Files
AlgebraZahlentheorie/20.tex
T
2026-08-13 12:18:22 +02:00

423 lines
21 KiB
TeX
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters
This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.
% spell checker language
\selectlanguage{german}
\chapter{Auflösbare und einfache Gruppen}
\label{chap:20}
\section{Auflösbare Gruppen: teile und herrsche}
Abelsche Gruppen sind leicht zu verstehen, andere Gruppen eher nicht. Eine
mögliche Herangehensweise, um eine gegebene Gruppe $G$ zu verstehen, ist es,
einen Normalteiler $N ⊂ G$ zu finden, und die Sequenz
\begin{equation*}
N → G → \factor{G}{N}
\end{equation*}
zu betrachten. Damit ist das Problem nicht gelöst, aber immerhin in
Teilaufgaben unterteilt.
\begin{itemize}
\item Zuerst muss man die Gruppen $N$ und $G/N$ verstehen. Diese Gruppen sind
kleiner als $G$ und damit hoffentlich leichter zu untersuchen. Wenn man ganz
viel Glück hat, sind $N$ oder $G/N$ vielleicht sogar Abelsch.
\item Am Ende muss man verstehen, wie sich die Gruppe $G$ aus $N$ und $G/N$
zusammensetzt.
\end{itemize}
Falls die Gruppen $G$ und $G/N$ immer noch zu kompliziert sind, kann man
vielleicht denselben Trick anwenden, um auch diese Gruppen weiter zu
unterteilen.
\begin{bsp}
Es sei $G$ die Gruppe der affinen Transformationen der Ebene $ℂ²$. In der
linearen Algebra haben wir die Gruppe vermutlich schon untersucht und dabei
festgestellt, dass sich jede affine Transformation als Komposition einer
Translation und einer linearen Abbildung schreiben lässt. Eine genauere
Untersuchung zeigt: Die Gruppe der Translationen ist eine normale
Untergruppe\footnote{Können Sie das beweisen? Machen Sie mal! Zeigen Sie
mir, dass die linearen Abbildungen \emph{keine} normale Untergruppe bilden!}
$N ⊂ G$. Der Quotient ist $G/N ≅ \GL_2(ℂ)$. Beide Anteile kann man gut
verstehen.
\end{bsp}
Wenn eine gegebene Gruppe $G$ nicht Abelsch ist, dann ist die nächstbeste
Möglichkeit vermutlich die, dass die Gruppe $G$ wie oben beschrieben aus
Abelschen Gruppen zusammengesetzt ist. Die folgende Definition sagt präzise,
was ich damit meine.
\begin{definition}[Auflösbare Gruppe, \mathlib{GroupTheory/Solvable.html\#Group.IsSolvable}]\label{def:solv}
Eine Gruppe $G$ heißt \emph{auflösbar}\index{Gruppe!auflösbar|textbf}, wenn es eine
Zahl $ℓ ∈ ℕ$ und eine Kette von Untergruppen
\begin{equation*}
G=N_{ℓ}⊋ N_{ℓ-1}⊋ ⋯ ⊋ N_1 ⊋ N_0= \{e\}
\end{equation*}
gibt, sodass Folgendes gilt.
\begin{enumerate}
\item Für jeden Index $0 ≤ i < ℓ$ ist $N_i$ ein Normalteiler in $N_{i+1}$.
\item Für jeden Index $0 ≤ i < ℓ$ ist die Quotientengruppe $N_{i+1}/N_i$
Abelsch.
\end{enumerate}
\end{definition}
\begin{notation}
Eine Kette von Untergruppen wie in Definition~\ref{def:solv} wird
\emph{Auflösungskette}\index{Auflösungskette|textbf} genannt.
\end{notation}
Auflösbare Gruppen sind also (auf noch zu klärende Weise) aus Abelschen Gruppen
zusammengesetzt. Wir werden später noch sehen, dass die in Kapitel~\ref{sec:4}
gestellte Frage nach der Auflösbarkeit von Gleichungen durch Radikale\index{Auflösbarkeit durch Radikale} eng mit
der Frage nach der Auflösbarkeit gewisser Galoisgruppen zusammenhängt. Der Name
„auflösbare Gruppe“ ist vermutlich aus diesem Kontext heraus entstanden.
\begin{bsp}
Die Permutationsgruppe\index{symmetrische Gruppe} $S_4$ ist auflösbar, denn es ist
$S_4 ⊃ A_4 ⊃ V_4 ⊃ \{e\}$. Dabei sind $A_4$ und $V_4$ die folgenden
Untergruppen.
\begin{itemize}
\item Die Gruppe $A_4$ ist der Kern der Signumsabbildung\index{Signum} und wird
\emph{alternierende Gruppe}\index{alternierende Gruppe|textbf} genannt.
