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O Teorema de P. Hall - Universidade Federal de Minas Gerais

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISINSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATASDEPARTAMENTO DE MATEMÁTICAO <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> P. <strong>Hall</strong>Rafael Bezerra dos SantosDisciplina: Seminário III - Tópicos Especiais em Teoria <strong>de</strong> GruposProf. Ana Cristina VieiraBelo HorizonteNovembro <strong>de</strong> 2010


2O <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> P. <strong>Hall</strong>Apresentação <strong>de</strong> ResultadosEm todo o texto, G representará um grupo finito.O objetivo <strong>de</strong>ste seminário é apresentar um teorema do “tipo Sylow”para π−grupos.Relembrando:<strong>Teorema</strong> 1 (<strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> Sylow). Seja G um grupo. Se |G| = p α m, p primo, α ≥ 1,mdc(p, m) = 1, então:(i) Existe H ≤ G tal que |H| = p β , para todo β ∈ [1, α];(ii) Seja Syl p (G) = {P ≤ G : |P | = p α }. Se n p = |Syl p (G)| então n p | m e n p ≡ 1(mod p);(iii) Dados P, Q ∈ Syl p (G), existe g ∈ G tal que P g = Q.(iv) Se P é um p−subgrupo <strong>de</strong> G, então existe S ∈ Syl p (G) tal que P ⊆ S.Definição 1. Seja π um conjunto <strong>de</strong> primos. Dizemos que um grupo G é um π−grupose todo primo p que divi<strong>de</strong> a or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> G pertence a π.Do <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> Lagrange vem que se G é um π−grupo então todo subgrupo <strong>de</strong> G éum π−grupo.Indicaremos o conjunto dos primos que divi<strong>de</strong>m a or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> G por π(G). A partir <strong>de</strong>agora, π é um subconjunto qualquer <strong>de</strong> π(G) e π ′ o seu complementar em π(G).Definição 2. Seja H ≤ G. Dizemos que H é um S π −subgrupo <strong>de</strong> G se:(i) H é um π−grupo;(ii) se q é um primo que divi<strong>de</strong> [G : H] então q ∈ π ′ .O item (ii) da <strong>de</strong>finição acima é equivalente a mdc(|H|, [G : H]) = 1.Os S π −subgrupos <strong>de</strong> um grupo G são chamados também <strong>de</strong> π−subgrupos <strong>de</strong> <strong>Hall</strong>.Se π = {p}, então um S π −subgrupo <strong>de</strong> um grupo G é um p−subgrupo <strong>de</strong> Sylow.Sejam E π , C π e D π as seguintes proposições sobre um grupo G:E π : G possui no mínimo um S π −subgrupo.


3C π : G satisfaz E π e quaisquer dois S π −subgrupos <strong>de</strong> G são conjugados em G.D π : G satisfaz C π e todo π−subgrupo <strong>de</strong> G está contido em algum S π −subgrupo <strong>de</strong>G.Uma condição suficiente para um grupo G satisfazer D π é chamado <strong>de</strong> um D−teorema.Logo, o <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> Sylow é um D−teorema, ou seja,<strong>Teorema</strong> 2 (D1 - Sylow). Se p é um número primo, então todo grupo finito satisfaz D p .Um dos primeiros D π -teorema é <strong>de</strong>vido a Schur.<strong>Teorema</strong> 3 (D2 - Schur). Se G possui um S π ′−subgrupo abeliano normal, então G satisfazD π .O nosso objetivo é <strong>de</strong>monstrar o seguinte teorema, <strong>de</strong>vido a P. <strong>Hall</strong>.<strong>Teorema</strong> 4 (D3 - P. <strong>Hall</strong> - 1928). Se G é solúvel, então G satisfaz D π para todo π.É válida, também, a recíproca do <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> <strong>Hall</strong>:<strong>Teorema</strong> 5. Se G satisfaz E π ′então G é solúvel.Após o <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> <strong>Hall</strong>, vários outros D π −teoremas foram <strong>de</strong>monstrados. Um <strong>de</strong>lesmerece <strong>de</strong>staque pela simplicida<strong>de</strong>. Em 1954, H. Wielandt <strong>de</strong>monstrou o seguinte<strong>Teorema</strong> 6 (D4 - Wielandt). Se G possui um S π −subgrupo nilpotente, então G satisfazD π .Em 2006, Revin e Vdovin <strong>de</strong>monstraram o seguinte D−<strong>Teorema</strong>:<strong>Teorema</strong> 7 (D5 - Revin-Vdovin). Seja K um subgrupo normal <strong>de</strong> um grupo G. G satisfazD π se, e somente se, K e G/K satisfazem D π .A seguir, vamos <strong>de</strong>monstrar alguns resultados sobre π−grupos.Proposição 1. Sejam H um S π −subgrupo <strong>de</strong> G e ϕ : G → G um homomorfismo. Então:(i) ϕ(H) é um S π −subgrupo <strong>de</strong> ϕ(G);(ii) ϕ(G) é um π−grupo se, e somente se, G = HN, on<strong>de</strong> N = ker(ϕ).


