1 Hall 部分群
最初に、素数集合に関する位数の条件を定義する。
定義 1.1. π \pi π を素数の集合とする。正の整数a a a のすべての素因数がπ \pi π に属するとき、a a a を
π \pi π 数 (pi-number ) という。1 1 1 はπ \pi π 数とする。π \pi π に属さない素数全体の集合をπ ′ \pi' π ′ と書く。
有限群G G G の部分群H H H について、∣ H ∣ |H| ∣ H ∣ がπ \pi π 数であり、指数[ G : H ] [G:H] [ G : H ] がπ ′ \pi' π ′ 数であるとき、H H H を Hallπ \pi π 部分群 (Hall pi-subgroup ) という。位数がπ \pi π 数である有限群とその部分群を、それぞれ π \pi π 群 (pi-group ) 、π \pi π 部分群 (pi-subgroup ) という。
補部分群は、後の帰納法で正規部分群を除いた部分を実現する。
定義 1.2. V V V を有限群M M M の正規部分群とする。部分群H ≤ M H\le M H ≤ M が
M = V H , V ∩ H = { e M } M=VH,\qquad V\cap H=\{e_M\} M = V H , V ∩ H = { e M } を満たすとき、H H H をM M M におけるV V V の補部分群 (complement ) という。
Hall の三定理の証明と、記事末の例で用いる先行結果を区別して記録する。
2 最小正規部分群
有限可解群の最小正規部分群は、有限体上のベクトル空間として扱うことができる。
補題 2.1. G G G を非自明な有限可解群とし、V V V をG G G の非自明な正規部分群のうち包含関係に関して極小なものとする。このとき、ある素数r r r が存在して、V V V は有限初等アーベルr r r 群である。すなわち、V V V はアーベル群であり、任意のv ∈ V v\in V v ∈ V がv r = e G v^r=e_G v r = e G を満たす。
証明. §E7.21 定理 3.2 により、V V V は可解である。V V V の導来列の最後の非自明な項をA A A とする。A A A はV V V の特性部分群であり、アーベル群である。V ⊴ G V\trianglelefteq G V ⊴ G なのでA ⊴ G A\trianglelefteq G A ⊴ G である。A ≠ { e G } A\ne\{e_G\} A = { e G } とV V V の極小性からA = V A=V A = V を得る。したがってV V V はアーベル群である。
∣ V ∣ |V| ∣ V ∣ を割る素数r r r を一つ取る。§E7.17 定理 1.2 により、V V V は Sylowr r r 部分群R R R をもつ。V V V はアーベル群なので、R R R の任意の共役部分群はR R R 自身である。§E7.17 定理 2.1 により Sylowr r r 部分群は一つだけである。したがってR R R はV V V の特性部分群であり、R ⊴ G R\trianglelefteq G R ⊴ G である。R ≠ { e G } R\ne\{e_G\} R = { e G } とV V V の極小性からR = V R=V R = V を得る。ゆえにV V V はr r r 群である。
Ω 1 ( V ) = { v ∈ V ∣ v r = e G } \Omega_1(V)=\{v\in V\mid v^r=e_G\} Ω 1 ( V ) = { v ∈ V ∣ v r = e G } と置く。V V V はアーベル群なのでΩ 1 ( V ) \Omega_1(V) Ω 1 ( V ) は部分群であり、その定義からV V V の特性部分群である。e G e_G e G でない元v ∈ V v\in V v ∈ V を取る。V V V は有限r r r 群なので、v v v の位数はr k r^k r k (k ≥ 1 k\ge1 k ≥ 1 )と書くことができる。このときv r k − 1 v^{r^{k-1}} v r k − 1 は位数r r r であるから、Ω 1 ( V ) ≠ { e G } \Omega_1(V)\ne\{e_G\} Ω 1 ( V ) = { e G } である。したがってΩ 1 ( V ) ⊴ G \Omega_1(V)\trianglelefteq G Ω 1 ( V ) ⊴ G とV V V の極小性からΩ 1 ( V ) = V \Omega_1(V)=V Ω 1 ( V ) = V を得る。
