Представления конечных групп и проблема распознаваемости

Оглавление
1 Введение
§1 Общая характеристика результатов работы........................
1.1 Постановка задачи и актуальность темы диссертации . .
1.2 Основные результаты диссертации........................
1.3 Научная новизна..........................................
1.4 Теоретическая и практическая ценность....................
1.5 Методы исследования....................................
1.6 Апробация работы.......................................
1.7 Публикации.............................................
1.8 Структура и объём диссертации............................
2 Распознавание по спектру почти простых групп
§1 Основные результаты главы......................................
1.1 Краткий обзор............................................
1.2 Формулировка основных результатов .......................
§2 Распознавание но спектру групп Ьз(<?)..........................
2.1 Предварительные замечания..............................
2.2 Вспомогательные результаты.............................
2.3 Доказательство основной теоремы..........................
§3 Веса неприводимых 8Ь3(^)-модулей в характеристике определения ............................................................
3.1 Пред варител ьные замет тл и я.........................
3.2 Неприводимые 8Ь3(<?)-модули..............................
3.3 Веса неприводимых модулей ...............................
3.4 Приложение...............................................
§4 Распознавание по спектру групп Из(</)..........................
4.1 Вспомогательные результаты...............................
4.2 Представления Вейля группы 8и3(<?) ................
4.3 Спектр автоморфных расширений............................
4.4 Доказательство теоремы...................................
1
1
1
5
б
б
б
б
б
7
8
8
8
8
11
И
12
24
28
28
29
36
38
38
39
42
45
50
і
ОГЛАВЛЕНИЕ 11
§5 Распознавание симметрических групп степеней г и г + 1 для
простого г....................................................52
5.1 Предварительные замечания...............................52
5.2 Вспомогательные результаты..............................52
5.3 Доказательство основной теоремы.........................54
3 Порядки элементов в накрытиях простых групп 58
§1 Основные результаты главы......................................58
1.1 Вводные замечания.......................................58
1.2 Краткий обзор результатов главы ........................58
1.3 Формулировка основных результатов главы.................60
§2 Спектр накрытий групп Ц(с/) в случае п^> р.....................61
2.1 Предварительные результаты..............................51
2.2 Доказательство основных результатов.....................70
2.3 Приложение..............................................71
§3 Спектр накрытий групп Ц(д). Общий случай................................................72
3.1 Предварительные результаты..............................72
3.2 Веса неприводимых БЬД/^-модулей.........................82
3.3 Доказательство основных результатов.....................84
§4 Исключительное действие групп ЬДд) в характеристике определения 85
4.1 Вспомогательные утверждения.............................86
4.2 Доказательство основного {результата....................90
4 Распознаваемость по графу простых чисел 93
§1 Обзор основных 1>езультатов главы..............................93
§2 Доказательства.................................................95
2.1 Вспомогательные утверждения.............................95
2.2 Линейное действие некоторых групп.......................97
2.3 Представление графа простых чисел......................101
2.4 Группа ................................................103
2.5 Группа С2(7)............................................ЮЗ
2.6 Группы 2С2{(]) .........................................Ю5
2.7 Монстр ................................................105
2.8 Группа Г»з(7) .........................................107
Список обозначений 109
Предметный указатель 111
Л итерату ра 112
Глава 1
Введение
§1 Общая характеристика результатов работы
1.1 Постановка задачи и актуальность темы диссертации
Множество порядков элементов конечной группы несёт большую информацию о её строении. Классическим примером, иллюстрирующим глубину связи между периодом и строением конечной группы, является стоявшая открытой более 60-ти лет ослабленная проблема Бернсайда. Из положительною решения этой проблемы [10, 6, 7] следует, что число конечных групп данного периода с данным числом порождающих конечно, а значит, ограничено их строение. Другим важным примером является теорема Фейта-Томпсона [30], утверждающая, что конечная группа без элементов порядка 2 является разрешимой.
В постклассификациоиной теории конечных групп порядки элементов стали играть заметную роль в проблемах распознаваемости по арифметическим свойствам. Когда возникли первые примеры групп, однозначно характеризуемых но совокупности порядков своих элементов, естественно возникла задача нахождения и изучения всех групп, обладающих этими или близкими свойствами.
