1 正規 Hall 部分群と先行結果
補群は§E7.16 定義 3.1で定義されている。正規部分群が
Hall 部分群であるという条件を、位数によって記述する。
定義 1.1.Gを有限群、N⊴Gとする。
gcd(∣N∣,[G:N])=1が成り立つとき、NをGの正規 Hall 部分群 (normal Hall subgroup) という。
本記事が用いる先行結果を記録する。
2 帰納法の準備
characteristically simple な有限群の構造には、有限単純群の分類を必要としない。
補題 2.1.Xを非自明な有限群とし、Xが非自明な真の特性部分群をもたないと仮定する。このとき、ある有限単純群Sと正整数tが存在して
X≅Stとなる。したがってXは、ある素数pに対する初等アーベルp群であるか、互いに同型な非アーベル単純群の直積である。
証明.X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S1を取る。Aut(X)によるS1の像は、いずれもXの極小な非自明正規部分群であり、S1と同型である。これらの像からS1,…,Stを、積
D=S1⋯Stが内部直積となり、因子をこれ以上追加することができないように選ぶ。この選択は有限性により可能である。実際、すでに選んだ因子の積をDiとし、別の像TがT∩Di={eX}を満たせば、T,Di⊴Xから[T,Di]≤T∩Di={eX}である。したがってTDiは内部直積となり、Tを因子として追加することができる。
TをS1の任意の自己同型像とする。T∩DはXの正規部分群であり、Tの極小性から、自明であるかT自身である。前者ならばTをDの因子へ追加することができ、最大性に反する。したがってT≤Dである。
α∈Aut(X)とする。各α(Si)はS1の自己同型像なのでDに含まれ、
α(D)=α(S1)⋯α(St)≤Dとなる。α−1にも同じ包含を適用するとα(D)=Dを得る。ゆえにDはXの非自明な特性部分群であり、仮定からD=Xである。したがってXはS1,…,Stの内部直積である。
L⊴Siとする。SiはLを正規化し、j=iに対してSjはSiを元ごとに中心化するためLも正規化する。X=S1⋯StなのでL⊴Xである。Siの極小性からL={eX}またはL=Siとなる。ゆえに各Siは単純群である。
S1がアーベル群ならば、単純性によりS1は素数位数の巡回群である。この場合Xは初等アーベルp群になる。S1が非アーベル群ならば、すべてのSiは互いに同型な非アーベル単純群である。▨
正規部分群の Sylow 部分群の正規化群は、全体の群を分解する。
補題 2.2.Gを有限群、N⊴Gとし、PをNの Sylowp部分群とする。このとき
G=NNG(P)である。
証明.g∈Gとする。N⊴GなのでgPg−1はNの Sylowp部分群である。§E7.17 定理 2.1により、あるn∈Nが存在して
n(gPg−1)n−1=Pとなる。したがってng∈NG(P)であり、
g=n−1(ng)∈NNG(P)である。一方、N≤GかつNG(P)≤GなのでNNG(P)⊆Gである。したがって等式を得る。▨
共役証明では、全体の群が可解でなくても、可解な極小正規部分群の形を決定する必要がある。
補題 2.3.Gを有限群とし、MをGの極小な非自明正規部分群とする。Mが可解ならば、ある素数pに対してMは初等アーベルp群である。
証明.Mの導来列の最後の非自明な項をAとする。AはMの特性部分群であり、アーベル群である。M⊴GなのでA⊴Gである。A={eG}とMの極小性からA=Mを得る。したがってMはアーベル群である。
∣M∣を割る素数pを取る。Mの Sylowp部分群Rは、Mがアーベル群なので一意であり、Mの特性部分群である。ゆえにR⊴Gであり、極小性からR=Mとなる。したがってMはp群である。
