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文中所涉及的群均为有限群. G总表示一个有限群,|G|表示G的阶,π(n)表示所有整除n的素因子的集合,且π(G)=π(|G|). |G|π表示能整除|G|且素因子均在π中的最大整数.
文献[1]首次引入了半正规的概念:假定H≤G,如果G中存在子群K,满足G=HK,且对任一K1 < K有HK1 < G,则称H在G中是半正规的,并称K是H在G中的S-补.
文献[2]利用子群的半正规性,推广了Ito定理.
文献[3]结合次正规和半正规的概念引入了半次正规的概念:假定A≤G,如果A在G中次正规或者半正规,则称A在G中是半次正规的,并得到了有限群超可解的若干判别准则.
文献[4-7]引进了有限群的σ-理论:令σ={σi|i∈I}是所有素数集合P的一个划分,即
$ P=\bigcup\limits_{i \in I} \sigma_{i} $ 且σi∩σj=$\varnothing$ (i≠j),如果n是一个正整数,则记σ(n)={σi|σi∩π(n)≠$\varnothing$ }且σ(G)=σ(|G|);如果群G是一个σi-群,则称G为σ-准素的;如果群G的每个G-主因子都是σ-准素的,则称G为σ-可解的,并称G的所有正规的σ-可解子群的积为G的σ-根,记作Rσ(G). 假定H≤G,如果存在一个子群链H=H0≤H1≤…≤Ht=G,使得对所有的i=1,…,t,要么Hi-1正规于Hi,要么Hi/(Hi-1)Hi是σ-准素的,则称H在G中是σ-次正规的.近些年,学者们通过利用有限群的σ-理论和半正规子群的性质来研究有限群,得到了有限群结构的许多重要的结果(参见文献[3-12]). 通过分析这些已有的结果与方法,本文结合σ-次正规性和半正规性引入了如下概念:
定义1 假定A≤G,如果A在G中σ-次正规或者半正规,则称A在G中是σ-半次正规的.
由定义,半次正规子群显然也是σ-半次正规子群,但下面的例子表明反之不成立:
例1 设G=PSL2(7),则|G|=23·3·7,且G中含有一个阶为3·7的极大子群,记为M. 令σ={σ1,σ2},其中σ1={2,3,7},σ2={2,3,7}′. 则G是σ-幂零的,从而由文献[3]的命题2.3知M在G中是σ-次正规的,则M是σ-半次正规的. 若M在G中是半次正规的,那么由于G是单群,故M在G中是半正规的,从而存在B≤G使得G=MB,且对任意B1 < B有MB1 < G. 显然,23 | |B|. 令P∈Syl2(B),则P∈Syl2(G). 设B1是P中的2阶子群,那么M≤MB1 < G. 因为M是G的极大子群,所以M=MB1,即B1≤M,与2
|M|矛盾. 故M在G中不是半次正规的.通过研究σ-半次正规子群,我们给出有限群的σ-可解性和超可解性的一些新的充分条件. 未交代的符号和概念参见文献[13-19].
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令Π是σ的一个子集. 假定n是整数,如果
$\pi(n) \equiv \bigcup\limits_{\sigma_{i} \in \varPi} \sigma_{i}$ ,则称n为Π-数. 假定H≤G,如果|H|是Π-数,则称H为G的Π-子群;如果|H|是Π-数且|G∶H|是一个Π′-数,则称H为G的HallΠ-子群. 特别地,如果存在σ的子集Π,使得H是群G的Hall Π-子群,则称H为G的σ-Hall子群. 假定H是群G的子群集,如果对于某个σi∈σ,H中的任一非单位元都是G的Hall σi-子群,且对每个σi∈σ(G),H中有且仅有一个元素是G的Hall σi-子群,则称H为G的完全Hall σ-集. 如果群G有一个完全Hall σ-集,则称G为σ-完全的. 如果对所有的σi∈σ(G),群G的每个子群都是Dσi-群,则称G为具有Sylow型的σ-完全群.引理1[4, 6] 设A,K和N是群G的子群. 假设A在G中是σ-次正规的,并且N正规于G,则:
(ⅰ) A∩K在K中是σ-次正规的;
(ⅱ) AN/N在G/N中是σ-次正规的;
(ⅲ) 若A是G的σ-Hall子群,则A正规于G;
(ⅳ) 若H≠1是G的Hall Π-子群,且A不是Π′-群,则A∩H≠1且是A的Hall Π-子群;
(ⅴ) 若G是Π-完全群,且A是Π-群,则A≤OΠ(G).