4Demonstração: (i) Se H ≤ G então ϕ(H) ≤ ϕ(G). Logo, [ϕ(G) : ϕ(H)] | [G : H]. Como[G : H] ∈ π ′ , [ϕ(G) : ϕ(H)] ∈ π ′ e como ϕ(H) | H, vem que ϕ(H) é um S π −subgrupo <strong>de</strong>ϕ(G).(ii) (⇐) Suponha que G = HN. Então ϕ(G) = ϕ(HN) = ϕ(H)ϕ(N) = ϕ(H). Comoϕ(H) é um S π −subgrupo <strong>de</strong> ϕ(G), vem que ϕ(G) é um π−grupo.G(⇒) Suponha que ϕ(G) seja um π−grupo. Pelo <strong>Teorema</strong> do Isomorfismo,N ∼ = ϕ(G).Por (i), ϕ(H) é um S π −subgrupo <strong>de</strong> ϕ(G). Logo, como ϕ(G) é um π−grupo, [ϕ(G) :ϕ(H)] = 1 e assim, ϕ(H) = ϕ(G). Desta forma, [G : N] = |ϕ(H)| e |N| ∈ π ′ . Como Hé um S π −subgrupo <strong>de</strong> G, mdc(|H|, |N|) = 1. Logo, H ∩ N = {1}. Como HN ⊆ G, <strong>de</strong>H ∩ N = {1} vem que G = HN.Proposição 2. Sejam G um grupo, H um S π −subgrupo <strong>de</strong> G, N ⊳G e K um π−subgrupo<strong>de</strong> G. Então:(i) KNN é um π−subgrupo <strong>de</strong> G N ;(ii) HNN é um S π−subgrupo <strong>de</strong> G N e H ∩ N é um S π−subgrupo <strong>de</strong> N.Demonstração: (i) Pelo <strong>Teorema</strong> do Isomorfismo, KNN ∼ = K . Assim, [KN : N] =K ∩ N[K : K ∩ N] ∈ π. Logo, KNNPortanto, KNN é um π−subgrupo <strong>de</strong> G N . GKNé um π−grupo. Como N ⊳ G, KN ≤ G e assimN ≤ G N . KNπ N K π N ∩ Kπ{1}


