군론 에서 쉴로브 정리 (영어 : Sylow theorems ) 또는 실로우 정리 는 유한군 의 특정한 크기의 부분군의 구조에 대한 일련의 정리들이다. 라그랑주 정리 의 부분적 역이며, 코시 정리 를 일반화한다. 유한군 의 이론에서 중요한 역할을 한다.
소수 p {\displaystyle p} 가 주어졌을 때, p -군 은 모든 원소의 위수 가 p {\displaystyle p} 의 거듭제곱인 군 이다. 쉴로브 p -부분군 (영어 : Sylow p -subgroup )은 극대 p -부분군이다. 즉, 군 G {\displaystyle G} 의 p -부분군 H {\displaystyle H} 가 다음 조건을 만족시키면, 쉴로브 p -부분군이라고 한다.
임의의 p -부분군 K ⊆ G {\displaystyle K\subseteq G} 에 대하여, 만약 H ⊆ K {\displaystyle H\subseteq K} 라면, K = G {\displaystyle K=G} 또는 K = H {\displaystyle K=H} 이다. 쉴로브 p -부분군의 집합을 Syl ( p ; G ) {\displaystyle \operatorname {Syl} (p;G)} 로 표기하자.
유한군 G {\displaystyle G} 와 소수 p {\displaystyle p} 가 주어졌고, 어떤 음이 아닌 정수 n ∈ Z + ∪ { 0 } {\displaystyle n\in \mathbb {Z} ^{+}\cup \{0\}} 와 양의 정수 m ∈ Z + {\displaystyle m\in \mathbb {Z} ^{+}} 에 대하여
| G | = p n m {\displaystyle |G|=p^{n}m} 이며 p {\displaystyle p} 와 m {\displaystyle m} 이 서로소 라고 하자. 그렇다면, 임의의 k ∈ { 0 , … , n } {\displaystyle k\in \{0,\dots ,n\}} 에 대하여, 다음 세 개의 정리가 성립한다.
제1 쉴로브 정리 (영어 : first Sylow theorem ): 크기가 p k {\displaystyle p^{k}} 인 G {\displaystyle G} 의 부분군이 존재한다. 제2 쉴로브 정리 (영어 : second Sylow theorem ): 임의의 쉴로브 p -부분군 H ⊆ G {\displaystyle H\subseteq G} 및 p -부분군 K ⊆ G {\displaystyle K\subseteq G} 에 대하여, K ⊆ g H g − 1 {\displaystyle K\subseteq gHg^{-1}} 인 g ∈ G {\displaystyle g\in G} 가 존재한다. 특히, G {\displaystyle G} 의 모든 쉴로브 p -부분군은 서로 켤레 이며, 모든 쉴로브 p -부분군의 크기는 p n {\displaystyle p^{n}} 이다. 제3 쉴로브 정리 (영어 : third Sylow theorem ): 크기가 p k {\displaystyle p^{k}} 인 G {\displaystyle G} 의 부분군의 총수가 n ( p k ; G ) {\displaystyle n(p^{k};G)} 이며 (특히 n ( p n ; G ) = | Syl ( p ; G ) | {\displaystyle n(p^{n};G)=|{\operatorname {Syl} (p;G)}|} ), H {\displaystyle H} 가 G {\displaystyle G} 의 임의의 쉴로브 p -부분군이라고 하자. 그렇다면 다음이 성립한다. n ( p k ; G ) ≡ 1 ( mod p ) {\displaystyle n(p^{k};G)\equiv 1{\pmod {p}}} n ( p n ; G ) ∣ m {\displaystyle n(p^{n};G)\mid m} n ( p n ; G ) = | G : N G ( H ) | {\displaystyle n(p^{n};G)=|G:\operatorname {N} _{G}(H)|} . (여기서 N G ( − ) {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(-)} 는 정규화 부분군 이다.) 다음은 k = n {\displaystyle k=n} 인 경우에 대한 증명들이며, 일부 증명은 임의의 k {\displaystyle k} 에 대한 경우에도 적용 가능하다.
