1. 引言
本文使用通常的记号及术语,具体可参考文献 [1] [2] [3] 。G表示有限群,
表示G的阶,
表示
的所有素因子集合,
表示G的一个Sylow p-子群,
表示H在G中的核。
设
是一类群,称
是一个群系,若(i) 当
且
,则
;(ii) 对G的所有正规M和N,当G/M和G/N都在
中,则
在
中。群系
称为饱和的当且仅当
。显然,超可解群系是饱和群系。
假设H是G的一个子群,称H在G中是S-置换的 [4] ,若对于G的任意Sylow子群P满足
。称H是G的弱S-置换子群 [5] ,若存在G的一个次正规子群T,使得
且
,其中
是包含在H中G的最大S-置换子群。2007年Skiba在文献 [5] 中研究了当G的一般性子群皆是弱S-置换子群时群G的相关结构,并给出了两个重要定理。最近文献 [6] 对此类子群继续做了进一步的研究。2012年Khaled. A. Al-Sharo在文献 [7] 指出:设H在G中是S-置换的,若
且对于
的任意素数p,则正规化子
包含K的所有Sylow p-子群。因此,进一步提出了一类几乎S-置换子群。称H是G的几乎S-置换子群,若
且对于
的任意素数p,使得正规化子
包含K的某些Sylow p-子群。
本文作为对弱S-置换子群和几乎S-置换子群的进一步深化和推广,介绍一类新的子群如下:
定义1.1 设G是有限群,H是G的一个子群。称H在G中是弱NS*-置换的,若存在G的一个次正规子群T,使得
且
,其中
是包含在H中G的最大几乎S-置换子群。
可以知道S-置换子群,几乎S-置换子群以及弱S-置换子群都是弱NS*-置换子群,但是反过来是不真的。
例1.1 置换群
的2阶子群
是
的是弱NS*-置换子群。但是对于
的一个包含
的6阶子群K,其正规化子
不包含K的任何Sylow 3-子群,因此,
不是几乎S-置换子群,也不是S-置换子群,从而也不是弱S-置换子群。
具体而言,本文得到了如下的一个主要定理:
定理1.1 设
是一个饱和群系,包含所有的超可解群。G是有限群,且存在G的一个正规子群E,使得
。若E的每个非循环的Sylow子群P有一个子群D,满足
,且P的每个
阶子群及
阶子群(当
,且P为非交换2-群)在G中若无超可解补则是G的弱NS*-置换子群,则
。
本文的结构如下,第1节是背景介绍,在第2节中,给出相关的预备定理,在第3节中给出主要定理的证明。
2. 预备定理
引理2.1 [7] 设H在G中是几乎S-置换的,N是G的正规子群。
1) HN在G中是几乎S-置换的;
2) 若H是一个p-群,则
在G中是几乎S-置换;
3) 若H是一个p-群,则HN/N在G/N中是几乎S-置换;
4) 假设对于某个素数p,有
,则
。
设p是一个素数,称G是p-闭的,若在G中有一个Sylow p-子群是正规的。
引理2.2 [5] 设G是有限群,p、q是
的不同的素因子。令PQ分别为G的Sylow p-子群和Sylow q-子群,若对于P的任意极大子群(P非循环群)在G中都有是q-闭的补,则Q是G的正规子群。
引理2.3 [1] 设G是有限群,
,
。
1) 若H、M都是G的次正规子群,则
是G的次正规子群;
2) 若H是G的正规子群,则K/H在G/H中次正规当且仅当则K在G中次正规;
3) 若H是G的正规子群,且
,则H包含G所有的Sylow p-子群(见文献 [8] )。
引理2.4 设G是有限群,H、 都是G的子群,且
。
1)
是G的一个几乎S-置换子群,且
;
2)
;
3) 若H是G的正规子群,则
。
证 1)~3)都是显然的。
引理2.5 设G是有限群,H、K都是G的子群,且
。
1) 若H在G中是几乎S-置换的,则H在G中是弱NS*-置换的;
