Normalteiler

Bei den Normalteilern handelt es sich um spezielle Untergruppen.
Eine Untergruppe HH einer Gruppe GG heißt Normalteiler genau dann, wenn alle Linksnebenklassen bzgl. eines beliebigen Gruppenelements mit den Rechtsnebenklassen übereinstimmen:
gG:gH=Hg\forall g\in G: gH=Hg
Jede Gruppe GG hat zwei triviale Normalteiler: {e}, die Untergruppe, die nur aus dem neutralen Element besteht und die Gruppe GG selbst.
Sind diese beiden Normalteiler die einzigen Normalteiler einer Gruppe, dann heißt die Gruppe einfach.
Diese Definition ist dadurch gerechtfertigt, dass im Allgemeinen die Rechts- und Linksnebenklassen nicht übereinstimmen müssen.
Sei G=D3G=\bm{D_3}. Diese Diedergruppe wird erzeugt von aa und bb mit folgenden Gesetzen a3=b2=(ab)2=1a^3=b^2=(ab)^2=1.
H={1,b}H=\{1,b\} ist eine Untergruppe von D3\bm{D_3}.
Es ist aH={a,ab}{1,a2b}=HaaH=\{a,ab\}\neq \{1,a^2b\}=Ha.
Bei der Suche nach einem Gegenbeispiel wurde bewusst eine nicht abelsche Gruppe gewählt, den es gilt
 
 

Satz 5211D

Jede Untergruppe einer abelschen Gruppe ist ein Normalteiler

Beweis

Wenn wir ein xaHx\in aH als x=ahx=a\circ h darstellen können, gilt auch x=hax=h\circ a, womit xHax\in Ha. Analog zeigt man xHa    xaHx\in Ha\implies x\in aH. \qed

Satz 5329K

Eine Untergruppe vom Index 2 ist immer Normalteiler.

Beweis

Sei HH eine Untergruppe von GG und ind(G:H)=2\ind(G:H)=2. Dann gibt es mit HH genau eine weitere Nebenklasse aHaH mit aHa\notin H. Nach Satz 5211B bilden die Links- und Rechtsnebenklassen eine Zerlegung. Es gilt aber HaHHa\neq H. Dann muss, weil es nur zwei Nebenklassen gibt, aH=HaaH=Ha gelten und HH ist Normalteiler. \qed

Satz 5212A

Eine Untergruppe HH von GG ist genau dann Normalteiler, wenn für jedes hHh\in H und gGg\in G gilt: ghg1Hg\circ h\circ g^{-1}\in H.

Beweis

"    \implies": Seien gGg\in G und hHh\in H beliebig. Dann ist ghgHg\circ h\in gH, wegen gH=HggH=Hg gilt aber auch ghHgg\circ h\in Hg. Jetzt muss es aber ein h1Hh_1\in H geben mit: gh=h1gg\circ h=h_1\circ g, umgeformt: ghg1=h1g\circ h\circ g^{-1}=h_1, womit also ghg1Hg\circ h\circ g^{-1}\in H gilt. Da wir gg und hh beliebig gewählt hatten, gilt die Behauptung.
"\Leftarrow": Sei jetzt ghg1Hg\circ h\circ g^{-1}\in H für beliebige gGg\in G und hHh\in H. Wir wollen zeigen, dass gH=HggH=Hg gilt. Sei xgHx\in gH, dann gibt es ein hHh\in H mit x=ghx=g\circ h, woraus xg1=ghg1x\circ g^{-1}=g\circ h\circ g^{-1} folgt. Nach Voraussetzung ist die rechte Seite aber Element von HH, womit auch xg1Hx\circ g^{-1}\in H gilt. Es ist aber x=xg1gx=x\circ g^{-1}\circ g, womit aber xHgx\in Hg und gHHggH\subseteq Hg folgt. Die andere Inklusion zeigt man wieder analog. \qed

Die Logik ist die Hygiene, deren sich der Mathematiker bedient, um seine Gedanken gesund und kräftig zu erhalten.

Hermann Weyl

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