Ω1(M)={x∈M∣xp=eG}と置く。Mはアーベル群なのでΩ1(M)は部分群であり、自己同型はp乗を保つのでMの特性部分群である。Mの非単位元xの位数をpaと書くと、xpa−1は位数pなのでΩ1(M)は非自明である。したがってΩ1(M)⊴Gと極小性からΩ1(M)=Mとなる。ゆえにMは初等アーベルp群である。▨
商が可解な場合には、素数位数の商を一段取り出す。
補題 2.4.Qを非自明な有限可解群とする。このとき、ある素数pと真の正規部分群B⊴Qが存在して
Q/B≅Cpとなる。
証明.Qが可解かつ非自明なので、[Q,Q]=Qである。実際、両者が等しければ導来列のすべての項がQとなり、自明部分群へ達しない。したがってアーベル化
Qab=Q/[Q,Q]は非自明な有限アーベル群である。Qabの極大な真の部分群Uを取る。アーベル群の部分群は正規なのでQab/Uは単純アーベル群である。非自明な有限単純アーベル群では、非単位元が生成する巡回部分群が非自明な正規部分群なので、群全体が一つの元で生成される。その位数が合成数ならば巡回群は非自明な真の部分群をもつため、位数は素数である。したがって、ある素数pに対してQab/U≅Cpとなる。Bを合成準同型
Q⟶Qab⟶Qab/Uの核とすれば、B⊴QかつQ/B≅Cpである。▨
3 補群の存在
証明方針は次のとおりである。∣G∣に関して帰納する。Nが非自明な真の特性部分群Cをもつ場合、最初にG/CでN/Cの補群を取り、その逆像Kの内部でCの補群を取る。Nが characteristically simple な場合は補題 2.1を用いる。初等アーベルの場合は
Hall 部分群の記事の特殊補題を適用し、非アーベル単純因子の直積の場合は Sylow 部分群の正規化群へ帰納法を適用する。
定理 3.1 (Schur–Zassenhaus の存在定理).Gを有限群、N⊴Gを正規 Hall 部分群とする。このとき、NはGに補群をもつ。すなわち、ある部分群H≤Gが存在して
G=NH,N∩H={eG}となる。
証明.∣G∣に関する強い帰納法を用いる。N={eG}ならばH=Gが補群である。以下ではN={eG}とし、位数が∣G∣より小さい有限群の正規 Hall 部分群には補群が存在すると仮定する。
最初に、Nが非自明な真の特性部分群Cをもつと仮定する。CはNの特性部分群であり、N⊴GなのでC⊴Gである。G/CにおいてN/Cは正規部分群であり、
[G/C:N/C]=[G:N],∣N/C∣∣∣N∣なのでN/CはG/Cの正規 Hall 部分群である。C={eG}から∣G/C∣<∣G∣であり、帰納法の仮定によってN/CはG/Cに補群をもつ。§E7.8 定理 3.1により、その補群をK/Cと書くことができる。補群の積と交わりの条件から
G=NK,N∩K=C(1)を得る。
C⊴Kであり、
[K:C]=∣K/C∣=[G:N]である。∣C∣∣∣N∣なのでCはKの正規 Hall 部分群である。また (1) とC=Nから
[G:K]=[N:C]>1であり、∣K∣<∣G∣となる。帰納法の仮定をKとCに適用し、Cの補群H≤Kを取る。すなわち
K=CH,C∩H={eG}.このときC≤Nと (1) から
G=NK=NCH=NHである。またH≤Kなので
N∩H≤N∩K=Cであり、C∩H={eG}からN∩H={eG}を得る。したがってHはGにおけるNの補群である。
残る場合として、Nが非自明な真の特性部分群をもたないと仮定する。補題 2.1により、Nは初等アーベル群であるか、互いに同型な非アーベル単純群の直積である。
Nが初等アーベルp群である場合を考える。正規 Hall 条件からp∤[G:N]=∣G/N∣である。短完全列
1⟶N⟶G⟶G/N⟶1へ§E7.30 補題 3.1を適用すると、Nの補群が存在する。