2) 若H是G的正规子群,且K在G中是弱NS*-置换的,则K/H在G/H中是弱NS*-置换的;
3) 若H在G中是弱NS*-置换的,则H在K中是弱NS*-置换的;
4) 若H是G的正规子群,则EH/H在G/H中是弱NS*-置换的当且仅当H在K中是弱NS*-置换的,且
;
5) 假设H是一个p-群,且H在G中不是几乎S-置换的。若H在G中是弱NS*-置换的,那么存在G的一个正规子群M,使得
且
。
证 1) 显然;
2) 根据假设可知,存在G的一个次正规子群T,使得
且
。由引理2.3 (1)可知,HT是G的次正规子群。再由引理2.3 (2),HT/H是G/H的次正规子群。另一方面,
,且依引理2.4 (3),
,因此K/H在G/H中是弱NS*-置换的;
3) 不妨假设T是G的一个次正规子,满足
且
,从而有
。由引理2.4 (2),
,故H是K的弱NS*-置换子群;
4) 由假设,存在G的一个次正规子群T,使得
且
。显然,
,因此
,故HE是G的弱NS*-置换子群。再由(2)知EH/H在G/H中是弱NS*-置换的。反过来则是显然的;
5) 根据假设,存在G的一个次正规子群T,使得
且
。因此,存在G的一个非平凡的正规子群G,使得
。由于G/K是一个p-群,故存在G的一个正规子群M,使得
且
。
引理2.6 设N是有限群G的一个初等交换正规子群。假设N有一个子群D,满足
,若N的每个
阶子群在GK中皆是弱NS*-置换的,则存在N的某些极大子群在G中是正规的。
证 假设引理不真,令H是N的一个
阶子群。不妨先设H在G中不是几乎S-置换的。根据假设,H是G的弱NS*-置换子群。再由引理2.5 (5)知,存在G的一个正规子群T,使得
为素数,且
。由此得
,从而
是N的极大子群且在G中正规,矛盾。因此对N的每个
阶子群H在G中都是几乎S-置换的。设M为N的一个极大子群,则M在G中是几乎S-置换的。假设N是一个p-群,从而M也是p-群,即有
对某个自然数a。令
是N的所有极大子群的集合,则有p整除t,这与文献 [9] (III, 8.5 (d))矛盾。
引理2.7 设
是一个饱和群系,包含所有的幂零群。G是有限群,记G的可解
-上根
。假设G的每个不包含P的极大子群皆属于
,则P为p-群。此外,若P的每个素数阶循环子群或4阶循环群(若
,且P非交换)在G中若无超可解补则是G的弱NS*-置换的,那么
。
证 根据文献 [10] (VI,定理24.2),
为p-群,且有以下两个性质:(i)
是P的一个G-主因子;(ii) P的方次数等于p或4 (若
,且P不交换)。假设P的每个素数阶循环子群或4阶循环群(若
且P不交换)在G中若无超可解补则是G的弱NS*-置换的。首先记
,
,令
是
的素数阶子群,其中
。于是可知
或
。根据假设,要么L在G中有一个超可解补子群T,要么L是G的弱NS*-置换子群。不妨先考虑前者,假设
,那么由
,可知
。另一方面,由于
,即
,因
。又因为
,从而
。再考虑后者,假设L在G中是弱NS*-置换的,如果L在G中不是几乎S-置换的,那么由引理2.5 (5),存在G的一个正规子群T,使得
,且
。显然,
。另一方面,由于G/T是p-群,从而由子群P的定义,我们有
,这是一个矛盾。因此L在G中是几乎S-置换的,再由引理2.1,
在
中是几乎S-置换的,从而由(i)及引理2.6,即可得
。
引理2.8 [5] 设
是一个饱和群系,包含所有的超可解群,G是有限群,且存在G的一个正规子群E,使得
。若E循环,则
。
引理2.9 [10] 设p是一个素数,则包含所有p-闭群的群系是饱和的。
3. 主要定理的证明
证 假设引理不真,并设
为极小阶反例,我们分以下步骤导出矛盾。
