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Sylow の定理(シローの定理)とは|存在・共役性・個数の証明、位数の分類

位数 12 の群 には、位数 6 の部分群がない。 を割るのに、である。

ラグランジュの定理は「部分群の位数は群の位数を割る」と述べるが、その逆は偽だ。約数を指定しても、対応する部分群があるとは限らない。

ところが、約数が素数の冪である場合だけは事情が違う。そこには必ず部分群が存在し、しかも個数まで決まってしまう。それを述べるのが Sylow の定理である。

ラグランジュの逆は成り立たない

一般の約数

を割っても、位数 の部分群があるとは限らない。 は位数 12 だが、位数 6 の部分群をもたない。

素数冪の約数

を割る最大の 冪なら、位数 の部分群が必ず存在する。個数も で決まる。

素数だけが特別扱いされる。この非対称性こそが Sylow の定理の核心であり、有限群論が素数ごとの分析に向かう理由でもある。

-群と Sylow -部分群

を素数とする。位数が の冪である群を -群という。

)と書けるとき、位数 の部分群を の Sylow -部分群と呼ぶ。 の力を目いっぱい使い切った部分群である。

Sylow -部分群の全体を 、その個数を と書く。

3 つの定理

Sylow が示したのは次の 3 点である。

存在:Sylow -部分群は必ず存在する
共役性:Sylow -部分群はどれも互いに共役である
個数: であり、 を割る

3 つとも、たった 1 つの補題から出る。まずその補題にたどり着くための道具を整える。

群の作用

が集合 に作用するとは、各 の置換を対応させ、 を満たすことをいう。

の軌道を 、安定化群を と定める。

軌道は を重なりなく分割する。 は軌道たちの直和になり、 は軌道の大きさの総和として計算できる。

軌道と安定化群

軌道の大きさは、安定化群の指数に等しい。

対応 を考えればよい。 は同値なので、この対応は全単射になる。

したがって軌道の大きさは を割る。ここが以後のすべての鍵になる。

例:作用を計算する

(正方形の対称性、位数 8)を、正方形の 4 頂点に作用させる。

頂点 の軌道は 4 点すべてだ。どの頂点にも回転で移れる。安定化群は、頂点 を通る対角線に関する鏡映と恒等写像の 2 元である。

。定理のとおりになっている。

心臓部:固定点の補題

Sylow の定理はすべて、次の一言から出る。

補題

-群とし、有限集合 に作用させる。 とすると、 である。

なぜ効くのか

軌道の大きさは を割るので、 の倍数しかありえない。大きさ の軌道こそが固定点である。

この補題は、集合の個数を数えるだけで固定点の存在を保証する。存在証明が数え上げに化ける、という仕掛けだ。

補題の証明

を軌道に分割する。各軌道の大きさは で、 の約数だから の倍数である。

大きさ の軌道の個数は にほかならない。残りの軌道の大きさはすべて で割り切れる。

総和を取れば 。両辺を で見れば補題を得る。

直観: の世界では 1 か 倍か

-群が何かに作用すると、動くものは必ず 個以上のかたまりで動く。半端な人数では動けないのだ。

だから「全体の個数が で割り切れない」なら、動かない点が必ず残る。人数が合わないぶんが固定点としてこぼれ落ちる、と思えばよい。

Sylow の 3 定理は、この「こぼれ落ちた点」を毎回ちがう舞台で拾い上げる作業である。

類等式

を自分自身に共役 で作用させる。軌道は共役類、固定点は中心 の元だ。

軌道分解を書けば、次の類等式を得る。

和は大きさ 以上の共役類の代表元をわたる。 と可換な元の全体(中心化群)である。

-群の中心は自明でない

)とする。 を自分自身に共役で作用させ、固定点の補題を当てる。

固定点の集合は である。補題より

左辺は で割り切れるので、 で割り切れる。 だから 、よって となる。

-群は必ず中心をもつ。この事実は、-群を帰納法で調べるときの足場になる。

例:位数 の群は可換

とする。中心は自明でないので だ。

と仮定する。 は位数 なので巡回群になる。

