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(生配信企画)位数88の群の同型類分類するまで終われません!

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$$\newcommand{Aut}[0]{\operatorname{Aut}} \newcommand{Imm}[0]{\operatorname{Im}} \newcommand{Ker}[0]{\operatorname{Ker}} \newcommand{Syl}[0]{\operatorname{Syl}} $$

概要

どうしても今年のうちに位数88の群を分類したいので、生配信で分類していく様を見守るコンテンツです。この記事内に位数88の群の(できれば最小の)生成系による表示をすべて与えたらクリアとなります。

この記事は 日曜数学 Advent Calendar 2023 の16日目の記事です。

生配信会場

https://www.youtube.com/watch?v=8IFOlqLk9-I

方針

位数88の群$G$に対してSylowの定理を適用する。88の各約数に対する2および11を法とする剰余は以下の表の通り。

$\mod 2$$\mod 11$
111
202
404
808
1110
2200
4400
8800

したがって、$\Syl_2(G)$の重複度は1または11であり、$\Syl_{11}(G)$の重複度は1である。よって、$\Syl_{11}(G)\lhd G$が成り立ち、Schur-Zassenhausの定理より$G=\Syl_{11}(G)\rtimes\Syl_2(G)$と書ける。位数11の群の型は$C_{11}$に限るので、$G$の型は位数8の群$G_8$と群準同型写像$\gamma:G_8\to\Aut(C_{11})$を用いて$G\simeq C_{11}\rtimes_\gamma G_8$と表すことができる。今、$\Aut(C_{11})\simeq C_{10}$$\#\Imm\gamma\cdot\#\Ker\gamma=8$から、$\Imm\gamma$$C_1$もしくは$C_2$と同型である。
ここで、次のことを確認しておく。

$G_8$を位数8の群、$\gamma,\gamma':G_8\to \Aut(C_{11})$を像の位数が2の群準同型写像とする。このとき、次の2つは同値。
(1) $C_{11}\rtimes_\gamma G_8\simeq C_{11}\rtimes_{\gamma'} G_8$
(2) $\psi(\Ker\gamma)=\Ker\gamma'$なる$\psi\in\Aut(G_8)$が存在する。

$C_{11}\rtimes_\gamma G_8, C_{11}\rtimes_{\gamma'} G_8$上の演算をそれぞれ$\cdot_\gamma,\cdot_{\gamma'}$で表すことにする。
(1)→(2)
$\Phi:C_{11}\rtimes_\gamma G_8\to C_{11}\rtimes_{\gamma'} G_8;(g,h)\mapsto(\phi_1(g,h),\phi_2(g,h))$を群同型写像とする。
今、$C_{11}\lhd C_{11}\rtimes_\gamma G_8$から
\begin{align} \phi_2(g,1)=1 \end{align}
が成り立つ。すると
\begin{align} &\Phi(g,h)\\ &=\Phi((g,1)\cdot_{\gamma}(1,h))\\ &=\Phi(g,1)\cdot_{\gamma'}\Phi(1,h)\\ &=(\phi_1(g,1),1)\cdot_{\gamma'}(\phi_1(1,h),\phi_2(1,h))\\ &=(\phi_1(g,1)\phi_1(1,h),\phi_2(1,h))\\ \end{align}
より、射影$\pi:C_{11}\times G_8\to G_8;(g,h)\mapsto h$を用いれば、写像$\phi:G_8\to G_8;h\mapsto\pi(\Phi(1,h)) $は自己同型写像となる。
今、$h\in\Ker\gamma$とすると、任意の$g\in C_{11}$に対し\begin{align} &(1,\phi(h))\cdot_{\gamma'}(g,1)\\ &=\Phi(1,h)\cdot_{\gamma'}\Phi(g',1)\\ &=\Phi((1,h)\cdot_{\gamma}(g',1))\\ &=\Phi((g',1)\cdot_{\gamma}(1,h))\\ &=\Phi(g',1)\cdot_{\gamma'}\Phi(1,h)\\ &=(g,1)\cdot_{\gamma'}(1,\phi(h))\\ \end{align}
より、$\phi(h)\in\Ker\gamma'.$ただし上記の計算中$\phi_1(g',1)=g$を満たす$C_{11}$の元として$g'$を導入した。

(2)→(1)
写像$\Psi:C_{11}\rtimes_\gamma G_8\to C_{11}\rtimes_{\gamma'} G_8;(g,h)\mapsto(g,\psi(h))$が群同型写像であることを示す。(単位元の一致、逆元の一致については割愛)
$g_1,g_2\in C_{11};h_1,h_2\in G_8$について
\begin{align} &\Psi(g_1,h_1)\cdot_{\gamma'}\Psi(g_2,h_2)\\ &=(g_1,\psi(h_1))\cdot_{\gamma'}(g_2,\psi(h_2))\\ &=(g_1\gamma'_{\psi(h_1)}(g_2),\psi(h_1)\psi(h_2))\\ &=(g_1\gamma_{h_1}(g_2),\psi(h_1h_2))\\ &=\Psi(g_1\gamma_{h_1}(g_2),h_1h_2)\\ &=\Psi((g_1,h_1)\cdot_{\gamma}(g_2,h_2)). \end{align}
よって、$C_{11}\rtimes_\gamma G_8\simeq C_{11}\rtimes_{\gamma'} G_8.$