引理2[15] 设G是群,H≤X≤G且N正规于G,则下列结论成立:
(ⅰ) 如果H在G中半正规,则H在X中半正规;
(ⅱ) 如果H在G中半正规,则HN/N在G/N中半正规;
(ⅲ) 如果H在G中半正规,且K是H在G中的S-补,则对∀g∈G和L≤K,H与Lg置换,特别地,对任意g∈G,Kg是H在G中的S-补.
引理3 设G是群,H≤X≤G,如果H在G中σ-半次正规,则下列结论成立:
(ⅰ) H在X中σ-半次正规;
(ⅱ) 若N正规于G,则HN/N在G/N中σ-半次正规.
证 如果H在G中σ-次正规,则由引理1得(ⅰ)-(ⅱ)成立;如果H在G中半正规,则由引理2得(ⅰ)-(ⅱ)成立. 因此(ⅰ)-(ⅱ)成立.
引理4[4] σ-可解群在子群、同态像和直积下是封闭的. 并且任意两个σ-可解群的扩张还是σ-可解群.
引理5[5] 令H是群G的次正规且σ-可解子群,那么H≤Rσ(G).
引理6[15] 令H是群G的半正规Hall π-子群,那么H在G中的任一S-补都是G的Hall π′-子群.
引理7[15] 令H是群G的半正规子群,且K是H在G中的S-补,那么对K的任一子群L,HL∩LH在G中次正规.
引理8[16] 若X是群G的次正规且π-可解子群,则XG是π-可解群.
引理9[17] 设G是群,P∈Sylp(G)且P循环. 若p是整除|G|的最小素因子,则G有正规p-补,即G为p-幂零群.
引理10[18] 有限群G是超可解群当且仅当G的所有极大子群的指数是素数.
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定理1 设群G是具有Sylow型的σ-完全群,且有完全Hall σ-集H={H1,…,Ht}. 令p是整除|G|的最小素因子,假设对任意的i=1,…,t,Hi是p-幂零群. 如果对所有的非循环子群Hi,Hi在G中都是σ-半次正规的,那么G是σ-可解群.
证 假设结论不成立,并设群G是一极小阶反例,我们分以下步骤来证明:
步骤1 如果R是群G的一个极小正规子群,那么G/R满足定理1的假设,从而G/R是σ-可解的.
显然,H ={H1R/R,…,HtR/R}是G/R的一个完全Hall σ-集. 对任意的非循环子群HiR/R,Hi是非循环的,从而由引理3(ⅱ)知,HiR/R在G/R中是σ-半次正规的,且HiR/R
$ \cong $ Hi/(Hi∩R)是p-幂零群. 以上表明G/R满足定理1的条件,故由G的选取可知,G/R是σ-可解的.步骤2 Rσ(G)=1.
假设Rσ(G)≠1,则G存在非平凡的σ-可解正规子群N. 那么由步骤1知,G/N是σ-可解的,从而由引理4知G是σ-可解的,矛盾. 因此Rσ(G)=1.
步骤3 对任意非循环的子群Hi,都有Hi半正规于G.
由假设,对任意非循环的子群Hi,都有Hi在G中σ-次正规或半正规. 如果Hi在G中σ-次正规,则由引理1(ⅲ)可知Hi正规于G,与步骤2矛盾. 这表明对任意非循环的子群Hi,都有Hi半正规于G.
步骤4 令p∈σ1. 则H1是非循环的且在G中半正规.
若H1是循环的,则G的Sylow p-子群也是循环的,从而由引理9知G是p-幂零的. 又因为p是整除|G|的最小素因子,所以G是可解的,矛盾,故H1是非循环的. 因此由步骤3知,H1在G中是半正规的.
步骤5 |σ(G)|=2且G=H1H2.
由步骤4知H1半正规于G. 根据引理6得,G存在Hall σ′1-子群K,使得K是H1在G中的S-补. 令L是K的任一Hall σi-子群(i≠1),则L也是G的Hall σi-子群. 又因G是具有Sylow型的σ-完全群,从而存在x∈G使得Lx=Hi. 于是由引理2(ⅲ)可得H1Hi≤G,并且Kx也同样是H1在G中的S-补. 因此由引理3(ⅰ)得H1Hi满足定理假设. 如果|σ(G)|>2,那么H1Hi < G,从而由G的选取知H1Hi是σ-可解的.