Как оказалось, проблема распознаваемости потребовала применения самых современных знаний и методов, таких как свойства автоморфизмов и подгрупповое строение конечных простых групп и групп лиева типа, связь этих групп с линейными алгебраическими группами, теория обыкновенных и модулярных представлений. Настоящая диссертация предлагает новые и опирается на уже известные результаты из всех этих областей, однако больший акцент сделан на приложение методов теории представлений к вопросам распознаваемости.
Приступим теперь к более конкретному изложению основной проблемати-
1
ГЛАВ Л 1. ВВЕДЕНИЕ
2
ки диссертации. Общий список используемых терминов и обозначений (большинство из которых стандартны) приведён в конце диссертации.
Всюду в дальнейшем под спектром конечной группы 6\ обозначаемом через се)(С), будем понимать множество порядков всех элементов из О. Другими словами,
ш{0) = { гг Є N | Зуев : \д\=п}.
К примеру, спектром знакопеременной группы степени 5 является множество о;(Ак5) = {1,2,3,5}.
Назовём конечную группу Є распознаваемой (по спектру), если для любой конечной группы Я равенство спектров со(С) = ш(Н) влечёт изоморфизм О = Я. Центральной проблемой, на которой основана диссертация, является
Проблема 1. Найти все распознаваемые но спектру конечные группы.
Сразу отметим, что эчъ проблема представляет интерес только для простых или близких к простым групп, поскольку известно [13], что группа, обладающая нетривиальной разрешимой нормальной подгруппой не является распознаваемой. К настоящему времени распознаваемые группы описаны во многих классах конечных простых и почти простых групп (см. обзор 116]). Тем не менее, полное решение проблемы 1 даже в классе простых групп Ьп.(</) пока представляется отдалённым.
Конечные группы, спектры которых совпадают, будем называть изоспек-тральиыми. Для конечной группы С обозначим через Н(С) число (возможно, оо) попарно неизоморфных изоспектральных ей конечных групп. Таким образом, распознаваемость группы б? эквивалентна равенству й(С) = 1. В частности, проблему 1 можно сформулировать в уточнённом виде, как проблему нахождения значения Н(С) для заданной конечной группы С. Именно эту задачу мы и будем подразумевать под проблемой распознаваемости для данной группы.
Группу С, для которой 1г(Є) = оо (соответственно, 1 < 1г(С) < оо), будем называть нераспознаваемой (соответственно, почти ]Хіспознаваемой) по спектру. К примеру, нераспознаваемой группой является, очевидно, группа Первые примеры почти распознаваемых групп появились в работах [11, 12]. Все эти группы (7 удовлетворяют условию Н(С) = 2, и до недавнего времени было неизвестно, существуют ли группы, для которых /і(<7) £ {1,2,оо}. В связи с этим В. Ши поставил следующий вопрос, внесённый в Коуровскую тетрадь [19, проблема 13.63]:
Проблема 2. Верно ли. что существует натуральное, число к такое, что для любой конечной группы С либо Н(С) ^ к, либо Ь{С) = оо?
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ
3
В настоящей диссертации получено решение данной проблемы. А именно, показана сюръективность отображения к : С »—> к(0) из класса конечных групп в множество Ми {оо}.
Нащттием группы С назовём произвольную группу Я, входящую в короткую точную последовательность
1—»Я—>1.
Накрытие называется собственным, если группа N в этой последовательности нетривиальна.
Решение проблемы распознаваемости для конечной группы С включает в себя проверку следующего естественного ослабленного условия:
и>((3) Ф о;(Я) для всякого собственно1’о накрытия Я группы С.
Группу О, удовлетворяющую этому условию будем называть распознаваемой (по спектру) среди своих накрытий. Хотя свойство распознаваемости среди накрытий формально более слабое, чем просто распознаваемость, его проверка для некоторых групп может быть очень трудоёмкой и часто приводит к изучению модулярных представлений. Это объясняется тем, что изучение спектра накрытия Я группы <7 сводится к рассмотрению случая, когда Я — расщепляемое расширение элементарной абелевой р-группы Лг, где р — некоторое простое число, с помощью (7, причём С действует неприводимо на Л\ Так возникают С-модул и над нолем положительной характеристики /;, и для проверки неравенства и{С) Ф о;(Я) требуется использовать информацию о неподвижных точках в этих модулях //-элементов, либо о размерах жордановых клеток /^элементов группы (7. В случае, когда С — группа лиева типа, определённая над нолем некоторой характеристики г, рассмотрение естественно разбивается на два случая. При р = г речь идёт об эквихарак-теристинеских модулях; группы С. Как известно из классических результатов Стейнберга [17|, теория эквихарактеристических модулей конечных групп лиева типа тесно связана с теорий представлений полупростых алгебраических групп положительной характеристики. Однако, непосредственное применение этих результатов довольно ограничено, поскольку описания строения неприводимых модулей таких групп в общем случае не существует. В кросс-характеристическом же случае (т. е. когда р Ф г) информации о явном строении (7-модулей ещё меньше, и здесь приходится использовать подгруп-повое строение группы С с целью применения теорем типа Холла-Хигмэна.
