O klasyfikacji skończonych grup prostych

Transkrypt

1 ROCZNIKI POLSKIEGO TOWARZYSTWA MATEMATYCZNEGO Seria II: WIADOMOŚCI MATEMATYCZNE XXXVIII(2002) C. Bagiński(Białystok) M. Łuba(Białystok) O klasyfikacji skończonych grup prostych. Wprowadzenie. Jednym z najbardziej fascynujących osiągnięć matematyki XX wieku jest zakończenie klasyfikacji skończonych grup prostych (SGP). Całość klasyfikacji można ująć w jednym, pozornie nieskomplikowanym twierdzeniu: Twierdzenie. Grupa G jest skończoną grupą prostą wtedy i tylko wtedy, gdy jest izomorficzna z jedną z następujących grup: (a)cyklicznągrupą C p zespolonychpierwiastkówstopnia pzjedynki, gdzie p jest liczbą pierwszą; (b)grupąa n permutacjiparzystychzbiorun-elementowego,n 5; (c) grupą prostą typu Liego; (d) jedną z dwudziestu sześciu sporadycznych grup prostych. Dowód tego twierdzenia jest czymś wyjątkowym w całej historii matematyki. W obecnie znanym kształcie mieści się na 0 5 tysiącach stron rozrzuconych w około 500 artykułach ponad stu autorów. Jest on zatem nie tyle dowodem konkretnego twierdzenia, co całym obszernym działem współczesnej matematyki. Zaraz po tym, gdy w lutym 98 roku wąska grupa najwybitniejszych specjalistów zaangażowanych w klasyfikację uznała, że jest ona zakończona, ukazała się książka[6], której autor, Daniel Gorenstein, zapowiedział pełną rewizję całego dowodu, mającą rozwiać wątpliwości sceptyków. Dzięki wysiłkomgorensteina( )iinnych,napoczątkulat90-tychrozpoczętorealizację projektu, którego celem jest uporządkowanie całej teorii. W ramach projektu zapowiedziano ukazanie się dwunastu tomów zawierających pełny dowód klasyfikacji, o łącznej objętości szacowanej na 3 4 tysiące stron. W latach ukazały się cztery pierwsze książki zapowiadanej serii[7]. Ogrom wykonanej pracy, piękne twierdzenia i płodne idee, jakich pełno w publikacjach poświęconych klasyfikacji SGP, wcześniej czy później odciśnie swoje piętno na innych działach matematyki, głównie algebry, teorii ( )Gorensteinzmarłw992roku.

2 38 C. Bagiński, M. Łuba liczb i kombinatoryki. Na liście tych, którzy zostawili swój ślad w teorii skończonych grup prostych nie ma nazwisk matematyków polskich. Warto więc tę tematykę popularyzować, zwłaszcza wśród ludzi rozpoczynających swoją pracę naukową lub poszukujących nowych idei w obszarach dotykających teorii grup. 2. Trochę historii. Grupy proste spełniają analogiczną rolę do tej, jaką odgrywają liczby pierwsze w teorii liczb, albo cząstki elementarne w fizyce. Wyjaśnia to twierdzenie Jordana Höldera, jeden z najstarszych wyników uzyskanych w teorii grup skończonych: Twierdzenie 2. Jeżeli G jest grupą skończoną, to istnieje w niej skończony ciąg podgrup =G 0 <G < <G n =G taki,żedla0 i n : (a)g i jestnormalnąpodgrupąwg i+ oraz (b)g i+ /G i jestgrupąprostą. Ponadto, jeśli =H 0 <H < <H m =G spełniarównieżwarunki (a)i (b),to m=nipoewentualnejzmianie numeracjih i+ /H i jestizomorficznazg i+ /G i. Skończone grupy proste są więc materiałem, z którego zbudowane są wszystkie inne grupy skończone i właśnie z tego powodu ich klasyfikacja jest tak istotna. Jej początki sięgają czasów E. Galois(8 832), który stworzył pojęciowe podstawy teorii grup, jako pierwszy sformułował pojęcie grupyprostejizauważył,żetakągrupąjestgrupaa 5 wszystkichpermutacji parzystych zbioru pięcioelementowego. Za początek systematycznej klasyfikacji należy jednak uznać rezultat C. Jordana( ) z 870 roku. W swojej książce Traité des Substitutions, pierwszej jaką kiedykolwiek napisano z teorii grup, Jordan podaje pięć nieskończonych serii skończonych nieabelowychgrupprostych.pierwsząznichjestseriagrupalternującycha n, n 5,wszystkichpermutacjiparzystychzbiorun-elementowego.Druga, torodzinaspecjalnychprojektywnychgrupliniowychpsl n (p)nadciałem p-elementowym,gdziepjestliczbąpierwsząoraz(n,p) {(2,2),(2,3)}. Pozostałeserie,togrupyortogonalneO n (p),unitarnepsu n (p)isymplektycznepsp n (p)nadciałemp-elementowym. Pierwszymi znaczącymi wynikami, które do samego końca klasyfikacji były intensywnie wykorzystywane, są powszechnie znane twierdzenia Sylowa z 872 roku. Ich niebanalny dowód wykorzystuje pojęcie działania grupy na zbiorze, a więc traktowanie grupy jako podgrupy grupy permutacji pewnego

