Professora: Elisandra Bär de Figueiredo GRUPOS DEFINIÇÃO 1 Sejam G um conjunto não vazio e (x, y) 7→ x ∗ y uma lei de composição interna em G. Dizemos que G é um grupo em relação a essa lei se (a) a operação ∗ é associativa, isto é, a ∗ (b ∗ c) = (a ∗ b) ∗ c, para todo a, b, c ∈ G; (b) existe elemento neutro em G para a operação ∗, isto é, existe e ∈ G tal que e ∗ x = x = x ∗ e, para todo x ∈ G; (c) todo elemento de G é simetrizável em relação a operação ∗, ou seja, para todo x ∈ G existe x′ ∈ G tal que x ∗ x′ = e = x′ ∗ x. NOTAÇÃO: 1 Se G é um grupo em relação a operação ∗ denotaremos este grupo por (G, ∗). Para simplicar as vezes diremos apenas grupo G e pressupõe-se uma operação subentendida. Quando a lei de composição interna for uma adição diremos que o grupo em questão é um grupo aditivo e se a operação for uma multiplicação, então o grupo será chamada multiplicativo. OBSERVAÇÃO 1 DEFINIÇÃO 2 Dizemos que um grupo (G, ∗) é abeliano ou comutativo se a lei (x, y) 7→ x ∗ y é comutativa, isto é, x ∗ y = y ∗ x para todo x, y ∈ G. Grupos nitos Um grupo nito é um grupo (G, ∗) no qual o conjunto G é nito. O número de elementos de G, é chamado ordem do grupo G. A tábua de um grupo nito (G, ∗) é a tábua do grupo da lei de composição interna considerada em G. Denotaremos a ordem de um grupo nito G por o(G). ALGUNS GRUPOS IMPORTANTES EXEMPLO 1 Verique que são grupos: 1. (Z, +) - grupo aditivo dos inteiros (abeliano) 2. (Q, +) - grupo aditivo dos racionais (abeliano) 3. (R, +) - grupo aditivo dos reais (abeliano) 4. (C, +) - grupo aditivo dos complexos (abeliano) 5. (Q∗ , ·) - grupo multiplicativo dos racionais (abeliano) 6. (R∗ , ·) - grupo multiplicativo dos reais (abeliano) 7. (C∗ , ·) - grupo multiplicativo dos complexos (abeliano) 8. (Mm×n (K), +), com K = Z, Q, R, C - grupo aditivo das matrizes m × n (abeliano) 1 9. (GLn (K), ·), com K = Q, R, C - grupo linear racional, real ou complexo de grau n conforme K = Q, R, C (não comutativo se n > 1) 10. (Zm , +) - grupo aditivo de classes de restos. Este é um grupo abeliano nito com o(Zm ) = m. 11. (Z∗m , ·) é um grupo nito se, e somente se, m for um número primo. Grupo multiplicativo de classes de restos (nito e abeliano). Prove! 12. Grupos de permutações: Seja E um conjunto não vazio. Indicaremos por S(E) o conjunto de todas bijeções de E. Assim, a operação (f, g) 7→ f ◦g, para toda f, g ∈ S(E) é uma lei de composição interna em S(E) associativa, com elemento neutro e em relação a qual todo elemento de S(E) é simetrizável. O grupo (S(E), ◦) é chamado grupo das permutações sobre E. Tal grupo só é comutativo quando E é formada por 1 ou 2 elementos apenas. Quando E = {1, 2, · · · , n}, n ≥ 1, temos um caso particular importante de grupo nito denotado neste caso por (Sn , ◦) e chamado grupo simétrico de grau n cuja ordem é o(Sn ) = n!. Notação usual de um elemento de Sn : ( f= 1 2 ··· r ··· n i1 i2 · · · ir · · · in ) , onde f (r) = ir , r ∈ {1, 2, · · · , n}. 13. Grupos diedrais Buscar denição no livro texto. PROPRIEDADES IMEDIATAS DE GRUPOS Seja (G, ∗) um grupo. Pelas propriedades demonstradas para uma operação sobre um conjunto, temos: 1. o elemento neutro de (G, ∗) é único. 