Nが互いに同型な非アーベル単純群の直積である場合を考える。∣N∣を割る素数pを取り、Nの Sylowp部分群Pを取る。非アーベル単純群はp群ではない。実際、非自明な有限p群は§E7.12 定理 5.2により非自明な中心をもち、単純ならば中心が群全体になってアーベル群となる。したがってP=Nである。
K=NG(P)と置く。補題 2.2により
G=NK(2)である。もしK=GならばP⊴Gである。このときPはNの唯一の Sylowp部分群なのでNの特性部分群となる。P={eG}と
characteristically simple であることからP=Nとなり、P=Nに反する。したがってK<Gである。
D=N∩K=NN(P)と置く。N⊴GなのでD⊴Kである。
(2) と第二同型定理から
[K:D]=[G:N]であり、∣D∣∣∣N∣なのでDはKの正規 Hall 部分群である。∣K∣<∣G∣であるから、帰納法の仮定によりDはKに補群Hをもつ。すなわち
K=DH,D∩H={eG}.したがって
G=NK=NDH=NHである。またH≤Kなので
N∩H=H∩(N∩K)=H∩D={eG}.ゆえにHはGにおけるNの補群である。すべての場合で補群が得られた。▨
4 補群の共役
証明方針は次のとおりである。二つの補群をHとKとし、Nに含まれるGの極小な非自明正規部分群Mを取って、G/MでHM=KMとなるまで共役する。M<Nならば真部分群HMの内部へ帰納する。M=NでNが可解ならば、初等アーベル核の特殊補題を用いる。G/Nが可解でNが可解でない場合は、素数位数商の逆像で補群の交わりを一致させ、最後にその交わりを正規化する Sylow 部分群の共役へ帰着する。
定理 4.1 (Schur–Zassenhaus の共役定理).Gを有限群、N⊴Gを正規 Hall 部分群とする。NまたはG/Nの少なくとも一方が可解であると仮定する。このとき、GにおけるNの任意の二つの補群はGの元によって共役である。
証明.∣G∣に関する強い帰納法を用いる。N={eG}ならば補群はG自身だけである。以下ではN={eG}とし、位数が∣G∣より小さい有限群について定理が成り立つと仮定する。HとKをNの二つの補群とする。商写像のHとKへの制限は、核がそれぞれH∩NとK∩Nであり、G=NH=NKから全射なので、
H≅G/N≅K,∣H∣=∣K∣=[G:N]である。
Nに含まれる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をMとする。Mに含まれるGの非自明な正規部分群もNに含まれるため、MはGの極小な非自明正規部分群である。
G/MにおいてHM/MとKM/MはN/Mの補群である。実際、
[G/M:N/M]=[G:N],∣N/M∣∣∣N∣なのでN/MはG/Mの正規 Hall 部分群であり、
(HM/M)(N/M)=G/Mである。またHM∩N=Mである。なぜなら、hm∈N(h∈H, m∈M)ならばh∈H∩N={eG}だからである。したがって
(HM/M)∩(N/M)=M/Mであり、KM/Mについても同じ計算が成り立つ。
Nが可解ならばN/Mは可解であり、G/Nが可解ならば
(G/M)/(N/M)≅G/Nが可解である。∣G/M∣<∣G∣なので帰納法の仮定をG/Mに適用することができる。したがって、あるg∈GでKをgKg−1に置き換えることにより
HM=KM(3)とすることができる。この共通の部分群をXと書く。
M<Nと仮定する。補群の条件から
∣X∣=∣M∣∣H∣,∣G∣=∣N∣∣H∣であり、∣X∣<∣G∣である。HとKはXにおけるMの補群であり、
[X:M]=∣H∣=[G:N]なのでMはXの正規 Hall 部分群である。Nが可解ならばその部分群Mは可解である。G/Nが可解ならば
X/M≅H≅G/Nが可解である。したがって帰納法の仮定をXとMに適用すると、HとKはXの元によって共役である。商群で行った共役と合わせると、元のHとKはGの元によって共役である。
残る場合はM=Nであり、NはGの極小な非自明正規部分群である。