3 O klasyfikacji skończonych grup prostych 39 zbioru. W tamtym czasie grupy skończone były rozważane przede wszystkim w takim charakterze. Taką postać mają w szczególności niełatwe w konstrukcji grupy Mathieu, odkryte w latach sześćdziesiątych XIX wieku, które później okazały się być pierwszymi sporadycznymi grupami prostymi. Mimo tych wyników stan wiedzy z teorii grup skończonych był bardzo skromny, a problematyka jeszcze przez wiele późniejszych lat niedoceniana i daleka odmodnychnurtów.dośćwspomniećoartykulea.cayleya( 2 )(patrz[9], str ),wktórymwymieniatrzy( 3 )nieizomorficznegrupyrzędu6 oraz o artykule[5], w którym tylko marginalnie wspomniano o dokonaniach w teorii grup jednej z najznamienitszych postaci tej teorii, W. Burnside a (patrz także[2]). Tematyką grup skończonych Burnside zainteresował się na początku lat dziewięćdziesiątych XIX wieku. Jego pierwsza praca opublikowana w 893 roku zawierała dowód tego, że jedyną grupą prostą, której rząd jest iloczynem czterech(niekoniecznie różnych) liczb pierwszych, jesta 5.Nawetdzisiajjesttoniełatwezadanie,jeśliuświadomićsobie,że jedynym mocniejszym rezultatem, z którego Burnside korzystał, były twierdzenia Sylowa. W ciągu kilku dalszych lat pojawiła się cała seria ważnych dla klasyfikacji wyników Burnside a, odnoszących się głównie do wpływu struktury podgrup Sylowa oraz znaczenia rzędu grupy dla jej prostoty. Odnotujmy kilka z nich, obecnie uważanych za elementarne. Twierdzenie 3.(a) Jeśli 2-podgrupa Sylowa grupy G jest cykliczna, to Gniejestprosta. (b) Jeśli p-podgrupa Sylowa P grupy G jest zawarta w centrum swojego normalizatora,toistniejenormalnapodgrupahwgtaka,żeh P={} ihp=g. (c) Jeśli G jest grupą prostą, której rząd jest iloczynem pięciu liczb pierwszych,to G {23 3 7,22 3 5, }. Na dalsze badania Burnside a znaczący wpływ miało odkrycie teorii charakterów dokonane w 896 roku. Autor tego odkrycia, Ferdynand Georg Frobenius(847 97), zajął sie teorią grup skończonych już w 880 roku publikując zręczny dowód twierdzenia Sylowa. Zainteresowania Frobeniusa teorią grup były motywowane pewnymi pytaniami z teorii liczb postawionymi w pracach Dedekinda i Kroneckera. Taką motywację miały także badania, które w końcu doprowadziły do odkrycia teorii charakterów grup skończonych,awkonsekwencji teoriireprezentacji( 4 ).SwoistywyścigBurnside a ( 2 )ArtykułukazałsięwpierwszymnumerzeAmericanJournalofMathematicsw878 roku. ( 3 )Dowolnagruparzędu6jestcyklicznaalboizomorficznazgrupąizometriitrójkąta równobocznego. ( 4 )Zaskakującymożewydaćsięfakt,iżpodstawyteoriicharakterówstworzoneprzez Frobeniusa nie wykorzystywały pojęcia liniowej czy macierzowej reprezentacji grupy i o co najmniej rok wyprzedziły pojawienie się teorii reprezentacji, co więcej, dopiero w 900 roku Burnside a wyprowadza obecnie znane naturalne zależności tych teorii(patrz[4]).

4 40 C. Bagiński, M. Łuba i Frobeniusa z przełomu XIX i XX wieku szybko ujawnił ogromne znaczenie tychteoriidlabadaniagrupskończonych( 5 ),ajejtzw.wersjamodularna, rozwinięta przez Brauera kilkadziesiąt lat później, doprowadziła do zakończenia klasyfikacji SGP. Wśród wielu twierdzeń udowodnionych przed około stu laty istnieją takie, których do dziś nie udało się udowodnić z pominięciem teorii charakterów, a wiele z nich przez dziesiątki lat opierało się innym technikom, jak chociażby twierdzenie Burnside a o rozwiązalności grup, których rząd dzieli się przez co najwyżej dwie różne liczby pierwsze. Podsumowanie dokonań pierwszego okresu klasyfikacji zamyka drugie wydanie książki Burnside a([3]) z 9 roku. Składają się na nie wyniki m.in.o.höldera,f.n.cole a,e.h.moore a,l.e.dicksonaioczywiście Burnside a oraz Frobeniusa. Oprócz wyników o charakterze ogólniejszym, jak chociażby wyżej wymienione twierdzenia Burnside a, czy dowód prostoty klasycznych grup liniowych nad dowolnymi ciałami skończonymi, podany w latach przez Dicksona, sporo uwagi poświęcono klasyfikacji grup prostych małych rzędów. Jednakże do 9 roku sklasyfikowano zaledwie te grupy proste, których rząd nie przekraczał Poszerzenie tego przedziału szło dość opornie. Do 924 roku sklasyfikowano grupy o rzędzie nie przekraczającym 6 232(z pominięciem grup prostych rzędów i6048 patrzniżejtwierdzenie5).podalszych20latachprzedziałten poszerzono do , stwierdzając, że nie istnieje grupa prosta o rzędzie należącymdoprzedziałuod6232do20000.badaniaotakimcharakterze kończy wynik M. Halla z 975 roku zawierający klasyfikację grup o rzędach nie większych od , z pominięciem kilku przypadków uzupełnianych do roku 980. Badania prowadzone przez Burnside a, a dotyczące tego, jakie liczby mogą być rzędami grup prostych, już w 895 roku doprowadziły do sformułowania hipotezy głoszącej, że nie istnieją nieabelowe grupy proste nieparzystego rzędu. Sam Burnside dostarczył wielu argumentów potwierdzających tę hipotezę. Pokazał między innymi, że Twierdzenie 4.(a) Nie istnieje nieabelowa grupa prosta, której rząd jest liczbą nieparzystą mniejszą od (b)jeśli G jestliczbąnieparzystąpodzielnąprzez3alenieprzez9,to G zawiera podgrupę normalną o indeksie 3. (c) Jeśli G jest grupą prostą nieparzystego rzędu i p jest liczbą pierwszą dzielącą G,toalbop 4,albop 3 ip 2 +p+sądzielnikami G. Metody Burnside a, oparte głównie na pojęciu transferu, kombinatorycznych spostrzeżeniach i raczej elementarnych własnościach reprezentacji, szybko wyczerpały swoją siłę, ale jego idee wyznaczyły kierunki badań ( 5 )Wewstępiedopierwszegowydaniaswojejksiążki[3]z897rokuBurnsidewyraża poważne wątpliwości co do przydatności reprezentacji liniowych w badaniach grup skończonych.

