В математике, в частности в области теории конечных групп , теоремы Силова представляют собой набор теорем, названных в честь норвежского математика Петера Людвига Силова [1] , которые дают подробную информацию о числе подгрупп фиксированного порядка , содержащихся в данной конечной группе . Теоремы Силова составляют фундаментальную часть теории конечных групп и имеют очень важные приложения в классификации конечных простых групп .
Для простого числа силовская p -подгруппа (иногда p -силовская подгруппа ) группы — это максимальная -подгруппа группы , т. е. подгруппа группы , которая является p -группой (это означает, что ее мощность является степенью или , что эквивалентно: для каждого элемента группы ее порядок является некоторой степенью ), которая не является собственной подгруппой никакой другой -подгруппы группы . Множество всех силовских -подгрупп для заданного простого числа иногда записывается .
Теоремы Силова утверждают частичное обращение теоремы Лагранжа . Теорема Лагранжа утверждает, что для любой конечной группы порядок (число элементов) каждой подгруппы группы делит порядок . Теоремы Силова утверждают, что для каждого простого множителя порядка конечной группы существует силовская -подгруппа группы порядка , наибольшая степень которой делит порядок . Более того, каждая подгруппа порядка является силовской -подгруппой группы , а силовские -подгруппы группы (для заданного простого числа ) сопряжены друг с другом. Более того, число силовских -подгрупп группы для заданного простого числа сравнимо с 1 (mod ).
Теоремы Силова являются мощным утверждением о структуре групп в целом, но также сильны в приложениях теории конечных групп. Это потому, что они дают метод использования разложения мощности конечной группы на простые числа для получения утверждений о структуре ее подгрупп: по сути, это дает технику переноса базовой теоретико-числовой информации о группе в ее групповую структуру. Из этого наблюдения классификация конечных групп становится игрой нахождения того, какие комбинации/конструкции групп меньшего порядка могут быть применены для построения группы. Например, типичным применением этих теорем является классификация конечных групп некоторой фиксированной мощности, например . [2]
Коллекции подгрупп, каждая из которых максимальна в том или ином смысле, обычны в теории групп. Удивительный результат здесь заключается в том, что в случае все члены фактически изоморфны друг другу и имеют максимально возможный порядок: если при , где p не делит m , то каждая силовская p -подгруппа P имеет порядок . То есть, P является p -группой и . Эти свойства можно использовать для дальнейшего анализа структуры G .
Следующие теоремы были впервые предложены и доказаны Людвигом Силовым в 1872 году и опубликованы в Mathematische Annalen .
Теорема (1) — Для каждого простого множителя p с кратностью n порядка конечной группы G существует силовская p -подгруппа группы G порядка .
Следующая более слабая версия теоремы 1 была впервые доказана Огюстеном -Луи Коши и известна как теорема Коши .
Следствие — Если задана конечная группа G и простое число p, делящее порядок G , то существует элемент (и, следовательно, циклическая подгруппа, порожденная этим элементом) порядка p в G. [ 3]
Теорема (2) — Для данной конечной группы G и простого числа p все силовские p -подгруппы группы G сопряжены друг другу. То есть, если H и K являются силовскими p -подгруппами группы G , то существует элемент с .
Теорема (3) — Пусть p — простой множитель с кратностью n порядка конечной группы G , так что порядок G можно записать как , где и p не делит m . Пусть — число силовских p -подгрупп группы G. Тогда выполняются следующие условия:
Теоремы Силова подразумевают, что для простого числа каждая силовская -подгруппа имеет тот же порядок, . Обратно, если подгруппа имеет порядок , то она является силовской -подгруппой, и поэтому сопряжена с любой другой силовской -подгруппой. В силу условия максимальности, если является любой -подгруппой из , то является подгруппой -подгруппы порядка .