令D=H1Hi∩HiH1. 由引理7知D次正规于G. 考虑
我们得到D是σ-可解的. 再根据引理5,我们有D≤Rσ(G). 故由步骤2,得到D=1,从而
因此Hi≤CG(H1). 由Hi选取的任意性知H1
$ \triangleleft $ G,但这与步骤2矛盾. 因此|σ(G)|=2,即G=H1H2.步骤6 最后矛盾.
下面分两种情况讨论:
情况1 H2非循环. 由步骤3知H1,H2在G中半正规,再由引理6和引理2(ⅲ)可得,H1是H2在G中的S-补,同时H2也是H1在G中的S-补. 现设L1,L2是H1的两个不同的极大子群,且Ai=H2Li,i=1,2,则
我们断言A1,A2均是σ-可解的. 显然{Li,H2}是Ai的完全Hall σ-集,Li=H1∩Ai是Ai的Hall σ1-子群. 因为H2是H1在G中的S-补,所以对任意B < H2,有H1B < G,从而
是Ai的真子群,故Li半正规于Ai. 又由引理3知H2在Ai中亦半正规,故Ai满足定理假设,从而由G的选取知Ai是σ-可解群. 令Di=H2Li∩LiH2,则由引理7知,Di次正规于G,再由引理5得到Di≤Rσ(G)=1. 因此
所以Li≤CG(H2). 又因为H1=〈L1,L2〉,从而H1≤CG(H2),故H2
$ \triangleleft $ G,矛盾.情况2 H2循环. 由步骤4知H1在G中半正规,从而由引理6知H2是H1在G中的S-补. 我们断言|H2|=q. 设Q是H2的一个极大子群,则H1Q是G的真子群. 因{H1,Q}是H1Q的完全Hall σ-集,且由引理3得H1Q满足定理假设,所以由G的选取知H1Q是σ-可解的. 于是同情况1同样的讨论可得到H1≤CG(Q),故Q
$ \triangleleft $ G. 由步骤2,Q=1,从而|H2|=q,故G是可解群,矛盾.综上所述,定理1得证.
推论1[15] 如果群G的所有非循环Sylow子群在G中半正规,那么G是可解群.
定理2 设群G有完全Hall σ-集H={H1,…,Ht},使得Hi均为超可解子群,对于所有i=1,…,t,如果G的任意极大子群在G中都是σ-半次正规的,那么G是超可解群.
证 假设定理2不成立,并设群G是一极小阶反例,我们分以下步骤来证明:
步骤1 若R是群G的一个非平凡的极小正规子群,则G/R是超可解群.
显然,H={H1R/R,…,HtR/R}是G/R的一个完全Hall σ-集,且HiR/R
$ \cong $ Hi/Hi∩R是超可解的. 令M/R是G/R的任一极大子群,则M也是G的极大子群. 于是由引理3知,M/R在G/R中σ-半次正规,故G/R满足定理假设. 因此由G的选取,G/R是超可解群.步骤2 G有唯一极小正规子群,记作R.
设R1和R2是G的两个不同极小正规子群,则由步骤1知,G/R1和G/R2均为超可解的,故G是超可解群,矛盾.
步骤3 最后矛盾.
设M是G的任一极大子群. 如果R≤M,那么M/R是G/R的极大子群,于是由步骤1知,G/R是超可解群. 所以根据引理10,我们有|G∶M|=|G/R∶M/R|为素数. 如果R
$ \nleqslant $ M,那么G=RM,且由假设,M在G中σ-半次正规. 若M在G中σ-次正规,则M$ \triangleleft $ G或者G/MG为σ-准素的.若M
$ \triangleleft $ G,则由R的唯一性知M=1,从而G是素数阶循环群,矛盾.若G/MG为σ-准素的,则对某个Hi∈H,G/MG=HiMG/MG,因Hi是超可解的,从而G/MG为超可解群,故MG≠1. 又由步骤2知,R≤MG≤M,矛盾. 该矛盾表明M在G中半正规.
现设K是M在G中的S-补,则G=MK,且对任意H < K有MH < G. 我们断言M∩K≤Φ(K). 事实上,若M∩K
$ \nleqslant $ Φ(K),则存在K的极大子群K1使得M∩K$ \nleqslant $ K1. 因为MK1=K1M,所以进一步我们有从而可得
矛盾,故M∩K≤Φ(K). 设L是K的任一极大子群,则ML是G的真子群. 又因M是G的极大子群,于是ML=M,则L≤M∩K≤K,因此L=M∩K. 从而
于是L=M∩K=Φ(K)是K的极大子群,这表明K的极大子群唯一,从而K为素数幂阶循环群,故|G∶M|=|K∶M∩K|为素数. 因此,对G的任一极大子群M,都有|G∶M|为素数. 由引理10可知,G是超可解群,矛盾. 定理2得证.