크기가 p n {\displaystyle p^{n}} 인 G {\displaystyle G} 의 부분군을 찾는 것으로 족하다. 군의 크기 | G | {\displaystyle |G|} 에 대한 수학적 귀납법 을 사용하자. { g 1 , … , g k } ⊆ G {\displaystyle \{g_{1},\dots ,g_{k}\}\subseteq G} 가 한원소 집합 이 아닌 G {\displaystyle G} 의 켤레류 들의 대표원이라고 하자. 그렇다면, 다음과 같은 켤레류 방정식 이 성립한다.
| G | = | Z ( G ) | + ∑ i = 1 k | G | | C G ( g i ) | {\displaystyle |G|=|{\operatorname {Z} (G)}|+\sum _{i=1}^{k}{\frac {|G|}{|{\operatorname {C} _{G}(g_{i})}|}}} 이 경우 각 i ∈ { 1 , … , k } {\displaystyle i\in \{1,\dots ,k\}} 에 대하여 C G ( g i ) {\displaystyle \operatorname {C} _{G}(g_{i})} 는 G {\displaystyle G} 의 진부분군이다.
만약 p n {\displaystyle p^{n}} 이 | C G ( g i ) | {\displaystyle |{\operatorname {C} _{G}(g_{i})}|} 의 약수가 되는 i ∈ { 1 , … , k } {\displaystyle i\in \{1,\dots ,k\}} 가 존재한다면, 수학적 귀납법의 가정에 의하여 C G ( g i ) {\displaystyle \operatorname {C} _{G}(g_{i})} 는 | H | = p n {\displaystyle |H|=p^{n}} 인 부분군 H {\displaystyle H} 를 가지며, 이는 자명하게 G {\displaystyle G} 의 부분군이다.
이제, 임의의 i ∈ { 1 , … , k } {\displaystyle i\in \{1,\dots ,k\}} 에 대하여, p n {\displaystyle p^{n}} 이 | C G ( g i ) | {\displaystyle |{\operatorname {C} _{G}(g_{i})}|} 의 약수가 아니라고 하자. n = 0 {\displaystyle n=0} 인 경우는 자명하다. 만약 n > 0 {\displaystyle n>0} 이라면, p {\displaystyle p} 는 | Z ( G ) | {\displaystyle |{\operatorname {Z} (G)}|} 의 소인수다. 코시의 정리에 의하여 Z ( G ) {\displaystyle \operatorname {Z} (G)} 는 | K | = p {\displaystyle |K|=p} 인 부분군 K {\displaystyle K} 를 가지며, 이는 G {\displaystyle G} 의 정규 부분군 이다. 수학적 귀납법의 가정에 의하여, 몫군 G / K {\displaystyle G/K} 는 크기가 p n − 1 {\displaystyle p^{n-1}} 인 쉴로브 p -부분군 H / K {\displaystyle H/K} 를 가지며, 이 경우 H {\displaystyle H} 는 크기가 p n {\displaystyle p^{n}} 인 G {\displaystyle G} 의 부분군이다.
헬무트 빌란트 (독일어 : Helmut Wielandt )의 증명은 대략 다음과 같다. 편의상 n > 0 {\displaystyle n>0} 이라고 하자. 다음과 같은 집합을 생각하자.
S = { S ⊆ G : | S | = p n } {\displaystyle {\mathcal {S}}=\{S\subseteq G\colon |S|=p^{n}\}} 이 위에 G {\displaystyle G} 는 왼쪽 곱셈을 통해 다음과 같이 작용 한다.
G × S → S {\displaystyle G\times {\mathcal {S}}\to {\mathcal {S}}} ( g , S ) ↦ g S ( g ∈ G , S ∈ S ) {\displaystyle (g,S)\mapsto gS\qquad (g\in G,\;S\in {\mathcal {S}})} 이 작용의 궤도들의 대표원을 { S 1 , … , S k } ⊂ S {\displaystyle \{S_{1},\dots ,S_{k}\}\subset {\mathcal {S}}} 라고 하자. 그렇다면 이 작용에 대한 류의 방정식은 다음과 같다.