この補題から$C_{11}\rtimes_\gamma G_8$の型は、$G_8$の型および$\Ker\gamma$として$G_8$の指数1または2の部分群(下表では$N$)を同型写像で移り合う違いを除いて定めることで決定される。これらを列挙すると

$G_8$の型$G_8$の表示$N$の表示$N$の型$[G:N]$
I$C_8$$\langle a\mid a^8\rangle$$\langle a\rangle$$C_8$1
II$C_8$$\langle a\mid a^8\rangle$$\langle a^2\rangle$$C_4$2
III$C_4\times C_2$$\langle a,b\mid a^4,b^2,a^{-1}bab\rangle$$\langle a,b\rangle$$C_4\times C_2$1
IV$C_4\times C_2$$\langle a,b\mid a^4,b^2,a^{-1}bab\rangle$$\langle a^2,b\rangle$$E_4$2
V$C_4\times C_2$$\langle a,b\mid a^4,b^2,a^{-1}bab\rangle$$\langle a\rangle$$C_4$2
VI$E_8$$\langle a,b,c\mid a^2,b^2,c^2,(ab)^2,(bc)^2,(ca)^2\rangle$$\langle a,b,c\rangle$$E_8$1
VII$E_8$$\langle a,b,c\mid a^2,b^2,c^2,(ab)^2,(bc)^2,(ca)^2\rangle$$\langle a,b\rangle$$E_4$2
VIII$D_8$$\langle a,b\mid a^4,b^2,(ab)^2\rangle$$\langle a,b\rangle$$D_8$1
IX$D_8$$\langle a,b\mid a^4,b^2,(ab)^2\rangle$$\langle a^2,b\rangle$$E_4$2
X$D_8$$\langle a,b\mid a^4,b^2,(ab)^2\rangle$$\langle a\rangle$$C_4$2
XI$Q_8$$\langle a,b\mid a^4,a^2b^2,a^{-1}bab\rangle$$\langle a,b\rangle$$Q_8$1
XII$Q_8$$\langle a,b\mid a^4,a^2b^2,a^{-1}bab\rangle$$\langle a\rangle$$C_4$2

となる。

位数88の群の分類

以上を踏まえて、位数88の群は以下の12種に分類される。

$G$の型$G$の表示$\Syl_2(G)$の型$\Ker\gamma$
$C_{88}$$\langle a\mid a^{88}\rangle$$C_8$I
$C_{11}\rtimes C_8$$\langle a,b\mid a^{11},b^{8},ab^{-1}ab\rangle$$C_8$II
$C_{44}\times C_2$$\langle a,b\mid a^{44},b^2,a^{-1}bab\rangle$$C_4\times C_2$III
$C_{22}\rtimes C_4$$\langle a,b\mid a^{22},b^4,ab^{-1}ab\rangle$$C_4\times C_2$IV
$D_{22}\times C_4$$\langle a,b\mid a^{44},b^2,a^{23}bab\rangle$$C_4\times C_2$V
$C_{22}\times E_4$$\langle a,b,c\mid a^{22},b^2,c^2,a^{-1}bab,a^{-1}cac,(bc)^2\rangle$$E_8$VI
$D_{44}\times C_2$$\langle a,b,c\mid a^{22},b^2,c^2,(ab)^2,(bc)^2,a^{-1}cac\rangle$$E_8$VII
$D_8\times C_{11}$$\langle a,b\mid a^{44},b^2,a^{21}bab\rangle$$D_8$VIII
$C_{11}\rtimes D_8$$\langle a,b,c\mid a^{11},b^4,c^2,ab^{-1}ab,(bc)^2,a^{-1}cac\rangle$$D_8$IX
$D_{88}$$\langle a,b\mid a^{44},b^2,(ab)^2\rangle$$D_8$X
$Q_8\times C_{11}$$\langle a,b,c\mid a^4, c^{11},a^2b^2, a^{-1}bab,a^{-1}c^{-1}ac,b^{-1}c^{-1}bc\rangle$$Q_8$XI
$Q_{88}$$\langle a,b\mid a^{22},a^{11}b^2,ab^{-1}ab\rangle$$Q_8$XI

告知

12月31日(日)の夜(時間未定)より、位数2024の群の分類をやります。そちらの記事も立てますのでよろしくお願いします。

投稿日:20231216
更新日:20231216
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