§E7.24Hall 部分群と有限可解群

最終更新

群A4×C5A_4\times C_5とA5A_5は、どちらも位数6060である。しかし、前者には位数1515、指数44の部分群が四つ存在し、互いに共役であるのに対して、後者には位数1515の部分群が存在しない。群の位数に含まれる33と55の因子を一つの部分群に集めることができるかどうかは、位数の素因数分解だけでは決まらない。

一つの素数に関する最大の素数冪を部分群の位数として実現する Sylow の定理に対して、この問題では複数の素数を同時に指定する。群が可解であれば、指定した素数に関する因子をすべて含み、指数にはそれらの素数が現れない部分群が存在する。可解性がこの存在を保証することは、アーベル因子による群の分解と、素数を指定した部分群の配置とを結び付ける。本記事の主題は、その配置を記述する Hall 部分群の理論である。

1 Hall 部分群

定義 1.1.π\piを素数の集合とする。正の整数aaのすべての素因数がπ\piに属するとき、aaを π\pi数 (pi-number) という。11はπ\pi数とする。π\piに属さない素数全体の集合をπ′\pi'と書く。

有限群GGの部分群HHについて、∣H∣|H|がπ\pi数であり、指数[G:H][G:H]がπ′\pi'数であるとき、HHを Hallπ\pi部分群 (Hall pi-subgroup) という。位数がπ\pi数である有限群とその部分群を、それぞれ π\pi群 (pi-group)、π\pi部分群 (pi-subgroup) という。

定義 1.2.VVを有限群MMの正規部分群とする。VVの補群(§E7.17 定義 4.1)を、MMにおけるVVの補部分群 (complement) という。すなわち、部分群H≤MH\le MがM=VHM=VHとV∩H={eM}V\cap H=\{e_M\}を満たすことをいう。

注意 1.3 (用いる先行結果).

  1. 有限群KKの位数を∣K∣=pnm|K|=p^n m、p∤mp\nmid mと書くと、位数pnp^nの Sylowpp部分群が存在する(§E7.18 定理 1.3)。任意のpp部分群はいずれかの Sylowpp部分群に含まれ、任意の二つの Sylowpp部分群は共役である(§E7.18 定理 2.2)。
  2. 有限群KKと正規部分群N⊴KN\trianglelefteq Kに対し、商写像の各ファイバーはNNの剰余類であるから、∣K∣=∣N∣∣K/N∣|K|=|N||K/N|が成り立つ。とくにN≠{eK}N\ne\{e_K\}ならば∣K/N∣=∣K∣/∣N∣<∣K∣|K/N|=|K|/|N|<|K|である。
  3. 可解群の部分群と商群は可解であり、正規部分群と対応する商群がともに可解ならば元の群も可解である(§E7.22 定理 3.3)。

命題 1.4.GGを有限群、π\piを素数の集合、HHをGGの Hallπ\pi部分群、N⊴GN\trianglelefteq Gとする。このときH∩NH\cap NはNNの Hallπ\pi部分群であり、HN/NHN/NはG/NG/Nの Hallπ\pi部分群である。

証明. 演習とする(問題 7.1 (3))。▨

2 最小正規部分群

補題 2.1.GGを有限群とし、MMをGGの極小な非自明正規部分群とする。MMが可解ならば、ある素数rrに対してMMは初等アーベルrr群である。すなわち、MMはアーベル群であり、任意のv∈Mv\in Mがvr=eGv^r=e_Gを満たす。また、MMは整数倍をスカラー倍とする有限次元Fr\mathbb F_rベクトル空間である。

証明.MMの導来列の最後の非自明な項をAAとする。§E7.22 補題 2.2により、AAはMMの特性部分群である。[A,A]={eG}[A,A]=\{e_G\}なのでAAはアーベル群である。M⊴GM\trianglelefteq Gなので、§E7.15 命題 4.2 (3)によりA⊴GA\trianglelefteq Gである。A≠{eG}A\ne\{e_G\}とMMの極小性からA=MA=Mを得る。したがってMMはアーベル群である。

