Álgebra/Álgebra abstracta/ Grupos/Acciones de grupo

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En esta sección obtendremos algunas relaciones numéricas que nos serán muy útiles en la sección siguiente, donde investigaremos la existencia de ciertos subgrupos de grupos finitos. Estas relaciones se expresan en términos de los conceptos siguientes.

Plantilla:Definición

Si G es un grupo que actúa sobre un conjunto S, notemos lo siguiente:

  1. el estabilizador de un s∈S es un subgrupo de G, y
  2. la relación ∼ sobre S dada por s∼t si y sólo si t∈Ωs es de equivalencia.

Verificar la afirmación de primer apartado se deja como ejercicio al lector. Para demostrar el segundo apartado, supongamos que s,t,u∈S. Por el apartado 1 de la definición anterior, tenemos 1s=s y por tanto s∈Ωs, así que ∼ es reflexiva; si t=gs, entonces s=1s=(g−1g)s=g−1(gs)=g−1t, luego s∈Ωt y ∼ es simétrica; si t=gs y u=ht entonces u=h(gs)=(hg)s con hg∈G, luego t∈Ωs y u∈Ωt implica u∈Ωs y con esto ∼ es transitiva. Por tanto, ∼ es una relación de equivalencia, y así ésta induce una partición de S en clases de equivalencia, siendo éstas las órbitas de los elementos de S.


Es más fácil comprender una acción de grupo α:G×S⟶S si vemos que al fijar un g∈G, éste determina, a través de la acción de grupo, una aplicación αg:S⟶S dada por s↦gs. La acción de grupo está completamente determinada por estas aplicaciones αg. Notemos que la propiedad 2 de la definición de acción de grupo nos dice que αg∘αh=αgh para cualesquiera g,h∈G, y con esto comprobamos de forma inmediata que cada αg es una biyección, pues su inversa es αg−1:

αg∘αg−1=αgg−1=α1=αg−1g=αg−1∘αg,

donde α1 es la aplicación identidad sobre S por la propiedad 1 de la definición de acción de grupo. Lo que esto demuestra es que toda acción de grupo determina una aplicación φ:G⟶ΣS que hace corresponder a cada g∈G el elemento αg∈ΣS. Más aún, es inmediato que φ es un homomorfismo de grupos. Recíprocamente, si tenemos un homomorfismo φ:G⟶ΣS, el lector puede verificar que las aplicaciones αg por s⟼φ(g)s determinan una acción de grupo. Por lo tanto, una acción del grupo G sobre el conjunto S no es sino otra forma de ver a los homomorfismos entre G y el grupo simétrico ΣS.

Ahora veamos los ejemplos de acciones de grupo que nos resultarán de utilidad.

Por supuesto, todo grupo G actúa sobre sí mismo por traslación: en esta caso definimos αg por h⟼gh para todo h∈G, donde gh es simplemente el producto de g y h en G, que podemos llamar una "traslación" (izquierda) de h por g. La órbita de cualquier g∈G es el grupo completo G, pues todo h∈G es de la forma (hg−1)g∈Ωg. El estabilizador de cualquier g es el subgrupo trivial de G, pues 1∈G es el único que cumple 1⋅g=g. Ahora bien, el homomorfismo φ:G⟶ΣG que esta acción determina es inyectivo, pues g∈ker⁡φ si y sólo si gh=h para todo h∈G, y al elegir h=1 tenemos que g=1, por lo que el núcleo de φ es trivial y por tanto φ es un monomorfismo. Por lo tanto, φ:G⟶φ(G) es un isomorfismo, y hemos demostrado el

Plantilla:Teo


Un grupo también actúa sobre sí mismo por medio de automorfismo internos: tomamos cada αg:G⟶G como el automorfismo interno dado por k⟼kgk−1. Vamos a verificar que se cumplen la propiedades 1 y 2 de la definición de acción de grupo: por supuesto 1⋅k⋅1−1=k para todo k∈G, y para cualesquiera g,h∈G tenemos αg∘αh(k)=g(hkh−1)g−1=(gh)k(h−1g−1)=(gh)k(gh)−1=αgh(k) para todo k∈G. Esto comprueba que los automorfismos internos αg determinan una acción de grupo. Cuando G actúa sobre sí mismo de esta manera, se dice también que lo hace por conjugación, y la órbita de un h∈G se representa por

hG={ghg−1∣g∈G}

y se llama clase de conjugación de h en G, mientras que el estabilizador de h se llama centralizador de h en G y lo representaremos por

CG(h)={g∈G∣ghg−1=h}={g∈G∣gh=hg}.

El centralizador CG(h) es, pues, el conjunto de todos los elementos de G que conmutan con h. Como toda acción de grupo, la acción por conjugación determina un homomorfismo G⟶ΣG, y su núcleo es

{h∈G∣ghg−1=h para todo g∈G},

al que llamaremos centro de G y lo representaremos Z(G). El centro de G no es más que el subgrupo de G formado por los elementos de G que conmutan con cualquier elemento de G. Notemos que hG={h} si y sólo si h∈Z(G), o puesto de otro modo, |hG|=1 si y sólo si h∈Z(G).


Veamos ahora una relación muy importante entre órbitas y estabilizadores en general.

Plantilla:Teo Plantilla:Demostración

Plantilla:Teo