\item Die Gruppe $V_4$ heißt \emph{Kleinsche Vierergruppe}\index{Kleinsche Vierergruppe|textbf} und ist gegeben als
\[
V_4 = \{\Id, (12)(34), (13)(24), (14)(23) \}.
\]
\end{itemize}
Weiterhin rechne man nach, was die Quotienten sind:
\[
\factor{S_4}{A_4} ≅ \factor{ℤ}{(2)}, \quad %
\factor{A_4}{V_4} ≅ \factor{ℤ}{(3)}, \quad \text{und} \quad %
V_4 = \factor{V_4}{\{e\}} ≅ \factor{ℤ}{(2)} ⨯ \factor{ℤ}{(2)}.
\]
Damit ist klar, dass die Gruppe $S_4$ auflösbar ist. Interessehalber stellen
wir noch fest, dass
\begin{equation*}
A_4 ≠ \factor{ℤ}{(3)} ⨯ \factor{ℤ}{(2)} ⨯ \factor{ℤ}{(2)}
\end{equation*}
ist, sodass wir wirklich ein nicht-triviales Beispiel für eine auflösbare
Gruppe haben.
\end{bsp}
Die folgenden beiden Sätze liefern weitere Beispiele.
\begin{satz}[$p$-Gruppen sind auflösbar, \mathlib{GroupTheory/Nilpotent.html\#IsPGroup.isNilpotent}]\label{satz:20-1-5}\index{p-Gruppe@$p$-Gruppe}\index{Gruppe!auflösbar}%
Es sei $p$ eine Primzahl. Dann ist jede endliche $p$-Gruppe auflösbar.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis, \video{21-1}]
Es sei $G$ eine nicht-triviale $p$-Gruppe der Ordnung $p^n$; wir führen eine
Induktion nach $n$. Zur Erinnerung: Nach Satz~\vref{satz:18-2-3} hat $G$ ein
nicht-triviales Zentrum $\Zentralisator(G)$, und die Ordnung des Zentrums
teilt $|G| = p^n$, ist also selbst eine $p$-Potenz.
\schritt{Induktionsstart, $n = 1$.} Eine Gruppe von Primzahlordnung ist
zyklisch, insbesondere Abelsch. Die Kette $G ⊋ \{e\}$ ist dann eine
Auflösungskette.
\schritt{Induktionsschritt, $n > 1$.} Falls $G = \Zentralisator(G)$ ist, dann
ist $G$ Abelsch und wir sind wie eben fertig. Sei also ohne Einschränkung
$\Zentralisator(G) ⊊ G$. Betrachte dann die Quotientengruppe
$G/\Zentralisator(G)$. Das ist eine $p$-Gruppe, deren Ordnung echt kleiner
als $p^n$ ist; nach Induktionsannahme ist sie auflösbar. Betrachte eine
Auflösungskette
\begin{equation*}
\factor{G}{\Zentralisator(G)} = \tilde{N}_ℓ ⊋ ⋯ ⊋ \tilde{N}_1 = \{e\}
\end{equation*}
und setze $N_i := φ^{-1}\bigl(\tilde{N}_i\bigr)$ für $1 ≤ i ≤ ℓ$, wobei $φ : G
→ G/\Zentralisator(G)$ die Quotientenabbildung bezeichnet. Auf diese Weise
erhalte ich eine Kette von Untergruppen
\begin{equation}\label{eq:aufloesungp}
G = N_ℓ ⊋ ⋯ ⊋ N_1 = \Zentralisator(G) ⊋ N_0 := \{e\},
\end{equation}
in der $N_{i-1}$ jeweils normal in $N_i$ ist, denn Urbilder von Normalteilern
sind Normalteiler, Satz~\vref{Satz_Seite_160}. Für die Quotienten gilt bei $i
≥ 2$ nach dem zweiten Noetherschen Isomorphiesatz,
Satz~\vref{Satz_Zweiter_Noetherscher_Isomorphiesatz},
\begin{equation*}
\factor{N_i}{N_{i-1}}
≅ \factor{\:\factor{N_i}{\Zentralisator(G)}\:}{\:\factor{N_{i-1}}{\Zentralisator(G)}\:}
= \factor{\tilde{N}_i}{\tilde{N}_{i-1}},
\end{equation*}
und diese Gruppen sind Abelsch, weil wir mit einer Auflösungskette gestartet
sind. Der verbleibende Quotient $N_1/N_0 = \Zentralisator(G)$ ist als Zentrum
ebenfalls Abelsch. Also ist \eqref{eq:aufloesungp} eine Auflösungskette für
$G$, und $G$ ist auflösbar.