5(ii) Por (i), HNN ≤ G . Pelo <strong>Teorema</strong> do Isomorfismo, [HN : N] = [H : H ∩ N] ∈ π.NComo [G : H] ∈ π ′ , [G : HN] ∈ π ′ . Portanto, HNN é um S π−subgrupo <strong>de</strong> G N . Também,[N : H ∩ N] ∈ π ′ . Como |H ∩ N| ∈ π, vem que H ∩ N é um S π −subgrupo <strong>de</strong> N.Gπ ′ HNπ ′π π ′N H π ′π N ∩ Hπ{1}E−<strong>Teorema</strong>sSabemos que dado um grupo G, nem sempre existe um S π −subgrupo. Por exemplo,sabemos que A 5 não possui um {2, 5}−subgrupo.Porém, temos alguns teoremas quegarantem a existência <strong>de</strong> S π −subgrupos. Estes teoremas são chamados <strong>de</strong> E−teoremas.Um E−teorema clássico é o E−teorema <strong>de</strong> Schur.<strong>Teorema</strong> 8 (E1 - Schur). Se G possui um S π ′−subgrupo normal, então G satisfaz E π .<strong>Teorema</strong> 9 (E2). Se K é um subgrupo normal <strong>de</strong> G tal que K satisfaz C π e G/K satisfazE π , então G satisfaz E π .Demonstração: Suponha que K satisfaz C π e G K satisfaz E π. Seja T um S π −subgrupo<strong>de</strong> K e N G (T ) = N. Para todo x ∈ G, T x é um S π −subgrupo <strong>de</strong> K. Como K satisfaz C π ,existe y ∈ K tal que T x = T y . Logo, xy −1 ∈ N e assim NK = G. Agora, pelo <strong>Teorema</strong>Ndo Isomorfismo,N ∩ K ∼ = NKK = G K . Como G K satisfaz E Nπ,N ∩ K satisfaz E π e assim


HexisteK ∩ N , S Nπ−subgrupo <strong>de</strong>N ∩ K . Consi<strong>de</strong>remos H K ∩ N. Temos que ⊳ H T T T eK ∩ Né um S π ′−subgrupo <strong>de</strong> H TT . Logo, pelo <strong>Teorema</strong> 8, H T satisfaz E π. Logo, existeUT , S π−subgrupo <strong>de</strong> H T . Nestas condições, U é um S π−subgrupo <strong>de</strong> G.π ′KK ∩ NG π ′ π ′ H π π ′ π ′ πTπ{1}NU6Recentemente (maio/2010), Revin e Vdovin <strong>de</strong>monstraram um novo E−teorema emfunção da série <strong>de</strong> composição <strong>de</strong> um grupo.Sejam A, B e H subgrupos <strong>de</strong> um grupo G tais que B ⊳ A e consi<strong>de</strong>re o subgrupoN H (A/B). Se x ∈ N H (A/B), x induz um automorfismo <strong>de</strong> A/B por Ba ↦→ Bx −1 ax.Assim, existe um homomorfismo ϕ : N H (A/B) → Aut(A/B). A imagem <strong>de</strong> N H (A/B)via ϕ <strong>de</strong>notamos por Aut H (A/B) e é chamado <strong>de</strong> grupo dos automorfismos induzidos <strong>de</strong>A/B.<strong>Teorema</strong> 10 (E3 - Revin-Vdovin). Seja {1} = G 0 < G 1 < · · · < G n = G a série <strong>de</strong>composição <strong>de</strong> um grupo finito G. As seguintes afirmações são equivalentes:(i) Aut G (G i /G i−1 ) satisfaz E π , para todo i ∈ [1, n];(ii) G satisfaz E π .Demonstração: Veja [10].