| S | = ∑ i = 1 k | G | | G S i | {\displaystyle |{\mathcal {S}}|=\sum _{i=1}^{k}{\frac {|G|}{|G_{S_{i}}|}}} 또한
| S | = ( p n m p n ) = m ( p n m − 1 p n − 1 ) = m ∏ k = 1 p n − 1 p n m − k p n − k {\displaystyle |{\mathcal {S}}|={\binom {p^{n}m}{p^{n}}}=m{\binom {p^{n}m-1}{p^{n}-1}}=m\prod _{k=1}^{p^{n}-1}{\frac {p^{n}m-k}{p^{n}-k}}} 은 p {\displaystyle p} 와 서로소이므로 (이는 각 k ∈ { 1 , … , p n − 1 } {\displaystyle k\in \{1,\dots ,p^{n}-1\}} 에 대하여 p n m − k {\displaystyle p^{n}m-k} 와 p n − k {\displaystyle p^{n}-k} 의 소인수 p {\displaystyle p} 의 중복도가 k {\displaystyle k} 의 소인수 p {\displaystyle p} 의 중복도와 같기 때문이다), 궤도 의 크기 | G | | G S i | {\displaystyle {\frac {|G|}{|G_{S_{i}}|}}} 가 p {\displaystyle p} 와 서로소인 i ∈ { 1 , … , k } {\displaystyle i\in \{1,\dots ,k\}} 가 존재한다. S i {\displaystyle S_{i}} 의 안정자군 을 H = G S i {\displaystyle H=G_{S_{i}}} 라고 하자. 그렇다면, H {\displaystyle H} 는 G {\displaystyle G} 의 부분군이며, 궤도-안정자군 정리 에 의하여 | H | {\displaystyle |H|} 는 p n {\displaystyle p^{n}} 을 약수로 갖는다. 또한 s ∈ S {\displaystyle s\in S} 에 대하여,
H → S {\displaystyle H\to S} h ↦ h s ( h ∈ H ) {\displaystyle h\mapsto hs\qquad (h\in H)} 는 단사 함수 이므로, | H | = p n {\displaystyle |H|=p^{n}} 이다.
임의의 쉴로브 p -부분군(즉, 극대 p -부분군) H ⊆ G {\displaystyle H\subseteq G} 에 대하여 | H | = p n {\displaystyle |H|=p^{n}} 임을 보이는 것으로 족하다. H {\displaystyle H} 의 정규화 부분군 N G ( H ) {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(H)} 를 생각하자. 그렇다면 H {\displaystyle H} 는 N G ( H ) {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(H)} 의 정규 부분군이므로, 몫군 N G ( H ) / H {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(H)/H} 를 취할 수 있다.
우선, p {\displaystyle p} 가 | N G ( H ) | | H | {\displaystyle {\frac {|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}{|H|}}} 의 소인수가 아님을 증명하자. 귀류법 을 사용하여 p {\displaystyle p} 가 | N G ( H ) | | H | {\displaystyle {\frac {|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}{|H|}}} 의 소인수라고 가정하자. 그렇다면, 코시의 정리에 의하여 | K / H | = p {\displaystyle |K/H|=p} 인 부분군 K / H ⊆ N G ( H ) / H {\displaystyle K/H\subseteq \operatorname {N} _{G}(H)/H} 가 존재한다. 이 경우 부분군 H ⊆ K ⊆ N G ( H ) {\displaystyle H\subseteq K\subseteq \operatorname {N} _{G}(H)} 는 G {\displaystyle G} 의 부분군이며, | K | = p | H | > | H | {\displaystyle |K|=p|H|>|H|} 를 만족시킨다. 이는 H {\displaystyle H} 가 쉴로브 p -부분군인 데 모순이다.
이제, p {\displaystyle p} 가 | G | | N G ( H ) | {\displaystyle {\frac {|G|}{|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}}} 의 소인수가 아님을 증명하자. 왼쪽 잉여류 의 집합 G / N G ( H ) {\displaystyle G/\operatorname {N} _{G}(H)} 위에서 H {\displaystyle H} 가 다음과 같이 작용한다고 하자.
H × G / N G ( H ) → G / N G ( H ) {\displaystyle H\times G/\operatorname {N} _{G}(H)\to G/\operatorname {N} _{G}(H)} ( h , g N G ( H ) ) ↦ h g N G ( H ) ( h ∈ H , g ∈ G ) {\displaystyle (h,g\operatorname {N} _{G}(H))\mapsto hg\operatorname {N} _{G}(H)\qquad (h\in H,\;g\in G)} 그렇다면, 이 작용에 대한 류의 방정식을 생각하면 다음과 같은 합동식 을 얻는다.