步骤1 若X是E的霍尔子群,则
满足定理假设。若X还是G的正规子群,则
也满足定理假设。
先设X是E的霍尔子群,P是E的非循环Sylow子群。那么根据假设,P有一个子群D,满足
,且P的每个
阶子群及
阶子群(若P是非交换2-群,且
)在G中要么有超可解补,要么是弱NS*-置换的。令H是P的一个子群,使得
。不妨先考虑前者,首先设T是H在G中的一个超可解补,从而有
,因此
,继而
是H在X中的超可解补。再假设H在G中是弱NS*-置换的,那么由引理2.5 (3)易知,H在X中也是弱NS*-置换的。于是由此,
满足定理假设。
现在设X既是E的霍尔子群,也是G的正规子群,显然,
。我们令M/X是E/X的非循环Sylow p-子群,其p是
的一个素因子。再设
,其中P为M的Sylow p-子群。于是P是E的非循环Sylow子群。根据定理假设,P有一个子群D,满足
,且P的每个
阶子群及
阶子群(若P是非交换2-群,且
)在G中要么有一个超可解补子群T,要么是弱NS*-置换的。不妨令K/X是M/X的一个子群,使得
,从而有
,且H为K的Sylow p-子群。显然,
。因此,由引理2.5 (4),
在G/X中要么有超可解补子群
,要么是弱NS*-置换的,从而
满足定理假设。
步骤2 若X是E的正规霍尔子群,则
。
显然X是E的特征子群,从而X是G的正规子群。由步骤1可知,
满足定理假设。但由于G的极小性选取,即有
,这表明
满足定理假设,再由
的极小性,得
。
步骤3 若p是
的最小素因子,则存在E的Sylow p-子群P是非循环的。
假设P是循环的,那么根据文献 [9] (IV, 2.8),得到E是p-幂零的,这意味着
,矛盾。从而由步骤2,有
。由假设
,再根据引理2.8,有
,亦矛盾,因此步骤3成立。
现在不妨讨论E的非循环的Sylow p-子群P。根据假设,P有一个子D,满足
,且P的每个
阶子群及
阶子群(若P是非交换2-群,且
)要么在G中有超可解补 ,要么是G的弱NS*-置换的。
步骤4 若
,那么P的每个
阶子群H在G中若无超可解补则是G的几乎S-置换子群;若P是一个非交换2-群,并且
,那么P的每个
阶子群H在G中若无超可解补则是G的几乎S-置换子群。
不妨先假设P的
阶子群H在G中无超可解补,亦非G的几乎S-置换子群。那么根据引理2.5 (5),存在G的一个正规子群M,使
且
,从而有
。因此,由引理2.5,
满足定理假设。另一方面,
,这与
的极小性矛盾。从而P的每个
阶子群H在G中若无超可解补则是几乎S-置换的。
同理可得,若P是非交换2-群,且
,则P的每个
阶子群H在G中若无超可解补则是几乎S-置换的。
步骤5 对于G的任意含于P中的极小正规子群N,满足
。
如若不然,那么
。若N的
阶子群H在G中有超可解补子群T,那么显然有
且
。由此
为N的真子群,且
。显然这时候有
,这与N的极小性矛盾。因此,N的每个
阶子群H在G中是弱NS*-置换的。从而据引理2.6可知存在N的极大子群在G中是正规的,这是一个矛盾,因此步骤5成立。
步骤6 若
或者
,则
。
首先,若
,则由步骤2可知,G不是p-幂零的。因此根据文献 [9] (V, 5.4),G有一个p-闭的Schmidt子群。从而由引理2.7,我们有
。再若
,考虑G的一个不包含E的极大子群M,则
。假设
,且令
,则
,又由引理2.7,
。根据引理2.8,
,这使得
,故
,矛盾,因此
。
步骤7 若
或者
,N是包含在E中的G的极小交换正规子群,则
也满足定理假设且
。
当
或者
时,这是显然的。因此我们令
且
。
由步骤4我们知道,P的每个
阶子群H在G中若无超可解补则是几乎S-置换的;若P是非交换2-群,且
,则P的每个