\end{proof}
\begin{satz}[Untergruppen und Quotienten, \mathlib{GroupTheory/Solvable.html\#Group.instIsSolvableSubtypeMemSubgroup}]\label{satz:20-1-6}\index{Gruppe!auflösbar}%
Es sei $G$ eine auflösbare Gruppe. Dann ist auch jede Untergruppe und jede
Restklassengruppe von $G$ auflösbar.
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis, \video{21-2}]
Es sei $G$ auflösbar, mit Auflösungskette $G = N_ℓ ⊋ ⋯ ⊋ N_0 = \{e\}$.
\schritt{Schritt 1: Untergruppen.} Es sei $U ⊆ G$ eine Untergruppe. Betrachte
die Kette
\begin{equation}\label{eq:kettu}
U = (U ∩ N_ℓ) ⊇ ⋯ ⊇ (U ∩ N_0) = \{e\}.
\end{equation}
Für jeden Index ist $U ∩ N_{i-1} = (U ∩ N_i) ∩ N_{i-1}$ eine normale
Untergruppe von $U ∩ N_i$, weil $N_{i-1}$ normal in $N_i$ ist. Außerdem
liefert der erste Noethersche Isomorphiesatz,
Satz~\vref{Satz_Erster_Noetherscher_Isomorphiesatz}, angewendet in der Gruppe
$N_i$ auf den Normalteiler $N_{i-1}$ und die Untergruppe $U ∩ N_i$, einen
Isomorphismus
\begin{equation*}
\factor{U ∩ N_i}{U ∩ N_{i-1}}
≅ \factor{(U ∩ N_i)·N_{i-1}}{N_{i-1}}.
\end{equation*}
Die rechte Seite ist eine Untergruppe der Abelschen Gruppe $N_i/N_{i-1}$, also
selbst Abelsch. Nach dem Streichen von eventuellen Wiederholungen ist
\eqref{eq:kettu} also eine Auflösungskette, und $U$ ist auflösbar.
\schritt{Schritt 2: Restklassengruppen.} Es sei $φ : G → Q$ eine
Restklassengruppe; insbesondere ist $φ$ surjektiv. Betrachte die Kette
\begin{equation}\label{eq:kettq}
Q = φ(N_ℓ) ⊇ ⋯ ⊇ φ(N_0) = \{e\}.
\end{equation}
Nach Satz~\vref{Satz_Seite_160}, angewendet auf die surjektiven Morphismen
$N_i → φ(N_i)$, ist $φ(N_{i-1})$ jeweils eine normale Untergruppe von
$φ(N_i)$. Die Quotienten sind Abelsch: Die Komposition
\begin{equation*}
N_i → φ(N_i) → \factor{φ(N_i)}{φ(N_{i-1})}
\end{equation*}
ist surjektiv, und ihr Kern enthält $N_{i-1}$; also ist $φ(N_i)/φ(N_{i-1})$
eine Restklassengruppe der Abelschen Gruppe $N_i/N_{i-1}$ und damit selbst
Abelsch. Nach dem Streichen von eventuellen Wiederholungen ist
\eqref{eq:kettq} also eine Auflösungskette, und $Q$ ist auflösbar.
\end{proof}
Auflösungsketten sind (wenn sie überhaupt existieren) in keiner Weise eindeutig.
Man kann sich also Mühe geben und versuchen, besonders gute Ketten zu finden.