| G | | N G ( H ) | ≡ | { g N G ( H ) ∈ G / N G ( H ) : H g N G ( H ) = g N G ( H ) } | ( mod p ) {\displaystyle {\frac {|G|}{|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}}\equiv |\{g\operatorname {N} _{G}(H)\in G/\operatorname {N} _{G}(H)\colon Hg\operatorname {N} _{G}(H)=g\operatorname {N} _{G}(H)\}|{\pmod {p}}} 따라서, N G ( H ) {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(H)} 가 이 작용의 유일한 불변 원소임을 보이면 된다. 만약 g ∈ G {\displaystyle g\in G} 가 임의의 h ∈ H {\displaystyle h\in H} 에 대하여
h g N G ( H ) = g N G ( H ) {\displaystyle hg\operatorname {N} _{G}(H)=g\operatorname {N} _{G}(H)} 를 만족시킨다면, g − 1 h g ∈ N G ( H ) {\displaystyle g^{-1}hg\in \operatorname {N} _{G}(H)} 이며, H {\displaystyle H} 는 p -군이므로 h {\displaystyle h} 의 위수는 p {\displaystyle p} 의 거듭제곱이다. 따라서 g − 1 h g H {\displaystyle g^{-1}hgH} 의 ( N G ( H ) / H {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(H)/H} 에서의) 위수 역시 p {\displaystyle p} 의 거듭제곱이며, 또한 이는 | N G ( H ) | | H | {\displaystyle {\frac {|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}{|H|}}} 의 약수이므로, g − 1 h g H {\displaystyle g^{-1}hgH} 의 위수는 1이다. 즉, g − 1 h g H = H {\displaystyle g^{-1}hgH=H} 이며, g − 1 h g ∈ H {\displaystyle g^{-1}hg\in H} 이다. 즉, g ∈ N G ( H ) {\displaystyle g\in \operatorname {N} _{G}(H)} 가 성립한다.
이 두 가지 사실을 종합하면 | H | = p n {\displaystyle |H|=p^{n}} 을 얻는다. 이는
| G | = | N G ( H ) | | H | ⋅ | G | | N G ( H ) | ⋅ | H | {\displaystyle |G|={\frac {|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}{|H|}}\cdot {\frac {|G|}{|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}}\cdot |H|} 때문이다.
크기가 | H | = p n {\displaystyle |H|=p^{n}} 인 쉴로브 p -부분군 H ⊆ G {\displaystyle H\subseteq G} 를 취하자. 임의의 p -부분군 K ⊆ G {\displaystyle K\subseteq G} 에 대하여, K ⊆ g H g − 1 {\displaystyle K\subseteq gHg^{-1}} 인 g ∈ G {\displaystyle g\in G} 의 존재를 보이면 된다. 왼쪽 잉여류의 집합 G / H {\displaystyle G/H} 위에서 K {\displaystyle K} 가 다음과 같이 작용한다고 하자.
K × G / H → G / H {\displaystyle K\times G/H\to G/H} ( k , g H ) ↦ k g H ( k ∈ K , g ∈ G ) {\displaystyle (k,gH)\mapsto kgH\qquad (k\in K,\;g\in G)} 또한, G / H {\displaystyle G/H} 의 크기는 p {\displaystyle p} 와 서로소이므로, 궤도의 크기가 p {\displaystyle p} 와 서로소인 원소 g H ∈ G / H {\displaystyle gH\in G/H} 를 가지며, 이에 대한 안정자군은 K {\displaystyle K} 전체와 같다. 즉, 다음이 성립한다.
K = K g H = G g H ∩ K = g G H g − 1 ∩ K = g H g − 1 ∩ K ⊆ g H g − 1 {\displaystyle K=K_{gH}=G_{gH}\cap K=gG_{H}g^{-1}\cap K=gHg^{-1}\cap K\subseteq gHg^{-1}} 크기가 | H | = p n {\displaystyle |H|=p^{n}} 인 쉴로브 p -부분군 H ⊆ G {\displaystyle H\subseteq G} 를 취하자. 임의의 p -부분군 K ⊆ G {\displaystyle K\subseteq G} 에 대하여, K ⊆ g H g − 1 {\displaystyle K\subseteq gHg^{-1}} 인 g ∈ G {\displaystyle g\in G} 의 존재를 보이면 된다. 이중 잉여류 들의 집합
K ∖ G / H = { K g H : g ∈ G } {\displaystyle K\backslash G/H=\{KgH\colon g\in G\}} 는 G {\displaystyle G} 의 분할 을 이루므로, 다음이 성립한다.