ここで一般論を使う。 が巡回なら は可換である。生成元を とすれば、任意の元は の形に書け、 と可換に計算できるからだ。

すると が可換になり 、つまり で仮定に反する。よって は可換である。

例:位数 4 と 9 の群

位数 の群は可換だと分かった。有限可換群の分類から、 のどちらかになる。

位数 4 の群は とクラインの四元群の 2 つ。位数 9 の群は の 2 つである。

位数が素数の 2 乗なら、非可換群は存在しない。位数 8 になると や四元数群が現れるので、 という制限が効いている。

第一定理:存在

)ならば、 は位数 の部分群をもつ。

証明にはヴィーラントの数え上げを使う。まず二項係数の 指数を調べる。

準備:二項係数の 指数

で、 を割り切る の最大冪の指数を表す。主張は次のものだ。

なら右辺は 。つまり で割り切れない。

二項係数の補題の証明

二項係数を積の形に書く。

の因子は である。 指数はちょうど になる。

の因子を見る。)と書けば、 で、括弧の中は で割れない。

つまり となる。同じ理由で だ。分子と分母の 指数が打ち消し合う。

残るのは の因子だけ。よって の総和は である。

第一定理の証明

を、 の部分集合のうち要素数が のもの全体とする。 で、これは で割り切れない。

に左からの積 で作用させる。 で割れないので、大きさが で割れない軌道が少なくとも 1 つ存在する。

その軌道の元 を取り、安定化群を とする。 で割れないので、 を割り切る。

逆向きの評価をする。 を 1 つ固定すると、 に対し である。写像 は単射なので

両者を合わせて が求める Sylow -部分群である。

直観:なぜ数え上げから部分群が出るのか

部分集合をすべて並べて で動かすと、たいていの軌道は の倍数の大きさになる。総数が で割れない以上、はみ出す軌道が必ずある。

はみ出した軌道は、動かされ方が小さい。動かされにくいということは、それだけ多くの元に固定されているということだ。

その「固定する元」の集まりが安定化群であり、大きさを両側から挟むとちょうど になる。数え上げが部分群を掘り当てる仕組みである。

系:コーシーの定理

を割るなら、 は位数 の元をもつ。

Sylow -部分群 は自明でないので、 でない元 を取れる。 の位数は )の形だ。

すると の位数はちょうど である。存在定理から、位数 の元の存在がただちに従う。

第二定理:共役性

を Sylow -部分群とすると、ある となる。

Sylow -部分群は、たがいに「同じ形」をしている。共役でつながっている以上、群の中での役割はすべて同じである。

したがって、1 つの Sylow -部分群を調べれば、残りも自動的に分かる。

第二定理の証明

(左剰余類の集合)とする。 で、 である。

に左からの積で作用させる。-群なので固定点の補題が使え、 となる。

よって固定点 が存在する。すべての 、すなわち である。

つまり 。両者は位数が等しいので 、すなわち を得る。

系: と正規性

であることと、Sylow -部分群が正規であることは同値だ。

共役 もまた Sylow -部分群である。 なら が全ての で成り立ち、 となる。

逆に が正規なら、第二定理よりすべての Sylow -部分群は の共役、つまり 自身である。 だ。

この同値性が、Sylow の定理を「正規部分群を探す道具」に変える。

第三定理:個数

であり、 を割り切る。

2 つの条件を組み合わせると、 の候補は劇的に絞られる。多くの場合、候補は 1 つか 2 つしか残らない。

の証明

に、 自身を共役で作用させる。-群なので固定点の補題が使える。

固定点とは、 を満たす Sylow -部分群 のことだ。このとき はどちらも の Sylow -部分群になる。

の中で正規である。第二定理を に適用すれば となる。

固定点は ただ 1 つ。補題より である。

の証明

に共役で作用させる。第二定理により、この作用は推移的だ。軌道は全体 1 つしかない。

軌道と安定化群の関係から となる。Sylow 部分群の個数は、正規化群の指数に等しい。

なので を割る。したがって を割り切る。

図で見る