5 O klasyfikacji skończonych grup prostych 4 nawielelat,nietylkowteoriigrupskończonych.jednąznichbyłosięgnięcie do metod grup i algebr Liego, stworzonych głównie przez S. Liego, W. Killinga i E. Cartana. Burnside czerpał z nich przede wszystkim inspiracje dla rozwijania teorii reprezentacji. Jego naśladowcy w istotnym stopniu wykorzystali je do klasyfikacji SGP. Jak wspomnieliśmy wyżej, już na początku wieku L. E. Dickson dowiódł prostoty klasycznych grup liniowych. Ponadto, wykorzystując klasyfikację grup prostych Liego, podał dwie dalsze serie skończonych grup prostych, będące analogonami dwóch tzw. wyjątkowych prostych grup Liego. Do tych idei powrócono w latach pięćdziesiątych. W 955 roku ukazała się ważna praca Chevalleya, w której przedstawił głęboką analizę półprostych algebr Liego nad ciałem C liczb zespolonych, dzięki czemu znalazł ogólne analogie między grupami prostymi Liego i SGP, i podał kilka nowych, nieznanych dotąd, nieskończonych serii grup prostych. Klasyfikacja prostych grup Liego jest znana od lat dziewięćdziesiątych XIX wieku. Istniejączterynieskończonerodzinytakichgrup:A n (C),B n (C),C n (C)iD n (C) odpowiadającekolejnospecjalnymgrupomliniowymsl n (C),grupomortogonalnymnieparzystegostopniaO 2n+ (C),symplektycznymSp 2n (C)iortogonalnymstopniaparzystegoO 2n (C).Ponadtoistniejepięćwyjątkowych grupprostychliegooznaczonychsymbolamig 2 (C),F 4 (C),E 6 (C),E 7 (C) ie 8 (C).Chevalleydowiódłistnieniacałkowito-liczbowejbazywprostejalgebrze Liego, co pozwoliło mu zastąpić ciało C dowolnym ciałem skończonym i w konsekwencji uzyskał SGP będące odpowiednikami wszystkich wymienionychwyżejgrupliego.czterypierwszeserieorazg 2 (q)ie 6 (q)były już znane od czasów Dicksona. Chevalley dał ich pełną jednolitą prezentację. Wszystkie dziewięć serii znanych jest pod nazwą grup Chevalleya lub nieskręconych skończonych grup prostych typu Liego. W 959 roku R. Steinberg przeprowadził dalszą analizę metody Chevalleya. Dla niektórych grup prostych Liego istnieją ich analogony nad ciałem R liczb rzeczywistych. Steinberg dostrzegł odpowiedniki tych analogii dla grup Chevalleya i skonstruował dalsze serie SGP analogony grup Chevalleya: 2 D n (q) drugarodzinagruportogonalnychparzystegostopnia, 2 E 6 (q) i 3 D 4 (q).wtenschematsteinbergawpisująsięodkryteprzezdicksona grupyunitarne,oznaczaneodtegoczasusymbolem 2 A n (q). W96rokuR.Reezauważyłdalszeanalogiekonstruującserie 2 G 2 (3 n ) i 2 F n (2 n ).Zwróciłrównieżuwagę,żeskonstruowanew957rokugrupy Suzuki(patrzponiżej)sątakżewariacjamigrupChevalleyaB n (q),stądich obecneoznaczenie 2 B 2 (2 n ).WszystkiesiedemseriiodkrytychprzezSuzuki, Steinberga i Ree noszą nazwę skręconych grup prostych typu Liego. W 968 roku Steinberg dał jednolitą charakteryzację wszystkich szesnastuseriigruptypuliego.zauważyłmianowicie,żekażdaznichmożebyć przedstawiona jako grupa punktów stałych odpowiedniego automorfizmu grupy algebraicznej nad algebraicznym domknięciem ciała skończonego.

6 42 C. Bagiński, M. Łuba Połowa lat pięćdziesiątych była przełomową dla klasyfikacji SGP jeszcze z jednego powodu, nie mniej istotnego, niż prace Chevalleya. Podłożem dla nowych idei stały się wyniki R. Brauera dotyczące modularnych reprezentacji grup skończonych, tzn. reprezentacji liniowych nad ciałami, których charakterystyka dzieli rząd grupy. Pierwsze prace Brauera poświęcone reprezentacjom modularnym powstały w latach Zapowiedzią skuteczności idei Brauera były wyniki opublikowane na początku lat czterdziestych, dotyczące m.in. charakteryzacji skończonych grup prostych, których rząddzielisięprzezpewnąliczbępierwsząpiniedzielisięprzezp 2 orazgrup prostych, których rząd dzieli się przez dokładnie trzy różne liczby pierwsze. Wymienimy niektóre z elementarnie brzmiących rezultatów Brauera z tamtego okresu: Twierdzenie 5. Niech G będzie grupą prostą. (a)jeżeli G =566,toG =PSL 3 (3). (b)jeżeli G =6048,toG =PSU 3 (3). Twierdzenie6.JeśliGjestgrupąprostąi G =pqr m,gdziep,qir sąliczbamipierwszymi,to G =60lub G =68. Twierdzenie7.Niech Gbędziegrupąprostąi G =pq m t,gdzie p i q są liczbami pierwszymi, natomiast m i t liczbami naturalnymi, przy tym t<p.wówczas G =PSL 2 (p),gdzie p=2 n ±,p>3lub G =PSL 2 (2 n ),ip=2 n +,p>3. Cała seria znaczących prac Brauera, zarówno o charakterze ogólnym, jak i odnoszących się bezpośrednio do klasyfikacji SGP, znalazła podsumowanie na Międzynarodowym Kongresie Matematyków w 954 roku w Amsterdamie, gdzie w wygłoszonym wtedy wykładzie Brauer wyznaczył kierunki poszukiwań, które mogłyby przybliżyć klasyfikację. Do najważniejszych faktów, na których oparł swoje sugestie, należą następujące twierdzenia, pierwsze z nich udowodnione przez niego wspólnie z jego uczniem K. A. Fowlerem. Twierdzenie 8. Istnieje tylko skończona liczba skończonych grup prostych, które zawierają inwolucję o centralizatorze izomorficznym z wcześniej ustaloną grupą. Twierdzenie 9. Niech G będzie skończoną grupą prostą zawierającą inwolucję,którejcentralizatorjestizomorficznyzgl 2 (q),gdzieqjestpotęgą nieparzystejliczbypierwszej.wówczasg =PSL 3 (q),lubq=3igjest izomorficzna z grupą prostą Mathieu rzedu Idea Brauera, która z czasem przekształciła się w tzw. lokalną analizę, znalazła wielu zwolenników i ostatecznie doprowadziła do zakończenia klasyfikacji. W 957 roku M. Suzuki, prowadząc analizę grup prostych, w których