| G | = ∑ K g H ∈ K ∖ G / H | K g H | = ∑ K g H ∈ K ∖ G / H | K | | H | | K ∩ g H g − 1 | {\displaystyle |G|=\sum _{KgH\in K\backslash G/H}|KgH|=\sum _{KgH\in K\backslash G/H}{\frac {|K||H|}{|K\cap gHg^{-1}|}}} 즉,
| G | | H | = ∑ K g H ∈ K ∖ G / H | K | | K ∩ g H g − 1 | {\displaystyle {\frac {|G|}{|H|}}=\sum _{KgH\in K\backslash G/H}{\frac {|K|}{|K\cap gHg^{-1}|}}} 이다. 또한 | G | | H | {\displaystyle {\frac {|G|}{|H|}}} 는 p {\displaystyle p} 와 서로소이므로, | K | | K ∩ g H g − 1 | {\displaystyle {\frac {|K|}{|K\cap gHg^{-1}|}}} 가 p {\displaystyle p} 와 서로소가 되는 g ∈ G {\displaystyle g\in G} 가 존재한다. 즉, 이 g {\displaystyle g} 에 대하여
| K | | K ∩ g H g − 1 | = 1 {\displaystyle {\frac {|K|}{|K\cap gHg^{-1}|}}=1} 이다. 따라서,
K = K ∩ g H g − 1 ⊆ g H g − 1 {\displaystyle K=K\cap gHg^{-1}\subseteq gHg^{-1}} 이 성립한다.
쉴로브 p -부분군의 집합을 Syl ( p ; G ) {\displaystyle \operatorname {Syl} (p;G)} 라고 하고, 이 위의 켤레 작용
G × Syl ( p ; G ) → Syl ( p ; G ) {\displaystyle G\times \operatorname {Syl} (p;G)\to \operatorname {Syl} (p;G)} ( g , H ) ↦ g H g − 1 ( g ∈ G , H ∈ Syl ( p ; G ) ) {\displaystyle (g,H)\mapsto gHg^{-1}\qquad (g\in G,\;H\in \operatorname {Syl} (p;G))} 를 생각하자. 그렇다면, 제2 쉴로브 정리에 의하여, 이는 추이적 작용 이며, 임의의 H ∈ Syl ( p ; G ) {\displaystyle H\in \operatorname {Syl} (p;G)} 에 대하여, 그 안정자군은 정규화 부분군 N G ( H ) {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(H)} 이다. 따라서
n ( p n ; G ) = | Syl ( p ; G ) | = | G | | N G ( H ) | {\displaystyle n(p^{n};G)=|{\operatorname {Syl} (p;G)}|={\frac {|G|}{|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}}} 이며, 이는
| G | | H | = m {\displaystyle {\frac {|G|}{|H|}}=m} 의 약수이다.
이제, 임의의 H ∈ Syl ( p ; G ) {\displaystyle H\in \operatorname {Syl} (p;G)} 에 제한된 켤레 작용
H × Syl ( p ; G ) → Syl ( p ; G ) {\displaystyle H\times \operatorname {Syl} (p;G)\to \operatorname {Syl} (p;G)} ( h , K ) ↦ h K h − 1 ( h ∈ H , K ∈ Syl ( p ; G ) ) {\displaystyle (h,K)\mapsto hKh^{-1}\qquad (h\in H,\;K\in \operatorname {Syl} (p;G))} 를 생각하자. 이에 대한 류의 방정식에 의하여 합동식
n ( p n ; G ) ≡ | { K ∈ Syl ( p ; G ) : ∀ h ∈ H : h K h − 1 = K } | ( mod p ) {\displaystyle n(p^{n};G)\equiv |\{K\in \operatorname {Syl} (p;G)\colon \forall h\in H\colon hKh^{-1}=K\}|{\pmod {p}}} 가 성립한다. 이제 H {\displaystyle H} 가 이 작용의 유일한 불변 원소임을 보이자. 만약 K ∈ Syl ( p ; G ) {\displaystyle K\in \operatorname {Syl} (p;G)} 가 임의의 h ∈ H {\displaystyle h\in H} 에 대하여 h K h − 1 = K {\displaystyle hKh^{-1}=K} 를 만족시킨다면, H ⊆ N G ( K ) {\displaystyle H\subseteq \operatorname {N} _{G}(K)} 이며, 제2 쉴로브 정리에 의하여 다음을 만족시키는 g ∈ N G ( K ) {\displaystyle g\in \operatorname {N} _{G}(K)} 가 존재한다.
H = g K g − 1 = K {\displaystyle H=gKg^{-1}=K} 따라서, 합동식
n ( p n ; G ) ≡ 1 ( mod p ) {\displaystyle n(p^{n};G)\equiv 1{\pmod {p}}} 가 성립한다.
집합
T = { S ∈ S : | G S | = p n } {\displaystyle {\mathcal {T}}=\{S\in {\mathcal {S}}\colon |G_{S}|=p^{n}\}} 을 생각하자. 그렇다면, T {\displaystyle {\mathcal {T}}} 는 정확히 다음과 같은 집합이다.
