1 Hall 部分群
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。
定義 1.2. V V V を有限群M M M の正規部分群とする。V V V の補群(§E7.17 定義 4.1 )を、M M M におけるV V V の補部分群 (complement ) という。すなわち、部分群H ≤ M H\le M H ≤ M がM = V H M=VH M = V H とV ∩ H = { e M } V\cap H=\{e_M\} V ∩ H = { e M } を満たすことをいう。
命題 1.4. G G G を有限群、π \pi π を素数の集合、H H H をG G G の Hallπ \pi π 部分群、N ⊴ G N\trianglelefteq G N ⊴ G とする。このときH ∩ N H\cap N H ∩ N はN N N の Hallπ \pi π 部分群であり、H N / N HN/N H N / N はG / N G/N G / N の Hallπ \pi π 部分群である。
2 最小正規部分群
補題 2.1. G G G を有限群とし、M M M をG G G の極小な非自明正規部分群とする。M M M が可解ならば、ある素数r r r に対してM M M は初等アーベルr r r 群である。すなわち、M M M はアーベル群であり、任意のv ∈ M v\in M v ∈ M がv r = e G v^r=e_G v r = e G を満たす。また、M M M は整数倍をスカラー倍とする有限次元F r \mathbb F_r F r ベクトル空間である。
証明. M M M の導来列の最後の非自明な項をA A A とする。§E7.22 補題 2.2 により、A A A はM M M の特性部分群である。[ A , A ] = { e G } [A,A]=\{e_G\} [ A , A ] = { e G } なのでA A A はアーベル群である。M ⊴ G M\trianglelefteq G M ⊴ G なので、§E7.15 命題 4.2 (3) によりA ⊴ G A\trianglelefteq G A ⊴ G である。A ≠ { e G } A\ne\{e_G\} A = { e G } とM M M の極小性からA = M A=M A = M を得る。したがってM M M はアーベル群である。
∣ M ∣ |M| ∣ M ∣ を割る素数r r r を一つ取る。§E7.18 定理 1.3 により、M M M は Sylowr r r 部分群R R R をもつ。M M M 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。§E7.18 定理 2.2 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M M M 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M M M の極小性からR = M R=M R = M を得る。ゆえにM M M はr r r 群である。
Ω 1 ( M ) = { v ∈ M ∣ v r = e G } \Omega_1(M)=\{v\in M\mid v^r=e_G\} Ω 1 ( M ) = { v ∈ M ∣ v r = e G } と置く。M M M はアーベル群なのでΩ 1 ( M ) \Omega_1(M) Ω 1 ( M ) は部分群であり、その定義からM M M の特性部分群である。e G e_G e G でない元v ∈ M v\in M v ∈ M を取る。M M M 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 ( M ) ≠ { e G } \Omega_1(M)\ne\{e_G\} Ω 1 ( M ) = { e G } である。したがってΩ 1 ( M ) ⊴ G \Omega_1(M)\trianglelefteq G Ω 1 ( M ) ⊴ G とM M M の極小性からΩ 1 ( M ) = M \Omega_1(M)=M Ω 1 ( M ) = M を得る。
M M M 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、M M M 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M M M は初等アーベルr r r 群である。▨
系 2.2. G G G を有限群とし、M M M をG G G の極小な非自明正規部分群とする。M M M が可解ならば、ある素数p p p に対してM M M は初等アーベルp p p 群である。
系 2.3. 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。
3 初等アーベル核の補部分群
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 ∣ ならば、ρ ∘ s = id Q \rho\circ s=\id_Q ρ ∘ s = id Q を満たす群準同型s : Q → M s\colon Q\to M s : Q → M が存在する。
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 ) \sigma(q)\sigma(t)=f(q,t)\sigma(qt) σ ( q ) σ ( t ) = f ( q , t ) σ ( q t ) (3.1.1) \text{(3.1.1)} (3.1.1) 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、式 (3.1.1) を用いると