Важным следствием теоремы 2 является то, что условие эквивалентно условию, что силовская -подгруппа группы является нормальной подгруппой (теорема 3 часто может показать ). Однако существуют группы, которые имеют собственные нетривиальные нормальные подгруппы, но не имеют нормальных силовских подгрупп, например . Группы, имеющие порядок степени простого числа, не имеют собственных силовских -подгрупп.
Третий пункт третьей теоремы имеет в качестве непосредственного следствия то, что делит .
Существует аналог теорем Силова для бесконечных групп. Силовская p -подгруппа в бесконечной группе определяется как p -подгруппа (то есть каждый элемент в ней имеет p -степень порядка), которая является максимальной для включения среди всех p -подгрупп в группе. Пусть обозначает множество сопряженных подгрупп .
Теорема — Если K — силовская p -подгруппа группы G и конечна, то каждая силовская p -подгруппа сопряжена с K и .
Простая иллюстрация силовских подгрупп и теорем Силова — диэдральная группа n -угольника, D 2 n . Для нечетного n 2 = 2 1 — наивысшая степень 2, делящая порядок, и, таким образом, подгруппы порядка 2 являются силовскими подгруппами. Это группы , порожденные отражением, которых имеется n , и все они сопряжены относительно вращений; геометрически оси симметрии проходят через вершину и сторону.
Напротив, если n четно, то 4 делит порядок группы, и подгруппы порядка 2 больше не являются силовскими подгруппами, и фактически они делятся на два класса сопряженности, геометрически в соответствии с тем, проходят ли они через две вершины или две грани. Они связаны внешним автоморфизмом , который может быть представлен поворотом на π/ n , половину минимального поворота в диэдральной группе.
Другим примером являются силовские p-подгруппы GL 2 ( F q ), где p и q — простые числа ≥ 3 и p ≡ 1 (mod q ) , которые все абелевы . Порядок GL 2 ( F q ) равен ( q 2 − 1)( q 2 − q ) = ( q )( q + 1)( q − 1) 2 . Поскольку q = p n m + 1 , порядок GL 2 ( F q ) = p 2 n m ′ . Таким образом, по теореме 1 порядок силовских p -подгрупп равен p 2 n .
Одной из таких подгрупп P является множество диагональных матриц , x — любой примитивный корень F q . Поскольку порядок F q равен q − 1 , его примитивные корни имеют порядок q − 1, что подразумевает, что x ( q − 1)/ p n или x m и все его степени имеют порядок, являющийся степенью p . Таким образом, P — подгруппа, в которой все ее элементы имеют порядки, являющиеся степенями p . Существует p n вариантов выбора как для a , так и для b , что делает | P | = p 2 n . Это означает, что P — силовская p -подгруппа, которая является абелевой, поскольку все диагональные матрицы коммутируют, и поскольку теорема 2 утверждает, что все силовские p -подгруппы сопряжены друг с другом, все силовские p -подгруппы GL 2 ( F q ) являются абелевыми.
Поскольку теорема Силова гарантирует существование p-подгрупп конечной группы, имеет смысл более подробно изучить группы порядка простой степени. Большинство примеров используют теорему Силова для доказательства того, что группа определенного порядка не является простой . Для групп малого порядка условие конгруэнтности теоремы Силова часто достаточно, чтобы принудительно доказать существование нормальной подгруппы .
Некоторые не простые числа n таковы, что каждая группа порядка n является циклической. Можно показать, что n = 15 является таким числом, используя теоремы Силова: Пусть G — группа порядка 15 = 3 · 5, а n 3 — число силовских 3-подгрупп. Тогда n 3 5 и n 3 ≡ 1 (mod 3). Единственное значение, удовлетворяющее этим ограничениям, — 1; следовательно, существует только одна подгруппа порядка 3, и она должна быть нормальной (так как у нее нет различных сопряженных). Аналогично, n 5 должно делить 3, а n 5 должно равняться 1 (mod 5); таким образом, она также должна иметь одну нормальную подгруппу порядка 5. Поскольку 3 и 5 взаимно просты , пересечение этих двух подгрупп тривиально, и поэтому G должна быть внутренним прямым произведением групп порядка 3 и 5, то есть циклической группой порядка 15. Таким образом, существует только одна группа порядка 15 ( с точностью до изоморфизма).
