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2.4 Subgrupos

Definición 2.54. Un subconjunto \(H\) de un grupo \(G\) se dice un subgrupo de \(G\) si \(H\) es él mismo un grupo respecto de la operación de \(G\). Para que se da esta relación, escribiremos \(H\subgr G\).

Deducimos de inmediato que todo grupo \(G\) cuenta con al menos dos subgrupos: el subgrupo trivial \(\{1\}\), que representaremos por \(1\) (o por \(0\) cuando se emplee la notación aditiva) y el grupo \(G\) mismo. Diremos que un subgrupo \(H\) de \(G\) es propio si \(H\neq G\).

Supongamos que tenemos un subconjunto \(H\) de un grupo \(G\). Sabemos que la asociatividad de la operación de \(G\) se cumple en particular para \(H\). Por tanto, para que \(H\) sea un subgrupo la operación de \(G\) debe ser una operación en \(H\) (o sea, que la restricción a \(H\) de la operación del grupo debe ser cerrada en \(H\)), además de que \(H\) debe contener a la identidad de \(G\) y a los inversos de cada uno de sus elementos. Resumiendo:

Proposición 2.55. Sea \(G\) es un grupo y \(H\subset G\). Entonces \(H\subgr G\) si y sólo si se verifican las condiciones siguientes:
  1. \(xy\in H\) para cualesquiera \(x,y\in H\);
  2. \(1\in H\);
  3. \(x^{-1}\in H\) para todo \(x\in H\).

No obstante, en muchas ocasiones podemos aplicar una forma más práctica de comprobar que estamos ante un subgrupo.

Proposición 2.56. Sea \(G\) un grupo y \(H\) un subconjunto no vacío de \(G\). Entonces \(H\subgr G\) si y sólo si para cualesquiera \(x,y\in H\), tenemos \(xy^{-1}\in H\).
Demostración: La implicación es evidente. Para el recíproco, mostraremos que si \(H\neq \emptyset \) y \(xy^{-1}\in H\) para cualesquiera \(x,y\in H\), entonces \(H\) cumple las condiciones (a)–(c) de la teorema 2.55. Comenzamos por observar que existe al menos un \(a\in H\), y por tanto también \(1 = aa^{-1}\in H\), de donde a su vez deducimos que si \(x\in H\) entonces \(x^{-1} = 1\cdot x^{-1}\in H\). Finalmente, tenemos que si \(x,y\in H\) entonces \(y^{-1}\in H\) y por tanto \(xy = x(y^{-1})^{-1}\in H\).

Por otra parte, para grupos finitos, la comprobación de que un subconjunto no vacío es un subgrupo se reduce a verificar que el subconjunto es cerrado respecto de la operación de grupo.

Proposición 2.57. Si \(G\) es un grupo finito y \(H\) un subconjunto no vacío de \(G\), entonces \(H \subgr G\) si y sólo si \(xy\in H\) para cualesquiera \(x,y\in H\).
Demostración: Desde luego que un subgrupo ha de cumplir con esa condición. Recíprocamente, si \(xy\in H\) siempre que \(x\) y \(y\) sean elementos de \(H\), entonces la restricción de la operación de \(G\) a \(H\) es una operación en \(H\), luego resta comprobar que \(1\in H\) y que \(x^{-1}\in H\) para todo \(x\in H\). Para esto, tomemos un \(x\in H\) (lo cual es posible porque \(H\neq \emptyset \)). Entonces \(x^n\in H\) para todo entero positivo \(n\), y como \(G\) es finito, las potencias de \(x\) no pueden ser todas distintas, o sea que existen enteros \(i < j\) tales que \(x^i = x^j\) y por tanto \(1 = x^{j - i} \in H\) por ser \(j - i > 0\). A demás, \(x^{-1} = x^{j - i - 1}\in H\), y como \(x\) es un elemento arbitrario de \(G\), queda demostrado que \(H\) también contiene a los inversos de sus elementos.
Ejemplo 2.58. Desde luego, \(\Z \subgr \Q \subgr \R \subgr \Cx \).
Ejemplo 2.59. Si \(m\) es cualquier entero, entonces el conjunto \[ m\Z = \{mk\mid k\in \Z \} \] formado por los múltiplos de \(k\) es un subgrupo de \(\Z \). En particular, \(0\Z = 0\), el subgrupo trivial.
Ejemplo 2.60. Por la teorema 2.51, el conjunto de todas las permutaciones pares es cerrado respecto del producto de \( \symgr \), luego es un subgrupo de éste. A dicho subgrupo lo llamamos grupo alternado sobre \(n\) símbolos, y lo representamos por \(A_n\).
Ejemplo 2.61 (Grupo lineal especial). Sea \(\SL \R \) el subconjunto de \(\GL \R \) definido por \[ \SL \R = \{M\in \GL \R \mid \det M = 1\}. \] Entonces \(\SL \R \) es un subgrupo de \(\GL \R \), como puede comprobarse mediante la relación \(\det (AB) = \det A\cdot \det B\), válida para todo elemento de \(\GL \R \). Este subgrupo de \(\GL \R \) se conoce como el grupo lineal especial sobre \(\R \).
Ejemplo 2.62. Sean \(r = (1\ 2\ 3\ 4)\) y \(s = (1\ 2)(3\ 4)\) en \(\symgr [4]\). Entonces el conjunto de todos los productos de la forma \(r^is^j\) es un subgrupo de \(\symgr [4]\). Se deja al lector construir la tabla de multiplicar de este subgrupo y verificar que esta tabla coincide completamente con la del grupo diedral \(D_8\) del ejemplo xxx.

