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Kurs:Körper- und Galoistheorie (Osnabrück 2018-2019)/Vorlesung 21

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In den nächsten drei Vorlesungen möchten wir auflösbare Körpererweiterungen galoistheoretisch charakterisieren und insbesondere zeigen, dass nicht jede Körpererweiterung auflösbar ist, also sich nicht jedes Polynom durch (sukzessive) Radikale (auf) lösen lässt. In dieser Vorlesung bereiten wir dazu das gruppentheoretische Fundament.



Auflösbare Gruppen

Eine Gruppe G heißt auflösbar, wenn es eine Filtrierung

{e}=G0G1G2Gk1Gk=G

derart gibt, dass Gi ein Normalteiler in Gi+1 ist und die Restklassengruppe Gi+1/Gi abelsch ist (für jedes i=0,,k1).

Die in dieser Definition auftretende Filtrierung nennt man auch eine auflösende Filtrierung. Eine kommutative Gruppe ist natürlich auflösbar, wie die triviale Filtrierung  {e}G  zeigt. Die Permutationsgruppe S3 ist auflösbar, wie die Untergruppe  /(3)A3S3  mit der Restklassengruppe /(2) zeigt.



Lemma  

Es sei G eine auflösbare Gruppe.

Dann ist auch jede Untergruppe  HG  auflösbar.

Beweis  

Wir gehen von einer auflösenden Filtrierung

{e}=G0G1G2Gk1Gk=G

aus, d.h., dass die Gi Normalteiler in Gi+1 und die Restklassengruppen Gi+1/Gi kommutativ sind. Die Untergruppe  HG  besitzt durch  Hi=HGi  eine induzierte Filtrierung. Dabei liegt das kommutative Diagramm

HGiHGi+1GiGi+1

vor. Wir betrachten den Homomorphismus

f:HGi+1Gi+1/Gi.

Der Kern von f ist offenbar HGi. Daher ist Hi nach Lemma 5.6 ein Normalteiler in Hi+1, und der Quotient Hi+1/Hi ist nach Satz 5.12 eine Untergruppe von Gi+1/Gi und damit kommutativ. Also bilden die Hi eine auflösende Filtrierung von H.



Lemma  

Es sei G eine Gruppe,  NG  ein Normalteiler und G/N die zugehörige Restklassengruppe.

Dann ist G genau dann auflösbar, wenn dies für N und G/N gilt.

Beweis  

Es sei zunächst G auflösbar. Nach Lemma 21.2 ist  NG  auflösbar.
Betrachten wir also die Restklassengruppe  H=G/N  und fixieren wir eine auflösende Filtrierung

{e}=G0G1G2Gk1Gk=G.

Es sei

q:GH

der Restklassenhomomorphismus. Wir setzen  Hi=q(Gi),  dies ist eine Filtrierung von H mit Untergruppen. Wir betrachten das kommutative Diagramm

GiGi+1HiHi+1,

wobei die vertikalen Homomorphismen surjektiv sind. Wir behaupten, dass Hi ein Normalteiler in Hi+1 ist, und ziehen dazu Lemma 5.4 heran. Es sei also  hHi  und  xHi+1,  die wir durch  h~Gi  bzw.  x~Gi+1  repräsentieren. Dann ist  xhx1=q(x~h~x~1)  und wegen der Normalität von Gi in Gi+1 ist  x~h~x~1Gi  und somit  xhx1Hi.  Wir betrachten die zusammengesetzte surjektive Abbildung

Gi+1Hi+1Hi+1/Hi.

Da Gi zum Kern dieser Abbildung gehört, gibt es aufgrund von Satz 5.10 eine surjektive Abbildung

Gi+1/GiHi+1/Hi,

weshalb Hi+1/Hi ebenfalls kommutativ ist.

Es seien nun N und H=G/N auflösbar, sei q:GG/N der Restklassenhomomorphismus und seien

{e}=N0N1N2Nk1Nk=N

und

{e}=H0H1H2H1H=H

auflösende Filtrierungen. Wir ergänzen die Filtrierung von N durch die Urbilder  Gj=q1(Hj)  zu einer Filtrierung von G. Die surjektive Abbildung

Gj+1Hj+1Hj+1/Hj

besitzt den Kern Gj und zeigt, dass Gj ein Normalteiler in Gj+1 mit kommutativer Restklassengruppe ist.


Die Definition einer auflösbaren Gruppe legt nicht nahe, wie man eine solche Filtrierung finden könnte. Ein systematischer Weg, eine solche Filtrierung zu finden, falls es denn eine gibt, wird durch iterierte Kommutatorgruppen gegeben. Ein Kommutator ist ein Element der Form aba1b1.


Zu einer Gruppe G heißt die von allen Kommutatoren aba1b1, a,bG, erzeugte Untergruppe die Kommutatorgruppe von G. Sie wird mit K(G) bezeichnet.



Lemma  

Es sei G eine Gruppe und K(G) ihre Kommutatorgruppe. Dann gelten folgende Aussagen.