2. para cada x ∈ G existe um único x′ ∈ G tal que x′ é simétrico de x. 3. se e é o elemento neutro, então ele é seu próprio simétrico, isto é, e′ = e. 4. (x′ )′ = x, para todo x ∈ G. 5. (a ∗ b)′ = b′ ∗ a′ e usando indução obtemos (a1 ∗ a2 ∗ · · · ∗ an )′ = a′n ∗ a′n−1 ∗ · · · ∗ a′2 ∗ a′1 . 6. todo elemento de G é regular em relação a operação ∗. 7. se a, b ∈ G, então a equação a ∗ x = b (analogamente, x ∗ a = b) onde x é uma variável em G, admite uma única solução em G a saber a′ ∗ b (analogamente, b ∗ a′ ). 2 SUBGRUPOS DEFINIÇÃO 3 Seja um subgrupo de G se (G, ∗) uma grupo. Dizemos que um subconjunto não vazio H ⊂ G é (i) H é fechado para lei de composição interna de G, isto é, para todo a, b ∈ H a ∗ b ∈ H. (ii) (H, ∗) também é grupo. EXEMPLO 2 (a) (Z, +) é subgrupo de (R, +); (b) (Q∗ , ·) é subgrupo de (R∗ , ·); (c) {−1, 1, −i, i} é um subgrupo nito de (C∗ , ·); (d) Seja (G, ∗) uma grupo qualquer com elemento neutro e. Então, H = {e} e o próprio G são subgrupos de G, estes subgrupos são chamados subgrupos triviais. PROPOSIÇÃO 1 Seja (G, ∗) um grupo e H ⊂ G, não vazio. Então, H é subgrupo de G se, e somente se, para todo a, b ∈ H, a ∗ b′ ∈ H, onde b′ é o simétrico de b. 3 EXEMPLO 3 Prove que H = {x ∈ R/ x > 0} é subgrupo de (R∗ , ·). {( EXEMPLO 4 Considere o grupo (M2 (R), +) e o subconjunto H = Verique que H é subgrupo de (M2 (R), +). a b c d ) } ∈ M2 (R)/ a + d = 0 . HOMOMORFISMO DE GRUPOS DEFINIÇÃO 4 Dados dois grupos (G, ∗) e (J, △), dizemos que uma aplicação f : G → J é um homomorsmo de G em J se, para todo x, y ∈ G, f (x ∗ y) = f (x)△f (y). Casos especiais. Sejam (G, ∗) e (J, △) grupos. Um homomorsmo do grupo G nele próprio, isto é, f : G → G é chamado smo de G. Um homomorsmo f : G → J injetor é chamado monomorsmo de G em J. Um homomorsmo f : G → J sobrejetor é chamado Um homomorsmo f : G → J bijetor é chamado Observação: endomor- epimorsmo de G em J. isomorsmo de G em J. f : (G, ∗) → (J, △) é um homomorsmo de grupos se preserva as operações dos grupos. Conforme o diagrama: (x, y) f ∗ f (f (x), f (y)) /x∗y △ 4 / f (x)△f (y) EXEMPLO 5 Prove que as aplicações denidas nos itens a seguir são homomorsmos e além disso, verique se são algum caso especial. (a) f : (Z, +) → (C∗ , ·) denida por f (m) = im . (b) f : (C∗ , ·) → (R∗+ , ·) denida por f (z) = |z| = |a + bi| = √ a2 + b2 . (c) f : (R∗+ , ·) → (R, +) denida por f (x) = log x. (d) pm : (Z, +) → (Zm , +) denida por pm (a) = a (m > 1 inteiro). 5 Seja a ∈ Z dado. Prove que, f : (Z, +) → (Z, +) dada por f (m) = am é um homomorsmo. Para qual(is) valor(es) de a f é um monomorsmo e um epimorsmo? EXEMPLO 6 PROPOSIÇÃO 2 Sejam (G, ∗) e (J, △) grupos. Se e e u são os elementos neutros de G e J, respectivamente, e f : G → J é um homomorsmo de grupos, então f (e) = u. PROPOSIÇÃO 3 Sejam (G, ∗) e (J, △) grupos. Se e e u são os elementos neutros de G e J, respectivamente, e f : G → J é um homomorsmo de grupos, então para todo a ∈ G, f (a′ ) = [f (a)]′ , sendo a′ o simétrico de a em G e [f (a)]′ o simétrico de f (a) em J. PROPOSIÇÃO 4 Sejam (G, ∗) e (J, △) grupos, com e e u os elementos neutros de G e J, respectivamente, e f : G → J é um homomorsmo de grupos. Se (H, ∗) é subgrupo de G, então (f (H), △) é subgrupo de J. 6 Observação: Pela Proposição 4, temos que um homomorsmo de grupos preserva