∣M∣|M|を割る素数rrを一つ取る。§E7.18 定理 1.3により、MMは Sylowrr部分群RRをもつ。MMはアーベル群なので、RRの任意の共役部分群はRR自身である。§E7.18 定理 2.2により Sylowrr部分群は一つだけである。したがってRRはMMの特性部分群であり、R⊴GR\trianglelefteq Gである。R≠{eG}R\ne\{e_G\}とMMの極小性からR=MR=Mを得る。ゆえにMMはrr群である。

Ω1(M)={v∈M∣vr=eG}\Omega_1(M)=\{v\in M\mid v^r=e_G\}

と置く。MMはアーベル群なのでΩ1(M)\Omega_1(M)は部分群であり、その定義からMMの特性部分群である。eGe_Gでない元v∈Mv\in Mを取る。MMは有限rr群なので、vvの位数はrkr^k(k≥1k\ge1)と書くことができる。このときvrk−1v^{r^{k-1}}は位数rrであるから、Ω1(M)≠{eG}\Omega_1(M)\ne\{e_G\}である。したがってΩ1(M)⊴G\Omega_1(M)\trianglelefteq GとMMの極小性からΩ1(M)=M\Omega_1(M)=Mを得る。

MMの演算を加法で書き、Fr\mathbb F_rの元による整数倍をスカラー倍とすると、MMは有限次元Fr\mathbb F_rベクトル空間になる。したがってMMは初等アーベルrr群である。▨

系 2.2.GGを有限群とし、MMをGGの極小な非自明正規部分群とする。MMが可解ならば、ある素数ppに対してMMは初等アーベルpp群である。

証明.補題 2.1により主張が従う。▨

系 2.3.GGを非自明な有限可解群とし、VVをGG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rrが存在して、VVは有限初等アーベルrr群である。すなわち、VVはアーベル群であり、任意のv∈Vv\in Vがvr=eGv^r=e_Gを満たす。

証明.§E7.22 定理 3.3 (1)によりVVは可解である。したがって補題 2.1より従う。▨

3 初等アーベル核の補部分群

補題 3.1.rrを素数、VVを有限初等アーベルrr群とし、有限群の短完全列

1⟶V⟶M→ρQ⟶11\longrightarrow V\longrightarrow M\xrightarrow{\rho}Q\longrightarrow1

を考える。r∤∣Q∣r\nmid|Q|ならば、ρ∘s=id⁡Q\rho\circ s=\id_Qを満たす群準同型s ⁣:Q→Ms\colon Q\to Mが存在する。

証明.VVをMMの正規部分群と同一視し、VVの演算を加法で書く。q∈Qq\in Qに対し、ρ(q~)=q\rho(\widetilde q)=qを満たすq~∈M\widetilde q\in 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)

と定める。別の持上げはaq~a\widetilde q(a∈Va\in V)の形で表される。VVはアーベル群なので、aaによるVV上の共役は恒等写像である。したがってq⋅vq\cdot 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

(qt)⋅v=q⋅(t⋅v)(qt)\cdot v=q\cdot(t\cdot v)

が成り立つため、QQはVVに左から作用する。

σ(eQ)=eM\sigma(e_Q)=e_Mを満たす集合論的切断σ ⁣:Q→M\sigma\colon Q\to Mを選ぶ。各q,t∈Qq,t\in Qについて一意なf(q,t)∈Vf(q,t)\in Vが存在して

σ(q)σ(t)=f(q,t)σ(qt)\sigma(q)\sigma(t)=f(q,t)\sigma(qt)(3.1.1)\text{(3.1.1)}

となる。ff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(qt,u)=q⋅f(t,u)+f(q,tu)f(q,t)+f(qt,u)=q\cdot f(t,u)+f(q,tu)(3.1.2)\text{(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)を用いた。

m=∣Q∣m=|Q|と置く。r∤mr\nmid mなので、cm≡1(modr)cm\equiv1\pmod rを満たす整数ccが存在する。VVの各元の位数はrrを割るため、VV上の整数倍cmcmは恒等写像である。各q∈Qq\in Qに対して