とすると になる。 に作用させたときの分解を描く。

HTML
CSS
JavaScript
<div class="cont">
<svg viewBox="0 0 420 170" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" role="img" aria-label="Sylow 部分群の集合への共役作用の軌道分解">
<rect x="0" y="0" width="420" height="170" rx="10" fill="#fafbfc"/>
<rect x="20" y="52" width="54" height="54" rx="10" fill="#e8f0fe" stroke="#5b8def" stroke-width="1.4"/>
<circle cx="47" cy="79" r="7" fill="#3468d6"/>
<rect x="96" y="52" width="94" height="54" rx="10" fill="#fff" stroke="#d7dbe0" stroke-width="1.2"/>
<circle cx="120" cy="79" r="7" fill="#aab0b8"/>
<circle cx="143" cy="79" r="7" fill="#aab0b8"/>
<circle cx="166" cy="79" r="7" fill="#aab0b8"/>
<rect x="204" y="52" width="94" height="54" rx="10" fill="#fff" stroke="#d7dbe0" stroke-width="1.2"/>
<circle cx="228" cy="79" r="7" fill="#aab0b8"/>
<circle cx="251" cy="79" r="7" fill="#aab0b8"/>
<circle cx="274" cy="79" r="7" fill="#aab0b8"/>
<rect x="312" y="52" width="94" height="54" rx="10" fill="#fff" stroke="#d7dbe0" stroke-width="1.2"/>
<circle cx="336" cy="79" r="7" fill="#aab0b8"/>
<circle cx="359" cy="79" r="7" fill="#aab0b8"/>
<circle cx="382" cy="79" r="7" fill="#aab0b8"/>
<g font-family="ui-sans-serif, system-ui, sans-serif" font-size="11.5" text-anchor="middle" fill="#6b7280">
<text x="47" y="40" fill="#3468d6">固定点 P</text>
<text x="143" y="40">軌道 3</text>
<text x="251" y="40">軌道 3</text>
<text x="359" y="40">軌道 3</text>
<text x="47" y="128" fill="#3468d6">1</text>
<text x="143" y="128">3</text>
<text x="251" y="128">3</text>
<text x="359" y="128">3</text>
</g>
<text x="210" y="152" font-family="ui-sans-serif, system-ui, sans-serif" font-size="12.5" text-anchor="middle" fill="#1b1d22">n₃ = 1 + 3 + 3 + 3 = 10 ≡ 1 (mod 3)</text>
</svg>
</div>
.cont { margin: 0; text-align: center; }
.cont svg { width: 100%; max-width: 420px; height: auto; }