阶子群H在G中若无超可解补则是几乎S-置换的。
由步骤6可知,N非循环,因此G的每个包含N的子群也是非循环的。设
且
,于是K非循环,从而存在K的一个极大子群M使得
。若M在G中有超可解补,那么K在G中也有超可解补。反之,若M在G中没有超可解补,那么M在G中是几乎S-置换的,显然
在G中也是几乎S-置换的。因此,若P/N交换,则由引理2.5 (2)和(4),G/N满足定理假设。
现在假设P/N是非交换2-子群,从而P是非交换2-子群,因此P的每个
阶子群H在G中若无超可解补则是几乎S-置换的。设
且
,则如上同理,
满足定理假设。
由上,步骤7成立。
步骤8 若
,则至少存在P的一个极大子群在G中没有超可解补。
这由步骤2和引理2.2可直接得到。
步骤9 E是可解的。
根据步骤1以及G的极小性选取,我们只需考虑
。再根据步骤7,要证E是可解的,只需证
。
首先假设
,则由步骤8,至少存在P的一个极大子群M在G中没有超可解补。若
,则由定理假设,M在G中有一个次正规补子群T。显然,据引理2.5 (3),
满足定理假设(事实上,T的Sylow p-子群都是素数阶循环群),因此T是超可解的,这与M的选取相矛盾。所以
,由引理2.1 (4),有
,故
。
最后假设
,则由步骤4,P的每个
阶子群H在G中若无超可解补则是几乎S-置换的。因此根据引理2.1 (4),我们不妨假设P的每个
阶子群H在G中都有超可解补,这使得P的每个极大子群 在G中都有超可解补,与步骤8矛盾,从而步骤9成立。
步骤10 设q为
的最大的素因子,那么E是q-闭的。
根据步骤1,只需要讨论
。由步骤9,E是可解的,以及步骤1中对于G的任意霍尔子群X,
满足定理假设。因此,不妨假设
,其中a,b为任意的自然数。
假设G不是q-闭的,那么由步骤7及G的极小性选取,使得G的每个含于P中的极小正规子群N,都有G/N是超可解的。因此,根据引理2.9,
,并且N是含于P中的G的唯一的极小正规子群。我们接下来要说明
。
事实上,令M为G中一个极大子群,使得
,从而有
。由于
,这使得
是G的一个正规子群,从而推得
,即有
。
现在继续考虑
。
若
,则对于P的每个包含N的极大子群A,满足
,从而
是A在G中的一个超可解补。根据步骤8可知,存在P的一个极大子群B在G中既无超可解补也不包含N,于是由假设,B是G的一个弱NS*-置换子群。令
,并且设T是G的一个次正规子群,使得
且
。若
,那么
,由引理2.5,显然
满足定理假设,从而T是超可解的,这与B的选取相矛盾。故我们有
,且根据引理2.1 (4),
,继而
。
若
,那么
,即
。又因为
,从而
,显然
在G中正规。另一方面,由于
是个p-群且在G中正是几乎S-置换的,因此对于某个自然数m,我们有
,故
。从而我们有
,这说明L在G中正规,这使得
,相矛盾,所以我们有
。由于T是G的一个次正规子群,据引理2.3 (3),T包含G的所有Sylow q-子群,这使得
是个p-群,从而
,是q-闭,与假设矛盾。
若
,那么由步骤4,P的每个
阶子群H在G中若无超可解补则是几乎S-置换的。再据引理2.1 (4),P的每个
阶几乎S-置换子群H都含于
中。于是由假设,对于P的所有不含于N中的
阶子群H在G中都有超可解补,从而P的每个极大子群在G中也有超可解补,这与步骤8相矛盾。
由此,步骤10成立。
步骤11
。
事实上,不妨令q为
的最大素因子,并且设Q为E的一个Sylow q-子群。那么由步骤10,Q在E中正规,从而再由步骤2,有
。
步骤12 最后的矛盾。
设N是G的一个极小正规子群且N包含于P中,则由步骤7,N是含于P中的G的唯一极小正规子群,再根据步骤11,有
。显然,这与引理2.6相悖,最后的矛盾。