A(q)=∑u∈Qf(q,u),B(q)=cA(q)A(q)=\sum_{u\in Q}f(q,u),\qquad B(q)=cA(q)

と置く。式 (3.1.2)をu∈Qu\in Qについて加えると

mf(q,t)+A(qt)=q⋅A(t)+A(q)mf(q,t)+A(qt)=q\cdot A(t)+A(q)

となる。右辺の最後の和では、u↦tuu\mapsto tuがQQの全単射であることを用いた。両辺をcc倍すると

f(q,t)=B(q)+q⋅B(t)−B(qt)f(q,t)=B(q)+q\cdot B(t)-B(qt)(3.1.3)\text{(3.1.3)}

を得る。

s(q)=(−B(q))σ(q)s(q)=(-B(q))\sigma(q)

と定める。σ(eQ)=eM\sigma(e_Q)=e_Mを式 (3.1.1)に代入するとf(eQ,u)=0f(e_Q,u)=0であるから、B(eQ)=0B(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(qt)=(−B(qt))σ(qt)=s(qt)\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}

が成り立つ。またs(eQ)=eMs(e_Q)=e_Mである。したがってssは群準同型であり、ρ∘s=id⁡Q\rho\circ s=\operatorname{id}_Qを満たす。

▨

補題 3.2.rrを素数、VVを有限初等アーベルrr群とし、有限群の短完全列

1⟶V⟶M→ρQ⟶11\longrightarrow V\longrightarrow M\xrightarrow{\rho}Q\longrightarrow1

を考える。r∤∣Q∣r\nmid|Q|とする。ρ\rhoの二つの群準同型切断s,t ⁣:Q→Ms,t\colon Q\to Mに対し、あるw∈Vw\in Vが存在して、すべてのq∈Qq\in Qについてt(q)=ws(q)w−1t(q)=ws(q)w^{-1}が成り立つ。

証明.VVをMMの正規部分群と同一視し、その演算を加法で書く。q∈Qq\in Qとv∈Vv\in Vに対してq⋅v=s(q)vs(q)−1q\cdot v=s(q)vs(q)^{-1}と定める。ssは群準同型なので、これはQQのVVへの左作用である。m=∣Q∣m=|Q|とし、cm≡1(modr)cm\equiv1\pmod rを満たす整数ccを取る。一意なz(q)∈Vz(q)\in Vによって

t(q)=z(q)s(q)t(q)=z(q)s(q)

と書くことができる。ssとttが準同型であることから、任意のq,u∈Qq,u\in Qに対して

z(qu)=z(q)+q⋅z(u)z(qu)=z(q)+q\cdot z(u)(3.2.1)\text{(3.2.1)}

を得る。S=∑u∈Qz(u)S=\sum_{u\in Q}z(u)と置く。固定したq∈Qq\in Qに対して式 (3.2.1)をu∈Qu\in Qについて加えると、u↦quu\mapsto quがQQの全単射なので

S=mz(q)+q⋅SS=mz(q)+q\cdot S

となる。w=cSw=cSと置けば

z(q)=w−q⋅wz(q)=w-q\cdot w(3.2.2)\text{(3.2.2)}

である。式 (3.2.2)から

ws(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)

を得る。したがってt(Q)=ws(Q)w−1t(Q)=ws(Q)w^{-1}である。▨

補題 3.3.rrを素数、VVを有限初等アーベルrr群とし、有限群の短完全列

1⟶V⟶M→ρQ⟶11\longrightarrow V\longrightarrow M\xrightarrow{\rho}Q\longrightarrow1

を考える。r∤∣Q∣r\nmid |Q|と仮定する。このとき、MMにおけるVVの補部分群が存在する。さらに、任意の二つの補部分群はVVの元によって共役である。

証明.補題 3.1により、ρ\rhoの群準同型切断s ⁣:Q→Ms\colon Q\to Mが存在する。H=s(Q)H=s(Q)と置く。ρ∣H\rho|_HはQQへの同型であるからH∩V={eM}H\cap V=\{e_M\}である。任意のx∈Mx\in Mに対しq=ρ(x)q=\rho(x)と置けばxs(q)−1∈Vxs(q)^{-1}\in VなのでM=VHM=VHである。したがってHHはVVの補部分群である。