V V V の演算を加法で書き、F r \mathbb F_r F r の元による整数倍をスカラー倍とすると、V V V は有限次元F r \mathbb F_r F r ベクトル空間になる。したがってV V V は初等アーベルr r r 群である。▨
3 初等アーベル核の補部分群
次の補題は、Hall の三定理の帰納法で必要となる補部分群だけを構成する。群コホモロジーの一般理論は用いず、すべての恒等式を有限和によって直接計算する。
補題 3.1. r r r を素数、V V V を有限初等アーベルr r r 群とし、有限群の短完全列
1 ⟶ V ⟶ M → ρ Q ⟶ 1 1\longrightarrow V\longrightarrow M\xrightarrow{\rho}Q\longrightarrow1 1 ⟶ V ⟶ M ρ Q ⟶ 1 を考える。r ∤ ∣ Q ∣ r\nmid |Q| r ∤ ∣ Q ∣ と仮定する。このとき、M M M におけるV V V の補部分群が存在する。さらに、任意の二つの補部分群はV V V の元によって共役である。
証明方針は次のとおりである。最初に、Q Q Q のV V V への作用を持上げの選択によらず定める。次に、集合論的切断の積に関する誤差を factor setf f f として記録する。結合律からf f f の恒等式を導き、∣ Q ∣ |Q| ∣ Q ∣ がF r \mathbb F_r F r 上で可逆であることを用いてf f f を有限和で消去する。得られた準同型切断の像が補部分群である。最後に、二つの準同型切断の差を同じ有限和によって消去し、二つの補部分群がV V V の元によって共役であることを示す。
証明. V V V をM M M の正規部分群と同一視し、V V V の演算を加法で書く。q ∈ Q q\in Q q ∈ Q に対し、ρ ( q ~ ) = q \rho(\widetilde q)=q ρ ( q ) = q を満たすq ~ ∈ M \widetilde q\in M q ∈ M を取り、
q ⋅ v = q ~ v q ~ − 1 ( v ∈ V ) q\cdot v=\widetilde q\,v\,\widetilde q^{-1}\qquad(v\in V) q ⋅ v = q v q − 1 ( v ∈ V ) と定める。別の持上げはa q ~ a\widetilde q a q (a ∈ V a\in V a ∈ V )の形で表される。V V V はアーベル群なので、a a a によるV V V 上の共役は恒等写像である。したがってq ⋅ v q\cdot v q ⋅ v は持上げの選び方によらない。また、積の持上げを用いると
( q t ) ⋅ v = q ⋅ ( t ⋅ v ) (qt)\cdot v=q\cdot(t\cdot v) ( q t ) ⋅ v = q ⋅ ( t ⋅ v ) が成り立つため、Q Q Q はV V V に左から作用する。
σ ( e Q ) = e M \sigma(e_Q)=e_M σ ( e Q ) = e M を満たす集合論的切断σ : Q → M \sigma\colon Q\to M σ : Q → M を選ぶ。各q , t ∈ Q q,t\in Q q , t ∈ Q について一意なf ( q , t ) ∈ V f(q,t)\in V f ( q , t ) ∈ V が存在して
σ ( q ) σ ( t ) = f ( q , t ) σ ( q t ) (1) \sigma(q)\sigma(t)=f(q,t)\sigma(qt)
\tag{1} σ ( q ) σ ( t ) = f ( q , t ) σ ( q t ) ( 1 ) となる。f f f を、この切断の factor set と呼ぶ。三つの元の積へ結合律を二通りに適用し、
(1) を用いると
f ( q , t ) + f ( q t , u ) = q ⋅ f ( t , u ) + f ( q , t u ) (2) f(q,t)+f(qt,u)=q\cdot f(t,u)+f(q,tu)
\tag{2} f ( q , t ) + f ( q t , u ) = q ⋅ f ( t , u ) + f ( q , t u ) ( 2 ) を得る。ここでは、σ ( q ) f ( t , u ) σ ( q ) − 1 = q ⋅ f ( t , u ) \sigma(q)f(t,u)\sigma(q)^{-1}=q\cdot f(t,u) σ ( q ) f ( t , u ) σ ( q ) − 1 = q ⋅ f ( t , u ) を用いた。