7 O klasyfikacji skończonych grup prostych 43 centralizator dowolnej inwolucji jest 2-grupą, skonstruował nieskończoną serię SGP. Udowodnił także, że grupa prosta, w której centralizator dowolnego elementu jest abelowy, musi mieć parzysty rząd. Trzy lata później W.Feit,M.HallJr.iJ.Thompsonpokazali,żewtwierdzeniuSuzukimożna zastąpić słowo przemienny słowem nilpotentny, a dalsze wysiłki W. Feita i J. Thompsona doprowadziły do udowodnienia w 962 roku hipotezy Burnside a o rozwiązalności grupy nieparzystego rzędu. Dowód o długości 257 stron, opublikowany w 963 roku, zajął cały numer czasopisma Pacific Journal of Mathematics. Lata sześćdziesiąte i początek lat siedemdziesiątych przyniosły całą serię bardzo ważnych i bardzo długich prac poświęconych klasyfikacji. Dla przykładu J. Thompson w serii sześciu prac opublikowanych w latach , o łącznej objętości 46 stron, sklasyfikował m.in. SGP,którychkażdawłaściwapodgrupajestrozwiązalna( 6 ). Twierdzenie 0. Jeśli każda właściwa podgrupa skończonej grupy prostej G jest rozwiązalna, to G jest izomorficzna z jedną z następujących grup: (a)psl 2 (p),gdziepjestliczbąpierwszą,p>3ip 2 niedzielisię przez 5; (b)psl 2 (2 p ),gdziepjestliczbąpierwszą; (c)psl 2 (3 p ),gdziepjestnieparzystąliczbąpierwszą; (d)psl 3 (3); (e)sz(2 p ),gdziepjestnieparzystąliczbąpierwszą. Z tej klasyfikacji wynika w szczególności, że Twierdzenie. Jeśli rząd skończonej grupy prostej G dzieli się przez dokładnie3różneliczbypierwszep,q,r,p<q<r,top=2,q=3ir {5,7,3,7}. Prace Brauera, a następnie Suzuki, Thompsona i innych dały możliwość identyfikacji grup o określonej wewnętrznej budowie według następującego toku myślenia. Jeśli dowolna podgrupa pewnej ustalonej rodziny podgrup grupyprostejgmaokreślonąwłasność,tognależydojednejzeznanych rodzin grup prostych albo ma takie czy inne reprezentacje permutacyjne lub liniowe, co z kolei daje możliwość jej konstrukcji jako podgrupy pewnej grupy liniowej, podgrupy grupy permutacji o pewnych dodatkowych własnościach lub automorfizmów swoistych obiektów kombinatorycznych. Np. w dwóch obszernych pracach D. Gorenstein i J. H. Walter udowodnili, że Twierdzenie 2. Jeżeli 2-podgrupy Sylowa skończonej grupy prostej G sągrupamidihedralnymi,togjestizomorficznazpsl 2 (q)dlanieparzystegoqlubg =A 7. ( 6 )ZatęseriępracJ.ThompsonotrzymałMedalFieldsanaMiędzynarodowymKongresie Matematyków w 974 roku.