T = ⨆ H ∈ Syl ( p ; G ) H ∖ G = { H g : H ∈ Syl ( p ; G ) , g ∈ G } {\displaystyle {\mathcal {T}}=\bigsqcup _{H\in \operatorname {Syl} (p;G)}H\backslash G=\{Hg\colon H\in \operatorname {Syl} (p;G),\;g\in G\}} 여기서 H ∖ G {\displaystyle H\backslash G} 는 H {\displaystyle H} 의 오른쪽 잉여류 들의 집합이다. (이는 모든 쉴로브 p -부분군이 자신의 오른쪽 잉여류의 안정자군이기 때문이다.) 따라서,
| T | = ∑ H ∈ Syl ( p ; G ) | G | | H | = n ( p n ; G ) m {\displaystyle |{\mathcal {T}}|=\sum _{H\in \operatorname {Syl} (p;G)}{\frac {|G|}{|H|}}=n(p^{n};G)m} 이다.
임의의 S ∈ S {\displaystyle S\in {\mathcal {S}}} 의 안정자군 G S {\displaystyle G_{S}} 은 p -부분군이다. 이는 임의의 s ∈ S {\displaystyle s\in S} 에 대하여, G S s ⊆ S {\displaystyle G_{S}s\subseteq S} 이므로, S {\displaystyle S} 가 G S {\displaystyle G_{S}} 의 일부 오른쪽 잉여류들로 분할되기 때문이다. 특히, S ∖ T {\displaystyle {\mathcal {S}}\setminus {\mathcal {T}}} 의 원소들의 안정자군은 p -부분군이다. 또한, S ∖ T {\displaystyle {\mathcal {S}}\setminus {\mathcal {T}}} 는 G {\displaystyle G} 의 작용에 대하여 닫혀있으므로, S ∖ T {\displaystyle {\mathcal {S}}\setminus {\mathcal {T}}} 속 궤도들의 대표원 { S 1 , … , S k } ⊆ S ∖ T {\displaystyle \{S_{1},\dots ,S_{k}\}\subseteq {\mathcal {S}}\setminus {\mathcal {T}}} 를 취할 수 있으며, 이 경우
| S ∖ T | = ∑ i = 1 k | G | | G S i | ≡ 0 ( mod p m ) {\displaystyle |{\mathcal {S}}\setminus {\mathcal {T}}|=\sum _{i=1}^{k}{\frac {|G|}{|G_{S_{i}}|}}\equiv 0{\pmod {pm}}} 가 성립한다.
또한,
| S | = ( p n m p n ) = m ( p n m − 1 p n − 1 ) = m ∏ k = 1 p n − 1 p n m − k p n − k ≡ m ( mod p m ) {\displaystyle |{\mathcal {S}}|={\binom {p^{n}m}{p^{n}}}=m{\binom {p^{n}m-1}{p^{n}-1}}=m\prod _{k=1}^{p^{n}-1}{\frac {p^{n}m-k}{p^{n}-k}}\equiv m{\pmod {pm}}} 가 성립한다. 이는 임의의 k ∈ { 1 , … , p n − 1 } {\displaystyle k\in \{1,\dots ,p^{n}-1\}} 에 대하여, k {\displaystyle k} 의 소인수 p {\displaystyle p} 의 중복도가 e {\displaystyle e} 라고 할 때,
p n − e m − k p − e ≡ p n − e − k p − e ≢ 0 ( mod p ) {\displaystyle p^{n-e}m-kp^{-e}\equiv p^{n-e}-kp^{-e}\not \equiv 0{\pmod {p}}} 이기 때문이다.
이들 결론을 종합하면
n ( p n ; G ) m ≡ m ( mod p m ) {\displaystyle n(p^{n};G)m\equiv m{\pmod {pm}}} 을 얻으며, m > 0 {\displaystyle m>0} 이므로
n ( p n ; G ) ≡ 1 ( mod p ) {\displaystyle n(p^{n};G)\equiv 1{\pmod {p}}} 가 성립한다.
유한군 G {\displaystyle G} 와 소수 p {\displaystyle p} 가 주어졌다고 하자.
만약 H {\displaystyle H} 가 G {\displaystyle G} 의 쉴로브 p -부분군이며, N {\displaystyle N} 이 G {\displaystyle G} 의 정규 부분군이라면, 다음이 성립한다.
