Higmanの定理を示します。
定理1(Higman): 群$G$
のSylow $p$
-部分群を$P$
とすると、$P$
の焦点部分群$P^\ast$
は$P\cap [G,G]$
に等しい。
証明: $P^\ast\subset P\cap [G,G]$
は定義から従うので、逆を示す。
$P$
がSylow $p$
-部分群なので$[G:P]$
は$p$
と互いに素、$P/P^\ast$
は$p$
-群なので、焦点部分群の諸性質 系3から、$P\cap \ker V=P^\ast$
が成り立つ($V\colon G\to P/P^\ast$
は移送)。
同じく焦点部分群の諸性質 系3から、$V$
は全射なので、$G/\ker V\cong P/P^\ast$
であり、特に$G/\ker V$
は可換群になる(焦点部分群の諸性質 定理1)。
交換子群$[G,G]$
の特徴づけとして「$G/H$
が可換群であるような最小の正規部分群$H$
」がある。このことから$[G,G]\subset \ker V$
つまり$P\cap [G,G]\subset P\cap \ker V=P^\ast$
が成り立つ。[定理1の証明終わり]
系2: $P/P^\ast$
は$G/[G,G]$
のSylow $p$
-部分群と同型である。
証明: Higmanの定理と準同型定理から$P/P^\ast=P/(P\cap [G,G])\cong (P[G,G])/[G,G]$
である。さらに、$G/[G,G]$
の中の$(P[G,G])/[G,G]$
の指数$|G:P[G,G]|$
は$p$
と互いに素なので、$(P[G,G])/[G,G]$
は$G/[G,G]$
のSylow $p$
-部分群である。[系2の証明終わり]
系3: $G$
の正規部分群$H$
で、剰余群$G/H$
が可換$p$
-群になるような最小の部分群を$G'(p)$
と書くと、$P/P^\ast\cong G/G'(p)$
が成り立つ。
証明: $G/G'(p)$
は$G/[G,G]$
のSylow $p$
-部分群と同型(詳細は略)なので、系2から主張が従う。[系3の証明終わり]