8 44 C. Bagiński, M. Łuba Taka analiza pozwoliła także na uzupełnienie listy skończonych grup prostych listą tzw. sporadycznych grup prostych, tzn. takich grup, które nie występują w żadnej z nieskończonych serii SGP. W 895 Cole, w czasie prac nad opisem tranzytywnych grup permutacji, odkrył nieznaną wcześniej grupę prostą. Okazało się jednak, że była to jedna z pięciu tranzytywnych grup permutacji odkrytych w 86 roku przez E. Mathieu. Pozostałe cztery grupy również okazały się grupami prostymi. Ustalił to na przełomie lat Miller. Najmniejsza z grup Mathieu M marząd7920,natomiastrządnajwiększejm 24 przekracza240milionów. Grupy Mathieu okazały się pierwszymi, których nie dało się zaliczyć do żadnej nieskończonej rodziny grup prostych. Następną grupę sporadyczną znalazł dopiero w 966 roku Zvonimir Janko analizując lokalną strukturę grup prostych, których każda 2-podgrupa Sylowa jest abelowa, a pewna inwolucjamacentralizatorizomorficznyzz 2 PSL 2 (q).wciągunastępnych dziesięciu lat listę tą uzupełniono o kolejnych dwadzieścia grup. Ostatnią z grup sporadycznych, jakie znaleziono, okazała się grupa o monstrualnym rzędzierównym Ztego powodu nazwano ją grupą Monstrum(Monster group). Jej konstrukcja oraz dowód jednoznaczności zakończył klasyfikację SGP. Kwestia jednoznaczności grup ustalonego rzędu stanowiła istotny fragment klasyfikacji. Już Dickson pokazał, że istnieje nieskończenie wiele par nieizomorficznych grup prostych o równych rzędach. Najmniejszą z takich parjest(psl 3 (4),A 8 )rzędu2060,awspólnyrządgrupnastępnejpary jest równy Poniższe twierdzenie podaje nieskończoną listę takich par. Twierdzenie3.Dladowolnejliczbynaturalnejnmamy PSp 2n (q) = PΩ 2m+ (q).ponadto,jeślim 3,toPSp 2n (q) =PΩ2m+ (q)( 7 ). Lista par nieizomorficznych grup prostych tego samego rzędu, podana przez Dicksona, okazała się kompletna, wraz z zakończeniem klasyfikacji. W trakcie prac nad klasyfikacją SGP postawiono wiele innych uzupełniających pytań, na które odpowiedź znaleziono wraz z jej zakończeniem. Oto odpowiedzi na niektóre z nich. Twierdzenie 4. Grupa automorfizmów zewnętrznych skończonej grupy prostej jest rozwiązalna. Twierdzenie 5. Jeśli skończona grupa G ma automorfizm bez punktów stałych,togjestrozwiązalna. Twierdzenie 6. Każda skończona grupa prosta ma 2-elementowy zbiór generatorów. ( 7 )Znaczeniesymbolijestpodanewnastępnymrozdziale.

9 O klasyfikacji skończonych grup prostych 45 Twierdzenie 7. Jeśli G jest 4-tranzytywną prostą grupą permutacji, togjestizomorficznaza n,n 5,lubzjednązgrupprostychMathieu różnychodm 22. Wiele nowych wyników uzyskiwanych w teorii grup skończonych odwołuje się do twierdzenia klasyfikacyjnego, jak choćby rozwiązanie Osłabionego Problemu Burnside a([2]), za które E. Zelmanov otrzymał Medal Fieldsa w 994 roku. Jednakże istnieje całkiem spora grupa specjalistów, którzy z rezerwą odnoszą się do klasyfikacji sugerując, że jeśli nawet Twierdzenie zawiera pełną listę SGP, to istnieją luki w dowodzie. Trudno tych wątpliwości nie podzielać, skoro od zapowiedzi przedstawienia zwartej prezentacji dowodu upłynęło już dwadzieścia lat, a z zapowiadanej serii monografii ukazała się zaledwie jedna trzecia. Więcej na temat historii klasyfikacji SGP, w nieco bardziej specjalistycznym języku, można znaleźć w artykule[], który ukazał się już po wysłaniu niniejszego opracowania do Redakcji Wiadomości Matematycznych. Na początku artykułu R. Solomon zapowiada ukazanie się pracy M. Aschbachera i S. D. Smitha wyjaśniającej ostatnie merytoryczne wątpliwości. Solomon uznaje ją za ostateczne zakończenie klasyfikacji SGP. 3. Skończone grupy proste. W miarę przejrzysta prezentacja skończonych grup prostych w krótkim artykule przeglądowym adresowanym do szerszego odbiorcy nie jest łatwa, jeżeli w ogóle możliwa. Nie udało się nam znaleźć zadowalającego sposobu na taką prezentację, dlatego ograniczymy się do pobieżnego przedstawienia tylko niektórych aspektów na podstawie [6]i[7]. 3.. Nieskończone serie grup prostych. Tabela zawiera pełną listę nieskończonych serii SGP wraz z rzędami poszczególnych grup. Dwie pierwsze serie nie wymagają przedstawiania, ponieważ w kursowych wykładach algebry na ogół podawany jest opis ich podstawowych własności. Następne szesnaście serii to grupy typu Liego. Parametrami decydującymi o rzędzie grupysąstopieńnorazmocqskończonegociała F q.dlagrupoznaczonych symbolami F i G parametr n przyjmuje tylko jedną wartość(odpowiednio 4i2),adlagrupoznaczonychsymbolemE trzywartości:6,7lub8. Wszystkie grupy typu Liego można skonstruować jako grupy ilorazowe odpowiedniejpodgrupygrupymacierzystopniannadciałem F q.grupywymienione w pierwszych dziewięciu seriach nazywają się grupami Chevalleya lub nieskręconymi grupami prostymi typu Liego. Jednolity opis tych grup jako analogonów prostych grup Liego nad ciałem C jest podany w[2]. GrupaSL n (q)jestzbioremwszystkichmacierzystopniannadciałem q-elementowym, których wyznacznik jest równy. Ma ona na ogół nietrywialne centrum, złożone z macierzy skalarnych o wyznaczniku. Grupa A n (q)=psl n (q)jestgrupąilorazowągrupysl n (q)przezjejcentrum.