KKをVVの任意の補部分群とする。ρ∣K\rho|_KはQQへの同型なので、その逆写像と包含K↪MK\hookrightarrow 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VVの元によって共役である。▨

4 Hall の三定理

補題 4.1.GGを有限群、N⊴GN\trianglelefteq Gをπ\pi部分群、H≤GH\le Gを Hallπ\pi部分群とする。このときN≤HN\le Hである。

証明.N⊴GN\trianglelefteq GなのでNHNHは部分群である。指数

[NH:H]=[N:N∩H][NH:H]=[N:N\cap H]

は∣N∣|N|を割るのでπ\pi数である。一方、H≤NH≤GH\le NH\le Gなので[NH:H][NH:H]は[G:H][G:H]を割り、π′\pi'数でもある。π\pi数かつπ′\pi'数である正の整数は11だけなので、[NH:H]=1[NH:H]=1である。したがってNH=HNH=Hであり、N≤HN\le Hとなる。▨

補題 4.2.GGを有限群、π\piを素数の集合、rrを素数とし、V⊴GV\trianglelefteq Gを初等アーベルrr群とする。G/VG/Vが Hallπ\pi部分群をもつならば、GGも Hallπ\pi部分群をもつ。

証明.G/VG/Vの Hallπ\pi部分群H‾\overline Hを取り、そのGGへの逆像をMMとする。

r∈πr\in\piと仮定する。∣M∣=∣V∣∣H‾∣|M|=|V||\overline H|はπ\pi数であり、

[G:M]=[G/V:H‾][G:M]=[G/V:\overline H]

はπ′\pi'数である。したがってMMはGGの Hallπ\pi部分群である。

r∉πr\notin\piと仮定する。このときr∤∣H‾∣r\nmid|\overline H|である。短完全列

1⟶V⟶M⟶H‾⟶11\longrightarrow V\longrightarrow M\longrightarrow\overline H\longrightarrow1

へ補題 3.3を適用し、VVの補部分群H≤MH\le Mを取る。∣H∣=∣H‾∣|H|=|\overline H|はπ\pi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|

はπ′\pi'数である。したがってHHはGGの Hallπ\pi部分群である。▨

補題 4.3.GGを有限群、π\piを素数の集合、rrを素数とし、V⊴GV\trianglelefteq Gを初等アーベルrr群とする。G/VG/Vの任意の二つの Hallπ\pi部分群が共役ならば、GGの任意の二つの Hallπ\pi部分群も共役である。

証明.HHとKKをGGの Hallπ\pi部分群とする。命題 1.4により、HV/VHV/VとKV/VKV/VはG/VG/Vの Hallπ\pi部分群である。仮定により、あるg∈Gg\in GでKKをgKg−1gKg^{-1}に置き換えれば

HV/V=KV/VHV/V=KV/V

とすることができる。この共通の部分群のGGへの逆像をMMと書く。このときM=VH=VKM=VH=VKである。

r∈πr\in\piならば、補題 4.1によってV≤HV\le HかつV≤KV\le Kである。したがってH=VH=M=VK=KH=VH=M=VK=Kとなる。

r∉πr\notin\piならば、∣H∣|H|と∣K∣|K|はπ\pi数であり、∣V∣|V|はrrの冪なのでH∩V=K∩V={eG}H\cap V=K\cap V=\{e_G\}である。したがってHHとKKは、MMにおけるVVの補部分群である。また、M/V=HV/VM/V=HV/Vはπ\pi群なのでr∤∣M/V∣r\nmid|M/V|である。したがって補題 3.3の仮定が成り立ち、HHとKKはVV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HHとKKはGGの元で共役である。▨

補題 4.4.GGを有限群、π\piを素数の集合、rrを素数とし、V⊴GV\trianglelefteq Gを初等アーベルrr群とする。G/VG/Vの任意のπ\pi部分群がある Hallπ\pi部分群に含まれるならば、GGの任意のπ\pi部分群もある Hallπ\pi部分群に含まれる。

