Теорема Кэли

Теорема Кэли позволяет найти для любой конечной группы с определённой бинарной операцией изоморфную ей подгруппу группы всех перестановок.

Теорема Кэли

Теорема (Кэли(Cayley), о вложении любой конечной группы в группу перестановок):

Любая конечная группа порядка изоморфна некоторой подгруппе группы перестановок (подгруппе симметрической группы ).

Доказательство:

[math]S_n[/math](симметрическая группа) — множество перестановок с [math]n[/math] элементами с операцией [math]\circ[/math].

Пусть [math]\circ[/math] — бинарная операция в конечной группе [math]G=\{g_1, g_2,\ldots,g_n\}[/math]. Для каждого элемента [math]g\in G[/math] построим соответствующую перестановку [math]f_g\in S_n:[/math] где [math]f_g(x) = g \circ x[/math].

[math]f_g[/math] — перестановка, так как

Для любых [math]a, b\in G[/math] таких, что [math]a \neq b[/math] верно, что [math]g \circ a \neq g \circ b[/math] [math]\Rightarrow f_g[/math] — инъекция.
Мощность [math]G[/math] — конечна [math]\Rightarrow f_g[/math] — биективно, и является перестановкой.

Пусть [math]\circ[/math] — композиция двух перестановок. Если [math]f_g[/math] — перестановка, то [math]f_{g^{-1}}[/math] — обратная перестановка, где [math]g^{-1}[/math] — обратный элемент [math]g[/math], так как . Если [math]e[/math] — нейтральный элемент в группе, то [math]f_e[/math] — тождественная перестановка.

Докажем,что множество всех перестановок [math]K = \{f_g : g \in G\}[/math] — подгруппа симметрической группы [math]S_n[/math].

Пусть [math]g_i,g_j\in G[/math].Рассмотрим перестановку [math](f_{g_i} \circ f_{g_j})(x)[/math]. Так как [math]G[/math] — группа, то для любого [math]x\in G[/math] верно

,

Так как [math]G[/math] — группа, то [math]g_i \circ g_j =g_k\in G[/math] и [math]f_{g_i \circ g_j}=f_{g_k}[/math], откуда [math]f_{g_i} \circ f_{g_j}\in K[/math]. Значит, [math]K[/math] — подгруппа группы [math]S_n[/math].

Осталось доказать, что [math]G[/math] и [math]K[/math] изоморфны. Для этого рассмотрим отображение [math]\varphi : G \rightarrow K\[/math], которое переводит элемент [math]g\in G[/math] в элемент , где [math]{g^\prime}[/math] симметричен элементу [math]g[/math] в группе [math]G[/math].

Заметим, что

Отображение [math]\varphi [/math] взаимно однозначно.
Для любых [math]g_i,g_j\in G[/math] верно , то есть отображение [math]\varphi[/math] сохраняет операцию.

Значит, оно является изоморфизмом групп и .

Примеры

Рассмотрим конечную группу [math]G= \mathbb Z_3=\{0, 1, 2\}[/math] с операцией [math]\circ [/math] — сложения по модулю [math]3[/math]. Найдём подгруппу [math]K[/math], изоморфную группе [math]\mathbb{Z}_3[/math], то есть найдём отображение [math]\mathbb{Z}_3[/math] в [math]K[/math].

Пусть

и

где [math] f_g(x) = g \circ x[/math].

При этом [math]K\subseteq S_3[/math], где [math]S_3[/math] — группа всех перестановок с [math]3[/math] элементами с операцией [math]\circ[/math].

То есть

.

Тогда находим три перестановки, составляющие группу [math]K[/math]:

Таким образом, мы нашли подгруппу [math]K[/math] группы перестановок [math]S_3[/math], изоморфную конечной группе [math]\mathbb{Z}_3[/math].

См. также

Источники информации

Wikipedia — Cayley's theorem

Теорема Кэли