Более сложный пример включает порядок наименьшей простой группы , которая не является циклической . Теорема Бернсайда p a q b утверждает, что если порядок группы является произведением одной или двух простых степеней , то она разрешима , и поэтому группа не является простой, или имеет простой порядок и является циклической. Это исключает все группы вплоть до порядка 30 (= 2 · 3 · 5) .
Если G простая, и | G | = 30, то n 3 должно делить 10 ( = 2 · 5), а n 3 должно быть равно 1 (mod 3). Следовательно, n 3 = 10, поскольку ни 4, ни 7 не делят 10, и если n 3 = 1, то, как и выше, G имела бы нормальную подгруппу порядка 3 и не могла бы быть простой. Тогда G имеет 10 различных циклических подгрупп порядка 3, каждая из которых имеет 2 элемента порядка 3 (плюс единица). Это означает, что G имеет по крайней мере 20 различных элементов порядка 3.
Также n 5 = 6, поскольку n 5 должно делить 6 ( = 2 · 3), а n 5 должно быть равно 1 (mod 5). Таким образом, G также имеет 24 различных элемента порядка 5. Но порядок G равен только 30, поэтому простая группа порядка 30 существовать не может.
Далее предположим, что | G | = 42 = 2 · 3 · 7. Здесь n 7 должно делить 6 ( = 2 · 3) и n 7 должно быть равно 1 (mod 7), поэтому n 7 = 1. Итак, как и прежде, G не может быть простым.
С другой стороны, для | G | = 60 = 2 2 · 3 · 5, то n 3 = 10 и n 5 = 6 вполне возможны. И фактически, наименьшая простая нециклическая группа — это A 5 , знакопеременная группа над 5 элементами. Она имеет порядок 60 и имеет 24 циклических перестановки порядка 5 и 20 порядка 3.
Часть теоремы Уилсона утверждает, что
для любого простого числа p . Эту теорему можно легко доказать с помощью третьей теоремы Силова. Действительно, заметим, что число n p силовских p -подгрупп в симметрической группе S p равно 1/п − 1 умножить на число p-циклов в S p , т. е. ( p − 2)! . С другой стороны, n p ≡ 1 (mod p ) . Следовательно, ( p − 2)! ≡ 1 (mod p ) . Итак, ( p − 1)! ≡ −1 (mod p ) .
Аргумент Фраттини показывает, что силовская подгруппа нормальной подгруппы обеспечивает факторизацию конечной группы. Небольшое обобщение, известное как теорема Бернсайда о слиянии, утверждает, что если G — конечная группа с силовской p -подгруппой P и двумя подмножествами A и B , нормализованными P , то A и B являются G -сопряженными тогда и только тогда, когда они являются N G ( P )-сопряженными. Доказательство представляет собой простое применение теоремы Силова: если B = A g , то нормализатор B содержит не только P , но и P g (так как P g содержится в нормализаторе A g ). По теореме Силова P и P g сопряжены не только в G , но и в нормализаторе B . Следовательно, gh −1 нормализует P для некоторого h , который нормализует B , и тогда A gh −1 = B h −1 = B , так что A и B являются N G ( P )-сопряженными. Теорему Бернсайда о слиянии можно использовать для получения более мощной факторизации, называемой полупрямым произведением : если G — конечная группа, силовская p -подгруппа P которой содержится в центре ее нормализатора, то G имеет нормальную подгруппу K порядка, взаимно простого с P , G = PK и P ∩ K = {1}, то есть G является p -нильпотентной .