証明.P≤GP\le Gを任意のπ\pi部分群とする。PV/VPV/VはG/VG/Vのπ\pi部分群である。仮定により、PV/VPV/Vを含むG/VG/Vの Hallπ\pi部分群L‾\overline Lが存在する。そのGGへの逆像をMMとする。

r∈πr\in\piならば、∣M∣=∣V∣∣L‾∣|M|=|V||\overline L|と[G:M]=[G/V:L‾][G:M]=[G/V:\overline L]によりMMはGGの Hallπ\pi部分群であり、P≤PV≤MP\le PV\le Mである。

r∉πr\notin\piならば、M/V=L‾M/V=\overline Lはπ\pi群なのでr∤∣M/V∣r\nmid|M/V|である。補題 3.3により、MMにおけるVVの補部分群HHが存在する。∣H∣=∣L‾∣|H|=|\overline L|と[G:H]=[G/V:L‾]∣V∣[G:H]=[G/V:\overline L]|V|によりHHはGGの Hallπ\pi部分群である。P∩V={eG}P\cap V=\{e_G\}かつPV=VPPV=VPなので、PPはPVPVにおけるVVの補部分群である。

ρ ⁣:M→M/V\rho\colon M\to M/Vを商写像とする。H∩PVH\cap PVもPVPVにおけるVVの補部分群である。実際、ρ∣H ⁣:H→M/V\rho|_H\colon H\to M/Vは同型であり、PV/V≤M/VPV/V\le M/Vである。x∈PVx\in PVに対し、ρ(h)=ρ(x)\rho(h)=\rho(x)を満たすh∈Hh\in Hを取ると、h−1x∈V≤PVh^{-1}x\in V\le PVなのでh∈H∩PVh\in H\cap PVである。したがってPV=V(H∩PV)PV=V(H\cap PV)であり、V∩(H∩PV)={eG}V\cap(H\cap PV)=\{e_G\}である。また、PV/VPV/Vはπ\pi群なのでr∤∣PV/V∣r\nmid|PV/V|である。

補題 3.3を群PVPVへ適用すると、あるv∈Vv\in Vが存在して

P=v(H∩PV)v−1P=v(H\cap PV)v^{-1}

となる。ゆえにP≤vHv−1P\le vHv^{-1}であり、vHv−1vHv^{-1}はGGの Hallπ\pi部分群である。▨

定理 4.5 (Hall の三定理).GGを有限可解群、π\piを素数の集合とする。このとき、次が成り立つ。

  1. GGは Hallπ\pi部分群をもつ。
  2. 任意の二つの Hallπ\pi部分群は、GGの元によって共役である。
  3. 任意のπ\pi部分群P≤GP\le Gは、ある Hallπ\pi部分群に含まれる。

証明.∣G∣=1|G|=1ならば、{eG}\{e_G\}が唯一の Hallπ\pi部分群であり、三つの主張が成り立つ。∣G∣>1|G|>1とし、位数が∣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。GG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VVを取る。系 2.3により、ある素数rrに対してVVは初等アーベルrr群である。§E7.22 定理 3.3 (2)によりG/VG/Vは可解であり、∣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/VG/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、GG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.GGを有限可解群、ppを素数とし、π={p}\pi=\{p\}とする。このとき Hallπ\pi部分群は Sylowpp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∣=pnm|G|=p^n m、p∤mp\nmid mと書く。HHが Hall{p}\{p\}部分群ならば、∣H∣|H|はppの冪であり、[G:H][G:H]はppで割り切れない。∣G∣=∣H∣[G:H]|G|=|H|[G:H]なので∣H∣=pn|H|=p^nであり、HHは Sylowpp部分群である。逆に、Sylowpp部分群の位数はpnp^n、指数はmmなので、 Hall{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pp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}⊴A3⊴S3\{e\}\trianglelefteq A_3\trianglelefteq S_3

