home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / math / 17468 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-28  |  5.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!gatech!paladin.american.edu!darwin.sura.net!jvnc.net!netnews.upenn.edu!netnews.cc.lehigh.edu!ns1.cc.lehigh.edu!fc03
  2. From: fc03@ns1.cc.lehigh.edu (Frederick W. Chapman)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: H < G finite abelian ==> G/H ~= K for some K < G
  5. Message-ID: <1992Dec28.160607.29428@ns1.cc.lehigh.edu>
  6. Date: 28 Dec 92 16:06:07 GMT
  7. Organization: Lehigh University
  8. Lines: 96
  9.  
  10. In article <Bzn3GF.Gt@news.cso.uiuc.edu>,
  11. dbradley@symcom.math.uiuc.edu (David Bradley) writes:
  12.  
  13. >This has probably been discussed before, but could someone please 
  14. >nudge me in the right direction on this one?  It's not homework.
  15. >
  16. >Let G be an abelian group and H a subgroup.  Then G has a subgroup
  17. >isomorphic to G/H.  I managed to prove this using the isomorphism
  18. >G ~ Hom(G,Q/Z), but surely there is a more direct proof, perhaps 
  19. >based on the structure theorem for finite abelian groups.  This is
  20. >embarassing.  
  21.  
  22. As you mentioned in your second post (not quoted here), you are working
  23. over *finite* abelian groups.  (The proposition is false for some infinite
  24. groups; e.g., Z has no subgroup isomorphic to Z/2Z since every non-zero
  25. element of Z has infinite order).
  26.  
  27. Here is an outline for a proof based on the fundamental theorem for finite
  28. abelian groups.  Write all groups additively and let (+) denote direct sum.
  29. Let ~= denote isomorphism.  If G is any group, write H < G if H is a
  30. subgroup of G, and let |G| denote the order of G.
  31.  
  32. Using the fundamental theorem, we can write G = G_1 (+) ... (+) G_n, where
  33. each G_i < G is cyclic of prime power order, for i = 1, ..., n.  Note that
  34. we elect to use the internal rather than external direct sum, which allows
  35. us to write this as an equality rather than an isomorphism.  The part of
  36. this proof which takes some thought is to show (by applying the fundamental
  37. theorem to H) that we can write H = H_1 (+) ... (+) H_n, where each H_i < G
  38. is also cyclic of prime power order, and, in addition, |H_i| divides |G_i|,
  39. for i = 1, ..., n; note that some or all of the H_i's may be the trivial
  40. subgroup {0}.  Since both G_i and H_i are cyclic, and |H_i| divides |G_i|,
  41. there exists J_i < G_i such that H_i ~= J_i, for i = 1, ..., n.  Let J =
  42. J_1 + ... + J_n.  Since J_i < G_i for each i, and the sum of the G_i's is
  43. direct, the sum of the J_i's is also direct, and we can in fact write J =
  44. J_1 (+) ... (+) J_n.  Since H_i ~= J_i for i = 1, ..., n, it follows that H
  45. ~= J.  Thus, although it is NOT NECESSARILY possible to write an arbitrary
  46. subgroup H as the direct sum of subgroups of the G_i's (see counterexample
  47. below), it is always true that H is ISOMORPHIC to a subgroup J which CAN be
  48. written as the direct sum of subgroups of the G_i's.  It now follows that
  49.  
  50.                 G/J ~= (G_1/J_1) (+) ... (+) (G_n/J_n).
  51.  
  52. Since each G_i is cyclic, there exists K_i < G_i such that G_i/J_i ~= K_i,
  53. for i = 1, ..., n.  Since the sum of the G_i's is direct, the sum of the
  54. K_i's is direct also, and we can define K < G by K = K_1 (+) ...  (+) K_n.
  55. We conclude that G/H ~= G/J ~= K.
  56.  
  57. ...........................................................................
  58.  
  59. If the finite abelian group G is cyclic, then the subgroup K such that G/H
  60. ~= K is actually unique.  The existence and uniqueness of K for cyclic
  61. groups G follow from these facts: (1) every finite cyclic group G has
  62. exactly one subgroup of order d for every positive integer d which divides
  63. the order of G; (2) every quotient of a cyclic group is cyclic; (3) every
  64. subgroup of a cyclic group is cyclic; (4) two cyclic groups of the same
  65. order are isomorphic.
  66.  
  67. If G is not cyclic, the subgroup K need not be unique, as the following
  68. example shows.  Define a finite additive abelian group G by generators and
  69. relations, thus:
  70.  
  71.                   G = < a,b | 4a = 4b = 0, a+b = b+a >.
  72.  
  73. Let C_n denote the cyclic group of order n.  Clearly, G ~= C_4 (+) C_4.
  74. Define H < G by H = < 2a, b >; then H ~= C_2 (+) C_4 and G/H ~= C_2.  We
  75. can define subgroups K = < 2a > and K' = < 2b >.  It follows that K ~= K'
  76. ~= C_2 ~= G/H; however, K and K' are distinct subgroups of G.
  77.  
  78. We can use this group G to construct the counterexample referred to in the
  79. proof above.  Define subgroups G_1 = < a >, G_2 = < b >; then G = G_1 (+)
  80. G_2, where the G_i's are cyclic of prime power order.  Now define subgroup
  81. H = < a+b >.  H cannot be written as H = H_1 (+) H_2, where H_i < G_i for
  82. each i; however, H ~= J = J_1 (+) J_2, where J_1 = G_1 and J_2 = {0}, which
  83. satisfies J_i < G_i for each i.
  84.  
  85. ...........................................................................
  86.  
  87. I hope that this outline is useful.  The result is a nice application of
  88. the fundamental theorem of finite abelian groups and facts about finite
  89. cyclic groups.
  90.  
  91. Sincerely,
  92.  
  93.  
  94. Frederick W. Chapman
  95. Senior User Consultant
  96. Lehigh University Computing Center
  97.  
  98. -- 
  99.  
  100. o ------------------------------------------------------------------------- o
  101. |  Frederick W. Chapman, User Services, Computing Center, Lehigh University |
  102. |    Campus Phone:  8-3218     Preferred E-mail Address:  fc03@Lehigh.Edu   | 
  103. o ------------------------------------------------------------------------- o
  104. | The day after the day after tomorrow is the last day before the rest of   |
  105. | our country's future a week from the day before the day before yesterday! |
  106.