H ∩ N {\displaystyle H\cap N} 은 N {\displaystyle N} 의 쉴로브 p -부분군이다. H N / N {\displaystyle HN/N} 은 G / N {\displaystyle G/N} 의 쉴로브 p -부분군이다. 만약 H {\displaystyle H} 가 G {\displaystyle G} 의 p -부분군이며, H = N G ( H ) {\displaystyle H=\operatorname {N} _{G}(H)} 라면, H {\displaystyle H} 는 G {\displaystyle G} 의 쉴로브 p -부분군이다. 그러나 그 역은 일반적으로 성립하지 않는다.
H {\displaystyle H} 가 H {\displaystyle H} 의 켤레 부분군의 집합
S = { g H g − 1 : g ∈ G } {\displaystyle {\mathcal {S}}=\{gHg^{-1}\colon g\in G\}} 위에서 다음과 같이 작용한다고 하자.
H × S → S {\displaystyle H\times {\mathcal {S}}\to {\mathcal {S}}} ( h , K ) ↦ h K h − 1 ( h ∈ H , K ∈ S ) {\displaystyle (h,K)\mapsto hKh^{-1}\qquad (h\in H,\;K\in {\mathcal {S}})} 그렇다면, 각 궤도의 크기는 | H | {\displaystyle |H|} 의 약수이며, 특히 p {\displaystyle p} 의 거듭제곱이다.
이제, H {\displaystyle H} 가 이 작용의 유일한 불변 원소임을 보이자. 만약 K ∈ S {\displaystyle K\in {\mathcal {S}}} 가 임의의 h ∈ H {\displaystyle h\in H} 에 대하여 h K h − 1 = K {\displaystyle hKh^{-1}=K} 를 만족시킨다면, K = g H g − 1 {\displaystyle K=gHg^{-1}} 인 g ∈ G {\displaystyle g\in G} 를 취하면
H ⊆ N G ( K ) = g N G ( H ) g − 1 = g H g − 1 = K {\displaystyle H\subseteq \operatorname {N} _{G}(K)=g\operatorname {N} _{G}(H)g^{-1}=gHg^{-1}=K} 이므로, K = H {\displaystyle K=H} 이다.
따라서, 류의 방정식과 궤도-안정자군 정리에 의하여
1 ≡ | S | = | G | | N G ( H ) | = | G | | H | ( mod p ) {\displaystyle 1\equiv |{\mathcal {S}}|={\frac {|G|}{|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}}={\frac {|G|}{|H|}}{\pmod {p}}} 이며, 특히 H {\displaystyle H} 는 G {\displaystyle G} 의 쉴로브 p -부분군이다.
만약 O ( p ; G ) {\displaystyle \operatorname {O} (p;G)} 가 G {\displaystyle G} 의 모든 쉴로브 p -부분군의 교집합이라고 하면, O ( p ; G ) {\displaystyle \operatorname {O} (p;G)} 는 G {\displaystyle G} 의 특성 부분군 이자 유일한 극대 정규 p -부분군이다. 만약 H {\displaystyle H} 가 G {\displaystyle G} 의 정규 쉴로브 p -부분군이라면, n ( p n ; G ) = 1 {\displaystyle n(p^{n};G)=1} 이며, H = O ( p ; G ) {\displaystyle H=\operatorname {O} (p;G)} 는 G {\displaystyle G} 의 유일한 쉴로브 p -부분군이다.
우선, O ( p ; G ) {\displaystyle \operatorname {O} (p;G)} 가 G {\displaystyle G} 의 정규 부분군임을 보이자. 이는 쉴로브 p -부분군 H ⊆ G {\displaystyle H\subseteq G} 에 대하여,
O ( p ; G ) = ⋂ g ∈ G g H g − 1 = Core G ( H ) {\displaystyle \operatorname {O} (p;G)=\bigcap _{g\in G}gHg^{-1}=\operatorname {Core} _{G}(H)} 가 H {\displaystyle H} 의 정규핵 이기 때문이다.
이제, O ( p ; G ) {\displaystyle \operatorname {O} (p;G)} 가 G {\displaystyle G} 의 모든 정규 p -부분군을 포함함을 보이자. 임의의 정규 p -부분군 N ⊆ G {\displaystyle N\subseteq G} 및 쉴로브 p -부분군 H ⊆ G {\displaystyle H\subseteq G} 에 대하여, N ⊆ H {\displaystyle N\subseteq H} 임을 보이면 된다. N H {\displaystyle NH} 이 G {\displaystyle G} 의 부분군이며,
| N H | = | N | | H | | N ∩ H | {\displaystyle |NH|={\frac {|N||H|}{|N\cap H|}}} 이므로 이는 p -부분군이다. 따라서 N H = H {\displaystyle NH=H} 이며, 특히 N ⊆ H {\displaystyle N\subseteq H} 이다.