推论2[3] 如果群G的所有极大子群在G中半正规,那么G是超可解群.
定理3 设群G是具有Sylow型的σ-完全群,且有完全Hall σ-集H={H1,…,Ht}. 令p是整除|G|的最小素因子,且当p∈σi时,Hi是超可解群. 如果Hi的所有极大子群都在G中σ-半次正规,那么G是σ-可解群.
证 假设定理3不成立,并设G是一极小阶反例,则由Feit-Thompson定理可知p=2. 不失一般性,可假设p∈σ1.
步骤1 如果R是G的非平凡正规子群,那么G/R是σ-可解群.
若2
|H1R/R|,则G/R为2′-群,从而G/R是可解群.若2||H1R/R|,则H={H1R/R,…,HtR/R}是G/R的完全Hall σ-集. 对H1R/R的任意极大子群M/R,我们有
因为H1是超可解群,所以由引理10知|H1R/R∶M/R|=|H1R∶M|=|H1∶M∩H1|是素数,从而M∩H1是H1的极大子群. 则由引理3知(M∩H1)R/R=M/R在G/R中σ-半次正规,故G/R满足定理假设. 因此由G的选取可知,G/R是σ-可解群.
步骤2 Oσ1(G)=Oσ′1(G)=1.
若Oσ1(G)≠1,则由步骤1知G/Oσ1(G)为σ-可解群. 又因Oσ1(G)是σ-可解的,从而根据引理4得到G是σ-可解的,矛盾,故Oσ1(G)=1. 若Oσ′1(G)≠1,则由步骤1知G/Oσ′1(G)为σ-可解群. 又因Oσ′1(G)为奇数阶的,故是可解群,从而根据引理4得到G是σ-可解的,矛盾,因此Oσ′1(G)=1.
步骤3 最后矛盾.
设M是H1的极大子群,且|H1∶M|=2,于是M
$ \triangleleft $ H1. 由假设,M在G中σ-半次正规. 假设M在G中σ-次正规. 则对任意x∈G,由引理1(ⅳ)知M∩H1x为M的Hall σ1-子群. 于是M∩H1x=M,即M≤H1x,故因此|H1|=2,从而由引理9知G是可解群,矛盾. 因此M在G中半正规.
设K是M在G中的S-补,则G=MK. 于是对任意q∈σi∩π(G)(i=2,…,t),有q||K|. 设Q∈Sylq(K),令D=MQ∩QM,则由引理7知D次正规于G. 如果D=1,那么
从而Q≤CG(M). 则由q的任意性知|G∶NG(M)|是σ1-数,又由M
$ \triangleleft $ H1可得M$ \triangleleft $ G,与步骤2矛盾. 因此存在Q∈Sylq(K),使得D=MQ∩QM≠1. 显然D≤MQ,于是由引理3知M在MQ中半正规. 又因为M≤H1是超可解的,则M为2-幂零的,从而由文献[15]的定理1知MQ为π(M)-可解的,进而由引理8知DG为π(M)-可解的. 令R是G的极小正规子群,且R≤DG,则R亦是π(M)-可解的. 再因|H1∶M|=2,那么π(H1)=π(M)或者π(H1)=π(M)∪{2}.如果π(H1)=π(M),则R为π(H1)-可解的,从而R是π′(H1)-群或初等交换t-群,其中t∈σ1. 若R为π′(H1)-群,则R≤Oσ′1(G)=1,矛盾. 若R是初等交换群,则R≤Oσ1(G)=1,矛盾.
如果π(H1)=π(M)∪{2},那么|H1|2=2,从而由引理9知G是可解群.
综上所述,定理3得证.
定理4 设群G是具有Sylow型的σ-完全群,且H={H1,…,Ht}是G的一个完全Hall σ-集,使得对所有的i=1,…,t,Hi是超可解群. 令A和B是G的子群,且G=AB. 如果A,B的所有Hall σi-子群在G中都是σ-半次正规的,那么G是超可解群.
证 不失一般性,可设Hi是G的Hall σi-子群(i=1,…,t). 假设定理4不成立,并设群G是一极小阶反例,我们分以下步骤来证明:
步骤1 对G的任一非平凡的正规子群R,G/R是超可解群.