自身は動かないので、大きさ の軌道になる。残りは の倍数の大きさでしか動けない。

だから合計はつねに の形になる。 とは、この当たり前の勘定にすぎない。

Sylow で群を調べる手順

位数だけが分かっている群を調べるときは、次の順で攻める。

と素因数分解し、各素数で の候補を出す

で候補を絞る

なら正規部分群を得る。複数なら元を数え上げて矛盾を探す

以下、この手順を具体例で繰り返す。

例:位数 6 の群

とする。 を割り、 で割って 余る。候補は だけだ。

よって Sylow 3-部分群 は正規である。 を割る奇数なので

なら Sylow 2-部分群も正規で、 なら である。位数 6 の群はこの 2 つしかない。

例:位数 15 の群

とする。 を割るので だが、 なので

を割るので だが、 なので

どちらの Sylow 部分群も正規である。位数が 3 と 5 なので共通部分は だけだ。

積が 全体になり、 となる。

位数 15 の群は巡回群しかない。非可換群を作ろうとしても、Sylow の定理が許さないのだ。

例:位数 の群

は素数)とする。 を割るので である。

が必要だが、 より 。よって で、Sylow -部分群はつねに正規だ。

次に を見る。 を割るので 、そして が要る。

なら も強制され、 は巡回群 になる。逆に のときだけ、非可換群の余地が生まれる。

例:位数 21 — 非可換が現れる

とする。 は前節のとおりだ。

を割るので 。ここで なので、 が条件をすり抜ける。

実際、位数 21 の非可換群が存在する。 が位数 3 の自己同型で作用してできる半直積である。

という数論的な条件が、非可換性の扉を開ける。Sylow の定理は、その扉の位置まで教えてくれる。

例:位数 35 と 33

とする。 なので も同様だ。よって となる。

でも同じだ。 なので、位数 33 の群は巡回群しかない。

割り算を 1 回するだけで、群の分類が終わってしまう。Sylow の定理の破壊力がよく分かる例である。

例:位数 12 の群

とする。 を割る奇数なので

を割り、 で割って 余る。 の約数 のうち条件を満たすのは だ。

候補は の 4 通り。ここからさらに絞り込める。

例:位数 12 の群は必ず正規 Sylow をもつ

と仮定する。4 つの Sylow 3-部分群は位数 3 で、2 つの相異なるものの共通部分は に限られる。

したがって位数 3 の元は 個ある。残る元は 個で、単位元を含む。

Sylow 2-部分群は位数 4 で、位数 3 の元を含まない。よってこの残り 4 元とぴったり一致するしかなく、 が従う。

つまり なら 。位数 12 の群は、どんなものでも正規な Sylow 部分群をもつ。単純群にはなれない。

例: の Sylow 部分群

は位数 12 である。Sylow 3-部分群は など 4 つで、

位数 3 の元は 8 個の 3 元巡回置換で、たしかに と合う。

残る 4 元が である。これが唯一の Sylow 2-部分群であり、正規部分群になる。

前の節の議論が、そのまま で実現されている。 に位数 6 の部分群がないことと、Sylow 部分群がこう配置されていることは、同じ構造の別の顔だ。

例: の Sylow 部分群

である。Sylow 3-部分群は位数 3 で、3 元巡回置換 8 個から 4 つ作られる。 だ。

Sylow 2-部分群は位数 8 になる。 は正方形の対称性、つまり と同型な位数 8 の部分群である。

を割る奇数なので 。実際には 3 つあり、 が生む 3 通りの「正方形の入れ方」に対応する。

の中に が 3 つ潜んでいる。4 点を正方形の頂点とみなす方法が 3 通りある、と読める。

例: から への準同型

を使うと、 の構造が 1 つ見える。 を 3 つの Sylow 2-部分群に共役で作用させるのだ。

これは準同型 を与える。作用は推移的なので は全射である。

核の位数は 。この核こそクラインの四元群 であり、 が得られる。

Sylow 部分群への作用は、群を小さな置換群へ落とし込む標準的な手口になっている。

例:位数 30 の群は単純でない

とする。 を割り で割って 余るので、 を割り で割って 余るので、

と仮定する。Sylow 5-部分群どうしは単位元しか共有しないので、位数 5 の元は 個ある。

と仮定する。同様に位数 3 の元は 個だ。

単位元と合わせると になる。元が足りない。したがって の少なくとも一方が成り立ち、 は正規部分群をもつ。

図で見る位数 30 の数え上げ

矛盾の様子を図にする。

HTML
CSS
JavaScript
<div class="cont">
<svg viewBox="0 0 420 150" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" role="img" aria-label="位数 30 の群での元の数え上げ">
<rect x="0" y="0" width="420" height="150" rx="10" fill="#fafbfc"/>
<rect x="20" y="58" width="8" height="34" rx="2" fill="#8a8f98"/>
<rect x="28" y="58" width="192" height="34" fill="#5b8def"/>
<rect x="220" y="58" width="160" height="34" fill="#e0872f"/>
<line x1="260" y1="42" x2="260" y2="108" stroke="#e5484d" stroke-width="1.6" stroke-dasharray="4 3"/>
<rect x="260" y="58" width="120" height="34" fill="#e5484d" fill-opacity="0.22"/>
<g font-family="ui-sans-serif, system-ui, sans-serif" font-size="11.5" fill="#6b7280">
<text x="30" y="48">位数 5 の元 24 個</text>
<text x="224" y="48">位数 3 の元 20 個</text>
<text x="264" y="122" fill="#c93c41">ここから先は存在しない元</text>
</g>
<text x="257" y="34" font-family="ui-sans-serif, system-ui, sans-serif" font-size="11.5" text-anchor="end" fill="#c93c41">|G| = 30</text>
<text x="20" y="122" font-family="ui-sans-serif, system-ui, sans-serif" font-size="11.5" fill="#1b1d22">1 + 24 + 20 = 45</text>
</svg>
</div>
.cont { margin: 0; text-align: center; }
.cont svg { width: 100%; max-width: 420px; height: auto; }