  1. K(G) ist ein Normalteiler in G.
  2. Die Restklassengruppe G/K(G) ist abelsch.
  3. Die Gruppe G ist genau dann abelsch, wenn K(G) trivial ist.

Beweis  

(1). Es ist zu zeigen, dass für jedes  xG  der Automorphismus

GG,gxgx1,

die Untergruppe K(G) in sich selbst überführt. Für einen Kommutator aba1b1 ist

xaba1b1x1=(xax1)(xbx1)(xa1x1)(xb1x1)=(xax1)(xbx1)(xax1)1(xbx1)1

wieder ein Kommutator. Daher wird auch jedes Produkt von Kommutatoren auf ein Produkt von Kommutatoren abgebildet und somit ist  xK(G)x1K(G)
(2). In der Restklassengruppe G/K(G) ist

[a][b]=[a][b][b1a1ba]=[a][b][b1][a1][b][a]=[b][a].

(3). Eine Gruppe ist genau dann abelsch, wenn sämtliche Kommutatoren trivial sind.



Es sei G eine Gruppe. Die i-te iterierte Kommutatoruntergruppe wird induktiv durch

K0(G)=G und Ki(G)=K(Ki1(G))

definiert.

Die erste Kommutatorgruppe ist einfach die Kommutatorgruppe, die zweite Kommutatorgruppe ist die Kommutatorgruppe der Kommutatorgruppe, usw. Dies ergibt insgesamt eine absteigende Filtrierung

GK(G)K2(G)K3(G).

Diese Filtrierung kann unendlich absteigend sein oder aber stationär werden, d.h. es kann  Ki(G)=Ki+1(G)  gelten. Die Auflösbarkeit einer Gruppe kann mit dieser Filtrierung folgendermaßen charakterisiert werden.


Lemma  

Eine Gruppe G ist genau dann auflösbar,

wenn es ein i derart gibt, dass die i-te iterierte Kommutatorgruppe Ki(G) trivial wird.

Beweis  

Wenn die Filtrierung der iterierten Kommutatorgruppen trivial wird, sagen wir

GK(G)K2(G)Ki1(G)Ki(G)={e},

so liegt unmittelbar eine auflösende Filtrierung vor, da ja

Kj+1(G)=K(Kj(G))Kj(G)

nach Lemma 21.5 ein Normalteiler ist mit einer abelschen Restklassengruppe.
Es sei nun G auflösbar. Wir zeigen durch Induktion über die Anzahl k der beteiligten Untergruppen in einer auflösenden Filtrierung von G, dass die Filtrierung der iterierten Kommutatorgruppen trivial wird. Dabei sind die Fälle  k=0,1  klar. Wir betrachten die Untergruppe  Gk1Gk=G  in der Filtrierung. Da die Restklassengruppe G/Gk1 kommutativ ist, wird die Kommutatorgruppe K(G) unter der Restklassenabbildung auf 0 abgebildet und daher ist  K(G)Gk1.  Dabei besitzt natürlich Gk1 eine auflösende Filtrierung mit k1 Untergruppen, und der Beweis zu Lemma 21.2 zeigt, dass dies auch für die Untergruppe K(G) gilt. Nach Induktionsvoraussetzung wird also die Filtrierung von K(G) durch die iterierten Kommutatorgruppen trivial.



Für  n4 

sind die Permutationsgruppen Sn auflösbar.

Beweis

Siehe Aufgabe 21.9.



Lemma  

Für  n5 

sind die Permutationsgruppen Sn nicht auflösbar.

Beweis  

Wir betrachten eine Filtrierung

G0G1G2Gk1Gk=Sn

derart, dass die  GiGi+1  Normalteiler sind mit kommutativen Restklassengruppen. Wir werden zeigen, dass jedes Gi sämtliche Dreierzykel (also Permutationen, bei denen drei Elemente zyklisch vertauscht werden, und alle übrigen festgelassen werden), enthält. Daher kann diese Filtrierung nicht bei der trivialen Gruppe enden, also ist  G0{e}.  Die Aussage über die Dreierzykel beweisen wir durch absteigende Induktion, wobei der Fall  Gk=Sn  klar ist. Es sei also vorausgesetzt, dass Gi+1 alle Dreierzykel enthält. Es sei z1,z2,z3 ein Dreierzyklus (mit verschiedenen Elementen z1,z2,z3{1,,n}.) Wegen  n5  gibt es noch zwei weitere Elemente  x,y{1,,n},  die von z1,z2,z3 und untereinander verschieden sind. Nach Induktionsvoraussetzung gehören die Dreierzykel

σ=z1,z2,x und τ=z1,z3,y

zu Gi+1. Eine elementare Überlegung zeigt

z1,z2,z3=z3,y,z2z1,y,z3=(στσ1)τ1=στσ1τ1.

Dieses Element wird unter der Restklassenabbildung

Gi+1Gi+1/Gi

auf das neutrale Element abgebildet, da ja die Restklassengruppe kommutativ ist. Also ist  z1,z2,z3Gi


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PDF-Version dieser Vorlesung

Arbeitsblatt zur Vorlesung (PDF)