7O D−<strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> P. <strong>Hall</strong><strong>Teorema</strong> 11. Seja G um grupo solúvel. Se π ⊆ π(G), então:(1) G possui no mínimo um S π − subgrupo;(2) Todos os S π −subgrupos <strong>de</strong> G são conjugados;(3) Todo π−subgrupo <strong>de</strong> G está contido em algum S π −subgrupo <strong>de</strong> G.Precisaremos <strong>de</strong> alguns resultados:Lema 1. Seja N um subgrupo normal minimal <strong>de</strong> algum grupo G e assuma que N é finitoe solúvel. Então N é um p−grupo abeliano elementar para algum p.Demonstração: Seja N um subgrupo normal mininal, finito e solúvel <strong>de</strong> G. ComoN é solúvel, N ′ ⊳ N e como N ′ é característico em N, N ′ ⊳ G. Pela minimalida<strong>de</strong> <strong>de</strong>N, N ′ = {1} e assim N é abeliano. Seja p um divisor primo da or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> N e sejaS = {x ∈ N : x p = 1}. Pelo <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> Cauchy, S ≠ ∅ e S ≤ N. Como N é abeliano,S ⊳ N. Também, não é difícil ver que S é característico em N. Logo, S ⊳ G. Novamente,pela minimalida<strong>de</strong> <strong>de</strong> N, S = N. Portanto, N é um p−grupo abeliano elementar.Lema 2 (Argumento <strong>de</strong> Frattini). Seja N um subgrupo normal <strong>de</strong> um grupo G, com Nfinito e seja P ∈ Syl p (N). Então G = N G (P )N.Demonstração: Seja g ∈ G. Se P ∈ Syl p (N), então P g ∈ Syl p (N), já que N ⊳ G. Pelo<strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> Sylow, todos os p−subgrupos <strong>de</strong> Sylow <strong>de</strong> N são conjugados. Logo, existen ∈ N tal que P gn = P . Desta forma, gn = m ∈ N G (P ) e, assim, g = mn −1 . Como g foiescolhido <strong>de</strong> forma arbitrária, vem que G = N G (P )N.Lema 3. Seja G um grupo e sejam H e K subgrupos <strong>de</strong> G. Se H e K são conjugados emG então N G (H) e N G (K) são conjugados em G.<strong>Teorema</strong> 12 (Schur-Zassenhaus (caso solúvel)). Seja M um subgrupo normal <strong>de</strong> G, Gum grupo solúvel, e suponha que mdc(|M|, [G : M]) = 1. Então existe um subgrupo H <strong>de</strong>G tal que M ∩ H = {1} e G = MH.


8Demonstração: A <strong>de</strong>monstração é por indução na or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> G. Se M = G, tomamosH = {1}. Logo, po<strong>de</strong>mos assumir que M < G e que |G| > 1. Como G é solúvel,G/M é solúvel. Seja N/M um subgrupo normal minimal <strong>de</strong> G/M. Pelo Lema 1, N/Mé um p−grupo abeliano elementar, para algum p. Seja P ∈ Syl p (N). Como M ⊳ N,P M ≤ N e com essa escolha, N = P M. Seja X = N G (P ). Pelo Lema 2, G = XN. Logo,G = XN = XP M = XM. Como G é solúvel, X é solúvel. Também, pelo <strong>Teorema</strong> doXIsomorfismo,X ∩ M ∼ = XM M = G . Desta forma, X ∩ M ⊳ X, [G : M] = [X : X ∩ M]Me como mdc(|M|, [G : M]) = 1, mdc(|X ∩ M|, [X : X ∩ M]) = 1. Logo, pela hipótese <strong>de</strong>indução, as condições do teorema são válidas para X. Temos dois casos a consi<strong>de</strong>rar:1 o caso) X < GPela hipótese <strong>de</strong> indução, existe H < X tal que H ∩(X ∩M) = {1} e X = H(X ∩M).Mas G = XM. Logo, G = H(X ∩ M)M = HM e H ∩ (X ∩ M) = (H ∩ X) ∩ M =H ∩ M = {1}.2 o caso) X = GNeste caso, P ⊳ G e [G : P ] < |G|. Como G é solúvel, G/P é solúvel. Também,MPP ⊳ G [P . Pelo <strong>Teorema</strong> do Isomorfismo, MP ∼ MG =P P ∩ M . Agora, P : MP ]=[ ][ MGP : M [G : P ] [G : M]G==P ∩ M [M : P ∩ M] [P : P ∩ M] e assim P : MP ] ∣∣∣[G: M]. Da mesmaPforma, [MP : P ] = [M : P ∩ M] =|M| e assim [MP : P ] | |M|. Logo,( |P ∩ M| ∣∣∣MP[∣ Gmdc ∣;P P : MP ])= 1. Pela hipótese <strong>de</strong> indução, existe H PP < G MPtal queP P ·HP= G P e MPP ∩ H P = {¯1}. Deste modo, G = MP H = MH, já que P ≤ H eMP ∩ H = P implica que (M ∩ H) ⊆ M ∩ P . Basta então mostrar que M ∩ P = {1}.Como mdc(|M|, [G : M]) = 1 e P ∈ Syl p (G) então mdc(|M|, |P |) = 1. De fato, comop | [G : M], p ∤ |M|. Logo, P ∩ M = {1} implica que M ∩ H = {1}, o que <strong>de</strong>monstra oteorema.Demonstração: (<strong>Teorema</strong> 11)(1) A <strong>de</strong>monstração é por indução na or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> G. Se |G| = 1, não há nada o que<strong>de</strong>monstrar. Suponha então que |G| > 1 e seja M um subgrupo normal minimal <strong>de</strong> G.


