2 svar
84 visningar
coffeshot behöver inte mer hjälp
coffeshot 429
Postad: 27 sep 18:39

Cykliska grupper har bara cykliska delgrupper med deras delare som delgrupp

Hej! Det kanske bara inte är min dag idag. Men min lärobok skriver så här:

"En cyklisk grupp av ordning n har bara en delgrupp av varje ordning som delar n, och dessa delgrupper är cykliska"

Rent intuitivt så verkar det rimligt, men jag försöker förstå varför det är sant.

Är det någon som skulle kunna hjälpa mig att förstå varför? Tack!

Gustor 782
Postad: 27 sep 20:43 Redigerad: 27 sep 22:01

Antag att GG är en (ändlig) cyklisk grupp av ordning nn, genererad av något element gg, så att G={1,g,g2,,gn-1}G=\{1,g,g^2,\dots,g^{n-1}\}. Låt d>1d>1 vara en delare till nn.

1) GG har en delgrupp av ordning dd.

Bevis: Om n=dkn = dk, så kan man enkelt verifiera att H:=gk={1,gk,g2k,,g(d-1)k}H:=\langle g^k\rangle = \{1,g^k, g^{2k},\dots, g^{(d-1)k}\} är en cyklisk delgrupp av ordning dd. Om t.ex. n=12n=12 och d=4d=4 så är H={1,g3,g6,g9}H=\{1, g^3, g^6, g^9\}.

2) Delgruppen HH av ordning dd i 1) ovan är unik.

Bevis: Låt KGK\subset G vara en godtycklig delgrupp av ordning dd. Vi visar att K=HK=H.

Eftersom KK är en delgrupp av en cyclisk grupp, så är KK cyklisk*. Specifikt är K=gmK = \langle g^m\rangle, där mm är det minsta positiva heltal sådant att gmKg^m\in K.

Eftersom |H|=d|H|=d så är gmd=1g^{md} = 1. Vi vet dock att |g|=n|g| = n, så mdnmd\geq n. (Definitionen av ordning av ett gruppelement.) 

På samma sätt så är dd det minsta positiva heltal sådant att (gm)d=gmd=1(g^m)^d = g^{md} = 1, eftersom ordningen av KK är dd och gmg^m genererar KK. Men eftersom gn=1g^n = 1 så betyder detta att mdnmd\leq n. Sammantaget betyder detta alltså att md=nmd = n, dvs. m=n/d=km = n/d = k. Alltså är K=gk=HK = \langle g^k\rangle = H.


*Sats. Låt G=gG=\langle g\rangle vara en cyklisk (inte nödvändigtvis ändlig) grupp och HGH\subset G en delgrupp. Då är HH cyklisk med H=gkH = \langle g^k\rangle där kk är det minsta positiva heltal sådant att gkHg^k \in H.

Bevis. Om H={1}H=\{1\} finns inget att visa, så antag att HH är icke-trivial. Eftersom HGH\subset G så finns det något n>0n>0 för vilket gnHg^n \in H. Låt kk vara det minsta sådana talet. 

i) gkH\langle g^k\rangle \subset H: Detta följer direkt eftersom gkHg^k\in H och HH är en delgrupp.

ii) HgkH\subset \langle g^k \rangle: Låt hHh\in H vara godtyckligt. Eftersom GG är cyklisk måste h=gmh = g^m för något heltal mm. Vi kan använda divisionsalgoritmen på mm med divisor kk vilken ger oss heltal qq och rr med 0r<k0\leq r<k och 

m=qk+rm = qk + r.

Vi kan då skriva

gr=gmg-qk=gm(gk)-qg^r = g^m g^{-qk} = g^m (g^k)^{-q}.

Vi noterar nu att eftersom både gmg^m och gkg^k (och således även (gk)-q(g^k)^{-q}) är element i HH, så måste även grHg^r \in H. Eftersom kk var det minsta positiva heltal för vilket gkHg^k \in H, samt att r<kr<k från divisionen ovan, så finns det bara en möjlighet: r=0r = 0. Så m=qkm = qk, och

h=gm=(gk)qgkh = g^m = (g^k)^q \in \langle g^k\rangle.

Eftersom hHh\in H var godtyckligt visar detta att HgkH\subset \langle g^k\rangle.

Sammantaget ger i) och ii) att H=gkH = \langle g^k\rangle, så HH är cyklisk.

coffeshot 429
Postad: 28 sep 16:15

Miljoner tack. Väldetaljerat bevis, stor eloge till dig för att du tog dig tid att skriva ihop det! Nu förstår jag.

Svara
Close