Der folgende Satz gibt eine Idee, was möglich ist.
\begin{satz}[Gute Auflösungsketten]\label{Satz_Aufloesungskette}\index{Auflösungskette}
Wenn $G$ eine endliche, auflösbare Gruppe ist und $N ⊂ G$ ein Normalteiler,
dann existiert eine Auflösungskette
\begin{equation*}
G = N_{ℓ} ⊋ N_{ℓ-1} ⊋ ⋯ ⊋ N_1⊋ \{e\},
\end{equation*}
sodass folgende Eigenschaften gelten.
\begin{enumerate}
\item\label{Satz_18_4_Aussage_1} Die Gruppe $N$ kommt in der Auflösungskette
vor. Mit anderen Worten: Es ist $N ∈ \{N_{ℓ}, …, N_0\}$.
\item\label{Satz_18_4_Aussage_2} Die Quotienten $N_{i+1}/N_i$ sind zyklisch
und von Primzahlordnung.
\end{enumerate}
\end{satz}
\begin{proof}[Beweis, \video{21-3}]
---
\schritt{Schritt 1: Eine Auflösungskette, in der $N$ vorkommt.} Nach
Satz~\vref{satz:20-1-6} sind die Gruppen $N$ und $G/N$ auflösbar. Wähle
Auflösungsketten
\begin{equation*}
N = N_ℓ ⊋ ⋯ ⊋ N_0 = \{e\}
\quad\text{und}\quad
\factor{G}{N} = \tilde{N}_{ℓ+k} ⊋ ⋯ ⊋ \tilde{N}_ℓ = \{e\}.
\end{equation*}
Betrachte die Quotientenabbildung $φ : G → G/N$ und die zusammengesetzte Kette
\begin{equation*}
G = φ^{-1}\bigl(\tilde{N}_{ℓ+k}\bigr) ⊋ ⋯ ⊋
φ^{-1}\bigl(\tilde{N}_ℓ\bigr) = N = N_ℓ ⊋ ⋯ ⊋ N_0 = \{e\}.
\end{equation*}
Wie im Beweis der Auflösbarkeit von $p$-Gruppen rechnet man nach, dass dies
eine Auflösungskette von $G$ ist: Urbilder von Normalteilern sind
Normalteiler, Satz~\vref{Satz_Seite_160}, und nach dem zweiten Noetherschen
Isomorphiesatz, Satz~\vref{Satz_Zweiter_Noetherscher_Isomorphiesatz}, ist
$φ^{-1}(\tilde{N}_{i+1})/φ^{-1}(\tilde{N}_i) ≅ \tilde{N}_{i+1}/\tilde{N}_i$
jeweils Abelsch. In dieser Kette kommt die Gruppe $N$ vor.
\schritt{Schritt 2: Verfeinerung der Kette.} Wir zeigen jetzt, dass man jede
Auflösungskette einer endlichen Gruppe zu einer Auflösungskette verfeinern
kann, deren Quotienten zyklisch von Primzahlordnung sind; dabei bleiben alle
Kettenglieder der ursprünglichen Kette --- insbesondere $N$ --- erhalten.
Gegeben sei ein Paar von aufeinanderfolgenden Kettengliedern $N_i ⊋ N_{i-1}$,
dessen Abelscher Quotient $Q := N_i/N_{i-1}$ keine Primzahlordnung hat. Wähle
mit dem Satz von Cauchy, Satz~\vref{Satz_von_Cauchy}, eine Untergruppe
$\tilde{U} ⊊ Q$ von Primzahlordnung und betrachte
\begin{equation*}
N_i \:⊋\: ψ^{-1}\bigl(\tilde{U}\bigr) \:⊋\: N_{i-1},
\quad\text{wobei } ψ : N_i → \factor{N_i}{N_{i-1}}
\end{equation*}
die Quotientenabbildung bezeichnet. Weil $Q$ Abelsch ist, ist $\tilde{U}$
normal in $Q$, also ist $ψ^{-1}(\tilde{U})$ normal in $N_i$; die Gruppe
$N_{i-1}$ ist als Kern von $ψ$ normal in $ψ^{-1}(\tilde{U})$. Die neuen
Quotienten sind $ψ^{-1}(\tilde{U})/N_{i-1} ≅ \tilde{U}$ --- zyklisch von
Primzahlordnung --- und $N_i/ψ^{-1}(\tilde{U}) ≅ Q/\tilde{U}$ --- Abelsch und
echt kleiner als $Q$. Weil die Gruppe $G$ endlich ist, bricht dieser
Verfeinerungsprozess nach endlich vielen Schritten ab; am Ende sind alle
Quotienten zyklisch von Primzahlordnung.