9Como G é solúvel, G/M é solúvel. Também, [G : M] < |G|. Logo, pela hipótese <strong>de</strong>indução, existe H M < G M , H M um S π−subgrupo <strong>de</strong> G . Observe que [G : H] = [G/M :MH/M] ∈ π ′ . Pelo Lema 1, M é um p−grupo abeliano elementar <strong>de</strong> G. Desta forma,|H| = p α · [H : M]. Temos dois casos a consi<strong>de</strong>rar:1 o caso) p ∈ πNeste caso, não há nada o que <strong>de</strong>monstrar, pois [H : M] ∈ π e [G : H] ∈ π ′ . Logo, Hé um S π −subgrupo <strong>de</strong> G.2 o caso) p ∉ πSe p ∉ π, então mdc(|M|, [H : M]) = 1. Logo, pelo <strong>Teorema</strong> 12, existe K < H tal queK ∩ M = {1} e H = KM. Pelo <strong>Teorema</strong> do Isomorfismo, KM M = H M ∼ K=K ∩ M ∼ = K.Neste caso, K é um S π −subgrupo <strong>de</strong> G. Isto <strong>de</strong>monstra (1).Para a <strong>de</strong>monstração <strong>de</strong> (2) e (3), para simplificar a notação, escreveremos |G| = mn,com mdc(m, n) = 1. A <strong>de</strong>monstração é por indução na or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> G. Se |G| ≤ 5, entãoo teorema é válido trivialmente. Então, po<strong>de</strong>mos supor que |G| > 5. Dividiremos a<strong>de</strong>monstração em dois casos:1 o caso) G possui um subgrupo normal H tal que n não divi<strong>de</strong> a or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> H, com|H| = m 1 n 1 , m 1 | m, n 1 | n.(2) Sejam B, C subgrupos <strong>de</strong> G tais que |B| = |C| = m. Como H ⊳ G, HB eHC são subgrupos <strong>de</strong> G. Logo, |HB| = k | mn = |G|. Também, k | m 1 n 1 m, jáque |HB| = |H||B||H ∩ B| −1 .Como mdc(m 1 , n) = 1, existem inteiros x, y tais quexm 1 + yn = 1. Logo (m 1 n 1 m)x + (m 1 n 1 n)y = mn 1 . Desta forma, k | mn 1 . Pelo <strong>Teorema</strong><strong>de</strong> Lagrange, m | k e m 1 n 1 | k. Como mdc(m, n) = 1, mn 1 | k. Logo, k = mn 1 . Damesma forma, |HC| = mn 1 . Desta forma, HBHe HCHsão subgrupos <strong>de</strong> G , ambos <strong>de</strong>Hor<strong>de</strong>m m . Logo, pela hipótese <strong>de</strong> indução, são conjugados em G . Logo, para algumm 1 H¯x ∈ G H , ¯x−1 (HB/H)¯x = HC/H. Segue então que x −1 (HB)x = HC e consequentementeB x e C são subgrupos <strong>de</strong> HC <strong>de</strong> or<strong>de</strong>m m e, pela hipótese <strong>de</strong> indução, são conjugadosem HC. Assim, B e C são conjugados em G.