最初にNが可解である場合を考える。補題 2.3により、ある素数pに対してNは初等アーベルp群である。正規 Hall 条件からp∤∣G/N∣なので、§E7.30 補題 3.1の共役結論を
1⟶N⟶G⟶G/N⟶1へ適用することができる。したがってHとKはNの元によって共役である。
次にG/Nが可解であり、Nが可解でない場合を考える。G/Nが自明ならばH=K={eG}なので、G/Nは非自明であると仮定してよい。Q=G/Nと置く。補題 2.4により、ある素数pとB⊴Qが存在してQ/B≅Cpとなる。商写像ρ:G→Qに対して
A=ρ−1(B)と置く。このとき
N≤A⊴G,G/A≅Cp(4)であり、A<Gである。
DH=H∩Aと置く。A=NDHであることを示す。a∈Aを取り、G=NHを用いてa=nh(n∈N, h∈H)と書く。N≤Aなのでh=n−1a∈H∩A=DHである。ゆえにA=NDHであり、N∩DH={eG}である。したがってDHはAにおけるNの補群である。a∈Aをa=nk(n∈N, k∈K)と書けば、k=n−1a∈K∩A=DKである。したがってA=NDKであり、N∩DK={eG}でもあるから、DKもAにおけるNの補群である。
A/N≅Bは可解である。また[A:N]=∣B∣は[G:N]を割るため、NはAの正規 Hall 部分群である。∣A∣<∣G∣なので帰納法の仮定をAとNに適用すると、DHとDKはAの元によって共役である。Kをその元による共役部分群に置き換えることにより、
DH=DK=D(5)と仮定することができる。
A⊴Gなので、D=H∩AはHの正規部分群であり、D=K∩AはKの正規部分群である。(4) と補群の条件から
H/D≅G/A≅Cp,K/D≅G/A≅Cp.(6)H≅G/NとK≅G/Nは可解群である。ここで、先に証明した§E7.30 定理 4.2をHとK、素数集合{p}へ適用し、Hall{p}部分群P≤HとP1≤Kを取る。§E7.30 系 5.1により、PとP1はそれぞれHとKの
Sylowp部分群である。
正整数aを割る最大のpの冪をapと書く。(6) から∣H∣p=p∣D∣pである。したがってPはDに含まれず、PD/DはH/Dの非自明な部分群である。∣H/D∣=pなのでPD/D=H/D、すなわち
H=DP(7)である。(6) から∣K∣p=p∣D∣pでもある。したがってP1はDに含まれず、P1D/Dは位数pの群K/Dの非自明な部分群である。ゆえにP1D/D=K/D、すなわち
K=DP1(8)となる。
D⊴HとD⊴Kから
P,P1≤NG(D)である。pは∣G/N∣を割り、gcd(∣N∣,[G:N])=1なのでp∤∣N∣である。∣G∣=∣N∣∣H∣=∣N∣∣K∣から
∣G∣p=∣H∣p=∣P∣=∣K∣p=∣P1∣を得る。したがってPとP1はGの Sylowp部分群であり、NG(D)の Sylowp部分群でもある。§E7.17 定理 2.1により、あるx∈NG(D)が存在して
xP1x−1=Pとなる。(5)、(7)、(8) とx∈NG(D)から
xKx−1=x(DP1)x−1=DP=Hを得る。したがって商が可解な場合にも、二つの補群はGの元によって共役である。すべての場合を証明した。▨
存在定理と共役定理を一つにまとめる。
証明方針は次のとおりである。補群の存在には、直前に証明した存在定理を適用する。正規 Hall 部分群または商群が可解である場合には、共役定理を適用する。最後に、この二つの結論を一つの主張としてまとめる。
定理 4.2 (Schur–Zassenhaus の定理).Gを有限群、N⊴Gを正規 Hall 部分群とする。このとき、NはGに補群をもつ。さらに、NまたはG/Nの少なくとも一方が可解ならば、任意の二つの補群はGの元によって共役である。
5 分裂拡大と半直積
系 5.1. 有限群の短完全列