令R是G的任一非平凡的正规子群,则
因为HiR/R是G/R的一个Hall σi-子群,且HiR/R
$ \cong $ Hi/Hi∩R是超可解的,所以H={H1R/R,…,HtR/R}是G/R的一个完全Hall σ-集,且HiR/R是超可解的(i=1,…,t). 令H/R是AR/R的任一Hall σi-子群,则且
是σ′i-数. 再令S是H∩A的任一Hall σi-子群,则|A∶S|=|A∶H∩A||H∩A∶S|是σ′i-数. 从而S是A的一个Hall σi-子群,则由假设知S在G中是σ-半次正规的. 又因为
且
是σ′i-数,所以SR/R是AR/R的一个Hall σi-子群,故SR/R=H/R. 由引理3(ⅱ)知,H/R=SR/R在G/R中是σ-半次正规的. 类似地,我们可以证明BR/R中的任一Hall σi-子群K/R在G/R中是σ-半次正规的. 因此G/R满足定理假设条件,故由G的选取可知,G/R是超可解群.
步骤2 G是可解群.
事实上,我们只需证明G是σ-可解群. 因为若G是σ-可解的,则对G的任一主因子H/K,都有H/K是σ-准素的,所以存在G/K的某一Hall σi-子群HiK/K,使得H/K≤HiK/K. 又因HiK/K
$ \cong $ Hi/Hi∩K是超可解的,故H/K是初等交换的q-群,对于某个素数q,G是可解群.下面我们证明G是σ-可解群. 令p是整除|G|的最小素因子,且不妨假设p∈σ1. 因为G=AB,所以若A,B都是σ1-子群,则G是σ1-群,从而G是σ-可解群,得证.
下面我们可以假设A,B不全是σ1-子群,不妨设A不是σ1-子群,则A中存在Hall σi-子群Ai,使得Ai≠1且i≠1. 由定理假设,Ai在G中是σ-半次正规的.
若Ai在G中是σ-次正规的,则由引理1(v)知A≤Oσi(G). 从而由步骤1知G/Oσi(G)是超可解的,进而G是σ-可解的.
若Ai在G中是半正规的,则由文献[19]的引理11知AiG是p′-群. 因为p是整除|G|的最小素因子,所以AiG是可解的. 又由步骤1知G/AiG是超可解的,从而G是可解的.
因此,在任一种情况下,我们都能得到G是σ-可解的. 从而步骤2成立.
步骤3 G中含有唯一的极小正规子群,记为N. 且N=Oq(G)=CG(N),对于某个素数q,q∈σi.
由步骤1和步骤2可以直接得到.
步骤4 最后矛盾.
设L是A的Hall σi-子群. 由步骤2知存在x∈G,使得L≤Hix. 因为Hi是超可解的且N≤Hix,所以存在N的极大子群N1,使得N1
$ \triangleleft $ Hix. 对A的任意Hall σj-子群T(j≠i),由定理假设知T在G中是σ-半次正规的.如果T在G中是σ-次正规的,则
矛盾. 从而T在G中是半正规的. 故存在G的子群U,使得G=TU,且对任意U1≤U有TU1≤G. 显然N≤U,从而TN1=N1T. 由TN1∩N=N1知T≤NG(N1),故
即|A∶NA(N1)|是σ′j-数. 由j的任意性知|A∶NA(N1)|是σi-数.
与上面的证明类似,可得|B∶NB(N1)|也是σi-数.
因为N1
$ \triangleleft $ Hix且L≤Hix,所以有L≤NA(N1),但L是A的Hall σi-子群,所以|A∶NA(N1)|是σ′i-数,从而A=NA(N1). 由G=AB知NG(N1)=ANB(N1),故|G∶NG(N1)|=|B∶NB(N1)|/|A∩B∶A∩NB(N1)|是σi-数. 又因为Hix是G的Hall σi-子群,且N1$ \triangleleft $ Hix,所以Hix≤NG(N1),即|G∶NG(N1)|是σ′i-数,从而G=NG(N1),即N1$ \triangleleft $ G. 又因N是G的极小正规子群,所以N1=1. 故|N|=q,再由G/N是超可解群可得G是超可解群,矛盾.综上所述,定理4得证.
推论3[3] 令A和B是G的子群,且G=AB. 如果A,B的所有Sylow子群在G中都是半次正规的,那么G是超可解群.