m = ∣ Q ∣ m=|Q| m = ∣ Q ∣ と置く。r ∤ m r\nmid m r ∤ m なので、c m ≡ 1 ( m o d r ) cm\equiv1\pmod r c m ≡ 1 ( mod r ) を満たす整数c c c が存在する。V V V の各元の位数はr r r を割るため、V V V 上の整数倍c m cm c m は恒等写像である。各q ∈ Q q\in Q q ∈ Q に対して
A ( q ) = ∑ u ∈ Q f ( q , u ) , B ( q ) = c A ( q ) A(q)=\sum_{u\in Q}f(q,u),\qquad B(q)=cA(q) A ( q ) = u ∈ Q ∑ f ( q , u ) , B ( q ) = c A ( q ) と置く。(2) をu ∈ Q u\in Q u ∈ Q について加えると
m f ( q , t ) + A ( q t ) = q ⋅ A ( t ) + A ( q ) mf(q,t)+A(qt)=q\cdot A(t)+A(q) m f ( q , t ) + A ( q t ) = q ⋅ A ( t ) + A ( q ) となる。右辺の最後の和では、u ↦ t u u\mapsto tu u ↦ t u がQ Q Q の全単射であることを用いた。両辺をc c c 倍すると
f ( q , t ) = B ( q ) + q ⋅ B ( t ) − B ( q t ) (3) f(q,t)=B(q)+q\cdot B(t)-B(qt)
\tag{3} f ( q , t ) = B ( q ) + q ⋅ B ( t ) − B ( q t ) ( 3 ) を得る。
s ( q ) = ( − B ( q ) ) σ ( q ) s(q)=(-B(q))\sigma(q) s ( q ) = ( − B ( q )) σ ( q ) と定める。σ ( e Q ) = e M \sigma(e_Q)=e_M σ ( e Q ) = e M を (1) に代入するとf ( e Q , u ) = 0 f(e_Q,u)=0 f ( e Q , u ) = 0 であるから、B ( e Q ) = 0 B(e_Q)=0 B ( e Q ) = 0 である。(1) と (3) から
s ( q ) s ( t ) = ( − B ( q ) ) σ ( q ) ( − B ( t ) ) σ ( t ) = ( − B ( q ) − q ⋅ B ( t ) + f ( q , t ) ) σ ( q t ) = ( − B ( q t ) ) σ ( q t ) = s ( q t ) \begin{aligned}
s(q)s(t)
&=(-B(q))\sigma(q)(-B(t))\sigma(t)\\
&=\bigl(-B(q)-q\cdot B(t)+f(q,t)\bigr)\sigma(qt)\\
&=(-B(qt))\sigma(qt)=s(qt)
\end{aligned} s ( q ) s ( t ) = ( − B ( q )) σ ( q ) ( − B ( t )) σ ( t ) = ( − B ( q ) − q ⋅ B ( t ) + f ( q , t ) ) σ ( q t ) = ( − B ( q t )) σ ( q t ) = s ( q t ) が成り立つ。またs ( e Q ) = e M s(e_Q)=e_M s ( e Q ) = e M である。したがってs s s は群準同型であり、ρ ∘ s = id Q \rho\circ s=\operatorname{id}_Q ρ ∘ s = id Q を満たす。
H = s ( Q ) H=s(Q) H = s ( Q ) と置く。ρ ∣ H \rho|_H ρ ∣ H はQ Q Q への同型であるからH ∩ V = { e M } H\cap V=\{e_M\} H ∩ V = { e M } である。任意のx ∈ M x\in M x ∈ M に対しq = ρ ( x ) q=\rho(x) q = ρ ( x ) と置けばx s ( q ) − 1 ∈ V xs(q)^{-1}\in V x s ( q ) − 1 ∈ V なのでM = V H M=VH M = V H である。したがってH H H はV V V の補部分群である。
次に、二つの補部分群を取る。各補部分群へのρ \rho ρ の制限はQ Q Q への同型なので、二つの準同型切断s , t : Q → M s,t\colon Q\to M s , t : Q → M が得られる。一意なz ( q ) ∈ V z(q)\in V z ( q ) ∈ V によって