f ( q , t ) + f ( q t , u ) = q ⋅ f ( t , u ) + f ( q , t u ) f(q,t)+f(qt,u)=q\cdot f(t,u)+f(q,tu) f ( q , t ) + f ( q t , u ) = q ⋅ f ( t , u ) + f ( q , t u ) (3.1.2) \text{(3.1.2)} (3.1.2) 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。式 (3.1.2) 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 ) f(q,t)=B(q)+q\cdot B(t)-B(qt) f ( q , t ) = B ( q ) + q ⋅ B ( t ) − B ( q t ) (3.1.3) \text{(3.1.3)} (3.1.3) 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 を式 (3.1.1) 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。式 (3.1.1) と式 (3.1.3) 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。
▨
補題 3.2. 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 ∣ とする。ρ \rho ρ の二つの群準同型切断s , t : Q → M s,t\colon Q\to M s , t : Q → M に対し、あるw ∈ V w\in V w ∈ V が存在して、すべてのq ∈ Q q\in Q q ∈ Q についてt ( q ) = w s ( q ) w − 1 t(q)=ws(q)w^{-1} t ( q ) = w s ( q ) w − 1 が成り立つ。
証明. V V V をM M M の正規部分群と同一視し、その演算を加法で書く。q ∈ Q q\in Q q ∈ Q とv ∈ V v\in V v ∈ V に対してq ⋅ v = s ( q ) v s ( q ) − 1 q\cdot v=s(q)vs(q)^{-1} q ⋅ v = s ( q ) v s ( q ) − 1 と定める。s s s は群準同型なので、これはQ Q Q のV V V への左作用である。m = ∣ Q ∣ m=|Q| m = ∣ Q ∣ とし、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 を取る。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、任意のq , u ∈ Q q,u\in Q q , u ∈ Q に対して
z ( q u ) = z ( q ) + q ⋅ z ( u ) z(qu)=z(q)+q\cdot z(u) z ( q u ) = z ( q ) + q ⋅ z ( u ) (3.2.1) \text{(3.2.1)} (3.2.1) 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 に対して式 (3.2.1) をu ∈ Q u\in Q u ∈ Q について加えると、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 z(q)=w-q\cdot w z ( q ) = w − q ⋅ w (3.2.2) \text{(3.2.2)} (3.2.2) である。式 (3.2.2) 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 である。▨
補題 3.3. 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. 補題 3.1 により、ρ \rho ρ の群準同型切断s : Q → M s\colon Q\to M s : Q → M が存在する。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。
K K K をV V V の任意の補部分群とする。ρ ∣ K \rho|_K ρ ∣ K はQ Q Q への同型なので、その逆写像と包含K ↪ M K\hookrightarrow M K ↪ M の合成は群準同型切断である。補題 3.2 により、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
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。▨
補題 4.2. G G G を有限群、π \pi π を素数の集合、r r r を素数とし、V ⊴ G V\trianglelefteq G V ⊴ G を初等アーベルr r r 群とする。G / V G/V G / V が Hallπ \pi π 部分群をもつならば、G G G も Hallπ \pi π 部分群をもつ。
証明. 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 3.3 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 部分群である。▨
補題 4.3. G G G を有限群、π \pi π を素数の集合、r r r を素数とし、V ⊴ G V\trianglelefteq G V ⊴ G を初等アーベルr r r 群とする。G / V G/V G / V の任意の二つの Hallπ \pi π 部分群が共役ならば、G G G の任意の二つの Hallπ \pi π 部分群も共役である。
