Кіріспе

Шекті топтарды оның ретінің алғашқы факторларына негізделген бөлшектеуге көмектесетін теоремалар. Математикада, әсіресе шекті топтар теориясы саласында, Сайлов теоремалары – норвегиялық математик Питер Людвиг Сайловтың есімімен аталған теоремалар жиынтығы. Олар берілген шекті топтағы белгілі бір реттік кіші топтардың саны туралы толыққанды ақпарат береді. Сайлов теоремалары шекті топтар теориясының негізгі бөлігін құрайды және шекті қарапайым топтарды жіктеуде маңызды рөл атқарады. p – жай сан болғанда, топтың Силоу p кіші тобы (кейде p-Силоу кіші тобы) – бұл , яғни p-топ болатын (оның кардиналдығы p-ның дәрежесіне тең немесе, баламалы түрде, топтың әрбір элементінің реті p-ның дәрежесі) және басқа кіші топтың дұрыс кіші тобы емес кіші топ. Берілген p үшін барлық Силоу кіші топтары жиыны кейде былай жазылады. Сайлов теоремалары Лагранж теоремасына ішінара кері теорема болып табылады. Лагранж теоремасы кез келген шекті топ үшін, топтың кез келген кіші тобының реті (элементтер саны) топтың ретін бөледі деп мәлімдейді. Сайлов теоремалары шекті топтың ретінің әрбір жай факторы үшін, топтың ретін бөлетін p-ның ең жоғары дәрежесіне тең ретті Силоу p кіші тобының бар екенін айтады. Сонымен қатар, кез келген ретті кіші топ – Силоу p кіші тобы, ал топтың Силоу p кіші топтары (берілген p үшін) бір-біріне конъюгациялы болады. Бұдан өзге, берілген p үшін топтың Сайлов кіші топтарының саны 1 (mod p) конгруэнтті.

Мотивация

Сайлоу теоремалары – жалпы топтардың құрылымы туралы маңызды тұжырым, сонымен қатар шекті топтар теориясының қолданылуларында да өте тиімді. Олардың тиімділігі сонда, шекті топтың санының жай санға жіктелуін пайдаланып, оның кіші топтарының құрылымы туралы мәлімдемелер жасауға болады: мәнісінде, топ туралы қарапайым сандық теориялық мәліметтерді оның топтық құрылымына ауыстыруға мүмкіндік береді. Осы тұрғыдан алғанда, шекті топтарды жіктеу – кіші ретті топтардың қандай комбинацияларын немесе құрастыруларын қолданып топты құруға болатынын анықтауға айналады. Мысалы, осы теоремалардың кең таралған қолданысы – белгілі бір санмен анықталатын шекті топтарды жіктеу, мысалы…

Айтылым

Топтар теориясында әрқайсысы белгілі бір мағынада максимал болатын кіші топтар жиынтығы жиі кездеседі. Мұндағы ерекше нәтиже – жағдайында барлық мүшелері бір-біріне изоморфты және ең үлкен мүмкін тәртіпке ие: егер , мұнда p саны m-ға бөлінбейтін болса, онда әрбір Sylow p кіші тобының P тәртібі болады. Яғни, P – p-топ және осы қасиеттерді G тобының құрылымын одан әрі талдау үшін пайдалануға болады. Келесі теоремалар алғаш рет 1872 жылы Людвиг Силоу ұсынды және дәлелдеді, ал Mathematische Annalen журналында жарияланды. 1-теореманың төмендегі әлсіз нұсқасын алғаш рет Огюстен Луи Коши дәлелдеді және ол Коши теоремасы деп аталады.

Салдарлар

Силоу теоремалары үшін жай санның әрбір Силоу қосалқы тобы бірдей ретке ие екенін көрсетеді. Керісінше, егер қосалқы топ реті болса, онда ол Силоу қосалқы тобы болып табылады және кез келген басқа Силоу қосалқы тобымен серіктес болады. Максималдық шарты бойынша, егер -тың кез келген қосалқы тобы болса, онда ол реті бар қосалқы топтың қосалқы тобы болады.
Теорема 2-нің өте маңызды салдары - шарты Силоу қосалқы тобының қалыпты қосалқы топ болу шартына эквивалентті екендігі. Алайда, қалыпты қосалқы топтары бар, бірақ қалыпты Силоу қосалқы топтары жоқ топтар бар, мысалы .