t ( q ) = z ( q ) s ( q ) t(q)=z(q)s(q) t ( q ) = z ( q ) s ( q ) と書くことができる。s s s とt t t が準同型であることから
z ( q t ) = z ( q ) + q ⋅ z ( t ) (4) z(qt)=z(q)+q\cdot z(t)
\tag{4} z ( q t ) = z ( q ) + q ⋅ z ( t ) ( 4 ) を得る。S = ∑ u ∈ Q z ( u ) S=\sum_{u\in Q}z(u) S = ∑ u ∈ Q z ( u ) と置く。固定したq ∈ Q q\in Q q ∈ Q に対して (4) をt = u t=u t = u として加えると、u ↦ q u u\mapsto qu u ↦ q u がQ Q Q の全単射なので
S = m z ( q ) + q ⋅ S S=mz(q)+q\cdot S S = m z ( q ) + q ⋅ S となる。w = c S w=cS w = c S と置けば
z ( q ) = w − q ⋅ w (5) z(q)=w-q\cdot w
\tag{5} z ( q ) = w − q ⋅ w ( 5 ) である。(5) から
w s ( q ) w − 1 = ( w − q ⋅ w ) s ( q ) = z ( q ) s ( q ) = t ( q ) ws(q)w^{-1}=(w-q\cdot w)s(q)=z(q)s(q)=t(q) w s ( q ) w − 1 = ( w − q ⋅ w ) s ( q ) = z ( q ) s ( q ) = t ( q ) を得る。したがってt ( Q ) = w s ( Q ) w − 1 t(Q)=ws(Q)w^{-1} t ( Q ) = w s ( Q ) w − 1 であり、任意の二つの補部分群はV V V の元によって共役である。▨
4 Hall の三定理
帰納法の途中で、正規なπ \pi π 部分群が Hallπ \pi π 部分群へ自動的に含まれることを用いる。
補題 4.1. G G G を有限群、N ⊴ G N\trianglelefteq G N ⊴ G をπ \pi π 部分群、H ≤ G H\le G H ≤ G を Hallπ \pi π 部分群とする。このときN ≤ H N\le H N ≤ H である。
証明. N ⊴ G N\trianglelefteq G N ⊴ G なのでN H NH N H は部分群である。指数
[ N H : H ] = [ N : N ∩ H ] [NH:H]=[N:N\cap H] [ N H : H ] = [ N : N ∩ H ] は∣ N ∣ |N| ∣ N ∣ を割るのでπ \pi π 数である。一方、H ≤ N H ≤ G H\le NH\le G H ≤ N H ≤ G なので[ N H : H ] [NH:H] [ N H : H ] は[ G : H ] [G:H] [ G : H ] を割り、π ′ \pi' π ′ 数でもある。π \pi π 数かつπ ′ \pi' π ′ 数である正の整数は1 1 1 だけなので、[ N H : H ] = 1 [NH:H]=1 [ N H : H ] = 1 である。したがってN H = H NH=H N H = H であり、N ≤ H N\le H N ≤ H となる。▨
証明方針は次のとおりである。存在、共役、包含の三つの主張を群の位数について同時に帰納する。非自明な有限可解群G G G の最小正規部分群V V V は、補題 2.1 により、ある素数r r r に対する初等アーベルr r r 群である。V ≠ { e G } V\ne\{e_G\} V = { e G } から∣ G / V ∣ < ∣ G ∣ |G/V|<|G| ∣ G / V ∣ < ∣ G ∣ となるため、商群G / V G/V G / V に帰納法を適用する。r ∈ π r\in\pi r ∈ π の場合はV V V を Hall 部分群の中へ含め、r ∉ π r\notin\pi r ∈ / π の場合は補題 3.1 によってV V V の補部分群を取る。最後に、商群で得た存在、共役、包含を、それぞれこの二つの場合に分けてG G G の主張へ引き上げる。
定理 4.2 (Hall の三定理). G G G を有限可解群、π \pi π を素数の集合とする。このとき、次が成り立つ。
G G G は Hallπ \pi π 部分群をもつ。