証明. H H H とK K K をG G G の Hallπ \pi π 部分群とする。命題 1.4 により、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。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 3.3 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。▨
補題 4.4. G G G を有限群、π \pi π を素数の集合、r r r を素数とし、V ⊴ G V\trianglelefteq G V ⊴ G を初等アーベルr r r 群とする。G / V G/V G / V の任意のπ \pi π 部分群がある Hallπ \pi π 部分群に含まれるならば、G G G の任意のπ \pi π 部分群もある Hallπ \pi π 部分群に含まれる。
証明. 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。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、∣ M ∣ = ∣ V ∣ ∣ L ‾ ∣ |M|=|V||\overline L| ∣ M ∣ = ∣ V ∣∣ L ∣ と[ G : M ] = [ G / V : L ‾ ] [G:M]=[G/V:\overline L] [ G : M ] = [ G / V : L ] により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 3.3 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。∣ H ∣ = ∣ L ‾ ∣ |H|=|\overline L| ∣ H ∣ = ∣ L ∣ と[ G : H ] = [ G / V : L ‾ ] ∣ V ∣ [G:H]=[G/V:\overline L]|V| [ G : H ] = [ G / V : L ] ∣ V ∣ により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。
ρ : M → M / V \rho\colon M\to M/V ρ : M → M / V を商写像とする。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 3.3 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。▨
定理 4.5 (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. ∣ G ∣ = 1 |G|=1 ∣ G ∣ = 1 ならば、{ e G } \{e_G\} { e G } が唯一の Hallπ \pi π 部分群であり、三つの主張が成り立つ。∣ 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。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V V V を取る。系 2.3 により、ある素数r r r に対してV V V は初等アーベルr r r 群である。§E7.22 定理 3.3 (2) によりG / V G/V G / V は可解であり、∣ G / V ∣ = ∣ G ∣ / ∣ V ∣ < ∣ G ∣ |G/V|=|G|/|V|<|G| ∣ G / V ∣ = ∣ G ∣/∣ V ∣ < ∣ G ∣ である。したがって帰納法の仮定をG / V G/V G / V に適用することができる。補題 4.2 、補題 4.3 、補題 4.4 により、G G G について三つの主張が成り立つ。▨
5 Sylow の定理との対応
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 4.5 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 の三定理により、Sylow 部分群の存在、共役、および任意のp p p 部分群の包含が再現される。
Sylow 部分群の個数に関する合同条件と整除条件は、§E7.18 定理 2.2 により共役作用からさらに与えられる結論である。▨
6 例と仮定の境界
例 6.1. 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。
例 6.2. A 5 A_5 A 5 は可解でない(§E7.22 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。
§E7.18 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 3.3 について、次の二つを示せ。第一に、仮定r ∤ ∣ Q ∣ r\nmid|Q| r ∤ ∣ Q ∣ を外すと補部分群が存在しない場合があることを、M = Z / 4 Z M=\Z/4\Z M = Z /4 Z 、V = { 0 , 2 } V=\{0,2\} V = { 0 , 2 } 、r = 2 r=2 r = 2 の例で示せ。第二に、M = S 3 M=S_3 M = S 3 、V = A 3 V=A_3 V = A 3 、r = 3 r=3 r = 3 のときV V V の補部分群をすべて求め、それらがV V V の元によって互いに共役であることを確かめよ。