Si \(H\) y \(K\) son dos subgrupos de un grupo \(G\), se comprueba sin dificultad que \(H\cap H\) es también un subgrupo de \(G\) y que, de hecho, la intersección de cualquier familia de subgrupos de \(G\) es de nuevo un subgrupo de \(G\). Derivado de esta observación tenemos el concepto siguiente.

Definición 2.63. Sea \(G\) un grupo y \(X\) un subconjunto de \(G\). Si \(\{H_i\}_{i\in I}\) es la familia de los subgrupos de \(G\) que contienen a \(X\), decimos que \(\bigcap _{i\in I}H_i\) es el subgrupo de \(G\) generado por \(X\), y que \(X\) es un generador de dicho subgrupo, que representaremos por \(\genby X\). Cuando \(X = \{x_1,\ldots , x_n\}\), \(\genby X\) se representa también por \(\genby {x_1,\ldots ,x_n}\).

Se deduce inmediatamente de esta definición que \(\genby X\) es el menor de los subgrupos de \(G\) que contienen a \(X\) (respecto del orden dado por la inclusión de conjuntos). Puesto que \(\genby X\) es un subgrupo, éste debe contener a las potencias (positivas y negativas) de los elementos de \(X\) y a los productos de las mismas. La proposición siguiente nos dice que, de hecho, \(\genby X\) no contiene más que eso.

Proposición 2.64. Sea \(G\) un grupo y \(X\) un subconjunto cualquiera de \(G\). Entonces \(\genby X\) es el subgrupo de \(G\) formado por todos los productos de potencias de elementos de \(X\). En símbolos, \[ \genby X = \left \{\prod _{i=0}^n x_i^{k_i}\biggm | n\in \N ,x_i\in X, k_i\in \Z \right \}. \]
Demostración: Sea \(H\) el conjunto de tales productos. Es claro que \(H\) es un subgrupo de \(G\) por la teorema 2.56. Además, \(X\subset H\) y por tanto \(\genby X \subset H\) al ser \(\genby X\) el menor de los subgrupos de \(G\) que contienen a \(X\). Puesto que \(\genby X\) contiene a cualquier producto de potencias de elementos de \(X\), \(\genby X\) contiene a \(H\), luego \(H = \genby X\).
Definición 2.65. Si \(G\) es un grupo y \(x\in G\), al subgrupo \[ \genby x = \{x^k \mid k\in \Z \} \] lo llamamos grupo cíclico generado por \(x\).

En la notación aditiva, tenemos que \(\genby x = \{ kx \mid k\in \Z \}\). Así, por ejemplo, para el subgrupo \(m\Z \) del grupo aditivo \(\Z \) (véase el teorema 2.59) podemos escribir también \[ m\Z = \genby m. \]

Notemos que, puesto que todo subgrupo es él mismo un grupo, tiene sentido hablar no sólo de subgrupos cíclicos sino también de grupos cíclicos. He aquí algunos ejemplos de de dichos grupos.

Ejemplo 2.66. El grupo aditivo \(\Z \) es un grupo cíclico infinito generado por \(1\) y también por \(-1\). Por su parte, los grupos aditivos \(\Z _n\) de las clases residuales módulo \(n\) son también cíclicos. Desde luego, \(\Z _n = \genby {[1]}\).
Ejercicio 2.67. Encontrar un generador de \(\Z _{12}\) que no sea \([1]\).
Solución: Cualesquiera de las clases siguientes es un generador de \( \Z _{12} \): \( [5],[7],[11] \).
Ejemplo 2.68. El grupo multiplicativo de las raíces \(n\)-ésimas de la unidad es cíclico de orden \(n\) y está generado, por ejemplo, por la raíz \(\xi = e^{2\pi / n}\). En particular, \begin {equation*} \{1,-1,i,-i\} = \genby {i} = \genby {-i}. \end {equation*}
Ejercicio 2.69. Demostrar que todo grupo cíclico es abeliano.
Solución: Sea \( G \) cíclico y \( g \) un generador suyo. Si \( x,y\in G \), entonces \( x = g^i \) y \( y = g_j \) para ciertos enteros \( i,j \), luego \( xy = g^i g^j = g^{i+j} = g^{j + i} = g^j g^i = yx \), lo que muestra que \( G \) es abeliano.
Ejemplo 2.70. Para todo \( n \geq 1 \), el grupo \( \symgr \) está generado por las transposiciones \( (1\ 2), (1\ 3),\ldots ,(1\ n) \). Esto es obvio para el caso \( n=1,2 \), así que lo justificaremos asumiendo que \( n \geq 3 \). Puesto que todo elemento de \( \symgr \) es un producto de transposiciones, basta demostrar que toda transposición \( i\ j \) es un producto de las transposiciones mencionadas. Esto es inmediato si \( i \) o \( j \) es \( 1 \), por lo que asumiremos que \( 1,i,j \) son distintos entre sí. Entonces \[ (i\ j) = (i\ j)^{(1\ i)} = (1\ i)(1\ j)(1\ i), \] luego \( (i\ j) \) tiene la forma deseada.