任意の二つの Hallπ \pi π 部分群は、G G G の元によって共役である。
任意のπ \pi π 部分群P ≤ G P\le G P ≤ G は、ある Hallπ \pi π 部分群に含まれる。
証明. 群の位数∣ G ∣ |G| ∣ G ∣ に関する強い帰納法によって、三つの主張を同時に証明する。∣ G ∣ = 1 |G|=1 ∣ G ∣ = 1 ならばG = { e G } G=\{e_G\} G = { e G } であり、{ e G } \{e_G\} { e G } が唯一の Hallπ \pi π 部分群である。三つの主張はすべて成り立つ。
∣ G ∣ > 1 |G|>1 ∣ G ∣ > 1 とし、位数が∣ G ∣ |G| ∣ G ∣ より小さい有限可解群について三つの主張が成り立つと仮定する。有限性によって、G G G は非自明な正規部分群のうち包含関係に関して極小なものV V V をもつ。補題 2.1 により、ある素数r r r が存在して、V V V は初等アーベルr r r 群である。§E7.21 定理 3.2 によりG / V G/V G / V は可解である。さらに、V ≠ { e G } V\ne\{e_G\} V = { e G } なので
∣ G / V ∣ = ∣ G ∣ ∣ V ∣ < ∣ G ∣ |G/V|=\frac{|G|}{|V|}<|G| ∣ G / V ∣ = ∣ V ∣ ∣ G ∣ < ∣ G ∣ である。したがってG / V G/V G / V に帰納法の仮定を適用し、存在、共役、包含の三つの主張をすべて用いることができる。
最初に存在を証明する。G / V G/V G / V の Hallπ \pi π 部分群H ‾ \overline H H を取り、そのG G G への逆像をM M M とする。
r ∈ π r\in\pi r ∈ π と仮定する。∣ M ∣ = ∣ V ∣ ∣ H ‾ ∣ |M|=|V||\overline H| ∣ M ∣ = ∣ V ∣∣ H ∣ はπ \pi π 数であり、
[ G : M ] = [ G / V : H ‾ ] [G:M]=[G/V:\overline H] [ G : M ] = [ G / V : H ] はπ ′ \pi' π ′ 数である。したがってM M M はG G G の Hallπ \pi π 部分群である。
r ∉ π r\notin\pi r ∈ / π と仮定する。このときr ∤ ∣ H ‾ ∣ r\nmid|\overline H| r ∤ ∣ H ∣ である。短完全列
1 ⟶ V ⟶ M ⟶ H ‾ ⟶ 1 1\longrightarrow V\longrightarrow M\longrightarrow\overline H\longrightarrow1 1 ⟶ V ⟶ M ⟶ H ⟶ 1 へ補題 3.1 を適用し、V V V の補部分群H ≤ M H\le M H ≤ M を取る。∣ H ∣ = ∣ H ‾ ∣ |H|=|\overline H| ∣ H ∣ = ∣ H ∣ はπ \pi π 数であり、
[ G : H ] = [ G : M ] [ M : H ] = [ G / V : H ‾ ] ∣ V ∣ [G:H]=[G:M][M:H]=[G/V:\overline H]|V| [ G : H ] = [ G : M ] [ M : H ] = [ G / V : H ] ∣ V ∣ はπ ′ \pi' π ′ 数である。したがってH H H はG G G の Hallπ \pi π 部分群であり、(1) が成り立つ。
次に共役を証明する。H H H とK K K をG G G の Hallπ \pi π 部分群とする。H V / V HV/V H V / V とK V / V KV/V K V / V の位数はπ \pi π 数である。また
[ G / V : H V / V ] = [ G : H V ] [G/V:HV/V]=[G:HV] [ G / V : H V / V ] = [ G : H V ] は[ G : H ] [G:H] [ G : H ] を割るのでπ ′ \pi' π ′ 数である。したがってH V / V HV/V H V / V とK V / V KV/V K V / V はG / V G/V G / V の Hallπ \pi π 部分群である。商群における帰納法の仮定により、あるg ∈ G g\in G g ∈ G でK K K をg K g − 1 gKg^{-1} g K g − 1 に置き換えれば