G = A 4 × C 5 G=A_4\times C_5 G = A 4 × C 5 (C 5 = Z / 5 Z C_5=\Z/5\Z C 5 = Z /5 Z )とし、π = { 3 , 5 } \pi=\{3,5\} π = { 3 , 5 } とする。G G G が可解群であることを示し、G G G の Hallπ \pi π 部分群をすべて求めよ。とくに、それがちょうど四つあり、互いに共役であることを示せ。同じ位数60 60 60 の群A 5 A_5 A 5 が Hall{ 3 , 5 } \{3,5\} { 3 , 5 } 部分群をもたないこと(例 6.2 )と比べよ。
命題 1.4 の証明を完成させよ。
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 (演習の解答). (1) では、M = Z / 4 Z M=\Z/4\Z M = Z /4 Z を考える。V = { 0 , 2 } V=\{0,2\} V = { 0 , 2 } は位数2 2 2 の部分群であり、初等アーベル2 2 2 群である。Q = M / V Q=M/V Q = M / V の位数は2 2 2 であるからr = 2 r=2 r = 2 は∣ Q ∣ |Q| ∣ Q ∣ を割る。V V V の補部分群H H H があれば∣ H ∣ = ∣ M ∣ / ∣ V ∣ = 2 |H|=|M|/|V|=2 ∣ H ∣ = ∣ M ∣/∣ V ∣ = 2 であるが、Z / 4 Z \Z/4\Z Z /4 Z の位数2 2 2 の元は2 2 2 だけであるから位数2 2 2 の部分群はV V V だけであり、H ∩ V = { 0 } H\cap V=\{0\} H ∩ V = { 0 } に反する。したがって補部分群は存在しない。M = S 3 M=S_3 M = S 3 、V = A 3 V=A_3 V = A 3 とする。補部分群H H H は∣ H ∣ = 2 |H|=2 ∣ H ∣ = 2 かつH ∩ A 3 = { e } H\cap A_3=\{e\} H ∩ A 3 = { e } を満たし、位数2 2 2 の部分群は⟨ ( 1 2 ) ⟩ \langle(1\,2)\rangle ⟨( 1 2 )⟩ 、⟨ ( 1 3 ) ⟩ \langle(1\,3)\rangle ⟨( 1 3 )⟩ 、⟨ ( 2 3 ) ⟩ \langle(2\,3)\rangle ⟨( 2 3 )⟩ の三つである。いずれもA 3 A_3 A 3 と自明に交わり、∣ A 3 H ∣ = ∣ A 3 ∣ ∣ H ∣ / ∣ A 3 ∩ H ∣ = 6 |A_3H|=|A_3||H|/|A_3\cap H|=6 ∣ A 3 H ∣ = ∣ A 3 ∣∣ H ∣/∣ A 3 ∩ H ∣ = 6 であるからA 3 H = S 3 A_3H=S_3 A 3 H = S 3 である。したがって補部分群はこの三つである。σ = ( 1 2 3 ) ∈ V \sigma=(1\,2\,3)\in V σ = ( 1 2 3 ) ∈ V について、共役はσ ( a b ) σ − 1 = ( σ ( a ) σ ( b ) ) \sigma(a\,b)\sigma^{-1}=(\sigma(a)\,\sigma(b)) σ ( a b ) σ − 1 = ( σ ( a ) σ ( b )) を満たすので、σ ⟨ ( 1 2 ) ⟩ σ − 1 = ⟨ ( 2 3 ) ⟩ \sigma\langle(1\,2)\rangle\sigma^{-1}=\langle(2\,3)\rangle σ ⟨( 1 2 )⟩ σ − 1 = ⟨( 2 3 )⟩ 、σ 2 ⟨ ( 1 2 ) ⟩ σ − 2 = ⟨ ( 3 1 ) ⟩ = ⟨ ( 1 3 ) ⟩ \sigma^2\langle(1\,2)\rangle\sigma^{-2}=\langle(3\,1)\rangle=\langle(1\,3)\rangle σ 2 ⟨( 1 2 )⟩ σ − 2 = ⟨( 3 1 )⟩ = ⟨( 1 3 )⟩ である。よって三つの補部分群はV V V の元によって互いに共役である。
(2) では、V 4 = { e , ( 1 2 ) ( 3 4 ) , ( 1 3 ) ( 2 4 ) , ( 1 4 ) ( 2 3 ) } V_4=\{e,(1\,2)(3\,4),(1\,3)(2\,4),(1\,4)(2\,3)\} V 4 = { e , ( 1 2 ) ( 3 4 ) , ( 1 3 ) ( 2 4 ) , ( 1 4 ) ( 2 3 )} とすると、正規列A 4 ▹ V 4 ▹ { e } A_4\triangleright V_4\triangleright\{e\} A 4 ▹ V 4 ▹ { e } の因子は位数3 3 3 と位数4 4 4 のアーベル群であるから、§E7.22 定理 2.3 によりA 4 A_4 A 4 は可解である。G ▹ { e } × C 5 ▹ { e } G\triangleright\{e\}\times C_5\triangleright\{e\} G ▹ { e } × C 5 ▹ { e } について、G / ( { e } × C 5 ) ≅ A 4 G/(\{e\}\times C_5)\cong A_4 G / ({ e } × C 5 ) ≅ A 4 は可解であり、C 5 C_5 C 5 はアーベル群であるから、§E7.22 定理 3.3 によりG G G は可解である。∣ G ∣ = 60 = 2 2 ⋅ 3 ⋅ 5 |G|=60=2^2\cdot3\cdot5 ∣ G ∣ = 60 = 2 2 ⋅ 3 ⋅ 5 であるから、Hallπ \pi π 部分群の位数は15 15 15 である。位数15 15 15 の部分群H H H の Sylow5 5 5 部分群はG G G の Sylow5 5 5 部分群である。( a , c ) ∈ G (a,c)\in G ( a , c ) ∈ G の位数が5 5 5 であることはa = e a=e a = e かつc ≠ 0 c\ne0 c = 0 と同値であるから、G G G の位数5 5 5 の部分群は{ e } × C 5 \{e\}\times C_5 { e } × C 5 だけであり、{ e } × C 5 ≤ H \{e\}\times C_5\le H { e } × C 5 ≤ H である。