\end{proof}
\begin{bemerkung}
Wenn eine Auflösungskette wie in \vref{Satz_Aufloesungskette} gegeben ist,
dann kommt $ℤ/(p)$ als Quotient genauso oft vor, wie $p$ die Gruppenordnung
$|G|$ teilt. Über die Reihenfolge kann man aber nur wenig sagen.
\end{bemerkung}
\section{Einfache Gruppen: hier teilt und herrscht garantiert niemand}
\sideremark{Vorlesung 22}Es gibt natürlich Gruppen, bei denen die
Auflösungsstrategie völlig versagt. Das absolute Gegenteil einer „auflösbaren
Gruppe“ ist eine Gruppe, die überhaupt keinen Normalteiler hat --- und damit
auch keinen interessanten Gruppenmorphismus in irgendeine andere Gruppe.
\begin{definition}[Einfache Gruppe, \mathlib{GroupTheory/Subgroup/Simple.html\#IsSimpleGroup}]
Eine Gruppe $G$ heißt \emph{einfach}\index{Gruppe!einfach|textbf}, wenn $\{e \}$ und
$G$ die einzigen Normalteiler sind.
\end{definition}
\begin{bsp}\label{bsp:abpe}
Wenn $p$ eine Primzahl ist, dann ist die Quotientengruppe $ℤ/(p)$ einfach.
\end{bsp}
Das Wort „einfach“ ist historisch begründet. Es bedeutet nicht „leicht zu
verstehen“, sondern „mithilfe der Auflösungsstrategie nicht weiter zu zerlegen“.
Vielleicht hätte man statt des missverständlichen Wortes „einfach“ besser von
„atomaren“ Gruppen sprechen sollen. Aber auf mich hört ja niemand.
\begin{rem}
Wenn man alle endlichen Gruppen klassifizieren oder durch Auflösung
beschreiben will, muss man zumindest alle einfachen Gruppen\index{Gruppe!einfach} gut kennen ---
dies sind die Bausteine, aus denen alle anderen Gruppen zusammengesetzt sind.
\href{https://en.wikipedia.org/wiki/Classification_of_finite_simple_groups}{Tatsächlich
sind die einfachen, nicht-abelschen Gruppen inzwischen klassifiziert}. Dazu
berichtet
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Endliche_einfache_Gruppe}{Wikipedia}
sinngemäß:
\begin{itemize}
\item Die Herleitung des Klassifikationssatzes war eines der umfangreichsten
Projekte der Mathematikgeschichte. Der Beweis verteilt sich auf über 500
Fachartikel mit zusammen fast 15.000 gedruckten Seiten. Es sind aber nicht
alle Beweise auch publiziert worden. Über 100 Mathematiker waren von Ende
der 1920er bis Anfang der 1980er Jahre daran beteiligt.
\item Nach der „Fertigstellung“ des Beweises um 1980 ist von führenden
Mathematikern des Klassifikationsprogramms […] ein Programm aufgenommen
worden, den Beweis zu vereinfachen und lückenlos zu dokumentieren. Dabei
sind auch Lücken entdeckt worden, von denen die meisten ohne größere
Komplikationen geschlossen werden konnten. Eine Lücke erwies sich
allerdings als so hartnäckig, dass erst 2002 von Aschbacher und anderen ein
Beweis erbracht werden konnte, der immerhin 1200 Seiten lang war.
\item Ronald Solomon, Richard Lyons und Daniel Gorenstein begannen 1994 eine
auf 12 Bände angelegte Darstellung des Beweises (GLS Projekt), das bei der
American Mathematical Society erscheint und voraussichtlich \sout{2023}
niemals abgeschlossen sein wird.