Неразрешимые симметрические и знакопеременные группы составляют первый широкий класс групп, для которого была установлена распознана-
ГЛАВА I. ВВЕДЕНИЕ
4
емость среди накрытий (см. [83]). но до сих пор полностью не решена проблема распознаваемости по спектру. Следующая проблема была внесена в Коуровскую тетрадь В. Д. Мазуровым (см. 119. проблема 14.60]):
Проблема 3. Пусть О — собственное накрытие конечной простой группы Ь = 1<п(д), где п > 3. Верно ли, что в С найдётся элемент, порядок •которого отличен от порядка любого элемента из і ?
Другими словами, в проблеме 3 спрашивается, являются ли простые группы Ь„(</), где п ^ 3, распознаваемыми среди накрытий. В данной диссертации получено решение этой проблемы. Отметим, что уже в случае п — 3 предложенное доказательство не обходится без существенного применения теории представлений.
Простые неабелевы группы, не являющиеся распознаваемыми среди накрытий очень редки. В [13] были получены два единственных известных до недавнего времени примера таких групп, а именно группы из(3) и Цз(7). Отвечая на вопрос из проблемы 3. мы находим новый пример такой группы.
Граф простых чисел Г (С) конечной группы G, также часто называемый графом Грюнберга Кегеля, — это граф, множеством вершин которою является совокупность Простых делителей порядка |6’|, В котором две вершины /V/ соединены ребром если и только если С содержит элемент порядка щ. Граф простых чисел впервые возник и исследовался в работах [8, 44, 69] в связи с вопросами строения целочисленных групповых алгебр и представлений конечных групп. Например, было доказано, что для любой конечной группы С число компонент связности графа Г(б?) не превосходит 6.
Непосредственная связь графа простых чисел и спектра очевидна: по спектру а>(С) данной группы С однозначно восстанавливается граф Г((7). Заметим, что для группы С/ определение её графа Г(С) является более простой задачей, чем нахождение спектра, т. к. для этого достаточно знать существование только элементов, порядка рс/ при различных р, г/ є тг(С?). Поэтому естественно возникает вопрос, насколько граф Г(б') определяет группу С. Группу С назовём распознаваемой по графу, если для любой конечной группы Я равенство графов Г(//) = Г((7) (как графов с отмеченными вершинами) влечёт' изоморфизм Н = С. Распознаваемость но графу сильнее распознаваемости по спектру. Первые примеры распознаваемых по графу групп появились в работе [49]. Таких примеров было известно лишь конечное число (и все они были из числа спорадических простых групп).
По аналогии с упомянутым ранее значением /г((5) для данной группы С можно обозначить через НГ{0) число (возможно, ос) неизоморфных коне1!-
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ
5
пых групп, граф простых чисел которых совпадает с Г(<7). Таким образом, возникает следующая проблема распознаваемости групп по графу, которая іірсдставляет интерес.
Проблема 4. Для каждой конечной группы С найти значение 1гГ(С).
В частности, представляют интерес вопросы о существовании бесконечного числа групп, распознаваемых по графу, а также групп С, для которых 1 < /?.г(О) < оо. На эти вопросы также получен ответ в данной диссертации.
Подводя итог, можно отметить, что основной целью диссертации является получение результатов в рамках решения указанных выше проблем 1-4, опираясь, в частности, на известные и разрабатывая новые методы из теории представлений. Работы автора по теме диссертации опубликованы в [75]—[91].