Силоуның шексіз топтар теоремалары

Шексіз топтар үшін Силоу теоремаларына ұқсас теоремалар бар. Шексіз топтағы Силоу p-субтобы – бұл p-субтоп (яғни, оның әрбір элементінің p-дәрежелі реті бар), топтағы барлық p-субтоптарына қатысты максималды. Бір топтың конъюгаттар жиынын арқылы белгілейміз.

Мысалдар

Сайлоу кіші топтары мен Сайлоу теоремаларының қарапайым мысалы – n көпбұрыштың диэдрлік тобы, D2n. n тақ болғанда, 2 = 2¹ – бұл 2-нің ретті бөлетін ең жоғары дәрежесі, сондықтан 2-ретті кіші топтар – Сайлоу кіші топтары. Бұл – айналым кезінде барлық конъюгацияланғандары n болатын, бір айналу арқылы жасалған топтар; геометриялық тұрғыдан симметрия осьтері төбе мен қабырға арқылы өтеді. Керісінше, егер n жұп болса, онда 4 топтың реттілігін бөледі, ал 2-ретті кіші топтар енді Сайлоу кіші топтары емес, және олар геометриялық тұрғыдан екі төбе немесе екі жақ арқылы өтуіне байланысты екі конъюгация класына жатады. Бұлар сыртқы автоморфизммен байланысты, оны π/n бұрышқа айналдыру арқылы көрсетуге болады, бұл диэдрлік топтағы ең кішкентай айналудың жартысы. Тағы бір мысал – p және q 3-тен үлкен және p ≡ 1 (mod q) болатын GL2(Fq) Сайлоу p кіші топтары, олардың барлығы абельдік. GL2(Fq) реті (q² − 1)(q² − q) = q(q + 1)(q − 1)² тең. q = pⁿm + 1 болғандықтан, GL2(Fq) реті p²ⁿm′ тең. Осылайша, 1-теорема бойынша Сайлоу p кіші топтарының реті p²ⁿ. Мұндай кіші топтың бірі P – диагональдық матрицалар жиыны, мұнда x – Fq-ның кез келген түпнұсқалық түбірі. Fq реті q − 1 тең болғандықтан, оның түпнұсқалық түбірлерінің реті q − 1, яғни x^((q − 1)/pⁿ) немесе xm және оның барлық дәрежелерінің реті p-нің дәрежесі болады. Демек, P – барлық элементтерінің реті p-нің дәрежесі болатын кіші топ. a және b үшін pn таңдау бар, бұл P – Сайлоу p кіші тобы, ол абельдік, өйткені барлық диагональдық матрицалар коммутативті, және 2-теорема бойынша барлық Сайлоу p кіші топтары бір-біріне конъюгацияланады, сондықтан GL2(Fq) Сайлоу p кіші топтарының барлығы абельдік.

Қолдану үлгілері

Сайлоу теоремасы шекті топтың p-кіші топтарының бар екенін кепілдендіретіндіктен, жай санның дәрежесіндегі топтарды жақсырақ зерттеу маңызды. Көптеген мысалдарда, белгілі бір реттік топтың жай емес екенін дәлелдеу үшін Сайлоу теоремасы қолданылады. Кішкентай реттік топтар үшін Сайлоу теоремасының сәйкестік шарты көбінесе қалыпты кіші топтың болуын қамтамасыз етуге жеткілікті. 1-мысал: p және q жай сандар болатын, p < q реттік pq топтары. 2-мысал: 30-дық, 20-дық топтар, сондай-ақ p2q реттік топтар, мұнда p және q ерекше жай сандар – бұл қолданыстардың кейбірі. 3-мысал (60-дық реттік топтар): Егер |G| = 60 және G-де бірден көп Сайлоу 5-кіші тобы болса, онда G жай болады.