10G HB m m HC m 1 m 1 B H C m 1 m 1 H ∩ BH ∩ C n 1 n 1{1}(3) Seja K um subgrupo <strong>de</strong> G <strong>de</strong> or<strong>de</strong>m k que divi<strong>de</strong> m. Pelo <strong>Teorema</strong> do Isomorfismo,HKH ∼ = KHKtem or<strong>de</strong>m que divi<strong>de</strong> k. ComoH ∩ K H< G , sua or<strong>de</strong>m também divi<strong>de</strong>H[G : H]. Como mdc(k, n) = 1, [HK : H] | m/m 1 . Logo, pela hipótese <strong>de</strong> indução,existe um subgrupo A G <strong>de</strong> G H <strong>de</strong> or<strong>de</strong>m m/m 1 que contém HK . É claro que K < A.HComo |A| = mn 1 < mn, novamente, pela hipótese <strong>de</strong> indução, K está contido em algumsubgrupo <strong>de</strong> A <strong>de</strong> or<strong>de</strong>m m, e, consequentemente, K está contido em algum subgrupo <strong>de</strong>G <strong>de</strong> or<strong>de</strong>m m.2 o caso) Todo subgrupo normal próprio <strong>de</strong> G tem or<strong>de</strong>m divisível por n.Convém aqui fazer uma observação. Se H é um subgrupo normal minimal <strong>de</strong> G,sendo G solúvel, H é um p−grupo abeliano elementar (Lema 1). Como n | |H|, vem quen = p r . Logo, H ∈ Syl p (G). Como H ⊳ G, H é o único subgrupo normal minimal <strong>de</strong> G.Assim, todo subgrupo normal não-trivial <strong>de</strong> G contém H.(2) Seja K um subgrupo normal <strong>de</strong> G tal que K Hé um subgrupo normal minimal<strong>de</strong> G H . Como G H é solúvel, K H é um q−grupo abeliano elementar. Assim, [K : H] = qs ,(p ≠ q, q primo) e |K| = p r q s . Sejam S ∈ Syl q (K) e M = N G (S).Afirmação: |M| = m.De fato, como H ⊳ K, HS < K. Como H ∩ S = {1}, |HS| = |H||S| = p r q s = |K|.Assim, K = HS. Como K ⊳ G e S < K, então S x ⊂ K x = K, para todo x ∈ G. Logo,todo conjugado <strong>de</strong> S em G está contido em K. Como S ∈ Syl q (K), todos estes subgruposjá são conjugados em K. Seja N = N K (S). O número c <strong>de</strong> conjugados <strong>de</strong> S em G é[G : M] = [K : N]. Como S ≤ N ≤ K e K = HS ≤ HN ≤ K, vem que K = HN


11e assim c = [K : N] = [HN : N] = [H : H ∩ N]. Vamos mostrar que H ∩ N = {1}(se H ∩ N = {1}, c = |H| = p r ⇒ |M| = |G|[G : M] −1 = mp r /p r = m). Suponha, porabsurdo, que x ≠ 1 e seja x ∈ H ∩ N. Como K = HS, k = hs. Vamos mostrar quex ∈ Z(K). Temos que s(x −1 s −1 x) ∈ S, já que x ∈ N = N K (S). Mas (sx −1 s −1 )x ∈ H,já que x ∈ H e H ⊳ G. Portanto xsx −1 s −1 ∈ H ∩ S = {1}. Logo, xs = sx. Mas H éabeliano e x ∈ H. Então xk = x(hs) = (xh)s = (hx)s = h(xs) = h(sx) = kx. Logo,x ∈ Z(K), isto é, H ∩ N ⊆ Z(K). Agora, Z(K) é característico em K e K ⊳ G. Assim,Z(K) ⊳ G. Se Z(K) ≠ {1}, então H ⊆ Z(K). Como K = HS então S ⊳ K. Logo, S éo único q−subgrupo <strong>de</strong> Sylow <strong>de</strong> K, e assim, característico em K. Como K ⊳ G, S ⊳ G.Mas isto implica que H ⊆ S. Absurdo. Portanto Z(K) = {1} e a afirmação está provada.G q s K N M H Sp r q s{1}Seja B um subgrupo <strong>de</strong> G <strong>de</strong> or<strong>de</strong>m m. Então BK ≤ G. Temos que m | |BK| ep r q s | |BK|. Como mdc(m, p) = 1, vem que p r m | |BK|. Mas p r m = |G|. Portanto,GG = BK. Consequentemente,K = BK K ∼ B=B ∩ K . Com isso, |B ∩ K| = qs . Pelo<strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> Sylow, B ∩ K e S são conjugados em K. Como B ∩ K ⊳ B, B está contidoem N G (B ∩ K). Pelo Lema 3, N G (B ∩ K) e N G (S) = M são conjugados em G. Assim,|N G (B∩K)| = m. Mas |B| = m. Logo, B = N G (B∩K) e portanto B e M são conjugados.(3) Seja D um subgrupo <strong>de</strong> G tal que |D| = k | m. Seja M como em (2) e H comona observação (|M| = m e |H| = p r ). Então D ∩ H = {1} e assim |DH| = |D||H| = kp r .Como M ∩H = {1}, vem que G = MH. Assim M(DH) = G e |M ∩DH| = k. Escrevendo