H V / V = K V / V HV/V=KV/V H V / V = K V / V とすることができる。この共通の部分群のG G G への逆像をM M M と書く。このときM = V H = V K M=VH=VK M = V H = V K である。
r ∈ π r\in\pi r ∈ π ならば、補題 4.1 によってV ≤ H V\le H V ≤ H かつV ≤ K V\le K V ≤ K である。したがってH = V H = M = V K = K H=VH=M=VK=K H = V H = M = V K = K となる。
r ∉ π r\notin\pi r ∈ / π ならば、∣ H ∣ |H| ∣ H ∣ と∣ K ∣ |K| ∣ K ∣ はπ \pi π 数であり、∣ V ∣ |V| ∣ V ∣ はr r r の冪なのでH ∩ V = K ∩ V = { e G } H\cap V=K\cap V=\{e_G\} H ∩ V = K ∩ V = { e G } である。したがってH H H とK K K は、M M M におけるV V V の補部分群である。また、M / V = H V / V M/V=HV/V M / V = H V / V はπ \pi π 群なのでr ∤ ∣ M / V ∣ r\nmid|M/V| r ∤ ∣ M / V ∣ である。したがって補題 3.1 の仮定が成り立ち、H H H とK K K はV V V の元で共役である。商群で行った最初の共役と合わせると、元のH H H とK K K はG G G の元で共役である。したがって(2) が成り立つ。
最後に包含を証明する。P ≤ G P\le G P ≤ G を任意のπ \pi π 部分群とする。P V / V PV/V P V / V はG / V G/V G / V のπ \pi π 部分群である。商群における帰納法の仮定により、P V / V PV/V P V / V を含むG / V G/V G / V の Hallπ \pi π 部分群L ‾ \overline L L が存在する。そのG G G への逆像をM M M とする。
r ∈ π r\in\pi r ∈ π ならば、存在証明と同じ位数の計算によってM M M はG G G の Hallπ \pi π 部分群であり、P ≤ P V ≤ M P\le PV\le M P ≤ P V ≤ M である。
r ∉ π r\notin\pi r ∈ / π ならば、M / V = L ‾ M/V=\overline L M / V = L はπ \pi π 群なのでr ∤ ∣ M / V ∣ r\nmid|M/V| r ∤ ∣ M / V ∣ である。補題 3.1 により、M M M におけるV V V の補部分群H H H が存在する。存在証明と同じ計算によってH H H はG G G の Hallπ \pi π 部分群である。P ∩ V = { e G } P\cap V=\{e_G\} P ∩ V = { e G } かつP V = V P PV=VP P V = V P なので、P P P はP V PV P V におけるV V V の補部分群である。
H ∩ P V H\cap PV H ∩ P V もP V PV P V におけるV V V の補部分群である。実際、ρ ∣ H : H → M / V \rho|_H\colon H\to M/V ρ ∣ H : H → M / V は同型であり、P V / V ≤ M / V PV/V\le M/V P V / V ≤ M / V である。x ∈ P V x\in PV x ∈ P V に対し、ρ ( h ) = ρ ( x ) \rho(h)=\rho(x) ρ ( h ) = ρ ( x ) を満たすh ∈ H h\in H h ∈ H を取ると、h − 1 x ∈ V ≤ P V h^{-1}x\in V\le PV h − 1 x ∈ V ≤ P V なのでh ∈ H ∩ P V h\in H\cap PV h ∈ H ∩ P V である。したがってP V = V ( H ∩ P V ) PV=V(H\cap PV) P V = V ( H ∩ P V ) であり、V ∩ ( H ∩ P V ) = { e G } V\cap(H\cap PV)=\{e_G\} V ∩ ( H ∩ P V ) = { e G } である。また、P V / V PV/V P V / V はπ \pi π 群なのでr ∤ ∣ P V / V ∣ r\nmid|PV/V| r ∤ ∣ P V / V ∣ である。
補題 3.1 を群P V PV P V へ適用すると、あるv ∈ V v\in V v ∈ V が存在して