subgrupos. Logo, Im(f ) = f (G) é um subgrupo de J. PROPOSIÇÃO 5 Sejam (G, ∗), (J, △) e (L, ·) grupos quaisquer e f : G → J e g : J → L homomorsmos de grupos. Então, g ◦ f : G → L também é homomorsmo de grupos. COROLÁRIO 1 Se f e g são monomorsmos, então g ◦ f COROLÁRIO 2 Se f e g são epimorsmos, então g ◦ f : G → L também o é. : G → L também o é. DEFINIÇÃO 5 Sejam (G, ∗) e (J, △) grupos e f : G → J um homomorsmo de grupos. Chama-se núcleo do homomorsmo f e denota-se por N(f ) ou Ker(f ) ao seguinte subconjunto de G : N(f ) = {x ∈ G/ f (x) = u}, onde u é o elemento neutro de J. EXEMPLO 7 Determine o núcleo dos homomorsmos abaixo: (a) f : (Z, +) → (C∗ , ·) denida por f (m) = im . (b) f : (C∗ , ·) → (R∗+ , ·) denida por f (z) = |z| = |a + bi| = √ a2 + b2 . (c) f : (R∗+ , ·) → (R, +) denida por f (x) = log x. (d) pm : (Z, +) → (Zm , +) denida por pm (a) = a (m > 1 inteiro). 7 PROPOSIÇÃO 6 Seja f : (G, ∗) → (J, △) um homomorsmo de grupos. Então, (i) N(f ) é um subgrupo de G; (ii) f é um monomorsmo se, e somente se, N(f )= {e}, sendo e o elemento neutro de G. ISOMORFISMOS Consideremos os grupos G{ = {−1, usual ( 1} com ) a operação ( )} de multiplicação e o grupo 1 2 1 2 das permutações J = S2 = u = , v= . Observe suas tábuas e que conclusões podem ser tiradas. 1 2 2 1 DEFINIÇÃO 6 Sejam (G, ∗) e (J, △) grupos. Dizemos que uma aplicação f : G → J é um isomorsmo do grupo G no grupo J, se f é bijetora e f é um homomorsmo de grupos. Se G = J um isomorsmo f : G → G chama-se automorsmo de G. PROPOSIÇÃO 7 Se f é um isomorsmo do grupo G no grupo J, então f −1 é um isomorsmo do grupo J no grupo G. 8 1- Quando existe um isomorsmo F : G → J também existe um isomorsmo de J em G que é a aplicação f −1 . Por isso dizemos, neste caso, que G e J são grupos isomorfos. O isomorsmo f −1 é chamado isomorsmo inverso de f. Notação para grupos isomorfos: G ≃ J. OBSERVAÇÃO 2 2- Se x 7→ f (x) é um isomorsmo do grupo G no grupo J, muitas vezes não se faz distinção entre o grupo G e o grupo J, identicando cada x ∈ G com f (x) ∈ J. GRUPO DAS TRANSLAÇÕES DEFINIÇÃO 7 Seja (G, ∗) um grupo. Para cada a ∈ G a translação à esquerda denida por a é a aplicação δa : G → G dada por δa (x) = a ∗ x, para todo x ∈ G. De modo análogo se deniria a translação à direita. Caso o grupo seja aditivo, a translação à esquerda denida por um elemento a ∈ G é dada por δa (x) = a + x. Se for multiplicativo teríamos δa (x) = ax. EXEMPLO 8 Nas considerações a seguir é indiferente usar translações à esquerda ou à direita, usaremos as primeiras. PROPOSIÇÃO 8 Toda translação é uma bijeção. Notação: Usamos a notação T (G) para denotar o conjunto de todas translações em G e lembrando que S(G) foi a notação usada para indicar o conjunto das permutações dos elementos de G, então pela proposição anterior T (G) ⊂ S(G). PROPOSIÇÃO 9 (i) a composição de translações é uma operação sobre T (G); (ii) a inversa da translação δa é a translação δa′ ; (iii) T (G) é um subgrupo do grupo (S(G), ◦). 9 T EOREMA 1 (Cayley) Se G é um grupo, a aplicação f : G → T (G) que associa a cada elemento a a translação δa (isto é, f (a) = δa ) é um isomorsmo de grupos. Considere o grupo aditivo Z3 . Determine o grupo T (Z3 ) obtido usando o modelo do Teorema de Cayley. EXEMPLO 9 10