同様に( a , c ) (a,c) ( a , c ) の位数が3 3 3 であることはa a a が3 3 3 -cycle でc = 0 c=0 c = 0 であることと同値であるから、H H H の Sylow3 3 3 部分群はT × { 0 } T\times\{0\} T × { 0 } (T T T はA 4 A_4 A 4 の位数3 3 3 の部分群)の形である。したがってH = T × C 5 H=T\times C_5 H = T × C 5 である。逆に、A 4 A_4 A 4 の八つの3 3 3 -cycle は四つの位数3 3 3 の部分群⟨ ( 1 2 3 ) ⟩ \langle(1\,2\,3)\rangle ⟨( 1 2 3 )⟩ 、⟨ ( 1 2 4 ) ⟩ \langle(1\,2\,4)\rangle ⟨( 1 2 4 )⟩ 、⟨ ( 1 3 4 ) ⟩ \langle(1\,3\,4)\rangle ⟨( 1 3 4 )⟩ 、⟨ ( 2 3 4 ) ⟩ \langle(2\,3\,4)\rangle ⟨( 2 3 4 )⟩ を生成し、各T × C 5 T\times C_5 T × C 5 は位数15 15 15 、指数4 4 4 の部分群であるから Hallπ \pi π 部分群である。よって Hallπ \pi π 部分群はちょうど四つである。§E7.18 定理 2.2 (2) によりA 4 A_4 A 4 の位数3 3 3 の部分群は互いに共役であり、g ∈ A 4 g\in A_4 g ∈ A 4 について( g , 0 ) ( T × C 5 ) ( g , 0 ) − 1 = g T g − 1 × C 5 (g,0)(T\times C_5)(g,0)^{-1}=gTg^{-1}\times C_5 ( g , 0 ) ( T × C 5 ) ( g , 0 ) − 1 = g T g − 1 × C 5 であるから、四つの Hallπ \pi π 部分群は互いに共役である。A 5 A_5 A 5 は位数が同じであるが可解でなく、Hall{ 3 , 5 } \{3,5\} { 3 , 5 } 部分群をもたない。この対比は定理 4.5 (1) の可解性の仮定が外せないことを示す。
(3) では、N ⊴ G N\trianglelefteq G N ⊴ G であるからH N HN H N は部分群であり、∣ H N ∣ = ∣ H ∣ ∣ N ∣ / ∣ H ∩ N ∣ |HN|=|H||N|/|H\cap N| ∣ H N ∣ = ∣ H ∣∣ N ∣/∣ H ∩ N ∣ である。∣ H ∩ N ∣ |H\cap N| ∣ H ∩ N ∣ は∣ H ∣ |H| ∣ H ∣ を割るのでπ \pi π 数である。[ N : H ∩ N ] = ∣ N ∣ / ∣ H ∩ N ∣ = ∣ H N ∣ / ∣ H ∣ = [ H N : H ] [N:H\cap N]=|N|/|H\cap N|=|HN|/|H|=[HN:H] [ N : H ∩ N ] = ∣ N ∣/∣ H ∩ N ∣ = ∣ H N ∣/∣ H ∣ = [ H N : H ] であり、[ H N : H ] [HN:H] [ H N : H ] は[ G : H ] = [ G : H N ] [ H N : H ] [G:H]=[G:HN][HN:H] [ G : H ] = [ G : H N ] [ H N : H ] を割るのでπ ′ \pi' π ′ 数である。したがってH ∩ N H\cap N H ∩ N はN N N の Hallπ \pi π 部分群である。∣ H N / N ∣ = ∣ H N ∣ / ∣ N ∣ = ∣ H ∣ / ∣ H ∩ N ∣ |HN/N|=|HN|/|N|=|H|/|H\cap N| ∣ H N / N ∣ = ∣ H N ∣/∣ N ∣ = ∣ H ∣/∣ H ∩ N ∣ は∣ H ∣ |H| ∣ H ∣ を割るのでπ \pi π 数であり、[ G / N : H N / N ] = [ G : H N ] [G/N:HN/N]=[G:HN] [ G / N : H N / N ] = [ G : H N ] 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 N / N HN/N H N / N はG / N G/N G / N の Hallπ \pi π 部分群である。
(4) 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4 4 4 を割り、5 5 5 を法として1 1 1 に合同である(§E7.18 定理 2.2 (3) )。したがって個数は1 1 1 であり、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。§E7.18 例 3.1 によりA 5 A_5 A 5 の Sylow5 5 5 部分群の個数は6 6 6 である。§E7.18 式 (2.2.1) より[ A 5 : N A 5 ( P ) ] = 6 [A_5:N_{A_5}(P)]=6 [ A 5 : N A 5 ( P )] = 6 なので、∣ N A 5 ( P ) ∣ = 60 / 6 = 10 |N_{A_5}(P)|=60/6=10 ∣ N A 5 ( P ) ∣ = 60/6 = 10 である。H ≤ N A 5 ( P ) H\le N_{A_5}(P) H ≤ N A 5 ( P ) ならば∣ H ∣ ≤ 10 |H|\le10 ∣ H ∣ ≤ 10 であるが、∣ H ∣ = 20 |H|=20 ∣ H ∣ = 20 である。したがって該当する Hall 部分群は存在しない。▨