10 46 C. Bagiński, M. Łuba Tabela. Nieskończone serie skończonych grup prostych Oznaczenie Inne używane Rząd grupy oznaczenia Z p A n,n 5 Alt n 2 n! A n (q),n 2 PSL n(q),l n(q), L + n(q) B n(q),n 2 PΩ 2n+ (q),ω 2n+ (q) C n(q),n 2 PSp 2n (q) D n(q),n 3 PΩ + 2n (q),d+ n(q) E 6 (q) E + 6 E 7 (q) (n,q )(q ) p n i=0 (qn q i ) (2,q ) qn2 n i= (q 2i ) (2,q ) qn2 n i= (q 2i ) (4,q n ) qn(n ) (q n ) n i= (q2i ) (3,q ) q36 (q 2 )(q 5 )(q 6 )(q 8 ) (q 9 )(q 2 ) (2,q ) q63 (q 2 )(q 6 ) (q 8 )(q 0 )(q 2 ) (q 4 )(q 8 ) E 8 (q) q 20 (q 2 )(q 8 )(q 2 ) (q 4 ) (q 8 ) (q 20 )(q 24 )(q 30 ) F 4 (q) q 24 (q 2 )(q 6 )(q 8 )(q 2 ) G 2 (q) q 6 (q 2 )(q 6 ) 2 A n(q),n 2 PSU n+ (q),u n+ (q), L n+ (q) qn(n+) 2 n+ (n+,q+) i=2 (qi ( ) i ) 2 B 2 (q),q=2 2n+ Sz(q), 2 B 2 ( q) q 2 (q )(q 2 +) 2 D n(q),n 2 PΩ 2n (q),d n(q) (4,q n +) qn(n ) (q n +) n i= (q2i ) 3 D 4 (q) q 2 (q 2 )(q 6 )(q 8 +q 4 +) 2 G 2 (q),q=3 2n+ R(q), 2 G 2 ( q) q 3 (q )(q 3 +) 2 F 4 (q),q=2 2n+ 2 F 4 ( q) q 2 (q )(q 3 +)(q 4 )(q 6 +) 2 E 6 (q) E6 (q) (3,q+) q36 (q 2 )(q 5 +)(q 6 )(q 8 ) (q 9 +)(q 2 ) Grupę ortogonalną można zdefiniować jako podgrupę ogólnej grupy liniowejgl n (q),złożonąztychmacierzy,któredziałającnan-wymiarowej przestrzeniliniowejnadf q niezmieniająwartościustalonejniezdegenerowanej formy kwadratowej. Wszystkie formy kwadratowe nad ciałem liczb

11 O klasyfikacji skończonych grup prostych 47 zespolonych są równoważne i dlatego dla dowolnej liczby naturalnej n grupa SO n (C)macierzyortogonalnychowyznacznikujestokreślonajednoznacznie.NadciałamiskończonymiF q istniejązawszedwienierównoważneformy kwadratowe, wyznaczające dwie grupy macierzy ortogonalnych o wyznacznikuoznaczanesymbolamiso + n(q)iso n(q).dlaparzystychwartościn te grupy są nieizomorficzne, dla nieparzystych wartości n pokrywają się isąoznaczanesymbolemso + n (q)(lubso n(q)).grupytenaogółniesą proste.ichkomutantyoznaczamysymbolamiω + (q)iω (q),przyczym SO ± n (q):ω± (q) =,2lub4.CentrumgrupyΩ ± (q)jesttrywialnelub dwuelementowe. Jej grupa ilorazowa przez centrum jest oznaczana symbolami,odpowiednio,pω + (q)ipω (q),ijestgrupąprostą.otrzymujemy zatem trzy różne serie: B n (q)=pω 2n+ (q), D n (q)=pω + 2n (q), 2 D n (q)=pω 2n (q). Pierwsze dwie serie należą do nieskręconych grup typu Liego, a ostatnia do skręconych grup typu Liego, do których nawiążemy nieco dalej. GrupyC n (q)=psp n (q)definiowanesąanalogicznie.wogólnejgrupie liniowejrozważamypodgrupęsp n (q)wszystkichmacierzysymplektycznych, tzn. takich, które działając na przestrzeni symplektycznej, tzn. przestrzeni liniowej wraz z określoną na niej niezdegenerowaną dwuliniową formą alternującą,niezmieniająwartościtejformy.grupailorazowagrupysp n (q) przezjejcentrumjestgrupąc n (q). Pozostałe pięć serii grup Chevalleya, to analogony wyjątkowych grup prostych Liego nad C. Dladowolnegociałaskończonego F q 2,mającegoq 2 elementów,odwzorowanieϕ:x x q jestautomorfizmemrzędu2.wgrupiegl n (q 2 )rozważmy podgrupęgu n (q)elementówstałychzewzględunadziałanieautomorfizmu α tej grupy zdefiniowanego wzorem () α(x)=((x) t ), gdzie X jest macierzą, której wyrazy są obrazami odpowiednich wyrazów macierzyxzewzględunadziałanieautomorfizmuϕ,natomiasty Y t jest operacją transponowania macierzy. Nazywamy ją grupą unitarną. Niech SU n (q)=gu n (q) GL n (q 2 )i 2 A n (q)=psu n (q)będziejejgrupąilorazową przez jej centrum. Jest to grupa prosta należąca do skręconych grup prostych typu Liego. Analogiczne postępowanie pozwala otrzymać wspomniany wcześniejskręconywariant 2 D n (q)grupyortogonalnejzgrupyd 2n (q)oraz grupę 2 E 6 (q)zgrupye 6 (q).tąsamądrogąotrzymujemyrównieżgrupę 3 D 4 (q)zgrupyd 4 (q)zastępującautomorfizmϕautomorfizmemrzędu3 ciałaf q 3danegowzoremx x 3. SkręconewariantygrupB n (q),f 4 (q)ig 2 (q)istniejątylkodlaszczególnych wartości n i q. Odpowiedni automorfizm zadany wzorem() można znaleźćtylkowprzypadkachn=2,q=2 2k+ dlagrupyb n (q),q=2 2k+

