Beweisarchiv: Algebra: Gruppen: Sylow-Sätze

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Satz

Sei G eine endliche Gruppe der Ordnung n=prm, wobei p Primzahl und m nicht durch p teilbar sei. Sei 𝒮p={U<G∣|U|=pr} die Menge der p-Sylowuntergruppen von G und sp=|𝒮p| deren Anzahl. Dann gilt:

  1. sp≡1(modp).
  2. sp|m.
  3. Ist eine Untergruppe H<G eine p-Gruppe, d.h. ist die Ordnung |H| eine Potenz von p, so gilt H<S für ein S∈𝒮p.
  4. G operiert durch Konjugation transitiv auf 𝒮p

Beweis

Wir zeigen zunächst

Lemma. 𝒮p≠∅

Beweis (Durch Induktion über n):

Falls r=0, ist 1∈𝒮p.

Sei jetzt also ohne Beschränkung der Allgemeinheit r≥1. G operiert auf sich selbst durch Konjugation und zerfällt dadurch in Bahnen. Die Bahnenlänge eines Elements x∈G ist hierbei gleich dem Index des Zentralisators ZG(x)={g∈G∣gx=xg} in G. Die Bahnenlänge ist also genau dann 1, wenn ZG(x)=G, d.h. wenn x im Zentrum Z(G) liegt. Ansonsten ist ZG(x) eine echte Untergruppe. Falls dann pr Teiler von |ZG(x)|<n ist, hat nach Induktionsvoraussetzung ZG(x) eine Untergruppe der Ordnung pr, die aber ja auch in Untergruppe von G ist, und wir sind fertig.

Wir können also annehmen, dass für x∉Z(G) die Ordnung von ZG(x) nicht durch pr teilbar ist; dann muss aber umgekehrt die zugehörige Bahnenlänge Vielfaches von p sein. Da |G| die Summe aller Bahnenlängen ist, folgt |G|≡|Z(G)|(modp), das heißt p teilt |Z(G)|. Insbesondere enthält Z(G) eine Untergruppe U der Ordnung p. Als Untergruppe des Zentrums ist diese normal, wir können also die Gruppe G/U und die kanonische Projektion π:G→G/U betrachten. Da |G/U|=pr−1m<n ist, gibt es in dieser nach Induktionsvoraussetzung eine Untergruppe S der Ordnung pr−1. Deren Urbild π−1(S)⊆G hat dann die Ordnung pr, liegt also in 𝒮p.

Damit ist das Lemma bewiesen.


Für den Beweis des Satzes sei jetzt S∈𝒮p eine laut Lemma existierende Sylowgruppe. Da durch Konjugation aus einer pr-elementigen Untergruppe wieder eine solche wird, operiert G auf 𝒮p. Sei Ω die Bahn von S. Da g−1Sg=S zumindest für g∈S gilt, ist die Bahnlänge |Ω| ein Teiler von [G:S]=m, also zu p teilerfremd.

Sei H eine beliebige p-Untergruppe von G. Auch H operiert auf Ω durch Konjugation. Hierbei auftretende Bahnlängen sind entweder 1 oder Vielfache von p. Da insgesamt |Ω| kein Vielfaches von p ist, muss mindestens einmal die Bahnlänge 1 auftreten, d.h. H normalisiert ein S′∈Ω. Dann ist aber HS′ Untergruppe von G und obendrein p-Gruppe mit mindestens (und folglich genau) pr Elementen, also gilt HS′=S′ und folglich H⊆S′. Dies ist bereits Teil 3 der Satzbehauptung.

Im Spezialfall H∈𝒮p gilt sogar, dass H=S′ gelten muss, also folgt Ω=𝒮p und damit Teil 2 und 4 des Satzes. Schließlich hat in diesem Fall H selbst Bahnlänge 1, während alle anderen Bahnlängen Vielfache von p sind. Folglich gilt |Ω|≡1(modp), d.i. Teil 1 der Satzbehauptung.

Damit ist der Satz bewiesen.