Менее тривиальные приложения теорем Силова включают теорему о фокальной подгруппе , которая изучает контроль силовской p -подгруппы производной подгруппы над структурой всей группы. Этот контроль используется на нескольких этапах классификации конечных простых групп и, например, определяет деления случаев, используемые в теореме Альперина–Брауэра–Горенштейна, классифицирующей конечные простые группы , чья силовская 2-подгруппа является квазидиэдральной группой . Они опираются на усиление сопряженной части теоремы Силова, предложенное Дж. Л. Альпериным , для контроля того, какие элементы используются в сопряжении.
Теоремы Силова были доказаны несколькими способами, а история самих доказательств является предметом многих работ, включая работы Уотерхауса [4] , Шарлау [5], Касадио и Заппы [6] , Гоу [7] и, в некоторой степени, Мео [8] .
Одно доказательство теорем Силова использует понятие группового действия различными творческими способами. Группа G действует на себя или на множество своих p -подгрупп различными способами, и каждое такое действие может быть использовано для доказательства одной из теорем Силова. Следующие доказательства основаны на комбинаторных аргументах Виландта. [9] В дальнейшем мы используем как обозначение для «a делит b» и для отрицания этого утверждения.
Теорема (1) — Конечная группа G , порядок которой делится на степень простого числа p k , имеет подгруппу порядка p k .
Пусть | G | = p k m = p k + r u такое, что , и пусть Ω обозначает множество подмножеств G размера p k . G действует на Ω левым умножением: для g ∈ G и ω ∈ Ω , g ⋅ ω = { g x | x ∈ ω } . Для заданного множества ω ∈ Ω запишем G ω для его стабилизирующей подгруппы { g ∈ G | g ⋅ ω = ω } и G ω для его орбиты { g ⋅ ω | g ∈ G } в Ω.
Доказательство покажет существование некоторого ω ∈ Ω , для которого G ω имеет p k элементов, обеспечивая требуемую подгруппу. Это максимально возможный размер стабилизирующей подгруппы G ω , поскольку для любого фиксированного элемента α ∈ ω ⊆ G правый смежный класс G ω α содержится в ω ; следовательно, | G ω | = | G ω α | ≤ | ω | = p k .
По теореме о стабилизаторе орбиты мы имеем | G ω | | G ω | = | G | для каждого ω ∈ Ω , и поэтому, используя аддитивную p-адическую оценку ν p , которая подсчитывает число множителей p , имеем ν p (| G ω |) + ν p (| G ω |) = ν p (| G |) = k + r . Это означает, что для тех ω с | G ω | = p k , тех, которые мы ищем, имеем ν p (| G ω |) = r , в то время как для любого другого ω имеем ν p (| G ω |) > r (поскольку 0 < | G ω | < p k влечет ν p (| G ω |) < k ) . Поскольку | Ω | является суммой | G ω | по всем различным орбитам G ω можно показать существование ω первого типа, показав, что ν p (| Ω |) = r (если бы не существовало ни одной, эта оценка превысила бы r ). Это пример теоремы Куммера (поскольку в системе счисления с основанием p число | G | заканчивается ровно k + r цифрами ноль, вычитание p k из него подразумевает перенос в r позициях), и его также можно показать простым вычислением:
и ни в одном из множителей внутри произведения справа не остается степени p . Следовательно, ν p (| Ω |) = ν p ( m ) = r , что завершает доказательство.
Можно отметить, что, наоборот, каждая подгруппа H порядка p k порождает множества ω ∈ Ω , для которых G ω = H , а именно любой из m различных смежных классов Hg .
Лемма — Пусть H — конечная p -группа, пусть Ω — конечное множество, на которое действует H , и пусть Ω 0 обозначает множество точек Ω, которые неподвижны под действием H. Тогда | Ω | ≡ | Ω 0 | (mod p ) .
Любой элемент x ∈ Ω, не фиксированный H, будет лежать в орбите порядка | H |/| H x | (где H x обозначает стабилизатор ), которая по предположению кратна p . Результат следует немедленно, если записать | Ω | как сумму | H x | по всем различным орбитам H x и сократить mod p .