赤い破線が群の定員 30 である。 を同時に認めると、定員を 15 人ぶん超過してしまう。

数え上げによる矛盾は、Sylow の定理のもっとも実用的な使い方だ。位数だけから正規部分群の存在が出る。

なお、位数 30 の群はさらに詳しく調べられる。実際には位数 15 の正規部分群をもち、Sylow 3-部分群も 5-部分群もどちらも正規になる。

例: の Sylow 部分群

である。元の内訳は、単位元 1 個、位数 2 の元 15 個、位数 3 の元 20 個、位数 5 の元 24 個。合計 60 だ。

を割り で割って 余るので 。位数 5 の元が 24 個あり、各 Sylow 5-部分群が 4 個ずつ持つので

を割り で割って 余るので が候補。位数 3 の元 20 個を各部分群が 2 個ずつ持つので

を割る奇数で が候補。Sylow 2-部分群は位数 4 のクライン型で位数 2 の元を 3 個ずつ含み、 より である。

例: は単純である

を自明でない真の正規部分群と仮定して、矛盾を導く。

を割るとする。 は Sylow 5-部分群を含み、正規なのでその共役もすべて含む。

6 つ全部が入るので、位数 5 の元が 24 個あり となる。 の真の約数でこれを満たすのは だけだ。

その で割れるので、同じ理屈で Sylow 3-部分群も 10 個すべて含む。位数 3 の元が 20 個加わり、 で矛盾する。

を割る場合も同様だ。位数 3 の元 20 個を含むので の真の約数では しかなく、いま見た矛盾に戻る。

残るのは の場合だ。 なら は Sylow 2-部分群だが、 なので正規ではない。

なら の非単位元は中心に入る。しかし を共役すると に移るので、 の中心は自明である。

すべての場合が潰れた。 は単純群であり、位数 60 の最小の非可換単純群になる。

技法:Sylow 部分群への作用で置換表現を作る

に共役で作用させると、準同型 が得られる。

が単純で なら、核は自明でなければならない。したがって は単射になり、 を割る。

正規部分群が しかない群を 単純群 という。

これ以上つぶせない群であり、有限群を組み立てるときの原子にあたる。

対偶を取れば、 を割らない場合、 は単純ではない。位数だけから単純性を否定できる強力な道具だ。

例:位数 24 の群は単純でない

とする。 を割る奇数なので である。

なら Sylow 2-部分群が正規で、ただちに単純ではない。

なら が得られる。 なので は単射になれず、核は自明でない。作用が推移的なので核は 全体でもない。

どちらの場合も真の正規部分群が現れる。位数 24 の単純群は存在しない。

正規化群と Frattini の論法

を Sylow -部分群とすると、その正規化群 という形で個数を支配していた。

正規化群を使う代表的な技法が、Frattini の論法である。

の Sylow -部分群とすると、 が成り立つ。

Frattini の論法の証明

を任意に取る。 は正規なので であり、位数は と同じだ。

つまり の Sylow -部分群である。第二定理を の中で使えば、ある となる。

これは を意味する。よって であり、 を得る。

の内部の情報( の Sylow 部分群)から、 全体の分解が出てくる。これが論法の妙味である。

例:Sylow 正規化群は自己正規化的

と置く。主張は 、つまり をさらに正規化しても大きくならない、というものだ。

とすると である。 の Sylow -部分群でもある。

の中で Frattini の論法を使うと、 となる。ところが である。

したがって 。Sylow 部分群の正規化群は、それ以上ふくらまない。群論の議論で頻繁に使われる事実だ。

-群の中の階段

Sylow の定理は最大の -部分群を保証する。その内部はどうなっているか。

位数 の群には、各 )について位数 の部分群が存在する。しかも正規なものを選べる。

証明は中心の非自明性から帰納法で進む。中心の中に位数 の元を取り、それが生む正規部分群で割って、位数 の群に帰着させればよい。

したがって 冪の約数については、ラグランジュの逆がすべて成り立つ。冒頭の で欠けていた位数 6 の部分群と、この完全さは好対照である。

理解の確認

位数 12 の群 のとき、 はいくつか。

  • 3
  • 1
  • 4
__RESULT__

4 つの Sylow 3-部分群は位数 3 で、たがいに単位元しか共有しない。よって位数 3 の元は 個あり、残る元は 個になる。Sylow 2-部分群は位数 4 で位数 3 の元を含まないので、この残り 4 元と一致するしかない。したがって であり、Sylow 2-部分群は正規である。

Sylow は有限群の骨格

有限群を調べるとき、まず位数を素因数分解し、素数ごとに Sylow 部分群を数える。それが定石になっているのは、Sylow の定理が「位数だけ」から構造を語れる希少な定理だからだ。

を示せば正規部分群が手に入り、群は分解される。数え上げで矛盾を出せば、単純でないことが言える。位数 15、21、30、24 と見てきた通りである。

逆に、この網をくぐり抜ける群こそが単純群だ。 は位数 60 で最小の非可換単純群であり、Sylow の条件をすべて満たしたまま、どこにも正規部分群をもたない。

有限単純群の分類は、こうした素数ごとの分析を積み重ねた末に完成した。数千ページに及ぶ証明の出発点に、この 3 つの定理がある。

Sylow の定理を具体例で解説。固定点の補題から存在・共役性・個数の 3 定理を導き、n_p ≡ 1 (mod p) と n_p | m で位数 15・21・30 の群を分類。A5 の単純性と Frattini の論法まで。