuova catena
principale ~’,
che differisce da Spel
fattoche non ha
più
il fattoriale d’ordine p,N;_i / N,.
In
definitiva,
siamopassati
inogni-
caso dalla catena ~’ allacatena
~’,
laquale
differisce da essa o per avere un fattoriale d’ordinedispari
in meno, operchè
è diminuito di uno il nu- mero dei fattoriali d’ordinedispari
cheprecedono
fattoriali d’al- trotipo,
operchè
l’ ultimo di tali fattoriali ha fatto un passo in avanti.Ripetendo
ilprocedimento più volte,
si arriverà ad nacatena
~",
in cui i fattoriali d’ordinedispari
cheprecedono
fat-toriali d’altro
tipo
sono uno di meno che in I. I fattoriali di~" sono
isomorfi,
a menodell’ ordine,
ai fattoriali di1,
oppure ai fattoriali di 1 ad esclusione di uno diquesti.
Ripetendo
ancora ilprocedimento,
si arriverà ad una catena~*,
in cui non vi sonopiù
fattoriali d’ordinedispari
che pre- cedono fattoriali d’altrotipo,
e i cui fattoriali sonoisomorfi,
ameno
dell’ordine,
a tutti o ad unaparte
dei fattoriali di 22.Detta catena soddisfa alle condizioni
a), b), c).
6. Sia ora
la catena
~*,
e siaM~ ~ ~=+1
ilprimo
fattoriale d’ordinedispari.
Allora
M, ,
avendo una serieprincipale ~,~1, ... , M,
= 1con fattoriali tutti d’ordine
dispari,
ha ordinedispari.
hauna catena
principale, Ml / M~ , ... , M~ ~ ~h ---- 1,
senzafattoriali d’ ordine
dispari; onde, pel
lemmaA)
del n. 4, nonha elementi d’ordine
dispari,
oltre l’ identità. Epoichè,
nell’ iso-morfismo meriedrico tra G e ad elementi d’ordine di-
spari corrispondono
elementi d’ordinedispari, gli
elementi d’or- dinedispari
di G dovranno avere peromologo
inG /Mi l’identità,
epertanto
sono in In conclusione:Gli elem.enli d’ordine
dispari
di un gruppo di HIRSCHsupersolubile formano
unsottogruppo
caratteristico.. 7. Sia G un gruppo di HIRSCH
supersolubile,
e sia D ilsottogruppo
dei suoi elementi d’ordinedispari.
Dalragionamento
dei numeri
precedenti
segueche,
data una catenaprincipale
diG,
se nepuò
trovareun’ altra,
dilunghezza eguale
ominore,
i cui fattoriali d’ordine
dispari siano,
a meno dell’ordine,
iso-morfi ai fattoriali di
D ;
e in conseguenza :I
fattoriali
d’ ordineprimo dispari
di Zcna catenaprinci- pale
dilztnghezza
minima sono, a íizenoisomor fi
ai
fattoriali
di D.Siano ora date due catene
principali
dilunghezza
minimadi G. I loro fattoriali d’ordine
primo dispari
sono, a meno del-l’ordine,
isomorfi ai fattoriali diD,
equindi
isomorfi tra loro.I fattoriali d’ordine infinito delle due catene
’sono,
a meno del-1~ ordine,
isomorfl traloro,
secondo il teoremaIV)
di HIRSCH danoi
riportato
inprincipio.
Restano i fattoriali d’ordine 2 iquali,
essendo le due serie di
lunghezza
minima, equindi
diegual
numero di
termini,
dovranno essere anch’ essi nello stesso nu- mero,epperò
a due a dueisomorfi’,
a meno dell’ ordine.In conclusione
Se G è 2cn gruppo di HIRSCH
supersolubile,
ifattoriali
didue catene
lunghexxa
minima sono, a meno del-l’ordine, iso mor fi.
Verrà
esaminato,
in una nota ulterioresull’argomento,
ilcomportamento
deisottogruppi
di G il cui ordine è unapotenza
di 2.
Parimenti verranno ivi studiate le catene di
composizione
di
lunghezza
minima.(Pervenuto in il 6 gennaio 1941-XIX)