12 48 C. Bagiński, M. Łuba dlagrupyf 4 (q)iq=3 2k+ dlagrupyg 2 (q).wpierwszymprzypadku otrzymujemygrupysuzukisz(2 2k+ )= 2 B 2 ( 2 2k+ ),awdwóchpozostałych grupyree 2 F 4 (2 2n+ )ir(3 2k+ )= 2 G 2 ( 3 2k+ ).Odnotujmy,że grupęsuzukisz(2 2k+ )możnazdefiniowaćjakopodgrupęgrupyb 2 (2 2k+ ) generowaną przez wszystkie macierze postaci a 0 0 a +θ +b a θ 0 a 2+θ +ab+b θ b a orazmacierzedonichtransponowane,gdziea,b,c F 2 2k+,natomiastθjest automorfizmemciała F 2 2k+takim,żeθ 2 =2(tzn.x θ2 =x 2 dlax F 2 2k+) Sporadyczne grupy proste. Prezentacja dwudziestu sześciu sporadycznych grup prostych jest nie mniej trudna, niż grup typu Liego. Dlatego także ograniczymy się do ich pobieżnego scharakteryzowania. Chętnych do zapoznania się z jednolitym opisem wszystkich sporadycznych SGP odsyłamydo[]. Wszystkie sporadyczne grupy proste, oprócz grup Mathieu, były odkrywane w kilku etapach. Najpierw, na podstawie pewnej konkretnej własności już znanych grup prostych, próbowano rozstrzygnąć problem opisu wszystkich grup prostych mających tę własność. To prowadziło czasami do obserwacji sugerujących istnienie, oprócz znanych grup, jeszcze innych grup prostych. Konkretyzacja tych obserwacji doprowadzała do opisu kluczowych wewnętrznych własności ewentualnej nowej grupy prostej, w tym własności p-podgrup Sylowa, rzędu grupy, czasami jej tablicy charakterów itd. Te własności z kolei stanowiły podstawę do konstrukcji grupy, tzn. jej realizacji jako grupy automorfizmów pewnej struktury, podgrupy ogólnej grupy liniowej, czy też podgrupy grupy permutacji. Ostatnim aktem odkrycia był dowód tego, że własności opisane jeszcze przed konstrukcją jednoznacznie określają nową grupę prostą. W latach E. Mathieu odkrył pięć k-tranzytywnych grup permutacji,k >2,nieizomorficznychanizgrupamisymetrycznymiS n ani alternującymia n.przypomnijmy,żepodgrupaggrupys(x)wszystkich permutacji zbioru X jest k-tranzytywna, jeśli dla dowolnych różnowartościowychciągów(x,x 2,...,x k )i(y,y 2,...,y k )elementówzbioruxistnieje elementg G,któryprzeprowadzaelementx i naelementy i,i=,...,k. OczywiściegrupasymetrycznaS n jestk-tranzytywnadladowolnegok n. Możnatakżełatwodowieść,żedladowolnegok n 2,k-tranzytywnajest takżegrupaalternującaa n. NaprzełomieXIXiXXwiekuokazałosię,żegrupytesąprosteinie należą do żadnej ze znanych wtedy, nieskończonych serii skończonych grup

13 O klasyfikacji skończonych grup prostych 49 Tabela 2. Sporadyczne grupy proste Oznaczenie Nazwa Rząd Data odkrycia M Mathieu M 2 Mathieu M 22 Mathieu M 23 Mathieu M 24 Mathieu J Janko J 2 Janko J 3 Janko J 4 Janko HS Higman Sims Mc McLaughlin Suz Suzuki Ly Lyons He Held Ru Rudvalis ON O Nann Co 3 Conway Co 2 Conway Co Conway M(22) Fischer M(23) Fischer M(24) Fischer F 3 Thompson F 5 Harada F 2 BabyMonster F Monster prostych.oznaczonojesymbolamim,m 2,M 22,M 23 im 24,gdziewskaźnik oznacza najmniejszy ze stopni grupy symetrycznej, w której dana grupa jest zawarta.

14 50 C. Bagiński, M. Łuba GrupyM im 23 sągrupami4-tranzytywnymi,natomiastgrupym 2 im 24 sągrupami5-tranzytywnymi.grupymathieusąjedynymiznanymi grupami4-i5-tranzytywnymi.niewiadomo,czydlak>5istniejągrupy k-tranzytywne nieizomorficzne ani z grupami symetrycznymi ani z alternującymi. GrupyMathieumożnaopisaćnawielesposobów.W[6]i[0]podane są permutacje odpowiednich grup symetrycznych generujące poszczególne grupy Mathieu. Np. Twierdzenie8.M 23 = d,e im 24 = d,e,f,gdzied,e,foznaczają następujące permutacje: d=(,2,3,4,5,6,7,8,9,0,,2,3,4,5,6,7,8,9,20,2,22,23), e=(3,7,0,7,9)(5,4,3,4,9)(,2,23,8,8)(2,6,5,20,22), f =(, 24)(2, 23)(3, 2)(4, 6)(5, 8)(6, 0)(7, 20)(8, 4)(9, 2)(, 7) (3,22)(9,5). Inny opis tych grup wykorzystuje pojęcie systemu trójek Steinera. Systemem Steinera S(k, m, n) na zbiorze n-elementowym Ω nazywamy taką rodzinęm-elementowychpodzbiorówzbioruω,złożonąz ( n m ) k)/( k podzbiorów takich, że każdy k-elementowy podzbiór zbioru Ω zawiera się w dokładnie jednym z podzbiorów tej rodziny. Twierdzenie 9. Istnieją jednoznacznie określone systemy trójek Steinera takie, że S(5,6,2), S(5,8,24), S(4,5,), S(4,7,23), S(3,6,22) Aut(S(5,6,2))=M 2, Aut(S(5,8,24))=M 24, Aut(S(4,5,))=M, Aut(S(4,7,23))=M 23, Aut(S(3,6,22))=Aut(M 22 ). Odnotujmy,żeM 22 mawgrupieaut(m 22 )indeks2. W 965 roku Z. Janko, analizując rodzinę grup prostych odkrytych przez Ree, odkrył pierwszą po grupach Mathieu sporadyczną grupę prostą. Każda grupatypureemacentralizator pewnejinwolucjiizomorficznyzz 2 PSL 2 (3 n ),ajej2-podgrupasylowajestizomorficznazelementarnągrupą abelową rzędu 8. Janko zbadał wszystkie grupy proste, które zawierają centralizatorinwolucjiizomorficznyzz 2 PSL 2 (p n ),aich2-podgrupysylowa sąizomorficznezz 2 Z 2 Z 2.Wrezultacieustalił,żealbop=3igrupajest typuree,albop n =5,grupamarząd75560imajednoznacznieokreśloną tablicę charakterów. Wynikiem jego rozważań jest następujące twierdzenie:

15 O klasyfikacji skończonych grup prostych 5 Twierdzenie 20. Jeżeli G jest grupą prostą z abelowymi 2-podgrupami Sylowarzędu8icentralizatorpewnejiwolucjiwGjestizomorficznyzZ 2 L 2 (5),to (a) G jest jednoznacznie określoną grupą prostą rzędu (b)gjestizomorficznazpodgrupągrupygl 7 ()generowanąprzezmacierzey izrzędu7i5: Y= , Z= Dla dowodu istnienia opisanej grupy należało jeszcze pokazać, że grupa Y, Z ma własności opisane w punkcie(a) powyższego twierdzenia. Nie było tołatwezadanie.dowiódłichm.a.wardjeszczew966roku. Dzięki idei wykorzystanej przez Z. Janko, polegającej na opisie własności grup prostych, w których centralizator pewnej inwolucji ma z góry zadaną postać, odkryto jeszcze 0 dalszych sporadycznych grup prostych: pozostałegrupyjankoj 2,J 3 ij 4,grupyHeldaHe,LyonsaLy,O NannaON, ThompsonaF 3,HaradyF 5,FisheraF 2 (BabyMonster)iGriessa FisheraF (Monster). Opis własności nowej grupy prostej, utożsamiany w literaturze z jej odkryciem, wyprzedzał jej konstrukcję i dowód jednoznaczności nawet okilkalat.dlaprzykładuopisgrupyj 4 zostałpodanyw975roku,adowód jednoznaczności w 980. Podobnie było z grupą Monster, która wśród wszystkich sporadycznych grup prostych charakteryzuje się największym rzędem i zawiera izomorficzne kopie dziewiętnastu pozostałych grup sporadycznych w charakterze podgrup lub grup ilorazowych jej podgrup. Są to: pięć grup Mathieu,trzygrupyConway a,suz,j 2,HS,Mc,He,F 2,F 3,F 5 oraz trzy grupy Fischera. Pierwsze ślady istnienia grupy Monster zostały odkryte niezależnie przez Amerykanina R. L. Griessa i Niemca B. A. Fischera w 974 roku. Zaraz potem dowiedziono, że każda nietrywialna reprezentacja liniowa tejgrupymastopieńniemniejszyniż96883,przyczymjestbardzoprawdopodobne, że reprezentacja o takim stopniu istnieje. W 980 roku Griess skonstruował grupę Monster jako grupę automorfizmów pewnej przemiennej

16 52 C. Bagiński, M. Łuba algebry o tym wymiarze. Jak wspomnieliśmy w poprzednim rozdziale, dowód jednoznaczności grupy Monster zakończył klasyfikację SGP. GrupyJ 2 ihjskonstruowalim.hallid.walesjakoprymitywnegrupy permutacji rangi 3(tzn. grupy permutacji pewnego skończonego zbioru Ω, której stabilizator dowolnego punktu należącego do Ω jest podgrupą maksymalną działającą tranzytywnie na trzech rozłącznych podzbiorach, na które rozpada się Ω). Intensywne badania, wywołane przez te konstrukcje, doprowadziły do odkrycia grup Higmana Simsa HS, Suzuki Suz, McLaughlinaMciRudvalisaRu. GrupyFischeraM(22),M(23)iM(24) zostałyodkrytewramachcharakteryzacji grup skończonych generowanych przez klasę sprzężoności inwolucjitaką,żeiloczyndwóchdowolnychelementówtejklasymarząd,2 lub3.wartododać,żegrupafischeraf 2,zwanaBabyMonster,możebyć otrzymana w ramach podobnej charakteryzacji nieco szerszej klasy grup, a mianowicie grup generowanych przez klasę sprzężoności inwolucji, dla którejiloczyndwóchdowolnychelementówmarząd,2,3lub4. Odnotujmy na koniec, że J. Conway odkrył swoje trzy sporadyczne grupy proste analizując grupę automorfizmów tzw. kraty Leecha o wymiarze 24. Bibliografia []M. Aschbacher, SporadicGroups,CambridgeUniv.Press,Cambridge,994. [2]C. Bagiński, OproblemachBurnside a,wiadom.mat.33(997), [3]W. Burnside, TheoryofGroupsofFiniteOrder,CambridgeUniv.Press,Cambridge, 9. [4]C.W. Curtis, PioniersofRepresentationTheory:Frobenius,Burnside,Schur, and Brauer, Amer. Math. Soc., London Math. Soc., 999. [5]A.R. Forsyth, WilliamBurnside,J.LondonMath.Soc.3(928), [6]D. Gorenstein, FiniteSimpleGroups.AnIntroductiontoTheirClassification, Plenum Press, New York, London, 982. [7]D. Gorenstein, R. Lyons, R. Solomon, TheClassificationoftheFinite SimpleGroupsI,II,III,Amer.Math.Soc.SurveysandMonographs40,Providence, Rhode Island( ). [8]B. Huppert, EndlicheGruppenI,Springer,Berlin,Heidelberg,NewYork,967. [9]T.Y. Lam, Representationsoffinitegroups:ahundredyears,PartI,II,Notices Amer. Math. Soc. 45(998), no. 3-4, [0]J. Mozrzymas, Zastosowaniateoriigrupwfizyce,PWN,Wrocław,976. []R.Solomon, Abriefhistoryoftheclassificationofthefinitesimplegroups,Bull. Amer. Math. Soc. 38(200), no. 3, [2]R. Steinberg, LecturesonChevalleyGroups,YaleUniv.,967.