\end{itemize}
\end{rem}
Beispiele von einfachen Gruppen sind gar nicht so leicht zu finden. Für die
Anwendungen der Galoistheorie ist der folgende Satz von zentraler Bedeutung.
\begin{satz}[Alternierende Gruppen sind meistens einfach, \mathlib{GroupTheory/SpecificGroups/Alternating/Simple.html\#alternatingGroup.isSimpleGroup}]\label{Satz_alternierende_Gruppe}\index{alternierende Gruppe!Einfachheit|textbf}\index{symmetrische Gruppe}\index{Gruppe!auflösbar}
Die alternierende Gruppe $A_n$ ist einfach, wenn $n = 3$ oder $n ≥ 5$ ist. Insbesondere
ist die Permutationsgruppe $S_n$ für $n ≥ 5$ \emph{nicht} auflösbar.
\end{satz}
Der Beweis von Satz~\ref{Satz_alternierende_Gruppe} verwendet folgendes Lemma.
\begin{lemma}[\mathlib{GroupTheory/SpecificGroups/Alternating/Simple.html\#Equiv.Perm.IsThreeCycle.alternating_normalClosure}]\label{Hilfssatz_algernierende_Gruppe}\index{Zykel}\index{Transposition}
Es sei $n ≥ 5$. Wenn $N ⊆ A_n$ eine normale Untergruppe ist, die zusätzlich
noch einen 3-Zyklus enthält, dann ist $N = A_n$.
\end{lemma}
\begin{proof}[Beweis von Lemma~\ref{Hilfssatz_algernierende_Gruppe}, \video{22-1}]
Es sei $σ := (a\:b\:c) ∈ N$ der gegebene 3-Zykel.
\schritt{Schritt 1: Austausch des dritten Eintrags.} Es sei $(a\:b\:d)$ ein
weiterer 3-Zykel. Wähle ein Element $d' ∉ \{a, b, c, d\}$; das geht, weil $n
≥ 5$ ist. Setze
\begin{equation*}
τ_1 = (a\:b)(c\:d') \quad\text{und}\quad τ_2 = (a\:b)(d'\:d).
\end{equation*}
Beide Elemente liegen als Produkte von zwei Transpositionen in $A_n$. Mit der
üblichen Formel für die Konjugation von Zykeln rechnet man nach, dass
\begin{equation*}
τ_2·τ_1·σ·τ_1^{-1}·τ_2^{-1} = (a\:b\:d)
\end{equation*}
ist. Als Konjugierte des Elementes $σ ∈ N$ mit Elementen von $A_n$ liegt
$(a\:b\:d)$ in $N$, weil $N$ normal ist.
\schritt{Schritt 2: Jeder 3-Zykel liegt in $N$.} Wiederhole Schritt~1: Weil
man einen 3-Zykel zyklisch umschreiben kann, $(a\:b\:d) = (b\:d\:a)$, lässt
sich durch mehrfachen Austausch des jeweils dritten Eintrags jeder beliebige
3-Zykel aus $(a\:b\:c)$ erzeugen. Also liegen alle 3-Zykel in $N$.
\schritt{Schritt 3: Produkte von zwei disjunkten Transpositionen.}
Wenn $(α\:β)(γ\:δ)$ ein Produkt von zwei disjunkten Transpositionen ist, dann
rechnet man nach, dass
\begin{equation*}
(α\:β)(γ\:δ) = (α\:γ\:β)·(α\:γ\:δ)
\end{equation*}
ist --- ein Produkt von zwei 3-Zykeln, das nach Schritt~2 in $N$ liegt.
\schritt{Schritt 4: Produkte von zwei nicht-disjunkten Transpositionen.} Wenn
$(α\:β)(β\:γ)$ ein Produkt von zwei verschiedenen, nicht-disjunkten
Transpositionen ist, dann ist
\begin{equation*}
(α\:β)(β\:γ) = (α\:β\:γ)
\end{equation*}
ein 3-Zykel und liegt nach Schritt~2 in $N$.
Insgesamt: Jedes Element von $A_n$ lässt sich als Produkt von geradzahlig
vielen Transpositionen schreiben. Fasse die Transpositionen paarweise
zusammen; jedes Paar ist entweder trivial oder liegt nach den Schritten~3 und
4 in $N$. Also liegt jedes Element von $A_n$ in $N$, das heißt $N = A_n$.
