Κοτρώνης Αναστάσιος έγραψε:Πρόβλημα 11
Έστω

αυτομορφισμός πεπερασμένης ομάδας

τέτοιος ώστε

για περισσότερα από τα

των στοιχείων της

. Δείξτε ότι

για κάθε

.
Αν

για ακριβώς τα

των στοιχείων της

, δείξτε ότι η

έχει αβελιανή υποομάδα δείκτη

.
Γειά σου Αναστάση. Πολύ ωραία προβλήματα. Γράφω μια λύση στο πρώτο ερώτημα της 11 η οποία μου πήρε ώρα να τη βρω. Ελπίζω να είναι σωστή.
Ορίζουμε το σύνολο

.
Λήμμα: Έστω

. Τότε

αν και μόνο αν

.
Απόδειξη λήμματος: 
αν και μόνο αν

αν και μόνο αν

αν και μόνο αν

αν και μόνο αν

.
Έστω τώρα

. Αποδεικνύουμε την εξής ισότητα συνόλων:
Ισχυρισμός: 
.
Απόδειξη ισχυρισμού: Έστω

. Τότε

για κάποιο

. Θέλουμε να δείξουμε ότι το

αντιμετατίθεται με το

. Αρκεί τα

να αντιμετατίθονται. Άρα αρκεί από το λήμμα

που ισχύει. Αντίστροφα, έστω

με

. Θέλουμε να δείξουμε ότι

άρα αρκεί

. Από το λήμμα αρκεί τα

και

να αντιμετατίθονται που ισχύει αφού

.
Τώρα παρατήρουμε ότι

.
Στην τελευταία ανισότητα χρησιμοποιήσαμε την υπόθεση του προβλήματος ότι

. Επίσης έγινε χρήση της

που ισχύει αφού η συνάρτηση

με

είναι 1-1 και επί.
Τώρα καταλήξαμε ότι το σύνολο

έχει περισσότερα από τα μισά στοιχεία της

. Όμως αυτό το σύνολο είναι υποομάδα της

και άρα η τάξη του διαιρεί το

. Άρα

και άρα

, το κέντρο της ομάδας. Συνεπώς

και άρα

άφου έχει και αυτό πάνω από τα μισά στοιχεία της

. Άρα η

είναι αβελιανή.
Τώρα που το έχουμε αυτό μπορούμε άμεσα να δείξουμε ότι το σύνολο

είναι ομάδα. Πράγματι, το λήμμα δίνει ότι το

είναι κλειστό ως προς τον πολλαπλασιασμό. Είναι απλό ότι

και αν

τότε

.
Τώρα που η

είναι ομάδα πρέπει να έχουμε

που είναι ακριβώς το ζητούμενο.
Επεξεργασία: Και το δεύτερο ερώτημα προκύπτει από τα παραπάνω. Αν

τότε έχουμε ισότητα παραπάνω. Άρα γίνεται να έχουμε

για κάποιο

. Αυτή η υποομάδα είναι η ζητούμενη υποομάδα δείκτη

. Πρέπει να δείξουμε ότι είναι αβελιανή. Από τις ανισότητες παραπάνω, που τώρα είναι ισότητες, προκύπτει ότι

. Άρα αν

τότε

οπότε από το λήμμα αντιμετατίθονται.