1⟶NιEπQ⟶1を考え、ιによってNとι(N)を同一視する。gcd(∣N∣,∣Q∣)=1ならば、この拡大は分裂する。したがって、ある作用
α:Q⟶Aut(N)について、この短完全列は標準半直積拡大
1⟶N⟶N⋊αQ⟶Q⟶1と拡大として同型である。
証明. 短完全列からE/N≅Qなので、[E:N]=∣Q∣である。定理 3.1により、NはEに補群Hをもつ。π∣H:H→Qは単射である。実際、その核はH∩N={eE}である。またE=NHとπ(N)={eQ}からπ(H)=Qであり、π∣Hは全射でもある。したがって
s=(π∣H)−1:Q⟶Eは群準同型であり、π∘s=idQを満たす。ゆえに拡大は§E7.15 定義 1.4の意味で分裂する。
§E7.16 定理 4.1により、切断sが定める共役作用
αq(n)=s(q)ns(q)−1について、写像
Φ:N⋊αQ⟶E,Φ(n,q)=ns(q)は、核Nと商Q上の恒等写像と可換する拡大の同型である。▨
6 例と仮定の境界
例 6.1 (S3の正規 Hall 部分群).N=A3⊴S3とする。∣N∣=3、[S3:N]=2は互いに素なので、Nは正規 Hall 部分群である。各互換が生成する位数2の部分群はNの補群であり、三つの補群はS3で互いに共役である。
共役による作用C2→Aut(C3)は非自明であり、
S3≅C3⋊C2となる。この同型は、正規部分群A3と商群S3/A3を保つ拡大の同型として得られる。
位数の互いに素という仮定を外すと、補群が存在しない場合がある。
例 6.2 (互いに素でない場合).G=C4=⟨x⟩とし、N=⟨x2⟩と置く。このときN⊴G、∣N∣=[G:N]=2であり、二つの数は互いに素でない。
Nの補群が存在するならば、その位数は2でなければならない。しかし、C4の位数2の部分群はNだけであり、N∩N=N={eG}である。したがってNはGに補群をもたない。
7 演習
問題 7.1.
- 定理 3.1の特性部分群分岐で、K/Cの逆像KがG=NK、N∩K=Cを満たすことを示せ。その後、CのKにおける補群がNのGにおける補群になることを証明せよ。
- characteristically simple な非アーベル核の場合にNG(P)<Gとなる理由を説明し、D=N∩NG(P)がNG(P)の正規 Hall 部分群であることを指数まで計算せよ。
- 定理 4.1の共通帰納で、HM/MとKM/MがN/Mの補群であることを証明せよ。また、M<Nの場合に帰納法を適用する群と、二つの可解性仮定がどの部分群または商群へ引き継がれるかを明示せよ。
- G/Nが可解でNが可解でない分岐について、D=H∩A=K∩Aを得た後、H=DP、K=DP1と書くことができる理由を示せ。さらにP,P1がNG(D)の Sylowp部分群になることから補群の共役を導け。
解答 (演習の要点).
第1問では、商での積と交わりを逆像へ戻すとG=NKと(N∩K)/C=C/Cを得る。K=CHとC≤NからG=NHであり、H≤KからN∩H≤N∩K=Cとなる。
第2問では、NG(P)=GならばPはNの唯一の Sylowp部分群となって特性的である。
characteristically simple 性からP=Nとなるが、非アーベル単純因子の直積はp群でない。G=NNG(P)と第二同型定理から
[NG(P):N∩NG(P)]=[G:N]を得る。
第3問ではHM∩N=Mを要素表示から示す。M<NならばX=HM=KMはGの真部分群であり、H,KはXにおけるMの補群である。Nが可解ならばMが可解であり、G/Nが可解ならばX/M≅H≅G/Nが可解である。
第4問ではH/D≅K/D≅Cpと Sylow 部分群の位数からH=DP、K=DP1を得る。p∤∣N∣なのでP,P1はGの Sylowp部分群でもあり、Dを正規化する。NG(D)内で両者を共役する元xを取ればxKx−1=x(DP1)x−1=DP=Hとなる。▨