Циклдік топтық тапсырыстар

Кейбір жай сан емес n сандары үшін, n реті бар әрбір топ циклдік болады. n = 15 саны да осындай екенін Силоу теоремаларын қолданып көрсетуге болады: G – 15 = 3 · 5 реті бар топ болсын, ал n₃ – Силоу 3-көшірме топтарының саны. Онда n₃ ≤ 5 және n₃ ≡ 1 (mod 3). Бұл шектеулерді қанағаттандыратын жалғыз мән – 1; демек, 3-ші ретте тек бір ғана кіші топ бар және ол нормальды болуы керек (өйткені оның ерекше конъюгаттары жоқ). Сол сияқты, n₅ 3-ті бөлуі керек, ал n₅ 1-ге тең болуы керек (mod 5); демек, оның 5-ші ретте де бір ғана нормальді кіші тобы болуы керек. 3 және 5 өзара жайлы сандар болғандықтан, осы екі кіші топтың қиылысуы бөлшек, сондықтан G 3 және 5 реттік топтардың ішкі тікелей көбейтіндісі болуы керек, яғни 15 реттік циклдік топ. Осылайша, 15-ші ретте тек бір ғана топ бар (изоморфизмге дейін).

Кішігірім топтар оңай емес

Күрделірек мысал циклдік емес ең кішкентай қарапайым топтың реттілігін қамтиды. Бернсайдтың pаqв теоремасы бойынша, егер топтың реті бір немесе екі жай санның дәрежесінің көбейтіндісі болса, онда ол шешіледі, сондықтан топ қарапайым емес немесе жай сан реттілікте және циклдік болып табылады. Бұл 30 ретке дейінгі барлық топтарды жоққа шығарады. Егер G қарапайым болса және |G| = 30 болса, онда n3 саны 10-ды (= 2 · 5) бөлуі керек, ал n3 саны 1 (mod 3) тең болуы керек. Сондықтан n3 = 10, өйткені 4 де, 7 де 10-ды бөле алмайды, ал егер n3 = 1 болса, онда жоғарыда айтылғандай, G-дің 3-ші реттік қалыпты кіші тобы болады және қарапайым бола алмайды. Сонда G-де 3-ші реттік 10 түрлі циклдік кіші топтар бар, олардың әрқайсысында 3-ші реттік 2 элемент бар (бірттік элементімен қоса). Бұл G-де кем дегенде 20 3-ші реттік элемент бар дегенді білдіреді. Сонымен қатар, n5 = 6, өйткені n5 саны 6-ны (= 2 · 3) бөлуі керек, ал n5 саны 1 (mod 5) тең болуы керек. Сондықтан G-де 5-ші реттік 24 элемент бар. Бірақ G-нің реті 30 ғана, сондықтан 30 реттік қарапайым топ болуы мүмкін емес. Келесі, |G| = 42 = 2 · 3 · 7 болсын. Мұнда n7 саны 6-ны (= 2 · 3) бөлуі керек және n7 саны 1 (mod 7) тең болуы керек, сондықтан n7 = 1. Осылайша, бұрынғыдай, G қарапайым бола алмайды. Екінші жағынан, |G| = 60 = 2² · 3 · 5 болса, онда n3 = 10 және n5 = 6 болуы мүмкін. Шындығында, ең кішкентай қарапайым, циклдік емес топ – A5, 5 элементтің кезектесетін тобы. Оның реті 60-қа тең, және 5-ші реттік 24 циклдік пермутациясы бар, сондай-ақ 3-ші реттік 20 пермутациясы бар.