の因子はC3C_3とC2C_2に同型なので、S3S_3は可解である。

π={3}\pi=\{3\}のとき、A3A_3は位数33、指数22の Hallπ\pi部分群であり、唯一である。π={2}\pi=\{2\}のとき、三つの互換がそれぞれ位数22の Hallπ\pi部分群を生成し、三つの部分群はS3S_3で互いに共役である。任意の{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\}部分群に含まれる。

例 6.2.A5A_5は可解でない(§E7.22 定理 6.1)。π={3,5}\pi=\{3,5\}とする。A5A_5が Hallπ\pi部分群HHをもつならば、∣H∣=15|H|=15でなければならない。

§E7.18 定理 4.2をp=3p=3、q=5q=5に適用する。3∤43\nmid4なので、位数1515の群は巡回群である。したがってHHは位数1515の元をもつ。しかし、S5S_5の置換が位数1515をもつには、互いに素な巡回置換への分解に長さ33の巡回因子と長さ55の巡回因子が必要であり、少なくとも88個の文字が必要となる。ゆえにS5S_5とその部分群A5A_5は位数1515の元をもたない。位数1515の元が存在するという結論は矛盾である。したがってA5A_5は Hall{3,5}\{3,5\}部分群をもたない。

7 演習

問題 7.1.

  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|を外すと補部分群が存在しない場合があることを、M=Z/4ZM=\Z/4\Z、V={0,2}V=\{0,2\}、r=2r=2の例で示せ。第二に、M=S3M=S_3、V=A3V=A_3、r=3r=3のときVVの補部分群をすべて求め、それらがVVの元によって互いに共役であることを確かめよ。
  2. G=A4×C5G=A_4\times C_5(C5=Z/5ZC_5=\Z/5\Z)とし、π={3,5}\pi=\{3,5\}とする。GGが可解群であることを示し、GGの Hallπ\pi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6060の群A5A_5が Hall{3,5}\{3,5\}部分群をもたないこと(例 6.2)と比べよ。
  3. 命題 1.4の証明を完成させよ。
  4. A5A_5に Hall{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/4ZM=\Z/4\Zを考える。V={0,2}V=\{0,2\}は位数22の部分群であり、初等アーベル22群である。Q=M/VQ=M/Vの位数は22であるからr=2r=2は∣Q∣|Q|を割る。VVの補部分群HHがあれば∣H∣=∣M∣/∣V∣=2|H|=|M|/|V|=2であるが、Z/4Z\Z/4\Zの位数22の元は22だけであるから位数22の部分群はVVだけであり、H∩V={0}H\cap V=\{0\}に反する。したがって補部分群は存在しない。M=S3M=S_3、V=A3V=A_3とする。補部分群HHは∣H∣=2|H|=2かつH∩A3={e}H\cap A_3=\{e\}を満たし、位数22の部分群は⟨(1 2)⟩\langle(1\,2)\rangle、⟨(1 3)⟩\langle(1\,3)\rangle、⟨(2 3)⟩\langle(2\,3)\rangleの三つである。いずれもA3A_3と自明に交わり、∣A3H∣=∣A3∣∣H∣/∣A3∩H∣=6|A_3H|=|A_3||H|/|A_3\cap H|=6であるからA3H=S3A_3H=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))を満たすので、σ⟨(1 2)⟩σ−1=⟨(2 3)⟩\sigma\langle(1\,2)\rangle\sigma^{-1}=\langle(2\,3)\rangle、σ2⟨(1 2)⟩σ−2=⟨(3 1)⟩=⟨(1 3)⟩\sigma^2\langle(1\,2)\rangle\sigma^{-2}=\langle(3\,1)\rangle=\langle(1\,3)\rangleである。よって三つの補部分群はVVの元によって互いに共役である。