12M ∩ DH = M ∗ , temos que, por (2) M ∗ e D são conjugados em DH, logo, em G. Assim,existe g ∈ G tal que (M ∗ ) g = D. Como M ∗ < M, D está contido em M g , um subgrupo<strong>de</strong> or<strong>de</strong>m m.Recíproca do <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> P. <strong>Hall</strong>A seguir, vamos iniciar a <strong>de</strong>monstração da recíproca do <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> P. <strong>Hall</strong>. Comeste teorema, P. <strong>Hall</strong> conseguiu caracterizar os grupos solúveis através da existência <strong>de</strong>S p ′−subgrupos em um grupo G.Lema 4. Se H e K são subgrupos <strong>de</strong> um grupo G tal que mdc([G : H], [G : K]) = 1,então:(i) [G : H ∩ K] = [G : H][G : K];(ii) G = HK.Demonstração: Escreva g = |G|, m = [G : H], n = [G : K] e a = |H ∩ K|. Então,existem inteiros positivos h, k tais que |H| = ah e |K| = ak. Assim, g = ahm = akn, oque implica que hm = kn. Como mdc(m, n) = 1, vem que h = nr e k = mr para alguminteiro r. Com isso, g = amnr. Por outro lado, g = |G| ≥ |HK| = |H||K||H ∩ K| −1 =amnr 2 . Isto força r = 1 e assim |HK| = amn = g. Logo, HK = G. Também,[G : H ∩ K] = mn = [G : H][G : K], o que <strong>de</strong>monstra o lema.<strong>Teorema</strong> 13. Se um grupo G possui três subgrupos solúveis cujos indíces são dois a doisrelativamente primos, então G é solúvel.Demonstração: Sejam H 1 , H 2 e H 3 subgrupos solúveis <strong>de</strong> um grupo G. Po<strong>de</strong>mos suporque H i ≠ {1}, 1 ≤ i ≤ 3, pois, se, por exemplo, H 1 = {1}, então [G : H 1 ] = |G|. Como[G : H 2 ] é relativamente primo com |G|, vem que H 2 = G e assim G é solúvel. Sejam Mum subgrupo normal minimal <strong>de</strong> H 1 . Pelo Lema 1, M é um p−grupo abeliano elementar.