Теорема (2) — Если H является p -подгруппой группы G , а P является силовской p -подгруппой группы G , то существует элемент g в группе G, такой что g −1 Hg ≤ P. В частности, все силовские p -подгруппы группы G сопряжены друг другу (и, следовательно, изоморфны ) , то есть если H и K являются силовскими p -подгруппами группы G , то существует элемент g в группе G, такой что g −1 Hg = K.
Пусть Ω — множество левых смежных классов P в G , и пусть H действует на Ω левым умножением. Применяя лемму к H на Ω , мы видим, что | Ω 0 | ≡ | Ω | = [ G : P ] (mod p ) . Теперь по определению так , следовательно, в частности, | Ω 0 | ≠ 0 , так что существует некоторый gP ∈ Ω 0 . С этим gP мы имеем hgP = gP для всех h ∈ H , так что g −1 HgP = P и, следовательно, g −1 Hg ≤ P . Кроме того, если H — силовская p -подгруппа, то | g −1 Hg | = | H | = | P | , так что g −1 Hg = P .
Теорема (3) — Пусть q обозначает порядок любой силовской p -подгруппы P конечной группы G. Пусть n p обозначает число силовских p -подгрупп группы G. Тогда (a) n p = [ G : NG ( P )] (где NG ( P ) — нормализатор P ) , ( b ) n p делит | G | / q , и ( c ) n p ≡ 1 (mod p ) .
Пусть Ω — множество всех силовских p -подгрупп группы G , и пусть G действует на Ω сопряжением. Пусть P ∈ Ω — силовская p -подгруппа. По теореме 2 орбита группы P имеет размер n p , поэтому по теореме о стабилизаторе орбиты n p = [ G : G P ] . Для этого группового действия стабилизатор G P задается формулой { g ∈ G | gPg −1 = P } = N G ( P ) , нормализатором P в G . Таким образом, n p = [ G : N G ( P )] , и отсюда следует, что это число является делителем [ G : P ] = | G |/ q .
Теперь пусть P действует на Ω сопряжением, и снова пусть Ω 0 обозначает множество неподвижных точек этого действия. Пусть Q ∈ Ω 0 и заметим, что тогда Q = xQx −1 для всех x ∈ P , так что P ≤ NG ( Q ). По теореме 2 P и Q сопряжены в NG ( Q ) в частности, и Q нормальна в NG ( Q ), так что P = Q . Отсюда следует, что Ω 0 = { P }, так что по лемме | Ω | ≡ | Ω 0 | = 1 ( mod p ) .
Задача нахождения силовской подгруппы заданной группы является важной задачей вычислительной теории групп .
Одно доказательство существования силовских p -подгрупп является конструктивным: если H является p -подгруппой G и индекс [ G : H ] делится на p , то нормализатор N = N G ( H ) группы H в G также таков, что [ N : H ] делится на p . Другими словами, полициклическую порождающую систему силовской p -подгруппы можно найти, начиная с любой p -подгруппы H (включая единицу) и взяв элементы порядка p -степени, содержащиеся в нормализаторе H, но не в самой H. Алгоритмическая версия этого (и многие улучшения) описаны в форме учебника в Butler [10] , включая алгоритм, описанный в Cannon. [11] Эти версии до сих пор используются в системе компьютерной алгебры GAP .
В группах перестановок было доказано в работах Кантора [12] [13] [14] и Кантора и Тейлора [15] , что силовская p -подгруппа и ее нормализатор могут быть найдены за полиномиальное время ввода (степень группы, умноженная на число генераторов). Эти алгоритмы описаны в форме учебника в работе Сересса [16] и теперь становятся практическими, поскольку конструктивное распознавание конечных простых групп становится реальностью. В частности, версии этого алгоритма используются в системе компьютерной алгебры Magma .