P = v ( H ∩ P V ) v − 1 P=v(H\cap PV)v^{-1} P = v ( H ∩ P V ) v − 1 となる。ゆえにP ≤ v H v − 1 P\le vHv^{-1} P ≤ v H v − 1 であり、v H v − 1 vHv^{-1} v H v − 1 はG G G の Hallπ \pi π 部分群である。したがって(3) が成り立つ。▨
5 Sylow の定理との対応
一つの素数だけを選ぶと、Hall 部分群は Sylow 部分群になる。
系 5.1. G G G を有限可解群、p p p を素数とし、π = { p } \pi=\{p\} π = { p } とする。このとき Hallπ \pi π 部分群は
Sylowp p p 部分群である。したがって定理 4.2 の存在、共役、包含の三つの主張は、
Sylow の定理における対応する三つの主張に一致する。
証明. ∣ G ∣ = p n m |G|=p^n m ∣ G ∣ = p n m 、p ∤ m p\nmid m p ∤ m と書く。H H H が Hall{ p } \{p\} { p } 部分群ならば、∣ H ∣ |H| ∣ H ∣ はp p p の冪であり、[ G : H ] [G:H] [ G : H ] はp p p で割り切れない。∣ G ∣ = ∣ H ∣ [ G : H ] |G|=|H|[G:H] ∣ G ∣ = ∣ H ∣ [ G : H ] なので∣ H ∣ = p n |H|=p^n ∣ H ∣ = p n であり、H H H は Sylowp p p 部分群である。逆に、Sylowp p p 部分群の位数はp n p^n p n 、指数はm m m なので、
Hall{ p } \{p\} { p } 部分群である。
Hall の三定理は、Sylow 部分群の存在、共役、および任意のp p p 部分群の包含を再現する。
Sylow 部分群の個数に関する合同条件と整除条件は、§E7.17 定理 2.1 が共役作用からさらに与える結論である。▨
6 例と仮定の境界
S 3 S_3 S 3 では、Hall 部分群を直接に列挙することができる。
例 6.1 (S 3 S_3 S 3 の Hall 部分群). 正規列
{ e } ⊴ A 3 ⊴ S 3 \{e\}\trianglelefteq A_3\trianglelefteq S_3 { e } ⊴ A 3 ⊴ S 3 の因子はC 3 C_3 C 3 とC 2 C_2 C 2 に同型なので、S 3 S_3 S 3 は可解である。
π = { 3 } \pi=\{3\} π = { 3 } のとき、A 3 A_3 A 3 は位数3 3 3 、指数2 2 2 の Hallπ \pi π 部分群であり、唯一である。π = { 2 } \pi=\{2\} π = { 2 } のとき、三つの互換がそれぞれ位数2 2 2 の Hallπ \pi π 部分群を生成し、三つの部分群はS 3 S_3 S 3 で互いに共役である。任意の{ 2 } \{2\} { 2 } 部分群は、自明部分群またはこの三つのいずれかであるため、Hall{ 2 } \{2\} { 2 } 部分群に含まれる。
可解性を外すと、Hall 部分群が存在しない場合がある。
例 6.2 (可解性を外した場合). A 5 A_5 A 5 は可解でない(§E7.21 定理 6.1 )。π = { 3 , 5 } \pi=\{3,5\} π = { 3 , 5 } とする。A 5 A_5 A 5 が Hallπ \pi π 部分群H H H をもつならば、∣ H ∣ = 15 |H|=15 ∣ H ∣ = 15 でなければならない。
§E7.17 定理 4.2 をp = 3 p=3 p = 3 、q = 5 q=5 q = 5 に適用する。3 ∤ 4 3\nmid4 3 ∤ 4 なので、位数15 15 15 の群は巡回群である。したがってH H H は位数15 15 15 の元をもつ。しかし、S 5 S_5 S 5 の置換が位数15 15 15 をもつには、互いに素な巡回置換への分解に長さ3 3 3 の巡回因子と長さ5 5 5 の巡回因子が必要であり、少なくとも8 8 8 個の文字が必要となる。ゆえにS 5 S_5 S 5 とその部分群A 5 A_5 A 5 は位数15 15 15 の元をもたない。位数15 15 15 の元が存在するという結論は矛盾である。したがってA 5 A_5 A 5 は Hall{ 3 , 5 } \{3,5\} { 3 , 5 } 部分群をもたない。
7 演習
問題 7.1.