13Como mdc([G : H 2 ], [G : H 3 ]) = 1, po<strong>de</strong>mos supor que p não divi<strong>de</strong> [G : H 2 ]. Neste caso,H 2 contém um p−subgrupo <strong>de</strong> Sylow <strong>de</strong> G. Seja P 1 ∈ Syl p (H 1 ). Assim, P 1 ⊆ H x 2 , paraalgum x ∈ G. Po<strong>de</strong>mos supor, sem perda <strong>de</strong> generalida<strong>de</strong>, que P 1 ⊆ H 2 . Mas, comoM ⊳ H 1 , M está contido em todo p−subgrupo <strong>de</strong> Sylow <strong>de</strong> H 1 . Logo, M ⊆ H 1 ∩ H 2 . PeloLema 4, G = H 1 H 2 . Assim, se g ∈ G, g = h 1 h 2 e M g = M h 2⊆ H 2 . Mas isto implica queo fecho normal K <strong>de</strong> M em G está contido em H 2 . Como H 2 é solúvel, K é solúvel. Comisso, os subgrupos KH i /K <strong>de</strong> G/K estão nas condições do teorema. Por indução, G/Ké solúvel. Portanto, G é solúvel.Observe que a hipótese do grupo G possuir três subgrupos solúveis cujos índicessão dois a dois relativamente primos é essencial. De fato, consi<strong>de</strong>re A 5 , |A 5 | = 2 2 · 3 ·5. A 5 possui um 5−subgrupo <strong>de</strong> Sylow e um subgrupo <strong>de</strong> or<strong>de</strong>m 12, cujos índices sãorelativamente primos, mas A 5 não é solúvel.<strong>Teorema</strong> 14 (P. <strong>Hall</strong>). Um grupo G é solúvel se, e somente se, G possui um S p ′−subgrupopara todo primo p.Demonstração: Seja |G| = p α 11 · · · p αnn , com p i ≠ p j se i ≠ j. Po<strong>de</strong>mos supor que n > 2,já que se n = 1, G é um p 1 −grupo e assim solúvel; se n = 2, o <strong>Teorema</strong> <strong>de</strong> Burnsi<strong>de</strong>garante que G é solúvel. Seja H i um S p ′i−subgrupo <strong>de</strong> G, 1 ≤ i ≤ n, que existe, porhipótese. Como [G : H i ] = p α ii , basta mostrar que cada H i é solúvel. Assim, o resultadosegue do <strong>Teorema</strong> 13. A <strong>de</strong>monstração é por indução na or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> G. Pelo Lema 4, H 1 ∩H jé um S π −subgrupo <strong>de</strong> G, com π = π(G) − {p 1 , p j }. Logo, H 1 ∩ H j é um S p ′j−subgrupo<strong>de</strong> H 1 , 2 ≤ j ≤ n. Pela hipótese <strong>de</strong> indução, H 1 é solúvel. Da mesma forma, prova-se quecada H i é solúvel e assim, o teorema está <strong>de</strong>monstrado.


14Referências Bibliográficas[1] Gorenstein, Daniel. Finite Groups. Chelsea Publishing Company. 1980.[2] <strong>Hall</strong>, P. A characteristic property of soluble groups. J. London Math. Soc. vol. 12.(1937). 198-200.[3] <strong>Hall</strong>, P. A note on soluble groups. J. London Math. Soc. vol. 3 (1928). 98-105.[4] <strong>Hall</strong>, P. Theorems like Sylow’s. Proc. London Math. Soc., 6, N22 (1956), 286-304.[5] Hungerford, Thomas. Algebra. Springer-Verlag. 1974[6] Isaacs, I. Martin. Algebra - A Graduate Course. Brooks. 1994.[7] Suzuki, Michio. Group Theory I. Springer-Verlag. 1982.[8] Suzuki, Michio. Group Theory II. Springer-Verlag. 1986.[9] Vdovin, E. P., Revin, D. O. A conjugacy criterion for <strong>Hall</strong> subgroups in finite groups.Siberian Mathematical Journal. Volume 51, Number 3, 402-409.[10] Vdovin, E. P., Revin, D. O. An existence criterion for <strong>Hall</strong> subgroups of finite groups.Journal of Group Theory. Pre-print.[11] Vdovin, E. P., Revin, D. O. <strong>Hall</strong> subgroups of finite groups. Ischia Group Theory 2004:Proceedings of a Conference in honour of Marcel Herzog, Contemporary Mathematics,AMS, 2006, v. 402, 229-265

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