Құрылыс нәтижелері

Фраттинидің аргументі нормальді субтоптың Силоу субтоптарының шекті топты факторлауын қамтамасыз ететінін көрсетеді. Бернсайдтың бірігу теоремасы деп аталатын сәл жалпылауда, егер G – Силоу p субтобы P және P-мен нормаланған A және B екі ішкі жиын болса, онда A және B G-ге конъюгат болса және тек қана олар NG(P)-ге конъюгат болады. Дәлел – Силоу теоремасының қарапайым қолданылуы: Егер B = Ag болса, онда B нормализаторында P ғана емес, сонымен қатар Pg бар (өйткені Pg, Ag нормализаторында қамтылған). Силоу теоремасы бойынша P және Pg тек G-де ғана емес, сонымен қатар B нормализаторында да конъюгат болады. Сондықтан, B-ді нормалайтын кейбір h үшін gh−1 P-ді нормалайды, содан кейін Agh−1 = Bh−1 = B, демек A және B NG(P)-ге конъюгат. Бернсайдтың бірігу теоремасын жартылай тура көбейтінді деп аталатын күштірек факторлау алу үшін пайдалануға болады: егер G – шекті топ болса және оның Силоу p субтобы P нормализаторының центрінде жатса, онда G-де P-ге жақын ретті K нормальді субтобы бар, G = PK және P ∩ K = {1}, яғни G – p-нильпотентті. Силоу теоремаларының аз маңызды емес қолданыстарына фокалды субтоп теоремасы жатады, ол алынған субтоптың Силоу p субтобының бүкіл топтың құрылымына қандай әсер ететінін зерттейді. Бұл қағида шекті қарапайым топтарды жіктеудің бірнеше кезеңдерінде пайдаланылады, мысалы, Силоу 2 субтобы квазидиэдрлік топ болатын шекті қарапайым топтарды жіктеуші Альперин–Брауэр–Горенштейн теоремасында қолданылатын жағдайлардың бөлінуін анықтайды. Бұл Дж. Л. Альпериннің Силоу теоремасының конъюгация бөлігін күшейтуіне негізделген, конъюгацияда қолданылатын элементтердің түрлерін бақылауға мүмкіндік береді.

Сайлоу теоремаларының дәлелі

Силоу теоремалары бірнеше тәсілмен дәлелденген, ал дәлелдеу тарихы көптеген мақалалардың тақырыбы болып табылады, оның ішінде Уотерхаус, Шарлау, Касадио және Заппа, Гоу және белгілі бір деңгейде Мео еңбектері. Силоу теоремаларының бірін дәлелдеу үшін топтық әрекет түсінігі түрлі шығармашылық жолдармен қолданылады. G тобы өзіне немесе оның p-кіші топтары жиынына әртүрлі тәсілдермен әрекет етеді, және мұндай әрбір әрекетті Силоу теоремаларының біреуін дәлелдеу үшін пайдалануға болады. Келесі дәлелдемелер Виландттың комбинаторлық аргументтеріне негізделген. Бұдан әрі, "a бөледі b" деп белгілейміз және осының жоққа шығарылуын білдіру үшін қолданамыз.

Алгоритмдер

Берілген топтың Силоу қосалқы тобын табу мәселесі – есептеулік топтар теориясының маңызды мәселесі. Силоу p-ішкі топтарының бар екендігін дәлелдеудің бірі – конструктивті: егер H тобы G тобының p-ішкі тобы болса және [G:H] индексі p-ге бөлінсе, онда G тобындағы H-ның нормализаторы N = NG(H) да [N:H] p-ге бөлінетіндей болады. Басқаша айтқанда, Силоу p-ішкі тобының полициклдік туындыру жүйесін кез келген p-ішкі топтан (сәйкестік тобынан да) бастап, H-ның нормализаторында болатын, бірақ H-ның өзінде жоқ p-дәрежелі элементтерді таңдау арқылы табуға болады. Бұл алгоритмнің нұсқасы (және көптеген жетілдірулер) Батлердің оқулығында, соның ішінде Канонда сипатталған алгоритмде келтірілген. Бұл нұсқалар әлі де GAP компьютерлік алгебра жүйесінде қолданылады. Ауыстыру топтарында Кантор және Кантор, сондай-ақ Тейлор көрсеткендей, Силоу p-ішкі тобы мен оның нормализаторын кірістің полиномиалдық уақытында (топтың дәрежесі генераторлар санына көбейтілген) табуға болады. Бұл алгоритмдер Сересс оқулығында сипатталған және қазір шекті қарапайым топтарды конструктивті анықтау мүмкіндігі туғанда практикалық бола бастады. Атап айтқанда, бұл алгоритмнің нұсқалары Magma компьютерлік алгебра жүйесінде қолданылады.