Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

MAT301 Week 2 Exercises

If G is a group, we will denote the order of g ∈ G by o(g) or ord(g).

Exercise 1.  Using one of the subgroup tests, prove that H =  0(1)   1(a)  : a Z is a subgroup of SL2 (Z).

Exercise 2.  Using one of the subgroup tests, prove that

H =          : x,y,z 

is a subgroup of SL3 (R). The group H is called the Heisenberg group.

Exercise 3. Let p be a prime number and let Fp = Z/pZ. Consider GLn (Fp ), the set of all invertible n × n matrices with entries in Fp . What is the order of GL2 (Fp )?

Exercise 4 (Intersections of subgroups are subgroups).  Let G be a group.

1.  Let H1  and H2  be subgroups of G. Prove that H1 ∩ H2  is a subgroup of G.

2.  Let {Hi }iI  be an arbitrary set of subgroups of G. Prove that TiI Hi  is a subgroup of G.

Exercise 5 (Unions of subgroups).  Let G be a group and let H1 ,H2  ≤ G. Prove that H1 ∪ H2  ≤ G if and only if H1  ⊆ H2  or H2  ⊆ H1 .

Exercise 6.  The Pauli matrices are the matrices

σ 1  =  1(0)   0(1) ,    σ2  =  ,    σ3  = 

in GL2 (C).  The Pauli group  G1  is defined to be the subgroup of GL2 (C) generated by σ 1 ,σ2 ,σ3 , that is, G1  = ⟨σ1 ,σ2 ,σ3 ⟩ . List all of the elements of G1 .

Exercise 7.  Let S =   and let T =  0(1)    1(1) . We will prove that SL2 (Z) = S,T.

Let A =  c(a)   d(b)  SL2 (Z).

1.  Prove that every upper triangular matrix in SL2 (Z) is of the form ±Tn  for some n ∈ Z.

2.  Compute SA and Tn A for all n ∈ Z.

3.  Prove that there exists n Z such that STn A =  c′(c)     d′(d)   SL2 (Z) for some c,d′  Z with 0 c′  < |c| .

4.  Prove that there exists a finite sequence n1 , . . . ,nr  ∈ Z such that STnr  . . . STn1 A is an upper triangular matrix in SL2 (Z). Conclude that A ∈ ⟨S,T⟩ .

Exercise 8  (Dicyclic groups).  Let n ≥  2 be an integer.  The dicyclic  group  Dicn  is the subgroup of the multiplicative group of quaternions H ×  generated by ζ = eiπ/n  and j .  That is, Dicn  = ⟨ζ,j⟩ .  Note that Dic2  = Q8 , the quaternion group.  Some people call Dicn  a generalised quaternion group and denote it by Q4n . Some people only call Dicn  a generalised quaternion group if n is a power of 2.

1.  Prove that ζ 2n = 1, j2  = ζ n , and jζj1  = ζ 1 .

2.  Prove that every element of Dic2n  can be written uniquely in the form ζ kjℓ  with k ∈ {0, . . . , 2n − 1} and ℓ ∈ {0, 1} . Conclude that |Dicn | = 4n.

3.  Compute the centralizer of every element of Dicn . What is the centre of Dicn ?

Exercise 9 (centralizers). Let G be a group. For each subset S ⊆ G, we define the centralizer of S in G to

be the subset CG (S) of G consisting of all elements of G that commute with all elements of S. That is, CG (S) = {g ∈ G | ∀ s ∈ S,gs = sg} .

Prove that CG (S) is a subgroup of G.  If S = {s}  ⊆  G, then CG (S) is denoted by CG (s) and called the centralizer of s in G, which is denoted by C(s) in your textbook. Also, note that the centralizer of G in G is the centre of G, that is, CG (G) = Z(G).

Exercise 10 (Gauss’s formula for divisor sums of φ). Let G be a cyclic group of order n. For each d ∈ Z>0 , let Sd  denote the set of elements of G of order d.  Then we have a disjoint union G =  dZ>0  Sd .  Use this to prove that n =  d|n φ(d).

Exercise 11 (Number of Elements of order d in a finite Group).  Let G be a finite group and let d ∈ Z>0 . Define cd (G) to be the number of cyclic subgroups of G of order d.  Prove that the number of elements of

order d in G is cd (G)φ(d).

Exercise 12.  Let G be a group.

1.  Prove that for all a ∈ G we have o(a) = o(a1).

2.  Prove that for all a,b ∈ G we have o(ab) = o(ba) and o(bab1) = o(a).

Exercise 13. Let G be a group and suppose that there is a unique element a ∈ G of order two. Prove that a ∈ Z(G).

Exercise 14 (The order of a product of commuting elements).  Let a,b ∈ G and assume that ab = ba.

1.  Assume that o(a),o(b) < ∞ . Prove that o(ab) < ∞ and o(ab) divides lcm(o(a),o(b)).

2.  Assume  that  o(a),o(b)  <  ∞ .    Prove  that    divides  o(ab)  and  that  |⟨a⟩ ∩  ⟨b⟩|  divides gcd(o(a),o(b)). It follows that  divides  , which in turn divides o(ab).

To summarise, if o(a),o(b) < ∞, then o(ab) < ∞ and

lcm(o(a),o(b))                    lcm(o(a),o(b))

gcd(o(a),o(b))                        |⟨a⟩ ∩ ⟨b⟩|

3.  Prove that if o(a),o(b) < ∞ and gcd(o(a),o(b)) = 1, then o(ab) = o(a)o(b).

4.  Prove that if o(a) < ∞ and o(b) = ∞, then o(ab) = ∞ .

5.  Assume that o(a) = ∞ .  Give an example of an element b ∈ G such that ab = ba and o(b) = ∞, but o(ab) < ∞ .

Exercise  15.  Let n  ∈  Z 1  ∪ {∞} .   Give an example of a group  G and elements  a,b  ∈  G such that o(a) = o(b) = 2 and o(ab) = n.

In fact, the following is true.

Theorem 1.  Let i,j ∈ Z>1 ∪ {∞}  and k ∈ Z1 ∪ {∞} .  There exists a group G and elements a,b ∈ G such that o(a) = i, o(b) = j,  and o(ab) = k .  If i,j,k are all finite, then the group G can be taken to  be finite .

Exercise  16  (The exponent of a group and a characterisation of cyclic groups) .  Let G be a group and assume that {o(a) : a ∈ G} is finite (which is true if G is finite). The exponent of G is defined by exp(G) = lcm{o(a) : a ∈ G} .

1.  Prove that exp(G) is the smallest k ∈ Z>0  such that ak  = e for all a ∈ G.

2.  Assume that G is cyclic. Prove that exp(G) = |G| .

3.  Assume that G is abelian. Prove that exp(G) = max{o(a) : a ∈ G} . Conclude that there exists a ∈ G with o(a) = exp(G).

4.  Assume that G is abelian. Conclude that G is cyclic if and only if exp(G) = |G| .