補題 3.1 の証明で、(2) をu ∈ Q u\in Q u ∈ Q について加えた式を再構成せよ。変数変換u ↦ t u u\mapsto tu u ↦ t u を用いる箇所と、c m ≡ 1 ( m o d r ) cm\equiv1\pmod r c m ≡ 1 ( mod r ) を用いる箇所を区別して示せ。
定理 4.2 の存在証明について、r ∈ π r\in\pi r ∈ π の場合とr ∉ π r\notin\pi r ∈ / π の場合の位数と指数をそれぞれ計算し、得られた部分群が Hallπ \pi π 部分群であることを示せ。
同定理の包含証明で、H ∩ P V H\cap PV H ∩ P V がP V PV P V におけるV V V の補部分群であることを証明せよ。その後、補部分群の共役からP ≤ v H v − 1 P\le vHv^{-1} P ≤ v H v − 1 が従うまでの論証を再構成せよ。
A 5 A_5 A 5 に Hall{ 2 , 5 } \{2,5\} { 2 , 5 } 部分群が存在しないことを示せ。部分群が存在すると仮定した場合の位数を求め、Sylow 部分群の個数条件を用いて矛盾を導け。
解答 (演習の要点). 第1問では、(2) の左辺がm f ( q , t ) + A ( q t ) mf(q,t)+A(qt) m f ( q , t ) + A ( q t ) となり、右辺がq ⋅ A ( t ) + A ( q ) q\cdot A(t)+A(q) q ⋅ A ( t ) + A ( q ) となる。c c c 倍した後にc m cm c m がV V V 上の恒等写像になることを用いる。第2問では、r ∈ π r\in\pi r ∈ π の場合は逆像M M M を取り、r ∉ π r\notin\pi r ∈ / π の場合は[ G : H ] = [ G : M ] ∣ V ∣ [G:H]=[G:M]|V| [ G : H ] = [ G : M ] ∣ V ∣ を用いる。第3問では、ρ ∣ H \rho|_H ρ ∣ H が同型であることからP V = V ( H ∩ P V ) PV=V(H\cap PV) P V = V ( H ∩ P V ) を示し、P P P とH ∩ P V H\cap PV H ∩ P V に補部分群共役を適用する。
第4問で Hall{ 2 , 5 } \{2,5\} { 2 , 5 } 部分群が存在するならば、その位数は20 20 20 である。位数20 20 20 の群H H H では Sylow5 5 5 部分群の個数が1 1 1 なので、その部分群P P P はH H H に正規である。したがってH ≤ N A 5 ( P ) H\le N_{A_5}(P) H ≤ N A 5 ( P ) である。P P P を一つの5 5 5 -cycle が生成する部分群として、N A 5 ( P ) N_{A_5}(P) N A 5 ( P ) からAut ( P ) ≅ C 4 \operatorname{Aut}(P)\cong C_4 Aut ( P ) ≅ C 4 への共役準同型を考える。核はC A 5 ( P ) = P C_{A_5}(P)=P C A 5 ( P ) = P である。実際、5 5 5 -cycle のS 5 S_5 S 5 における中心化群がP P P である。P P P の逆元写像は二つの互換の積によって実現される。一方、位数4 4 4 の自己同型を実現する置換は、一つの文字を固定して残りの4文字を巡回するため奇置換である。同じ自己同型を実現する二つの置換の商はP P P に属し、P P P の元はすべて偶置換なので、位数4 4 4 の自己同型を偶置換で実現することはできない。したがって像の位数は2 2 2 であり、∣ N A 5 ( P ) ∣ = 10 |N_{A_5}(P)|=10 ∣ N A 5 ( P ) ∣ = 10 となる。∣ H ∣ = 20 |H|=20 ∣ H ∣ = 20 と矛盾するため、該当する Hall 部分群は存在しない。▨