(2)では、V4={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A4▹V4▹{e}A_4\triangleright V_4\triangleright\{e\}の因子は位数33と位数44のアーベル群であるから、§E7.22 定理 2.3によりA4A_4は可解である。G▹{e}×C5▹{e}G\triangleright\{e\}\times C_5\triangleright\{e\}について、G/({e}×C5)≅A4G/(\{e\}\times C_5)\cong A_4は可解であり、C5C_5はアーベル群であるから、§E7.22 定理 3.3によりGGは可解である。∣G∣=60=22⋅3⋅5|G|=60=2^2\cdot3\cdot5であるから、Hallπ\pi部分群の位数は1515である。位数1515の部分群HHの Sylow55部分群はGGの Sylow55部分群である。(a,c)∈G(a,c)\in Gの位数が55であることはa=ea=eかつc≠0c\ne0と同値であるから、GGの位数55の部分群は{e}×C5\{e\}\times C_5だけであり、{e}×C5≤H\{e\}\times C_5\le Hである。同様に(a,c)(a,c)の位数が33であることはaaが33-cycle でc=0c=0であることと同値であるから、HHの Sylow33部分群はT×{0}T\times\{0\}(TTはA4A_4の位数33の部分群)の形である。したがってH=T×C5H=T\times C_5である。逆に、A4A_4の八つの33-cycle は四つの位数33の部分群⟨(1 2 3)⟩\langle(1\,2\,3)\rangle、⟨(1 2 4)⟩\langle(1\,2\,4)\rangle、⟨(1 3 4)⟩\langle(1\,3\,4)\rangle、⟨(2 3 4)⟩\langle(2\,3\,4)\rangleを生成し、各T×C5T\times C_5は位数1515、指数44の部分群であるから Hallπ\pi部分群である。よって Hallπ\pi部分群はちょうど四つである。§E7.18 定理 2.2 (2)によりA4A_4の位数33の部分群は互いに共役であり、g∈A4g\in A_4について(g,0)(T×C5)(g,0)−1=gTg−1×C5(g,0)(T\times C_5)(g,0)^{-1}=gTg^{-1}\times C_5であるから、四つの Hallπ\pi部分群は互いに共役である。A5A_5は位数が同じであるが可解でなく、Hall{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⊴GN\trianglelefteq GであるからHNHNは部分群であり、∣HN∣=∣H∣∣N∣/∣H∩N∣|HN|=|H||N|/|H\cap N|である。∣H∩N∣|H\cap N|は∣H∣|H|を割るのでπ\pi数である。[N:H∩N]=∣N∣/∣H∩N∣=∣HN∣/∣H∣=[HN:H][N:H\cap N]=|N|/|H\cap N|=|HN|/|H|=[HN:H]であり、[HN:H][HN:H]は[G:H]=[G:HN][HN:H][G:H]=[G:HN][HN:H]を割るのでπ′\pi'数である。したがってH∩NH\cap NはNNの Hallπ\pi部分群である。∣HN/N∣=∣HN∣/∣N∣=∣H∣/∣H∩N∣|HN/N|=|HN|/|N|=|H|/|H\cap N|は∣H∣|H|を割るのでπ\pi数であり、[G/N:HN/N]=[G:HN][G/N:HN/N]=[G:HN]は[G:H][G:H]を割るのでπ′\pi'数である。したがってHN/NHN/NはG/NG/Nの Hallπ\pi部分群である。

(4)で Hall{2,5}\{2,5\}部分群が存在するならば、その位数は2020である。位数2020の群HHでは Sylow55部分群の個数が44を割り、55を法として11に合同である(§E7.18 定理 2.2 (3))。したがって個数は11であり、その部分群PPはHHに正規である。したがってH≤NA5(P)H\le N_{A_5}(P)である。§E7.18 例 3.1によりA5A_5の Sylow55部分群の個数は66である。§E7.18 式 (2.2.1)より[A5:NA5(P)]=6[A_5:N_{A_5}(P)]=6なので、∣NA5(P)∣=60/6=10|N_{A_5}(P)|=60/6=10である。H≤NA5(P)H\le N_{A_5}(P)ならば∣H∣≤10|H|\le10であるが、∣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。▨

参考文献

  1. Derek J. S. Robinson, A Course in the Theory of Groups, 2nd ed., Graduate Texts in Mathematics, Springer, 1996.有限可解群の Hall 部分群の扱いを参考にした。
  2. I. Martin Isaacs, Finite Group Theory, American Mathematical Society, Providence, Rhode Island, 2008.有限可解群に対する Hall の定理と、その帰納的な証明を参考にした。

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