이에 따라 O ( p ; G ) {\displaystyle \operatorname {O} (p;G)} 는 G {\displaystyle G} 의 유일한 극대 정규 p -부분군이다. 극대 정규 p -부분군은 자기 동형 사상 에 대하여 불변인 성질이다. 즉, 임의의 자기 동형 사상 ϕ ∈ Aut ( G ) {\displaystyle \phi \in \operatorname {Aut} (G)} 에 대하여, ϕ ( O ( p ; G ) ) {\displaystyle \phi (\operatorname {O} (p;G))} 역시 G {\displaystyle G} 의 극대 정규 p -부분군이며, 따라서 ϕ ( O ( p ; G ) ) = O ( p ; G ) {\displaystyle \phi (\operatorname {O} (p;G))=\operatorname {O} (p;G)} 이다. 즉, O ( p ; G ) {\displaystyle \operatorname {O} (p;G)} 는 G {\displaystyle G} 의 특성 부분군이다.
만약 H {\displaystyle H} 가 G {\displaystyle G} 의 정규 쉴로브 p -부분군이라면, N G ( H ) = G {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(H)=G} 이므로,
n ( p n ; G ) = | G | | N G ( H ) | = 1 {\displaystyle n(p^{n};G)={\frac {|G|}{|{\operatorname {N} _{G}(H)}|}}=1} 이며, 따라서 H = O ( p ; G ) {\displaystyle H=\operatorname {O} (p;G)} 이다.
다음과 같은 조건을 생각하자.
O ( p ; G ) = H ∩ K {\displaystyle \operatorname {O} (p;G)=H\cap K} 인 두 쉴로브 p -부분군 H , K ⊆ G {\displaystyle H,K\subseteq G} 가 존재한다. 이 조건의 일부 충분 조건들은 다음과 같다.[ 1]
p {\displaystyle p} 는 홀수 비(非)메르센 소수 이다. | G | {\displaystyle |G|} 는 홀수이다. p = 2 {\displaystyle p=2} 이며, | G | {\displaystyle |G|} 는 페르마 소수 나 메르센 소수를 소인수로 갖지 않는다. 만약 N {\displaystyle N} 이 G {\displaystyle G} 의 정규 부분군이며, H {\displaystyle H} 가 N {\displaystyle N} 의 쉴로브 p -부분군이라면, G = N N G ( H ) {\displaystyle G=N\operatorname {N} _{G}(H)} 이다. 이를 프라티니 논증 이라고 한다. 이를 통해 다음과 같은 사실을 증명할 수 있다. 만약 H {\displaystyle H} 가 G {\displaystyle G} 의 쉴로브 p -부분군, K {\displaystyle K} 가 G {\displaystyle G} 의 부분군이며, N G ( H ) ⊆ K {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(H)\subseteq K} 라면, N G ( K ) = K {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(K)=K} 이다. 특히, N G ( N G ( H ) ) = N G ( H ) {\displaystyle \operatorname {N} _{G}(\operatorname {N} _{G}(H))=\operatorname {N} _{G}(H)} 가 성립한다.
실로우의 정리는 많은 응용 사례를 갖는다. 몇 가지 대표적인 것들은 다음과 같다. p {\displaystyle p} 와 q {\displaystyle q} 가 소수 이며, p < q {\displaystyle p<q} 라고 하자.
p ∤ q − 1 {\displaystyle p\nmid q-1} 일 경우, 크기가 p q {\displaystyle pq} 인 군은 순환군 과 동형 이다. p ∣ q − 1 {\displaystyle p\mid q-1} 일 경우, 크기가 p q {\displaystyle pq} 이며, 아벨 군 이 아닌 군들은 모두 서로 동형 이다. 크기가 p m q n {\displaystyle p^{m}q^{n}} ( m , n ∈ { 1 , 2 } {\displaystyle m,n\in \{1,2\}} )인 군은 단순군 이 아니다. 이는 번사이드 정리 의 특수한 경우다. 노르웨이 의 수학자 페테르 루드비 메이델 쉴로브 가 증명하였고, 1872년에 정식으로 출판하였다.
↑ Mann, Avionam (1975년 12월). “The Intersection of Sylow Subgroups”. 《Proceedings of the American Mathematical Society》 (영어) 53 (2): 262-264. ISSN 0002-9939 . JSTOR 2039991 .