1.2 Основные результаты диссертации
1. Получено исчерпывающее решение проблемы распознаваемости по спектру для простых групп Ьз(</) и и3(</) и для симметрических групп простой степени г ^ 7. Найден критерий распознаваемости симметрических групп степени г + 1, для простого числа г ^ 11.
2. Предложена модель для построения неприводимых (рациональных конечномерных) модулей простой алгебраической группы БЬз^) над алгебраически замкнутым полем Р простой характеристики в пространствах полиномов и, как следствие, всех абсолютно неприводимых эк-вихарактеристических представлений конечных простых групп Ьз(д) и
и3(<?)-
3. Получено решение проблемы 13.63 из Коуровской тетради о существовании для любого натурального числа к ровно к конечных изоспектраль-ных групп.
4. Получено решение проблемы 14.60 из Коуровской тетради о распознаваемости но спектру среди накрытий простых групп Мрш). При этом случай, когда п много больше чем р, был рассмотрен в совместной с В. Д. Мазуровым работе. В качестве следствия доказана распознаваемость но спектру групп Ьи(2) при любом п > 2.
5. Построен первый пример бесконечной серии конечных групп, распознаваемых по графу, а также первый пример группы удовлетворяющей равенству Нг (О) = 2.
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ 6
Отметим, что результаты 1, 3, 5 опираются на классификацию конечных простых групп.
1.3 Научная новизна
Все основные и ряд вспомогательных результатов диссертации являются новыми.
1.4 Теоретическая и практическая ценность
Работа, носит теоретический характер. Результаты и методы работы могут быть использованы для дальнейших исследований как вопросов распознаваемости, так и других проблем теории групп и их представлений. Они могут быть включены в спецкурсы для студентов и аспирантов, специализирующихся в области алгебры.
1.5 Методы исследования
В работе используются классические методы теории групп (конечные группы, группы лиева, типа, алгебраические группы), методы теории представлений конечных и алгебраических групп, методы линейной алгебры, а также элементы теории чисел и теории графов.
1.6 Апробация работы
Результаты диссертации в период с 2002 по 2008 год были представлены на международных конференциях в Новосибирске, Москве, Пальчике, Гуару-же (Бразилия). В частности, на международной конференции «Мальцевские чтения» (Новосибирск, 2006 г.) и международной школе-конференции по теории групп (Нальчик, 2000 г.) автором были сделаны пленарные доклады по теме диссертации. Результаты неоднократно докладывались на семинарах Института математики СО РАН и НГУ «Теория групп» и «Алгебра и логика», а также на общеинститутском семинаре ИМ СО РАН.
1.7 Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в журналах [75]-[82], входящих в перечень ВАК для докторских диссертаций. См. также [87, 90].
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ
7
1.8 Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из четырёх глав (включая введение), списка обозначений, предметного указателя и литературы. Она изложена на 119 страницах текста, набранного в редакционно-издательской системе ВД)вХ2е, библиография содержит 91 наименование.
Пользуясь ступаем, я хотел бы выразить искреннюю благодарность своему научному консультанту чл.-корр. РАН В. Д. Мазурову за его участие в формулировке основной задачи, всестороннюю помощь и внимание в работе, его глубокую компетентность и прекрасные человеческие качества. Я также хотел бы поблагодарить всех сотрудников лаборатории теории групп Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН, а в особенности д.ф.-м.н. А. В. Васильева, д.ф.-м.н. Е. П. Вдовина, к.ф.-м.н. М. А. Гречкосееву, к.ф.-м.н. Д. О. Ревина за полезное обсуждение как содержания данной работы, так и общих теоретико-групповых вопросов. Часть этой работы была выполнена во время моих стажировок в университете г. Сан-Пауло (Бразилия), в связи с чем я хотел бы поблагодарить директора института математики и статистики этого университета, а также сотрудников департамента математики за гостеприимство и радушие.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (коды проектов 08-01-00322, 00-01-39001, 05-01-00797, 99-01-00550, 96-01-01893), Сибирского Отделения РАН (гранты №1 и №29 для молодых учёных и Интеграционный проект 2006.1.2), Совета но грантам Президента РФ (грант для ведущих научных школ НШ-344.2008.1), Фонда Содействия Отечественной Науке (программа "Выдающиеся ученые. Кандидаты и доктора наук РАН" за 2008 г.), Фонда БАРЕБР, Бразилия (проекты 06/60766-3, 01/14811-4).