Converse of Lagrange Thm
2020-2ํ๊ธฐ, ๋ํ์์ โํ๋๋์1โ ์์ ์ ๋ฃ๊ณ ๊ณต๋ถํ ๋ฐ๋ฅผ ์ ๋ฆฌํ ๊ธ์ ๋๋ค. ์ง์ ์ ์ธ์ ๋ ํ์์ ๋๋ค :)
(Review) Lagrange Thm
For a group $G$, and subgroup $H \le G$, $\lvert H \rvert \mid \lvert G \rvert$
Lagrange ์ ๋ฆฌ๋ Group $G$์ subgroup $H$ ์ฌ์ด์ ๊ด๊ณ๋ฅผ ๊ธฐ์ ํ ์ ๋ฆฌ์ด๋ค.
ํ์ง๋ง, ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก Lagrange ์ ๋ฆฌ์ ์ญ์ ์ฑ๋ฆฝํ์ง ์๋๋ค. ์ด๋ฒ ํฌ์คํธ์์ Lagrange ์ ๋ฆฌ์ ์ญ์ ๋ํ ๋ฐ๋ก์ธ $A_4$์ ๋ํด ๋ค๋ฃฌ๋ค.
Converse of Lagrange Thm
Lagrange ์ ๋ฆฌ์ ์ญ์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค.
Group $G$์ ๋ํด, $\lvert G \rvert$์ ์ฝ์๋ฅผ order๋ก ๊ฐ๋ subgroup์ด ํญ์ ์กด์ฌํ๋ค.
๊ทธ๋ฌ๋ Lagrange ์ ๋ฆฌ์ ์ญ์ ๊ฑฐ์ง์ด๋ค! ๊ทธ ๋ฐ๋ก๋ฅผ ์ดํด๋ณด์.
$A_4$ has no subgroup of order 6
$A_4$์ order๋ $\frac{24}{2}=12$์ด๋ค. ํ์ง๋ง, $A_4$๋ order 6์ธ subgroup์ ๊ฐ์ง์ง ์๋๋ค!
(pf) proof by contradiction
Supp. $A_4$ has a subgroup $H$ of order 6.
We will draw a contradiction.
subgroup $H$์ index๋ฅผ ์ดํด๋ณด์.
\[\left[ A_4 : H \right]= \left\lvert \frac{A_4}{H} \right\rvert = \frac{12}{6} = 2\]์ฆ, $H$์ index๊ฐ 2์ด๋ฏ๋ก $H$๋ $A_4$์ Normal subgroup์ด๋ค1; $H \triangleleft A_4$
THEN, $A_4 = H {\cup\mkern-13mu\cdot\mkern5mu} \sigma H$์ด๊ณ , $\dfrac{A_4}{H} = \{e, a \} = \{ H, \sigma H\}$ for all $\sigma \ne H$
์ด๋, factor group $\frac{A_4}{H}$์ order๊ฐ 2์ด๋ฏ๋ก $a^2=e$๊ฐ ๋์ด์ผ ํ๋ค.
๊ทธ๋ฌ๋ฉด, $(\sigma H)^2=\sigma^2 H = H$์ด๋ฏ๋ก $\sigma^2 \in H$๊ฐ ๋๋ค. (by ์ฐ์ฐ์ ๋ซํ์ฑ)
์ฆ, $\forall \sigma \notin H$, $\sigma^2 \in H$๊ฐ ๋๋ค.
์ด๋, $\forall \sigma \in H$์ ๋ํด์๋ $\sigma^2 \in H$๊ฐ ๋๋ฏ๋ก, ์ข ํฉํ๋ฉด
\[\forall \sigma \in A_4, \: \sigma^2 \in H\]$\sigma \in A_4$์ธ $\sigma$๋ ์ธ ๊ฐ์ง ํํ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ค.
- $\sigma=(1) \implies \sigma^2 = (1) \in H$
- $\sigma = (i \; j)(x \; y) \implies \sigma^2 = (1) \in H$
- $\sigma = (i \; j \; k) \implies \sigma^2 = (i \; k \; j) \in H$
๋ฐ๋ผ์ ๋ชจ๋ 3-cycle์ด $H$์ ์ํ๊ฒ ๋๋ค. (+ identity์ธ $(1)$๋ ํฌํจ)
# of 3-cycle = $\binom{4}{3} \times 2 = 8$3
์ฌ๊ธฐ์ identity์ธ $(1)$๊น์ง ํฌํจํ๋ฉด, $\lvert H \rvert = 8+1 = 9$
์ด๊ฒ์ $\lvert H \rvert = 6$์ด๋ผ๋ ๊ฐ์ ์ ๋ชจ์๋๋ค!
๋ฐ๋ผ์ $A_4$์์ $\lvert H \rvert = 6$์ธ subgroup์ ์กด์ฌํ์ง ์๋๋ค.
-
โsubgroup์ index๊ฐ 2์ด๋ฉด, Normal subgroup์ด๋ค.โ๋ผ๋ ์ ๋ฆฌ๋ฅผ ํ์ฉํ ๋ถ๋ถ์ด๋ค.ย ↩
-
$A_4$์๋ even permutation๋ง ์กด์ฌํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ odd permutation์ธ $(w \; x \; y \; z)$๋ ๊ณ ๋ คํ์ง ์๋๋ค.ย ↩
-
์งํฉ $\{i, j, k\}$์์ $(i \; j \; k)$์ $(i \; k \; j)$๊ฐ ๊ฐ๋ฅํ๋ฏ๋ก $\binom{4}{3}$์์ $\times 2$๋ฅผ ํด์ค๋ค.ย ↩