\end{proof}
\begin{proof}[Beweis von Satz~\ref{Satz_alternierende_Gruppe}]
Die Gruppe $A_2$ ist trivial, $A_2 = \{e \}$. Die Gruppe $A_3$ ist isomorph
zu $ℤ/(3)$; zum Beweis schreibe man sich die Gruppe einfach hin. Wir hatten
schon in Beispiel~\ref{bsp:abpe} gesehen, dass die Gruppe $ℤ/(3)$ einfach ist.
Den Fall $n ≥ 5$ behandeln wir im \video{22-2}. Es sei also $n ≥ 5$ und es sei
$\{e\} ≠ N ⊆ A_n$ eine normale Untergruppe; wir müssen zeigen, dass $N = A_n$
ist. Wähle ein Element $σ ∈ N ∖ \{e\}$, das \emph{möglichst wenige} Elemente
bewegt. Ziel: Wir zeigen, dass $σ$ ein 3-Zykel ist; dann sagt
Lemma~\vref{Hilfssatz_algernierende_Gruppe} sofort $N = A_n$. Wir
unterscheiden nach der Anzahl der bewegten Elemente.
\schritt{Fall 0: $σ$ bewegt genau zwei Elemente.} Dann ist $σ$ eine
Transposition, also eine ungerade Permutation und damit nicht in $A_n$ ---
dieser Fall tritt nicht auf.
\schritt{Fall 1: $σ$ bewegt genau drei Elemente.} Dann ist $σ$ ein 3-Zykel und
wir sind fertig.
\schritt{Fall 2: $σ$ bewegt genau vier Elemente.} Ein 4-Zykel ist eine
ungerade Permutation; also ist $σ$ von der Form $σ = (a\:b)(c\:d)$. Wegen $n
≥ 5$ gibt es ein Element $e ∉ \{a,b,c,d\}$. Betrachte den 3-Zykel $τ :=
(c\:d\:e) ∈ A_n$ und
\begin{equation*}
\bar{σ} := τ·σ·τ^{-1} = (a\:b)(d\:e).
\end{equation*}
Weil $N$ normal ist, liegt $\bar{σ}$ in $N$, also auch das Element
$\bar{σ}^{-1}·σ = (c\:e\:d)$. Dieser 3-Zykel bewegt nur drei Elemente ---
Widerspruch zur Wahl von $σ$! Auch dieser Fall tritt also nicht auf.
\schritt{Fall 3: $σ$ bewegt mehr als vier Elemente.} Schreibe $σ$ als Produkt
von disjunkten Zykeln, sortiert nach absteigender Länge, und bezeichne die
ersten vier bewegten Elemente in dieser Darstellung mit $a$, $b$, $c$, $d$;
also zum Beispiel $σ = (a\:b\:c\:d\:…)⋯$ oder $σ = (a\:b\:c)(d\:…)⋯$ oder $σ =
(a\:b)(c\:d)(e\:f)⋯$ Setze $τ := (b\:c\:d) ∈ A_n$ und
\begin{equation*}
\bar{σ} := τ·σ·τ^{-1} ∈ N.
\end{equation*}
Wegen $\bar{σ}(a) = τ(σ(a)) = τ(b) = c ≠ b = σ(a)$ ist $\bar{σ} ≠ σ$, also ist
$π := \bar{σ}^{-1}·σ ∈ N$ nicht die Identität. Direktes Nachrechnen in den
möglichen Fällen zeigt jeweils, dass $π$ echt weniger Elemente bewegt als
$σ$\footnote{Zum Beispiel: Für einen 5-Zykel $σ = (a\:b\:c\:d\:e)$ ist $π =
(a\:d\:b)$; für $σ = (a\:b\:c\:d)(e\:f)$ ist $π = (a\:d\:b)$; für $σ =
(a\:b\:c)(d\:e\:f)$ ist $π = (a\:f\:c\:d\:b)$, bewegt also fünf von sechs
Elementen; für $σ = (a\:b)(c\:d)(e\:f)⋯$ ist $π = (a\:d)(b\:c)$. Beachte,
dass Permutationen in $A_n$, die genau fünf Elemente bewegen, stets 5-Zykel
sind.} --- wieder ein Widerspruch zur Wahl von $σ$. Dieser Fall tritt also
ebenfalls nicht auf, und $σ$ ist ein 3-Zykel.
\end{proof}
%%% Local Variables:
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "AlgebraZahlentheorie"
%%% End: