Involuções e elementos Cayley unitários em álgebras de grupos e anéis de matrizes

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

  

INSTITUTO DE CIˆ ENCIAS EXATAS

Departamento de Matem´ atica

Involu¸c˜ oes e elementos Cayley unit´ arios

em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

Viviane Ribeiro Tomaz da Silva

Orientadora: Ana Cristina Vieira

Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

  

INSTITUTO DE CIˆ ENCIAS EXATAS

Departamento de Matem´ atica

Involu¸c˜ oes e elementos Cayley unit´ arios

em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

Viviane Ribeiro Tomaz da Silva

Orientadora: Ana Cristina Vieira

Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

  Seja ∗ a involu¸c˜ao canˆonica da ´algebra de grupo KG induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x para x ∈ G. No caso em que K ´e uma extens˜ao real de Q, consideramos elementos

  −1

  ) Cayley unit´arios constru´ıdos a partir de elementos anti-sim´etricos k = α(x − x em KG tais que 1 + k ´e invert´ıvel em KG, para α ∈ K e x ∈ G. As constru¸c˜oes

  −1

  envolvem uma interessante seq¨ uˆencia nos coeficientes de (1 + k) , que ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci quando α = 1. Estudamos tamb´em involu¸c˜oes e elementos Cayley unit´arios no anel M n

  (D) de matrizes n × n sobre um anel de divis˜ao D, baseados no artigo Unitary elements in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee. ii Abstract

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INSTITUTO DE CIˆ ENCIAS EXATAS

Departamento de Matem´ atica

Involu¸c˜ oes e elementos Cayley unit´ arios

em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

Viviane Ribeiro Tomaz da Silva

Orientadora: Ana Cristina Vieira

Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

  Seja ∗ a involu¸c˜ao canˆonica da ´algebra de grupo KG induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x para x ∈ G. No caso em que K ´e uma extens˜ao real de Q, consideramos elementos

  −1

  ) Cayley unit´arios constru´ıdos a partir de elementos anti-sim´etricos k = α(x − x em KG tais que 1 + k ´e invert´ıvel em KG, para α ∈ K e x ∈ G. As constru¸c˜oes

  −1

  envolvem uma interessante seq¨ uˆencia nos coeficientes de (1 + k) , que ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci quando α = 1. Estudamos tamb´em involu¸c˜oes e elementos Cayley unit´arios no anel M n

  (D) de matrizes n × n sobre um anel de divis˜ao D, baseados no artigo Unitary elements in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee. ii Abstract

  Let ∗ denote the canonical involution of the group algebra KG induced by the map

  −1

  x 7→ x for x ∈ G. In case K is a real extension of Q, we consider Cayley unitary

  −1

  ) in KG such that 1+k is invertible elements built out of skew elements k = α(x−x in KG, for α ∈ K and x ∈ G. The constructions involve an interesting sequence in

  −1

  the coefficients of (1 + k) which is the Fibonacci sequence when α = 1. We also study involutions and Cayley unitary elements in the ring M n (D) of n × n matrices over a division ring D, based on the article Unitary elements in simple artinian rings of C. Chuang and P. Lee. iii

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Involu¸c˜ oes e elementos Cayley unit´ arios

em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

Viviane Ribeiro Tomaz da Silva

Orientadora: Ana Cristina Vieira

Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

  Seja ∗ a involu¸c˜ao canˆonica da ´algebra de grupo KG induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x para x ∈ G. No caso em que K ´e uma extens˜ao real de Q, consideramos elementos

  −1

  ) Cayley unit´arios constru´ıdos a partir de elementos anti-sim´etricos k = α(x − x em KG tais que 1 + k ´e invert´ıvel em KG, para α ∈ K e x ∈ G. As constru¸c˜oes

  −1

  envolvem uma interessante seq¨ uˆencia nos coeficientes de (1 + k) , que ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci quando α = 1. Estudamos tamb´em involu¸c˜oes e elementos Cayley unit´arios no anel M n

  (D) de matrizes n × n sobre um anel de divis˜ao D, baseados no artigo Unitary elements in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee. ii Abstract

  Let ∗ denote the canonical involution of the group algebra KG induced by the map

  −1

  x 7→ x for x ∈ G. In case K is a real extension of Q, we consider Cayley unitary

  −1

  ) in KG such that 1+k is invertible elements built out of skew elements k = α(x−x in KG, for α ∈ K and x ∈ G. The constructions involve an interesting sequence in

  −1

  the coefficients of (1 + k) which is the Fibonacci sequence when α = 1. We also study involutions and Cayley unitary elements in the ring M n (D) of n × n matrices over a division ring D, based on the article Unitary elements in simple artinian rings of C. Chuang and P. Lee. iii

  Agradecimentos

  ` A minha orientadora, professora Ana Cristina Vieira, pelos ensinamentos valiosos, acompanhamento cont´ınuo e sol´ıcito e por sua admir´avel dedica¸c˜ao.

  Ao professor Michel Spira, pela confian¸ca e incentivo, pelo interesse e aten¸c˜ao para com o trabalho desenvolvido e por todas as sugest˜oes. Ao professor Adilson Gon¸calves, pelas sugest˜oes e considera¸c˜oes feitas ao tra- balho. Aos professores Antˆonio Giambruno (Universidade de Palermo), Vitor de Oliveira

  Ferreira (USP) e Jairo Zacarias Gon¸calves (USP), pelo cuidado e prontid˜ao com que responderam aos nossos questionamentos.

  Aos professores e funcion´arios do Departamento de Matem´atica da UFMG, pelo est´ımulo, forma¸c˜ao e conv´ıvio. Aos amigos, pelo carinho, companheirismo e torcida. Aos meus pais e irm˜as, pelo amor diariamente manifestado em pequenos-grandes gestos, pelo apoio e compreens˜ao.

  A Deus, meu eterno e grande Amigo, por nos querer cada vez mais plenos, pelo infinito amor, pela doce e terna presen¸ca!... iv Sum´ ario

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Involu¸c˜ oes e elementos Cayley unit´ arios

em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

Viviane Ribeiro Tomaz da Silva

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Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

  Seja ∗ a involu¸c˜ao canˆonica da ´algebra de grupo KG induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x para x ∈ G. No caso em que K ´e uma extens˜ao real de Q, consideramos elementos

  −1

  ) Cayley unit´arios constru´ıdos a partir de elementos anti-sim´etricos k = α(x − x em KG tais que 1 + k ´e invert´ıvel em KG, para α ∈ K e x ∈ G. As constru¸c˜oes

  −1

  envolvem uma interessante seq¨ uˆencia nos coeficientes de (1 + k) , que ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci quando α = 1. Estudamos tamb´em involu¸c˜oes e elementos Cayley unit´arios no anel M n

  (D) de matrizes n × n sobre um anel de divis˜ao D, baseados no artigo Unitary elements in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee. ii Abstract

  Let ∗ denote the canonical involution of the group algebra KG induced by the map

  −1

  x 7→ x for x ∈ G. In case K is a real extension of Q, we consider Cayley unitary

  −1

  ) in KG such that 1+k is invertible elements built out of skew elements k = α(x−x in KG, for α ∈ K and x ∈ G. The constructions involve an interesting sequence in

  −1

  the coefficients of (1 + k) which is the Fibonacci sequence when α = 1. We also study involutions and Cayley unitary elements in the ring M n (D) of n × n matrices over a division ring D, based on the article Unitary elements in simple artinian rings of C. Chuang and P. Lee. iii

  Agradecimentos

  ` A minha orientadora, professora Ana Cristina Vieira, pelos ensinamentos valiosos, acompanhamento cont´ınuo e sol´ıcito e por sua admir´avel dedica¸c˜ao.

  Ao professor Michel Spira, pela confian¸ca e incentivo, pelo interesse e aten¸c˜ao para com o trabalho desenvolvido e por todas as sugest˜oes. Ao professor Adilson Gon¸calves, pelas sugest˜oes e considera¸c˜oes feitas ao tra- balho. Aos professores Antˆonio Giambruno (Universidade de Palermo), Vitor de Oliveira

  Ferreira (USP) e Jairo Zacarias Gon¸calves (USP), pelo cuidado e prontid˜ao com que responderam aos nossos questionamentos.

  Aos professores e funcion´arios do Departamento de Matem´atica da UFMG, pelo est´ımulo, forma¸c˜ao e conv´ıvio. Aos amigos, pelo carinho, companheirismo e torcida. Aos meus pais e irm˜as, pelo amor diariamente manifestado em pequenos-grandes gestos, pelo apoio e compreens˜ao.

  A Deus, meu eterno e grande Amigo, por nos querer cada vez mais plenos, pelo infinito amor, pela doce e terna presen¸ca!... iv Sum´ ario

  Resumo ii

  )

  39

  3 Involu¸c˜ oes em an´ eis de matrizes

  ) . . 33

  −1

  2.4 Elementos Cayley unit´arios de KG obtidos a partir de α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

  −1

  ))

  −1

  2.3 Encontrando (1 + α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

  −1

  −1

  Abstract iii

  2.2 Encontrando (1 + x − x

  2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . 21

  2 Elementos Cayley unit´ arios de ´ algebras de grupos 21

  1.4 Fun¸c˜oes geradoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

  1.3 Elementos unit´arios e Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

  1.2 Involu¸c˜oes em um anel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

  1.1 M´odulos e ´algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

  4

  1 Conceitos e resultados essenciais

  1

  Introdu¸c˜ ao

  Agradecimentos iv

  3.1 Isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 v

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Involu¸c˜ oes e elementos Cayley unit´ arios

em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

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Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

  Seja ∗ a involu¸c˜ao canˆonica da ´algebra de grupo KG induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x para x ∈ G. No caso em que K ´e uma extens˜ao real de Q, consideramos elementos

  −1

  ) Cayley unit´arios constru´ıdos a partir de elementos anti-sim´etricos k = α(x − x em KG tais que 1 + k ´e invert´ıvel em KG, para α ∈ K e x ∈ G. As constru¸c˜oes

  −1

  envolvem uma interessante seq¨ uˆencia nos coeficientes de (1 + k) , que ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci quando α = 1. Estudamos tamb´em involu¸c˜oes e elementos Cayley unit´arios no anel M n

  (D) de matrizes n × n sobre um anel de divis˜ao D, baseados no artigo Unitary elements in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee. ii Abstract

  Let ∗ denote the canonical involution of the group algebra KG induced by the map

  −1

  x 7→ x for x ∈ G. In case K is a real extension of Q, we consider Cayley unitary

  −1

  ) in KG such that 1+k is invertible elements built out of skew elements k = α(x−x in KG, for α ∈ K and x ∈ G. The constructions involve an interesting sequence in

  −1

  the coefficients of (1 + k) which is the Fibonacci sequence when α = 1. We also study involutions and Cayley unitary elements in the ring M n (D) of n × n matrices over a division ring D, based on the article Unitary elements in simple artinian rings of C. Chuang and P. Lee. iii

  Agradecimentos

  ` A minha orientadora, professora Ana Cristina Vieira, pelos ensinamentos valiosos, acompanhamento cont´ınuo e sol´ıcito e por sua admir´avel dedica¸c˜ao.

  Ao professor Michel Spira, pela confian¸ca e incentivo, pelo interesse e aten¸c˜ao para com o trabalho desenvolvido e por todas as sugest˜oes. Ao professor Adilson Gon¸calves, pelas sugest˜oes e considera¸c˜oes feitas ao tra- balho. Aos professores Antˆonio Giambruno (Universidade de Palermo), Vitor de Oliveira

  Ferreira (USP) e Jairo Zacarias Gon¸calves (USP), pelo cuidado e prontid˜ao com que responderam aos nossos questionamentos.

  Aos professores e funcion´arios do Departamento de Matem´atica da UFMG, pelo est´ımulo, forma¸c˜ao e conv´ıvio. Aos amigos, pelo carinho, companheirismo e torcida. Aos meus pais e irm˜as, pelo amor diariamente manifestado em pequenos-grandes gestos, pelo apoio e compreens˜ao.

  A Deus, meu eterno e grande Amigo, por nos querer cada vez mais plenos, pelo infinito amor, pela doce e terna presen¸ca!... iv Sum´ ario

  Resumo ii

  )

  39

  3 Involu¸c˜ oes em an´ eis de matrizes

  ) . . 33

  −1

  2.4 Elementos Cayley unit´arios de KG obtidos a partir de α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

  −1

  ))

  −1

  2.3 Encontrando (1 + α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

  −1

  −1

  Abstract iii

  2.2 Encontrando (1 + x − x

  2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . 21

  2 Elementos Cayley unit´ arios de ´ algebras de grupos 21

  1.4 Fun¸c˜oes geradoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

  1.3 Elementos unit´arios e Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

  1.2 Involu¸c˜oes em um anel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

  1.1 M´odulos e ´algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

  4

  1 Conceitos e resultados essenciais

  1

  Introdu¸c˜ ao

  Agradecimentos iv

  3.1 Isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 v

  3.2 Caracteriza¸c˜ao de involu¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

  3.3 Produto de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Considera¸c˜ oes Finais

  56 Referˆ encias Bibliogr´ aficas

  58 vi Introdu¸c˜ ao

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em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

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Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

  Seja ∗ a involu¸c˜ao canˆonica da ´algebra de grupo KG induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x para x ∈ G. No caso em que K ´e uma extens˜ao real de Q, consideramos elementos

  −1

  ) Cayley unit´arios constru´ıdos a partir de elementos anti-sim´etricos k = α(x − x em KG tais que 1 + k ´e invert´ıvel em KG, para α ∈ K e x ∈ G. As constru¸c˜oes

  −1

  envolvem uma interessante seq¨ uˆencia nos coeficientes de (1 + k) , que ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci quando α = 1. Estudamos tamb´em involu¸c˜oes e elementos Cayley unit´arios no anel M n

  (D) de matrizes n × n sobre um anel de divis˜ao D, baseados no artigo Unitary elements in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee. ii Abstract

  Let ∗ denote the canonical involution of the group algebra KG induced by the map

  −1

  x 7→ x for x ∈ G. In case K is a real extension of Q, we consider Cayley unitary

  −1

  ) in KG such that 1+k is invertible elements built out of skew elements k = α(x−x in KG, for α ∈ K and x ∈ G. The constructions involve an interesting sequence in

  −1

  the coefficients of (1 + k) which is the Fibonacci sequence when α = 1. We also study involutions and Cayley unitary elements in the ring M n (D) of n × n matrices over a division ring D, based on the article Unitary elements in simple artinian rings of C. Chuang and P. Lee. iii

  Agradecimentos

  ` A minha orientadora, professora Ana Cristina Vieira, pelos ensinamentos valiosos, acompanhamento cont´ınuo e sol´ıcito e por sua admir´avel dedica¸c˜ao.

  Ao professor Michel Spira, pela confian¸ca e incentivo, pelo interesse e aten¸c˜ao para com o trabalho desenvolvido e por todas as sugest˜oes. Ao professor Adilson Gon¸calves, pelas sugest˜oes e considera¸c˜oes feitas ao tra- balho. Aos professores Antˆonio Giambruno (Universidade de Palermo), Vitor de Oliveira

  Ferreira (USP) e Jairo Zacarias Gon¸calves (USP), pelo cuidado e prontid˜ao com que responderam aos nossos questionamentos.

  Aos professores e funcion´arios do Departamento de Matem´atica da UFMG, pelo est´ımulo, forma¸c˜ao e conv´ıvio. Aos amigos, pelo carinho, companheirismo e torcida. Aos meus pais e irm˜as, pelo amor diariamente manifestado em pequenos-grandes gestos, pelo apoio e compreens˜ao.

  A Deus, meu eterno e grande Amigo, por nos querer cada vez mais plenos, pelo infinito amor, pela doce e terna presen¸ca!... iv Sum´ ario

  Resumo ii

  )

  39

  3 Involu¸c˜ oes em an´ eis de matrizes

  ) . . 33

  −1

  2.4 Elementos Cayley unit´arios de KG obtidos a partir de α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

  −1

  ))

  −1

  2.3 Encontrando (1 + α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

  −1

  −1

  Abstract iii

  2.2 Encontrando (1 + x − x

  2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . 21

  2 Elementos Cayley unit´ arios de ´ algebras de grupos 21

  1.4 Fun¸c˜oes geradoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

  1.3 Elementos unit´arios e Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

  1.2 Involu¸c˜oes em um anel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

  1.1 M´odulos e ´algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

  4

  1 Conceitos e resultados essenciais

  1

  Introdu¸c˜ ao

  Agradecimentos iv

  3.1 Isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 v

  3.2 Caracteriza¸c˜ao de involu¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

  3.3 Produto de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Considera¸c˜ oes Finais

  56 Referˆ encias Bibliogr´ aficas

  58 vi Introdu¸c˜ ao

  Entendemos por involu¸c˜ao um anti-automorfismo de ordem 2 em um anel. Um dos exemplos mais elementares ´e a aplica¸c˜ao transposta no anel de matrizes sobre um corpo. A “´algebra-multiplica¸c˜ao de uma superf´ıcie de Riemann” ´e um exemplo de uma ´algebra sobre Q admitindo uma involu¸c˜ao e foi a motiva¸c˜ao para a investiga¸c˜ao de an´eis com involu¸c˜ao iniciado por A. Albert [1] no in´ıcio dos anos 30.

  Em 1998, M. A. Knus, A. Merkurjev, M. Rost e J. P. Tignol publicaram o livro

  

The book of involutions [8], que trata de involu¸c˜oes de uma maneira bem geral e

  apresenta resultados um tanto quanto sofisticados. Anterior a estes autores, em 1976, I. Herstein [6] tamb´em dedicou um livro a este assunto intitulado Rings with

  

involution, onde tratou os resultados conhecidos at´e ent˜ao em uma variedade de

  dire¸c˜oes.

  Nesta disserta¸c˜ao, concentrar-nos-emos principalmente em an´eis de grupos e an´eis de matrizes munidos de involu¸c˜oes espec´ıficas e desenvolveremos resultados a res- peito de elementos Cayley unit´arios destes an´eis.

  Elementos unit´arios e Cayley unit´arios tˆem sido objetos de interesse no estudo de an´eis com involu¸c˜ao em recentes trabalhos de pesquisa. Em 1995, estes elementos foram particularmente estudados por C. Chuang e P. Lee [2] em an´eis de matrizes M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao. Eles determinaram condi¸c˜oes para que um elemento seja o produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D).

  Em 2001, J. Gon¸calves e D. Passman [5] mostraram que um par de elementos Cayley unit´arios em uma ´algebra de grupo KG essencialmente gera um subgrupo livre do grupo dos elementos unit´arios de KG.

  Dividiremos este trabalho em trˆes cap´ıtulos. O primeiro, intitulado “Conceitos e resultados essenciais”, possui quatro se¸c˜oes, sendo que as trˆes primeiras tratam de “M´odulos e ´algebras”, “Involu¸c˜oes em um anel” e “Elementos unit´arios e Cayley unit´arios” abordando estes conceitos, exemplos dos mesmos e alguns resultados a eles relacionados que ser˜ao importantes no decorrer deste texto. J´a a Se¸c˜ao 4,

  1 intitulada “Fun¸c˜oes geradoras”, explica resumidamente como podemos utiliz´a-las para tentar encontrar o termo geral de uma seq¨ uˆencia dada por uma rela¸c˜ao de recorrˆencia e as utiliza na obten¸c˜ao de uma f´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) recursivamente definida por

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Involu¸c˜ oes e elementos Cayley unit´ arios

em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

Viviane Ribeiro Tomaz da Silva

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Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

  Seja ∗ a involu¸c˜ao canˆonica da ´algebra de grupo KG induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x para x ∈ G. No caso em que K ´e uma extens˜ao real de Q, consideramos elementos

  −1

  ) Cayley unit´arios constru´ıdos a partir de elementos anti-sim´etricos k = α(x − x em KG tais que 1 + k ´e invert´ıvel em KG, para α ∈ K e x ∈ G. As constru¸c˜oes

  −1

  envolvem uma interessante seq¨ uˆencia nos coeficientes de (1 + k) , que ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci quando α = 1. Estudamos tamb´em involu¸c˜oes e elementos Cayley unit´arios no anel M n

  (D) de matrizes n × n sobre um anel de divis˜ao D, baseados no artigo Unitary elements in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee. ii Abstract

  Let ∗ denote the canonical involution of the group algebra KG induced by the map

  −1

  x 7→ x for x ∈ G. In case K is a real extension of Q, we consider Cayley unitary

  −1

  ) in KG such that 1+k is invertible elements built out of skew elements k = α(x−x in KG, for α ∈ K and x ∈ G. The constructions involve an interesting sequence in

  −1

  the coefficients of (1 + k) which is the Fibonacci sequence when α = 1. We also study involutions and Cayley unitary elements in the ring M n (D) of n × n matrices over a division ring D, based on the article Unitary elements in simple artinian rings of C. Chuang and P. Lee. iii

  Agradecimentos

  ` A minha orientadora, professora Ana Cristina Vieira, pelos ensinamentos valiosos, acompanhamento cont´ınuo e sol´ıcito e por sua admir´avel dedica¸c˜ao.

  Ao professor Michel Spira, pela confian¸ca e incentivo, pelo interesse e aten¸c˜ao para com o trabalho desenvolvido e por todas as sugest˜oes. Ao professor Adilson Gon¸calves, pelas sugest˜oes e considera¸c˜oes feitas ao tra- balho. Aos professores Antˆonio Giambruno (Universidade de Palermo), Vitor de Oliveira

  Ferreira (USP) e Jairo Zacarias Gon¸calves (USP), pelo cuidado e prontid˜ao com que responderam aos nossos questionamentos.

  Aos professores e funcion´arios do Departamento de Matem´atica da UFMG, pelo est´ımulo, forma¸c˜ao e conv´ıvio. Aos amigos, pelo carinho, companheirismo e torcida. Aos meus pais e irm˜as, pelo amor diariamente manifestado em pequenos-grandes gestos, pelo apoio e compreens˜ao.

  A Deus, meu eterno e grande Amigo, por nos querer cada vez mais plenos, pelo infinito amor, pela doce e terna presen¸ca!... iv Sum´ ario

  Resumo ii

  )

  39

  3 Involu¸c˜ oes em an´ eis de matrizes

  ) . . 33

  −1

  2.4 Elementos Cayley unit´arios de KG obtidos a partir de α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

  −1

  ))

  −1

  2.3 Encontrando (1 + α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

  −1

  −1

  Abstract iii

  2.2 Encontrando (1 + x − x

  2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . 21

  2 Elementos Cayley unit´ arios de ´ algebras de grupos 21

  1.4 Fun¸c˜oes geradoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

  1.3 Elementos unit´arios e Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

  1.2 Involu¸c˜oes em um anel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

  1.1 M´odulos e ´algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

  4

  1 Conceitos e resultados essenciais

  1

  Introdu¸c˜ ao

  Agradecimentos iv

  3.1 Isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 v

  3.2 Caracteriza¸c˜ao de involu¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

  3.3 Produto de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Considera¸c˜ oes Finais

  56 Referˆ encias Bibliogr´ aficas

  58 vi Introdu¸c˜ ao

  Entendemos por involu¸c˜ao um anti-automorfismo de ordem 2 em um anel. Um dos exemplos mais elementares ´e a aplica¸c˜ao transposta no anel de matrizes sobre um corpo. A “´algebra-multiplica¸c˜ao de uma superf´ıcie de Riemann” ´e um exemplo de uma ´algebra sobre Q admitindo uma involu¸c˜ao e foi a motiva¸c˜ao para a investiga¸c˜ao de an´eis com involu¸c˜ao iniciado por A. Albert [1] no in´ıcio dos anos 30.

  Em 1998, M. A. Knus, A. Merkurjev, M. Rost e J. P. Tignol publicaram o livro

  

The book of involutions [8], que trata de involu¸c˜oes de uma maneira bem geral e

  apresenta resultados um tanto quanto sofisticados. Anterior a estes autores, em 1976, I. Herstein [6] tamb´em dedicou um livro a este assunto intitulado Rings with

  

involution, onde tratou os resultados conhecidos at´e ent˜ao em uma variedade de

  dire¸c˜oes.

  Nesta disserta¸c˜ao, concentrar-nos-emos principalmente em an´eis de grupos e an´eis de matrizes munidos de involu¸c˜oes espec´ıficas e desenvolveremos resultados a res- peito de elementos Cayley unit´arios destes an´eis.

  Elementos unit´arios e Cayley unit´arios tˆem sido objetos de interesse no estudo de an´eis com involu¸c˜ao em recentes trabalhos de pesquisa. Em 1995, estes elementos foram particularmente estudados por C. Chuang e P. Lee [2] em an´eis de matrizes M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao. Eles determinaram condi¸c˜oes para que um elemento seja o produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D).

  Em 2001, J. Gon¸calves e D. Passman [5] mostraram que um par de elementos Cayley unit´arios em uma ´algebra de grupo KG essencialmente gera um subgrupo livre do grupo dos elementos unit´arios de KG.

  Dividiremos este trabalho em trˆes cap´ıtulos. O primeiro, intitulado “Conceitos e resultados essenciais”, possui quatro se¸c˜oes, sendo que as trˆes primeiras tratam de “M´odulos e ´algebras”, “Involu¸c˜oes em um anel” e “Elementos unit´arios e Cayley unit´arios” abordando estes conceitos, exemplos dos mesmos e alguns resultados a eles relacionados que ser˜ao importantes no decorrer deste texto. J´a a Se¸c˜ao 4,

  1 intitulada “Fun¸c˜oes geradoras”, explica resumidamente como podemos utiliz´a-las para tentar encontrar o termo geral de uma seq¨ uˆencia dada por uma rela¸c˜ao de recorrˆencia e as utiliza na obten¸c˜ao de uma f´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) recursivamente definida por

  2

  G = 0, G 1 = 1 e G i = α G + G , i > 2,

  i−2 i−1

  onde α ´e um elemento de uma extens˜ao real de Q. Tal f´ormula ser´a importante na demonstra¸c˜ao do Teorema 2.3.1.

  O Cap´ıtulo 2 trata sobretudo de elementos Cayley unit´arios da ´algebra de grupo KG sobre um corpo K, a pr´ıncipio de caracter´ıstica zero, munida da involu¸c˜ao

  −1

  canˆonica induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x , x ∈ G. Este cap´ıtulo se inicia com exemplos de elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores do conjunto dos elementos anti-sim´etricos de KG para alguns grupos finitos.

  A partir da observa¸c˜ao dos exemplos constru´ıdos, elaboramos hip´oteses que s˜ao trabalhadas a partir de novos exemplos e de uma observa¸c˜ao cada vez mais mi- nunciosa dos mesmos. Todo este processo culmina primeiramente na obten¸c˜ao do

  −1

  em KG, quando Teorema 2.2.1 que garante a existˆencia do inverso de 1 + x − x x ∈ G, o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, e al´em disso nos fornece uma express˜ao expl´ıcita para tal inverso em fun¸c˜ao da seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ) definida recursivamente por F = 0, F = 1 e F = F + F , para i > 2.

  1 i i−2 i−1

  Em seguida, obtemos o Teorema 2.3.1 que consiste em uma generaliza¸c˜ao do Teo-

  −1

  rema 2.2.1, garantindo a existˆencia do inverso de 1+α(x−x ) em KG, para α ∈ K, e fornecendo uma express˜ao para este inverso. Neste resultado, exigimos como hip´otese que K seja uma extens˜ao real de

  Q e vemos que a express˜ao obtida para

  −1

  ) depende da seq¨ uˆencia (G i ) definida acima que, por sua o inverso de 1 + α(x − x vez, constitui uma generaliza¸c˜ao da seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ). Finalmente, no Teorema 2.4.1, damos uma f´ormula expl´ıcita para o elemento Cayley unit´ario de

  −1

  ). ´ E feita, ent˜ao, a caracteriza¸c˜ao dos elementos KG obtido a partir de α(x − x Cayley unit´arios de QG para alguns grupos pequenos.

  O cap´ıtulo termina com duas proposi¸c˜oes e um exemplo que buscam responder as seguintes quest˜oes:

  X “Que elementos de G s˜ao elementos Cayley unit´arios de KG?”

  X “A partir de que elementos anti-sim´etricos de KG eles s˜ao obtidos?”

  X “Se x ∈ G e o(x) ´e par, ent˜ao x ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de KG?”.

  2 O terceiro cap´ıtulo lida com involu¸c˜oes em um anel de matrizes M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao. Este cap´ıtulo ´e baseado sobretudo no artigo Unitary elements

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

  

INSTITUTO DE CIˆ ENCIAS EXATAS

Departamento de Matem´ atica

Involu¸c˜ oes e elementos Cayley unit´ arios

em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

Viviane Ribeiro Tomaz da Silva

Orientadora: Ana Cristina Vieira

Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

  Seja ∗ a involu¸c˜ao canˆonica da ´algebra de grupo KG induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x para x ∈ G. No caso em que K ´e uma extens˜ao real de Q, consideramos elementos

  −1

  ) Cayley unit´arios constru´ıdos a partir de elementos anti-sim´etricos k = α(x − x em KG tais que 1 + k ´e invert´ıvel em KG, para α ∈ K e x ∈ G. As constru¸c˜oes

  −1

  envolvem uma interessante seq¨ uˆencia nos coeficientes de (1 + k) , que ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci quando α = 1. Estudamos tamb´em involu¸c˜oes e elementos Cayley unit´arios no anel M n

  (D) de matrizes n × n sobre um anel de divis˜ao D, baseados no artigo Unitary elements in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee. ii Abstract

  Let ∗ denote the canonical involution of the group algebra KG induced by the map

  −1

  x 7→ x for x ∈ G. In case K is a real extension of Q, we consider Cayley unitary

  −1

  ) in KG such that 1+k is invertible elements built out of skew elements k = α(x−x in KG, for α ∈ K and x ∈ G. The constructions involve an interesting sequence in

  −1

  the coefficients of (1 + k) which is the Fibonacci sequence when α = 1. We also study involutions and Cayley unitary elements in the ring M n (D) of n × n matrices over a division ring D, based on the article Unitary elements in simple artinian rings of C. Chuang and P. Lee. iii

  Agradecimentos

  ` A minha orientadora, professora Ana Cristina Vieira, pelos ensinamentos valiosos, acompanhamento cont´ınuo e sol´ıcito e por sua admir´avel dedica¸c˜ao.

  Ao professor Michel Spira, pela confian¸ca e incentivo, pelo interesse e aten¸c˜ao para com o trabalho desenvolvido e por todas as sugest˜oes. Ao professor Adilson Gon¸calves, pelas sugest˜oes e considera¸c˜oes feitas ao tra- balho. Aos professores Antˆonio Giambruno (Universidade de Palermo), Vitor de Oliveira

  Ferreira (USP) e Jairo Zacarias Gon¸calves (USP), pelo cuidado e prontid˜ao com que responderam aos nossos questionamentos.

  Aos professores e funcion´arios do Departamento de Matem´atica da UFMG, pelo est´ımulo, forma¸c˜ao e conv´ıvio. Aos amigos, pelo carinho, companheirismo e torcida. Aos meus pais e irm˜as, pelo amor diariamente manifestado em pequenos-grandes gestos, pelo apoio e compreens˜ao.

  A Deus, meu eterno e grande Amigo, por nos querer cada vez mais plenos, pelo infinito amor, pela doce e terna presen¸ca!... iv Sum´ ario

  Resumo ii

  )

  39

  3 Involu¸c˜ oes em an´ eis de matrizes

  ) . . 33

  −1

  2.4 Elementos Cayley unit´arios de KG obtidos a partir de α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

  −1

  ))

  −1

  2.3 Encontrando (1 + α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

  −1

  −1

  Abstract iii

  2.2 Encontrando (1 + x − x

  2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . 21

  2 Elementos Cayley unit´ arios de ´ algebras de grupos 21

  1.4 Fun¸c˜oes geradoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

  1.3 Elementos unit´arios e Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

  1.2 Involu¸c˜oes em um anel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

  1.1 M´odulos e ´algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

  4

  1 Conceitos e resultados essenciais

  1

  Introdu¸c˜ ao

  Agradecimentos iv

  3.1 Isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 v

  3.2 Caracteriza¸c˜ao de involu¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

  3.3 Produto de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Considera¸c˜ oes Finais

  56 Referˆ encias Bibliogr´ aficas

  58 vi Introdu¸c˜ ao

  Entendemos por involu¸c˜ao um anti-automorfismo de ordem 2 em um anel. Um dos exemplos mais elementares ´e a aplica¸c˜ao transposta no anel de matrizes sobre um corpo. A “´algebra-multiplica¸c˜ao de uma superf´ıcie de Riemann” ´e um exemplo de uma ´algebra sobre Q admitindo uma involu¸c˜ao e foi a motiva¸c˜ao para a investiga¸c˜ao de an´eis com involu¸c˜ao iniciado por A. Albert [1] no in´ıcio dos anos 30.

  Em 1998, M. A. Knus, A. Merkurjev, M. Rost e J. P. Tignol publicaram o livro

  

The book of involutions [8], que trata de involu¸c˜oes de uma maneira bem geral e

  apresenta resultados um tanto quanto sofisticados. Anterior a estes autores, em 1976, I. Herstein [6] tamb´em dedicou um livro a este assunto intitulado Rings with

  

involution, onde tratou os resultados conhecidos at´e ent˜ao em uma variedade de

  dire¸c˜oes.

  Nesta disserta¸c˜ao, concentrar-nos-emos principalmente em an´eis de grupos e an´eis de matrizes munidos de involu¸c˜oes espec´ıficas e desenvolveremos resultados a res- peito de elementos Cayley unit´arios destes an´eis.

  Elementos unit´arios e Cayley unit´arios tˆem sido objetos de interesse no estudo de an´eis com involu¸c˜ao em recentes trabalhos de pesquisa. Em 1995, estes elementos foram particularmente estudados por C. Chuang e P. Lee [2] em an´eis de matrizes M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao. Eles determinaram condi¸c˜oes para que um elemento seja o produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D).

  Em 2001, J. Gon¸calves e D. Passman [5] mostraram que um par de elementos Cayley unit´arios em uma ´algebra de grupo KG essencialmente gera um subgrupo livre do grupo dos elementos unit´arios de KG.

  Dividiremos este trabalho em trˆes cap´ıtulos. O primeiro, intitulado “Conceitos e resultados essenciais”, possui quatro se¸c˜oes, sendo que as trˆes primeiras tratam de “M´odulos e ´algebras”, “Involu¸c˜oes em um anel” e “Elementos unit´arios e Cayley unit´arios” abordando estes conceitos, exemplos dos mesmos e alguns resultados a eles relacionados que ser˜ao importantes no decorrer deste texto. J´a a Se¸c˜ao 4,

  1 intitulada “Fun¸c˜oes geradoras”, explica resumidamente como podemos utiliz´a-las para tentar encontrar o termo geral de uma seq¨ uˆencia dada por uma rela¸c˜ao de recorrˆencia e as utiliza na obten¸c˜ao de uma f´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) recursivamente definida por

  2

  G = 0, G 1 = 1 e G i = α G + G , i > 2,

  i−2 i−1

  onde α ´e um elemento de uma extens˜ao real de Q. Tal f´ormula ser´a importante na demonstra¸c˜ao do Teorema 2.3.1.

  O Cap´ıtulo 2 trata sobretudo de elementos Cayley unit´arios da ´algebra de grupo KG sobre um corpo K, a pr´ıncipio de caracter´ıstica zero, munida da involu¸c˜ao

  −1

  canˆonica induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x , x ∈ G. Este cap´ıtulo se inicia com exemplos de elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores do conjunto dos elementos anti-sim´etricos de KG para alguns grupos finitos.

  A partir da observa¸c˜ao dos exemplos constru´ıdos, elaboramos hip´oteses que s˜ao trabalhadas a partir de novos exemplos e de uma observa¸c˜ao cada vez mais mi- nunciosa dos mesmos. Todo este processo culmina primeiramente na obten¸c˜ao do

  −1

  em KG, quando Teorema 2.2.1 que garante a existˆencia do inverso de 1 + x − x x ∈ G, o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, e al´em disso nos fornece uma express˜ao expl´ıcita para tal inverso em fun¸c˜ao da seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ) definida recursivamente por F = 0, F = 1 e F = F + F , para i > 2.

  1 i i−2 i−1

  Em seguida, obtemos o Teorema 2.3.1 que consiste em uma generaliza¸c˜ao do Teo-

  −1

  rema 2.2.1, garantindo a existˆencia do inverso de 1+α(x−x ) em KG, para α ∈ K, e fornecendo uma express˜ao para este inverso. Neste resultado, exigimos como hip´otese que K seja uma extens˜ao real de

  Q e vemos que a express˜ao obtida para

  −1

  ) depende da seq¨ uˆencia (G i ) definida acima que, por sua o inverso de 1 + α(x − x vez, constitui uma generaliza¸c˜ao da seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ). Finalmente, no Teorema 2.4.1, damos uma f´ormula expl´ıcita para o elemento Cayley unit´ario de

  −1

  ). ´ E feita, ent˜ao, a caracteriza¸c˜ao dos elementos KG obtido a partir de α(x − x Cayley unit´arios de QG para alguns grupos pequenos.

  O cap´ıtulo termina com duas proposi¸c˜oes e um exemplo que buscam responder as seguintes quest˜oes:

  X “Que elementos de G s˜ao elementos Cayley unit´arios de KG?”

  X “A partir de que elementos anti-sim´etricos de KG eles s˜ao obtidos?”

  X “Se x ∈ G e o(x) ´e par, ent˜ao x ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de KG?”.

  2 O terceiro cap´ıtulo lida com involu¸c˜oes em um anel de matrizes M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao. Este cap´ıtulo ´e baseado sobretudo no artigo Unitary elements

  

in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee [2]. Os dois teoremas principais de

  tal artigo (nossos teoremas 3.3.2 e 3.3.8), junto com um corol´ario (nosso corol´ario 3.3.6), estabelecem a solu¸c˜ao do problema anteriormente mencionado de determi- nar condi¸c˜oes para que um elemento unit´ario seja um produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D), quando este anel est´a munido de uma involu¸c˜ao e a caracter´ıstica de D ´e diferente de 2.

  Omitimos a demonstra¸c˜ao do Teorema 3.3.8, procurando esclarecˆe-lo atrav´es de um exemplo, mas a prova do Teorema 3.3.2 feita por Chuang e Lee ´e apresentada neste trabalho e utiliza o Teorema 3.2.1. Este, por sua vez, nos permite caracte- rizar involu¸c˜oes em M n (D), a menos de isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao. A defini¸c˜ao geral de isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao e alguns exemplos destes isomorfismos em an´eis de matrizes s˜ao dados na Se¸c˜ao 1, enquanto a Se¸c˜ao 2 trata da caracteriza¸c˜ao de involu¸c˜oes em M (D). n

  A disserta¸c˜ao termina com a se¸c˜ao “Considera¸c˜oes finais”. Primeiramente ´e elaborada uma hip´otese sobre a existˆencia do inverso de

  3 2 p−1 p−3 p−2

  1 + α ) + α (x (x )

  1 3

  (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x em KC e, consequentemente, a respeito da existˆencia do elemento Cayley unit´ario p constru´ıdo a partir de

  3 2 p−1 p−3 p−2

  k = α ) + α (x (x ),

  1 3

  (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x quando K ´e uma extens˜ao real de Q, C p 1 , α 3 = hxi, p ´e um primo ´ımpar e α , · · · , α p−2 pertencem a K.

  A seguir s˜ao feitas considera¸c˜oes sobre hip´oteses mais fracas para o corpo K nos Teoremas 2.3.1 e 2.4.1. Por fim, ´e feito um ´ ultimo coment´ario que diz respeito `a generalidade das involu¸c˜oes e dos isomorfismos de an´eis de matrizes com involu¸c˜ao considerados na Se¸c˜ao 1 do Cap´ıtulo 3.

  3 Cap´ıtulo 1 Conceitos e resultados essenciais

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

  

INSTITUTO DE CIˆ ENCIAS EXATAS

Departamento de Matem´ atica

Involu¸c˜ oes e elementos Cayley unit´ arios

em ´ algebras de grupos e an´ eis de matrizes

  

Viviane Ribeiro Tomaz da Silva

Orientadora: Ana Cristina Vieira

Belo Horizonte - Dezembro de 2004 Resumo −1

  Seja ∗ a involu¸c˜ao canˆonica da ´algebra de grupo KG induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x para x ∈ G. No caso em que K ´e uma extens˜ao real de Q, consideramos elementos

  −1

  ) Cayley unit´arios constru´ıdos a partir de elementos anti-sim´etricos k = α(x − x em KG tais que 1 + k ´e invert´ıvel em KG, para α ∈ K e x ∈ G. As constru¸c˜oes

  −1

  envolvem uma interessante seq¨ uˆencia nos coeficientes de (1 + k) , que ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci quando α = 1. Estudamos tamb´em involu¸c˜oes e elementos Cayley unit´arios no anel M n

  (D) de matrizes n × n sobre um anel de divis˜ao D, baseados no artigo Unitary elements in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee. ii Abstract

  Let ∗ denote the canonical involution of the group algebra KG induced by the map

  −1

  x 7→ x for x ∈ G. In case K is a real extension of Q, we consider Cayley unitary

  −1

  ) in KG such that 1+k is invertible elements built out of skew elements k = α(x−x in KG, for α ∈ K and x ∈ G. The constructions involve an interesting sequence in

  −1

  the coefficients of (1 + k) which is the Fibonacci sequence when α = 1. We also study involutions and Cayley unitary elements in the ring M n (D) of n × n matrices over a division ring D, based on the article Unitary elements in simple artinian rings of C. Chuang and P. Lee. iii

  Agradecimentos

  ` A minha orientadora, professora Ana Cristina Vieira, pelos ensinamentos valiosos, acompanhamento cont´ınuo e sol´ıcito e por sua admir´avel dedica¸c˜ao.

  Ao professor Michel Spira, pela confian¸ca e incentivo, pelo interesse e aten¸c˜ao para com o trabalho desenvolvido e por todas as sugest˜oes. Ao professor Adilson Gon¸calves, pelas sugest˜oes e considera¸c˜oes feitas ao tra- balho. Aos professores Antˆonio Giambruno (Universidade de Palermo), Vitor de Oliveira

  Ferreira (USP) e Jairo Zacarias Gon¸calves (USP), pelo cuidado e prontid˜ao com que responderam aos nossos questionamentos.

  Aos professores e funcion´arios do Departamento de Matem´atica da UFMG, pelo est´ımulo, forma¸c˜ao e conv´ıvio. Aos amigos, pelo carinho, companheirismo e torcida. Aos meus pais e irm˜as, pelo amor diariamente manifestado em pequenos-grandes gestos, pelo apoio e compreens˜ao.

  A Deus, meu eterno e grande Amigo, por nos querer cada vez mais plenos, pelo infinito amor, pela doce e terna presen¸ca!... iv Sum´ ario

  Resumo ii

  )

  39

  3 Involu¸c˜ oes em an´ eis de matrizes

  ) . . 33

  −1

  2.4 Elementos Cayley unit´arios de KG obtidos a partir de α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

  −1

  ))

  −1

  2.3 Encontrando (1 + α(x − x

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

  −1

  −1

  Abstract iii

  2.2 Encontrando (1 + x − x

  2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . 21

  2 Elementos Cayley unit´ arios de ´ algebras de grupos 21

  1.4 Fun¸c˜oes geradoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

  1.3 Elementos unit´arios e Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

  1.2 Involu¸c˜oes em um anel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

  1.1 M´odulos e ´algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

  4

  1 Conceitos e resultados essenciais

  1

  Introdu¸c˜ ao

  Agradecimentos iv

  3.1 Isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 v

  3.2 Caracteriza¸c˜ao de involu¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

  3.3 Produto de elementos Cayley unit´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Considera¸c˜ oes Finais

  56 Referˆ encias Bibliogr´ aficas

  58 vi Introdu¸c˜ ao

  Entendemos por involu¸c˜ao um anti-automorfismo de ordem 2 em um anel. Um dos exemplos mais elementares ´e a aplica¸c˜ao transposta no anel de matrizes sobre um corpo. A “´algebra-multiplica¸c˜ao de uma superf´ıcie de Riemann” ´e um exemplo de uma ´algebra sobre Q admitindo uma involu¸c˜ao e foi a motiva¸c˜ao para a investiga¸c˜ao de an´eis com involu¸c˜ao iniciado por A. Albert [1] no in´ıcio dos anos 30.

  Em 1998, M. A. Knus, A. Merkurjev, M. Rost e J. P. Tignol publicaram o livro

  

The book of involutions [8], que trata de involu¸c˜oes de uma maneira bem geral e

  apresenta resultados um tanto quanto sofisticados. Anterior a estes autores, em 1976, I. Herstein [6] tamb´em dedicou um livro a este assunto intitulado Rings with

  

involution, onde tratou os resultados conhecidos at´e ent˜ao em uma variedade de

  dire¸c˜oes.

  Nesta disserta¸c˜ao, concentrar-nos-emos principalmente em an´eis de grupos e an´eis de matrizes munidos de involu¸c˜oes espec´ıficas e desenvolveremos resultados a res- peito de elementos Cayley unit´arios destes an´eis.

  Elementos unit´arios e Cayley unit´arios tˆem sido objetos de interesse no estudo de an´eis com involu¸c˜ao em recentes trabalhos de pesquisa. Em 1995, estes elementos foram particularmente estudados por C. Chuang e P. Lee [2] em an´eis de matrizes M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao. Eles determinaram condi¸c˜oes para que um elemento seja o produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D).

  Em 2001, J. Gon¸calves e D. Passman [5] mostraram que um par de elementos Cayley unit´arios em uma ´algebra de grupo KG essencialmente gera um subgrupo livre do grupo dos elementos unit´arios de KG.

  Dividiremos este trabalho em trˆes cap´ıtulos. O primeiro, intitulado “Conceitos e resultados essenciais”, possui quatro se¸c˜oes, sendo que as trˆes primeiras tratam de “M´odulos e ´algebras”, “Involu¸c˜oes em um anel” e “Elementos unit´arios e Cayley unit´arios” abordando estes conceitos, exemplos dos mesmos e alguns resultados a eles relacionados que ser˜ao importantes no decorrer deste texto. J´a a Se¸c˜ao 4,

  1 intitulada “Fun¸c˜oes geradoras”, explica resumidamente como podemos utiliz´a-las para tentar encontrar o termo geral de uma seq¨ uˆencia dada por uma rela¸c˜ao de recorrˆencia e as utiliza na obten¸c˜ao de uma f´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) recursivamente definida por

  2

  G = 0, G 1 = 1 e G i = α G + G , i > 2,

  i−2 i−1

  onde α ´e um elemento de uma extens˜ao real de Q. Tal f´ormula ser´a importante na demonstra¸c˜ao do Teorema 2.3.1.

  O Cap´ıtulo 2 trata sobretudo de elementos Cayley unit´arios da ´algebra de grupo KG sobre um corpo K, a pr´ıncipio de caracter´ıstica zero, munida da involu¸c˜ao

  −1

  canˆonica induzida pela aplica¸c˜ao x 7→ x , x ∈ G. Este cap´ıtulo se inicia com exemplos de elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores do conjunto dos elementos anti-sim´etricos de KG para alguns grupos finitos.

  A partir da observa¸c˜ao dos exemplos constru´ıdos, elaboramos hip´oteses que s˜ao trabalhadas a partir de novos exemplos e de uma observa¸c˜ao cada vez mais mi- nunciosa dos mesmos. Todo este processo culmina primeiramente na obten¸c˜ao do

  −1

  em KG, quando Teorema 2.2.1 que garante a existˆencia do inverso de 1 + x − x x ∈ G, o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, e al´em disso nos fornece uma express˜ao expl´ıcita para tal inverso em fun¸c˜ao da seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ) definida recursivamente por F = 0, F = 1 e F = F + F , para i > 2.

  1 i i−2 i−1

  Em seguida, obtemos o Teorema 2.3.1 que consiste em uma generaliza¸c˜ao do Teo-

  −1

  rema 2.2.1, garantindo a existˆencia do inverso de 1+α(x−x ) em KG, para α ∈ K, e fornecendo uma express˜ao para este inverso. Neste resultado, exigimos como hip´otese que K seja uma extens˜ao real de

  Q e vemos que a express˜ao obtida para

  −1

  ) depende da seq¨ uˆencia (G i ) definida acima que, por sua o inverso de 1 + α(x − x vez, constitui uma generaliza¸c˜ao da seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ). Finalmente, no Teorema 2.4.1, damos uma f´ormula expl´ıcita para o elemento Cayley unit´ario de

  −1

  ). ´ E feita, ent˜ao, a caracteriza¸c˜ao dos elementos KG obtido a partir de α(x − x Cayley unit´arios de QG para alguns grupos pequenos.

  O cap´ıtulo termina com duas proposi¸c˜oes e um exemplo que buscam responder as seguintes quest˜oes:

  X “Que elementos de G s˜ao elementos Cayley unit´arios de KG?”

  X “A partir de que elementos anti-sim´etricos de KG eles s˜ao obtidos?”

  X “Se x ∈ G e o(x) ´e par, ent˜ao x ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de KG?”.

  2 O terceiro cap´ıtulo lida com involu¸c˜oes em um anel de matrizes M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao. Este cap´ıtulo ´e baseado sobretudo no artigo Unitary elements

  

in simple artinian rings de C. Chuang e P. Lee [2]. Os dois teoremas principais de

  tal artigo (nossos teoremas 3.3.2 e 3.3.8), junto com um corol´ario (nosso corol´ario 3.3.6), estabelecem a solu¸c˜ao do problema anteriormente mencionado de determi- nar condi¸c˜oes para que um elemento unit´ario seja um produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D), quando este anel est´a munido de uma involu¸c˜ao e a caracter´ıstica de D ´e diferente de 2.

  Omitimos a demonstra¸c˜ao do Teorema 3.3.8, procurando esclarecˆe-lo atrav´es de um exemplo, mas a prova do Teorema 3.3.2 feita por Chuang e Lee ´e apresentada neste trabalho e utiliza o Teorema 3.2.1. Este, por sua vez, nos permite caracte- rizar involu¸c˜oes em M n (D), a menos de isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao. A defini¸c˜ao geral de isomorfismos de an´eis com involu¸c˜ao e alguns exemplos destes isomorfismos em an´eis de matrizes s˜ao dados na Se¸c˜ao 1, enquanto a Se¸c˜ao 2 trata da caracteriza¸c˜ao de involu¸c˜oes em M (D). n

  A disserta¸c˜ao termina com a se¸c˜ao “Considera¸c˜oes finais”. Primeiramente ´e elaborada uma hip´otese sobre a existˆencia do inverso de

  3 2 p−1 p−3 p−2

  1 + α ) + α (x (x )

  1 3

  (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x em KC e, consequentemente, a respeito da existˆencia do elemento Cayley unit´ario p constru´ıdo a partir de

  3 2 p−1 p−3 p−2

  k = α ) + α (x (x ),

  1 3

  (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x quando K ´e uma extens˜ao real de Q, C p 1 , α 3 = hxi, p ´e um primo ´ımpar e α , · · · , α p−2 pertencem a K.

  A seguir s˜ao feitas considera¸c˜oes sobre hip´oteses mais fracas para o corpo K nos Teoremas 2.3.1 e 2.4.1. Por fim, ´e feito um ´ ultimo coment´ario que diz respeito `a generalidade das involu¸c˜oes e dos isomorfismos de an´eis de matrizes com involu¸c˜ao considerados na Se¸c˜ao 1 do Cap´ıtulo 3.

  3 Cap´ıtulo 1 Conceitos e resultados essenciais

1.1 M´ odulos e ´ algebras

  Nesta se¸c˜ao recordaremos alguns conceitos b´asicos e fixaremos nota¸c˜oes que ser˜ao utilizadas no decorrer deste trabalho.

  Dado um grupo G, denotaremos por o(x) a ordem de um elemento x ∈ G. Os an´eis com os quais trabalharemos ser˜ao an´eis com unidade. Ser˜ao utilizadas as nota¸c˜oes U(R) para o grupo das unidades (elementos invert´ıveis) de um anel R e Int(u) para o automorfismo interno induzido pelo elemento u ∈ U(R), isto ´e,

  −1

  Int(u)(x) = uxu para todo x ∈ R. Vale lembrar que se x ∈ U(R), ent˜ao x n˜ao ´e um divisor de zero.

  Recordemos ainda que um anel R ´e denominado um anel de divis˜ ao se todos os seus elementos n˜ao nulos s˜ao invert´ıveis (isto ´e, se R\{0} = U(R)). Denotando por Z(R) o centro de um anel R, temos que Z(D) ´e um corpo se D ´e um anel de divis˜ao.

  Defini¸c˜ ao 1.1.1 Seja R um anel. Um grupo abeliano M (aditivo) ´e chamado um R-m´ odulo `a esquerda (ou um m´odulo `a esquerda sobre R) se, para cada elemento x ∈ R e m ∈ M, temos definido um produto xm ∈ M tal que:

  (i) (x + y)m = xm + ym, (ii) (x · y)m = x(ym), (iii) x(m + m ) = xm + xm ,

  1 2 1 2

  (iv) 1m = m, , m

  1 2 para todo x, y ∈ R e m, m ∈ M.

  4 Analogamente podemos definir um R-m´odulo `a direita. Neste trabalho utilizare- mos o termo R-m´odulo como uma abrevia¸c˜ao para R-m´odulo `a esquerda. Notemos que, se K ´e um corpo, o conceito de K-m´odulo coincide com a no¸c˜ao de espa¸co vetorial sobre K. Assim, constituem exemplos de K-m´odulos com as opera¸c˜oes usuais: n

1.1 M´ odulos e ´ algebras

  Nesta se¸c˜ao recordaremos alguns conceitos b´asicos e fixaremos nota¸c˜oes que ser˜ao utilizadas no decorrer deste trabalho.

  Dado um grupo G, denotaremos por o(x) a ordem de um elemento x ∈ G. Os an´eis com os quais trabalharemos ser˜ao an´eis com unidade. Ser˜ao utilizadas as nota¸c˜oes U(R) para o grupo das unidades (elementos invert´ıveis) de um anel R e Int(u) para o automorfismo interno induzido pelo elemento u ∈ U(R), isto ´e,

  −1

  Int(u)(x) = uxu para todo x ∈ R. Vale lembrar que se x ∈ U(R), ent˜ao x n˜ao ´e um divisor de zero.

  Recordemos ainda que um anel R ´e denominado um anel de divis˜ ao se todos os seus elementos n˜ao nulos s˜ao invert´ıveis (isto ´e, se R\{0} = U(R)). Denotando por Z(R) o centro de um anel R, temos que Z(D) ´e um corpo se D ´e um anel de divis˜ao.

  Defini¸c˜ ao 1.1.1 Seja R um anel. Um grupo abeliano M (aditivo) ´e chamado um R-m´ odulo `a esquerda (ou um m´odulo `a esquerda sobre R) se, para cada elemento x ∈ R e m ∈ M, temos definido um produto xm ∈ M tal que:

  (i) (x + y)m = xm + ym, (ii) (x · y)m = x(ym), (iii) x(m + m ) = xm + xm ,

  1 2 1 2

  (iv) 1m = m, , m

  1 2 para todo x, y ∈ R e m, m ∈ M.

  4 Analogamente podemos definir um R-m´odulo `a direita. Neste trabalho utilizare- mos o termo R-m´odulo como uma abrevia¸c˜ao para R-m´odulo `a esquerda. Notemos que, se K ´e um corpo, o conceito de K-m´odulo coincide com a no¸c˜ao de espa¸co vetorial sobre K. Assim, constituem exemplos de K-m´odulos com as opera¸c˜oes usuais: n

  , o conjunto dos vetores colunas com suas n coordenadas em K; • K n • M (K), o conjunto de matrizes n × n com entradas em K; • K[t], o conjunto dos polinˆomios na vari´avel t com coeficientes em K. n Dado um homomorfismo ϕ de M n (K), ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o n , n produto Av definido por ϕ(A) · v, para toda matriz A ∈ M (K) e todo v ∈ K n

  ´e um M n (K)- onde · denota a muliplica¸c˜ao de matrizes. Neste caso, diremos que K m´ odulo com o produto induzido por ϕ. Em particular, se ϕ ´e a identidade, n ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o produto Av coincidindo com a multiplica¸c˜ao de matrizes A · v.

  Se L ´e um ideal `a esquerda de um anel R, ent˜ao L ´e um R-m´odulo. Em particular, um anel ´e sempre um m´odulo sobre si mesmo.

  Dado um anel R, um exemplo importante de R-m´odulo que ser´a utilizado neste trabalho ´e o chamado anel de s´ eries formais R[[t]] dado por ( )

  ∞

  X i R[[t]] = a i t ; a i i ∈ R

  =0

  com as opera¸c˜oes

  ∞ ∞ ∞

  X X X i i i i i i + a i t b i t = (a i + b i )t ,

  =0 =0 =0 ∞ ∞ ∞

  X X X i i i a i t b i t = c i t , i i =0 i =0 i =0 · X onde c i = a j b . j i−j =0

  Defini¸c˜ ao 1.1.2 Sejam R um anel e M um R-m´odulo. Um subconjunto n˜ao vazio odulo de M se as seguintes propriedades s˜ao N ⊆ M ´e chamado um R-subm´

  satisfeitas:

  (i) n + n

  1 2

  ∈ N (ii) xn ∈ N,

  para todo n , n 1 2

  , n ∈ N e x ∈ R.

  5

1.1 M´ odulos e ´ algebras

  Nesta se¸c˜ao recordaremos alguns conceitos b´asicos e fixaremos nota¸c˜oes que ser˜ao utilizadas no decorrer deste trabalho.

  Dado um grupo G, denotaremos por o(x) a ordem de um elemento x ∈ G. Os an´eis com os quais trabalharemos ser˜ao an´eis com unidade. Ser˜ao utilizadas as nota¸c˜oes U(R) para o grupo das unidades (elementos invert´ıveis) de um anel R e Int(u) para o automorfismo interno induzido pelo elemento u ∈ U(R), isto ´e,

  −1

  Int(u)(x) = uxu para todo x ∈ R. Vale lembrar que se x ∈ U(R), ent˜ao x n˜ao ´e um divisor de zero.

  Recordemos ainda que um anel R ´e denominado um anel de divis˜ ao se todos os seus elementos n˜ao nulos s˜ao invert´ıveis (isto ´e, se R\{0} = U(R)). Denotando por Z(R) o centro de um anel R, temos que Z(D) ´e um corpo se D ´e um anel de divis˜ao.

  Defini¸c˜ ao 1.1.1 Seja R um anel. Um grupo abeliano M (aditivo) ´e chamado um R-m´ odulo `a esquerda (ou um m´odulo `a esquerda sobre R) se, para cada elemento x ∈ R e m ∈ M, temos definido um produto xm ∈ M tal que:

  (i) (x + y)m = xm + ym, (ii) (x · y)m = x(ym), (iii) x(m + m ) = xm + xm ,

  1 2 1 2

  (iv) 1m = m, , m

  1 2 para todo x, y ∈ R e m, m ∈ M.

  4 Analogamente podemos definir um R-m´odulo `a direita. Neste trabalho utilizare- mos o termo R-m´odulo como uma abrevia¸c˜ao para R-m´odulo `a esquerda. Notemos que, se K ´e um corpo, o conceito de K-m´odulo coincide com a no¸c˜ao de espa¸co vetorial sobre K. Assim, constituem exemplos de K-m´odulos com as opera¸c˜oes usuais: n

  , o conjunto dos vetores colunas com suas n coordenadas em K; • K n • M (K), o conjunto de matrizes n × n com entradas em K; • K[t], o conjunto dos polinˆomios na vari´avel t com coeficientes em K. n Dado um homomorfismo ϕ de M n (K), ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o n , n produto Av definido por ϕ(A) · v, para toda matriz A ∈ M (K) e todo v ∈ K n

  ´e um M n (K)- onde · denota a muliplica¸c˜ao de matrizes. Neste caso, diremos que K m´ odulo com o produto induzido por ϕ. Em particular, se ϕ ´e a identidade, n ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o produto Av coincidindo com a multiplica¸c˜ao de matrizes A · v.

  Se L ´e um ideal `a esquerda de um anel R, ent˜ao L ´e um R-m´odulo. Em particular, um anel ´e sempre um m´odulo sobre si mesmo.

  Dado um anel R, um exemplo importante de R-m´odulo que ser´a utilizado neste trabalho ´e o chamado anel de s´ eries formais R[[t]] dado por ( )

  ∞

  X i R[[t]] = a i t ; a i i ∈ R

  =0

  com as opera¸c˜oes

  ∞ ∞ ∞

  X X X i i i i i i + a i t b i t = (a i + b i )t ,

  =0 =0 =0 ∞ ∞ ∞

  X X X i i i a i t b i t = c i t , i i =0 i =0 i =0 · X onde c i = a j b . j i−j =0

  Defini¸c˜ ao 1.1.2 Sejam R um anel e M um R-m´odulo. Um subconjunto n˜ao vazio odulo de M se as seguintes propriedades s˜ao N ⊆ M ´e chamado um R-subm´

  satisfeitas:

  (i) n + n

  1 2

  ∈ N (ii) xn ∈ N,

  para todo n , n 1 2

  , n ∈ N e x ∈ R.

  5

  Se V ´e um espa¸co vetorial sobre um corpo K, ent˜ao os K-subm´odulos de V s˜ao precisamente seus subespa¸cos. Em geral, todo m´odulo n˜ao nulo M cont´em pelos menos dois subm´odulos, M e {0}, os quais s˜ao chamados triviais. Defini¸c˜ ao 1.1.3 Seja R um anel. Um R-m´odulo M ´e chamado simples se M 6= {0} e seus ´unicos R-subm´odulos s˜ao os triviais. n

  Vale ressaltar que K n˜ao ´e um K-m´odulo simples quando n > 1, j´a que todo n n subespa¸co de K ´e um K-subm´odulo. No entanto, K ´e um M n (K)-m´odulo simples com o produto induzido por um automorfismo ϕ, conforme veremos no pr´oximo exemplo.

  Exemplo 1.1.4 n Seja K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K). Ent˜ao K ´e um M n (K)- m´odulo simples com o produto induzido por ϕ. n (K)-subm´odulo de K . Ent˜ao N possui um n

  De fato, seja N 6= {0} um M i elemento v 6= 0. Sejam v uma coordenada n˜ao nula de v e α ∈ K. Como ϕ ´e um automorfismo de M n (K), para cada j ∈ {1, · · · , n}, existe uma matriz A j tal que α

  ϕ(A j ) = E ji , onde E ji ´e a matriz com 1 na (j, i)-´esima entrada e 0 nas demais. v i Assim,

  α A j v = ϕ(A j E ji j ,

  ) · v = · v = αe v i onde e j ´e o vetor com 1 na j-´esima coordenada e 0 nas demais.

  Logo, como N ´e um M n (K)-subm´odulo e α foi escolhido arbitrariamente, segue n que αe j . ∈ N para todo α ∈ K e j ∈ {1, · · · , n}. Portanto, N = K

  Exemplo 1.1.5 Sejam K um corpo e i ∈ {1, · · · , n}. O ideal (`a esquerda) de matrizes colunas

   

     1i

   0 · · · 0 a 0 · · · 0 

    

  L i = ji ∈ K, ∀ j ∈ {1, · · · , n}

   ... ... ... ... ... ... ...  ; a 

    ni

   0 · · · 0 a 0 · · · 0 ´e um M n (K)-m´odulo simples com a opera¸c˜ao usual.

  Defini¸c˜ ao 1.1.6 Sejam M e N dois m´odulos sobre um anel R. Uma aplica¸c˜ao odulos , se f ´e um isomorfismo de grupos f : M → N ´e um isomorfismo de R-m´

  aditivos e

  f (xm) = xf (m),

  

para todo x ∈ R e m ∈ M. Neste caso, dizemos que M e N s˜ao R-m´odulos

isomorfos.

  6

1.1 M´ odulos e ´ algebras

  Nesta se¸c˜ao recordaremos alguns conceitos b´asicos e fixaremos nota¸c˜oes que ser˜ao utilizadas no decorrer deste trabalho.

  Dado um grupo G, denotaremos por o(x) a ordem de um elemento x ∈ G. Os an´eis com os quais trabalharemos ser˜ao an´eis com unidade. Ser˜ao utilizadas as nota¸c˜oes U(R) para o grupo das unidades (elementos invert´ıveis) de um anel R e Int(u) para o automorfismo interno induzido pelo elemento u ∈ U(R), isto ´e,

  −1

  Int(u)(x) = uxu para todo x ∈ R. Vale lembrar que se x ∈ U(R), ent˜ao x n˜ao ´e um divisor de zero.

  Recordemos ainda que um anel R ´e denominado um anel de divis˜ ao se todos os seus elementos n˜ao nulos s˜ao invert´ıveis (isto ´e, se R\{0} = U(R)). Denotando por Z(R) o centro de um anel R, temos que Z(D) ´e um corpo se D ´e um anel de divis˜ao.

  Defini¸c˜ ao 1.1.1 Seja R um anel. Um grupo abeliano M (aditivo) ´e chamado um R-m´ odulo `a esquerda (ou um m´odulo `a esquerda sobre R) se, para cada elemento x ∈ R e m ∈ M, temos definido um produto xm ∈ M tal que:

  (i) (x + y)m = xm + ym, (ii) (x · y)m = x(ym), (iii) x(m + m ) = xm + xm ,

  1 2 1 2

  (iv) 1m = m, , m

  1 2 para todo x, y ∈ R e m, m ∈ M.

  4 Analogamente podemos definir um R-m´odulo `a direita. Neste trabalho utilizare- mos o termo R-m´odulo como uma abrevia¸c˜ao para R-m´odulo `a esquerda. Notemos que, se K ´e um corpo, o conceito de K-m´odulo coincide com a no¸c˜ao de espa¸co vetorial sobre K. Assim, constituem exemplos de K-m´odulos com as opera¸c˜oes usuais: n

  , o conjunto dos vetores colunas com suas n coordenadas em K; • K n • M (K), o conjunto de matrizes n × n com entradas em K; • K[t], o conjunto dos polinˆomios na vari´avel t com coeficientes em K. n Dado um homomorfismo ϕ de M n (K), ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o n , n produto Av definido por ϕ(A) · v, para toda matriz A ∈ M (K) e todo v ∈ K n

  ´e um M n (K)- onde · denota a muliplica¸c˜ao de matrizes. Neste caso, diremos que K m´ odulo com o produto induzido por ϕ. Em particular, se ϕ ´e a identidade, n ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o produto Av coincidindo com a multiplica¸c˜ao de matrizes A · v.

  Se L ´e um ideal `a esquerda de um anel R, ent˜ao L ´e um R-m´odulo. Em particular, um anel ´e sempre um m´odulo sobre si mesmo.

  Dado um anel R, um exemplo importante de R-m´odulo que ser´a utilizado neste trabalho ´e o chamado anel de s´ eries formais R[[t]] dado por ( )

  ∞

  X i R[[t]] = a i t ; a i i ∈ R

  =0

  com as opera¸c˜oes

  ∞ ∞ ∞

  X X X i i i i i i + a i t b i t = (a i + b i )t ,

  =0 =0 =0 ∞ ∞ ∞

  X X X i i i a i t b i t = c i t , i i =0 i =0 i =0 · X onde c i = a j b . j i−j =0

  Defini¸c˜ ao 1.1.2 Sejam R um anel e M um R-m´odulo. Um subconjunto n˜ao vazio odulo de M se as seguintes propriedades s˜ao N ⊆ M ´e chamado um R-subm´

  satisfeitas:

  (i) n + n

  1 2

  ∈ N (ii) xn ∈ N,

  para todo n , n 1 2

  , n ∈ N e x ∈ R.

  5

  Se V ´e um espa¸co vetorial sobre um corpo K, ent˜ao os K-subm´odulos de V s˜ao precisamente seus subespa¸cos. Em geral, todo m´odulo n˜ao nulo M cont´em pelos menos dois subm´odulos, M e {0}, os quais s˜ao chamados triviais. Defini¸c˜ ao 1.1.3 Seja R um anel. Um R-m´odulo M ´e chamado simples se M 6= {0} e seus ´unicos R-subm´odulos s˜ao os triviais. n

  Vale ressaltar que K n˜ao ´e um K-m´odulo simples quando n > 1, j´a que todo n n subespa¸co de K ´e um K-subm´odulo. No entanto, K ´e um M n (K)-m´odulo simples com o produto induzido por um automorfismo ϕ, conforme veremos no pr´oximo exemplo.

  Exemplo 1.1.4 n Seja K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K). Ent˜ao K ´e um M n (K)- m´odulo simples com o produto induzido por ϕ. n (K)-subm´odulo de K . Ent˜ao N possui um n

  De fato, seja N 6= {0} um M i elemento v 6= 0. Sejam v uma coordenada n˜ao nula de v e α ∈ K. Como ϕ ´e um automorfismo de M n (K), para cada j ∈ {1, · · · , n}, existe uma matriz A j tal que α

  ϕ(A j ) = E ji , onde E ji ´e a matriz com 1 na (j, i)-´esima entrada e 0 nas demais. v i Assim,

  α A j v = ϕ(A j E ji j ,

  ) · v = · v = αe v i onde e j ´e o vetor com 1 na j-´esima coordenada e 0 nas demais.

  Logo, como N ´e um M n (K)-subm´odulo e α foi escolhido arbitrariamente, segue n que αe j . ∈ N para todo α ∈ K e j ∈ {1, · · · , n}. Portanto, N = K

  Exemplo 1.1.5 Sejam K um corpo e i ∈ {1, · · · , n}. O ideal (`a esquerda) de matrizes colunas

   

     1i

   0 · · · 0 a 0 · · · 0 

    

  L i = ji ∈ K, ∀ j ∈ {1, · · · , n}

   ... ... ... ... ... ... ...  ; a 

    ni

   0 · · · 0 a 0 · · · 0 ´e um M n (K)-m´odulo simples com a opera¸c˜ao usual.

  Defini¸c˜ ao 1.1.6 Sejam M e N dois m´odulos sobre um anel R. Uma aplica¸c˜ao odulos , se f ´e um isomorfismo de grupos f : M → N ´e um isomorfismo de R-m´

  aditivos e

  f (xm) = xf (m),

  

para todo x ∈ R e m ∈ M. Neste caso, dizemos que M e N s˜ao R-m´odulos

isomorfos.

  6

  Exemplo 1.1.7 Sejam K um corpo e L i e L j dois ideais de matrizes colunas com i, j ∈ {1, · · · , n}. A aplica¸c˜ao f : L i j definida por:

  → L    

  1i 1i

  0 · · · 0 a 0 · · · 0 0 · · · 0 a 0 · · · 0      ... ... ... ... ... ... ...  7→  ... ... ... ... ... ... ...  ni ni 0 · · · 0 a 0 · · · 0 0 · · · 0 a 0 · · · 0

  ֒→ i-´esima coluna ֒→ j-´esima coluna ´e claramente um isomorfismo de M n (K)-m´odulos.

  Assim, L e L s˜ao M i j n (K)-m´odulos simples e isomorfos para todo i, j ∈ {1, · · · , n}.

  Em geral temos o seguinte resultado. Proposi¸c˜ ao 1.1.8 Se K ´e um corpo, ent˜ao todos os M n (K)-m´odulos simples s˜ao

  isomorfos.

Demonstra¸c˜ao: Seja N um R-m´odulo simples, onde R = M (K). Segue do visto

n

  acima que basta provar que existe i ∈ {1, · · · , n} tal que N ´e isomorfo ao ideal de matrizes colunas L . i n

  X L i Como N = 1N ⊆ RN ⊆ N, temos RN = N. Logo, como R = e N 6= {0}, i i =1 i existe i ∈ {1, · · · , n} tal que L N 6= {0}. Portanto, existe n ∈ N tal que el n 6= 0 para algum e l i i . Consideremos, ent˜ao, a aplica¸c˜ao

  ∈ L f : L i → N l i i n. 7→ l

  Temos que f ´e um homomorfismo de grupos aditivos com conjunto imagem f (L ) = xf (l . Como f (L ) ´e i i i i i i ) 6= {0} e satisfaz f(xl ), para todo x ∈ R e l ∈ L um R-subm´odulo de N e N ´e um R-m´odulo simples, ent˜ao f (L i ) = N . Por outro lado, como o n´ ucleo Ker(f ) ´e um R-subm´odulo de L i i e L i ´e um tal que Ker(f ) 6= L R-m´odulo simples, ent˜ao Ker(f ) = {0}. Logo, f ´e um isomorfismo de R-m´odulos.

  Defini¸c˜ ao 1.1.9 Seja R um anel comutativo. Um R-m´odulo A ´e chamado uma R-´ algebra se existe uma multiplica¸c˜ao definida em A tal que, com a adi¸c˜ao dada

  em A e esta muliplica¸c˜ao, A ´e um anel e valem as seguintes condi¸c˜oes:

  x(ab) = (xa)b = a(xb),

  para todo x ∈ R e a, b ∈ A.

  7

1.1 M´ odulos e ´ algebras

  Nesta se¸c˜ao recordaremos alguns conceitos b´asicos e fixaremos nota¸c˜oes que ser˜ao utilizadas no decorrer deste trabalho.

  Dado um grupo G, denotaremos por o(x) a ordem de um elemento x ∈ G. Os an´eis com os quais trabalharemos ser˜ao an´eis com unidade. Ser˜ao utilizadas as nota¸c˜oes U(R) para o grupo das unidades (elementos invert´ıveis) de um anel R e Int(u) para o automorfismo interno induzido pelo elemento u ∈ U(R), isto ´e,

  −1

  Int(u)(x) = uxu para todo x ∈ R. Vale lembrar que se x ∈ U(R), ent˜ao x n˜ao ´e um divisor de zero.

  Recordemos ainda que um anel R ´e denominado um anel de divis˜ ao se todos os seus elementos n˜ao nulos s˜ao invert´ıveis (isto ´e, se R\{0} = U(R)). Denotando por Z(R) o centro de um anel R, temos que Z(D) ´e um corpo se D ´e um anel de divis˜ao.

  Defini¸c˜ ao 1.1.1 Seja R um anel. Um grupo abeliano M (aditivo) ´e chamado um R-m´ odulo `a esquerda (ou um m´odulo `a esquerda sobre R) se, para cada elemento x ∈ R e m ∈ M, temos definido um produto xm ∈ M tal que:

  (i) (x + y)m = xm + ym, (ii) (x · y)m = x(ym), (iii) x(m + m ) = xm + xm ,

  1 2 1 2

  (iv) 1m = m, , m

  1 2 para todo x, y ∈ R e m, m ∈ M.

  4 Analogamente podemos definir um R-m´odulo `a direita. Neste trabalho utilizare- mos o termo R-m´odulo como uma abrevia¸c˜ao para R-m´odulo `a esquerda. Notemos que, se K ´e um corpo, o conceito de K-m´odulo coincide com a no¸c˜ao de espa¸co vetorial sobre K. Assim, constituem exemplos de K-m´odulos com as opera¸c˜oes usuais: n

  , o conjunto dos vetores colunas com suas n coordenadas em K; • K n • M (K), o conjunto de matrizes n × n com entradas em K; • K[t], o conjunto dos polinˆomios na vari´avel t com coeficientes em K. n Dado um homomorfismo ϕ de M n (K), ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o n , n produto Av definido por ϕ(A) · v, para toda matriz A ∈ M (K) e todo v ∈ K n

  ´e um M n (K)- onde · denota a muliplica¸c˜ao de matrizes. Neste caso, diremos que K m´ odulo com o produto induzido por ϕ. Em particular, se ϕ ´e a identidade, n ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o produto Av coincidindo com a multiplica¸c˜ao de matrizes A · v.

  Se L ´e um ideal `a esquerda de um anel R, ent˜ao L ´e um R-m´odulo. Em particular, um anel ´e sempre um m´odulo sobre si mesmo.

  Dado um anel R, um exemplo importante de R-m´odulo que ser´a utilizado neste trabalho ´e o chamado anel de s´ eries formais R[[t]] dado por ( )

  ∞

  X i R[[t]] = a i t ; a i i ∈ R

  =0

  com as opera¸c˜oes

  ∞ ∞ ∞

  X X X i i i i i i + a i t b i t = (a i + b i )t ,

  =0 =0 =0 ∞ ∞ ∞

  X X X i i i a i t b i t = c i t , i i =0 i =0 i =0 · X onde c i = a j b . j i−j =0

  Defini¸c˜ ao 1.1.2 Sejam R um anel e M um R-m´odulo. Um subconjunto n˜ao vazio odulo de M se as seguintes propriedades s˜ao N ⊆ M ´e chamado um R-subm´

  satisfeitas:

  (i) n + n

  1 2

  ∈ N (ii) xn ∈ N,

  para todo n , n 1 2

  , n ∈ N e x ∈ R.

  5

  Se V ´e um espa¸co vetorial sobre um corpo K, ent˜ao os K-subm´odulos de V s˜ao precisamente seus subespa¸cos. Em geral, todo m´odulo n˜ao nulo M cont´em pelos menos dois subm´odulos, M e {0}, os quais s˜ao chamados triviais. Defini¸c˜ ao 1.1.3 Seja R um anel. Um R-m´odulo M ´e chamado simples se M 6= {0} e seus ´unicos R-subm´odulos s˜ao os triviais. n

  Vale ressaltar que K n˜ao ´e um K-m´odulo simples quando n > 1, j´a que todo n n subespa¸co de K ´e um K-subm´odulo. No entanto, K ´e um M n (K)-m´odulo simples com o produto induzido por um automorfismo ϕ, conforme veremos no pr´oximo exemplo.

  Exemplo 1.1.4 n Seja K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K). Ent˜ao K ´e um M n (K)- m´odulo simples com o produto induzido por ϕ. n (K)-subm´odulo de K . Ent˜ao N possui um n

  De fato, seja N 6= {0} um M i elemento v 6= 0. Sejam v uma coordenada n˜ao nula de v e α ∈ K. Como ϕ ´e um automorfismo de M n (K), para cada j ∈ {1, · · · , n}, existe uma matriz A j tal que α

  ϕ(A j ) = E ji , onde E ji ´e a matriz com 1 na (j, i)-´esima entrada e 0 nas demais. v i Assim,

  α A j v = ϕ(A j E ji j ,

  ) · v = · v = αe v i onde e j ´e o vetor com 1 na j-´esima coordenada e 0 nas demais.

  Logo, como N ´e um M n (K)-subm´odulo e α foi escolhido arbitrariamente, segue n que αe j . ∈ N para todo α ∈ K e j ∈ {1, · · · , n}. Portanto, N = K

  Exemplo 1.1.5 Sejam K um corpo e i ∈ {1, · · · , n}. O ideal (`a esquerda) de matrizes colunas

   

     1i

   0 · · · 0 a 0 · · · 0 

    

  L i = ji ∈ K, ∀ j ∈ {1, · · · , n}

   ... ... ... ... ... ... ...  ; a 

    ni

   0 · · · 0 a 0 · · · 0 ´e um M n (K)-m´odulo simples com a opera¸c˜ao usual.

  Defini¸c˜ ao 1.1.6 Sejam M e N dois m´odulos sobre um anel R. Uma aplica¸c˜ao odulos , se f ´e um isomorfismo de grupos f : M → N ´e um isomorfismo de R-m´

  aditivos e

  f (xm) = xf (m),

  

para todo x ∈ R e m ∈ M. Neste caso, dizemos que M e N s˜ao R-m´odulos

isomorfos.

  6

  Exemplo 1.1.7 Sejam K um corpo e L i e L j dois ideais de matrizes colunas com i, j ∈ {1, · · · , n}. A aplica¸c˜ao f : L i j definida por:

  → L    

  1i 1i

  0 · · · 0 a 0 · · · 0 0 · · · 0 a 0 · · · 0      ... ... ... ... ... ... ...  7→  ... ... ... ... ... ... ...  ni ni 0 · · · 0 a 0 · · · 0 0 · · · 0 a 0 · · · 0

  ֒→ i-´esima coluna ֒→ j-´esima coluna ´e claramente um isomorfismo de M n (K)-m´odulos.

  Assim, L e L s˜ao M i j n (K)-m´odulos simples e isomorfos para todo i, j ∈ {1, · · · , n}.

  Em geral temos o seguinte resultado. Proposi¸c˜ ao 1.1.8 Se K ´e um corpo, ent˜ao todos os M n (K)-m´odulos simples s˜ao

  isomorfos.

Demonstra¸c˜ao: Seja N um R-m´odulo simples, onde R = M (K). Segue do visto

n

  acima que basta provar que existe i ∈ {1, · · · , n} tal que N ´e isomorfo ao ideal de matrizes colunas L . i n

  X L i Como N = 1N ⊆ RN ⊆ N, temos RN = N. Logo, como R = e N 6= {0}, i i =1 i existe i ∈ {1, · · · , n} tal que L N 6= {0}. Portanto, existe n ∈ N tal que el n 6= 0 para algum e l i i . Consideremos, ent˜ao, a aplica¸c˜ao

  ∈ L f : L i → N l i i n. 7→ l

  Temos que f ´e um homomorfismo de grupos aditivos com conjunto imagem f (L ) = xf (l . Como f (L ) ´e i i i i i i ) 6= {0} e satisfaz f(xl ), para todo x ∈ R e l ∈ L um R-subm´odulo de N e N ´e um R-m´odulo simples, ent˜ao f (L i ) = N . Por outro lado, como o n´ ucleo Ker(f ) ´e um R-subm´odulo de L i i e L i ´e um tal que Ker(f ) 6= L R-m´odulo simples, ent˜ao Ker(f ) = {0}. Logo, f ´e um isomorfismo de R-m´odulos.

  Defini¸c˜ ao 1.1.9 Seja R um anel comutativo. Um R-m´odulo A ´e chamado uma R-´ algebra se existe uma multiplica¸c˜ao definida em A tal que, com a adi¸c˜ao dada

  em A e esta muliplica¸c˜ao, A ´e um anel e valem as seguintes condi¸c˜oes:

  x(ab) = (xa)b = a(xb),

  para todo x ∈ R e a, b ∈ A.

  7

  Se R ´e um anel comutativo, ent˜ao M n (R), R[t] e R[[t]] s˜ao exemplos de R-´algebras. Notemos tamb´em que se D ´e um anel de divis˜ao, ent˜ao M n

  (D) ´e uma Z(D)-´algebra. Apresentaremos a seguir um exemplo de R-´algebra que ser´a importante no desen- volvimento de nosso trabalho.

  Sejam R um anel, G um grupo e RG o conjunto de todas as combina¸c˜oes formais

  X α = α x, com α x x x ’s diferentes de zero. ∈ R e apenas um n´umero finito de α

  x∈G

  X X Definimos que α x x = β x x se, e somente se, α x = β x para todo x ∈ G. Em

  x∈G x∈G

  RG definimos, respectivamente, as opera¸c˜oes soma e produto por:

  X X X α + β = α x x + β x x = (α x + β x )x,

  x∈G x∈G x∈G

  X X X α x β y y = (α x β y )(xy). α · β = x ·

  x∈G y∈G x,y∈G

  Reordenando os termos do produto, obtemos

  X X X α x β y y = γ z z,

  α · β = x ·

  x∈G y∈G z∈G

  X onde γ z = α x β y . xy

  =z

  X Com estas opera¸c˜oes ´e f´acil ver que RG ´e um anel com unidade 1 = u x x,

  x∈G i ’s s˜ao

  onde o coeficiente de 1 ∈ G ´e a unidade 1 ∈ R e os coeficientes dos demais u todos iguais a zero. Temos assim a seguinte defini¸c˜ao: Defini¸c˜ ao 1.1.10 Sejam R um anel e G um grupo. O conjunto RG com as opera¸c˜oes

  soma e produto definidas acima ´e denominado o anel de grupo de G sobre R.

  Em RG podemos definir tamb´em o produto de elementos de RG por elementos λ ∈ R:

  X X λ α x x = (λα x )x.

  x∈G x∈G

  Com esta opera¸c˜ao, RG ´e um R-m´odulo. Ainda, no caso em que R ´e comutativo, RG ´e uma R-´algebra.

  Defini¸c˜ ao 1.1.11 Sejam R um anel comutativo e G um grupo. O anel de grupo RG com o produto de seus elementos por elementos de R definido como acima ´e

  denominado a ´ algebra de grupo de G sobre R.

  8 Observemos que, se identificarmos x ∈ G com 1 · x ∈ RG, podemos considerar G contido em RG, e assim os elementos de G formam uma base de RG sobre R.

1.1 M´ odulos e ´ algebras

  Nesta se¸c˜ao recordaremos alguns conceitos b´asicos e fixaremos nota¸c˜oes que ser˜ao utilizadas no decorrer deste trabalho.

  Dado um grupo G, denotaremos por o(x) a ordem de um elemento x ∈ G. Os an´eis com os quais trabalharemos ser˜ao an´eis com unidade. Ser˜ao utilizadas as nota¸c˜oes U(R) para o grupo das unidades (elementos invert´ıveis) de um anel R e Int(u) para o automorfismo interno induzido pelo elemento u ∈ U(R), isto ´e,

  −1

  Int(u)(x) = uxu para todo x ∈ R. Vale lembrar que se x ∈ U(R), ent˜ao x n˜ao ´e um divisor de zero.

  Recordemos ainda que um anel R ´e denominado um anel de divis˜ ao se todos os seus elementos n˜ao nulos s˜ao invert´ıveis (isto ´e, se R\{0} = U(R)). Denotando por Z(R) o centro de um anel R, temos que Z(D) ´e um corpo se D ´e um anel de divis˜ao.

  Defini¸c˜ ao 1.1.1 Seja R um anel. Um grupo abeliano M (aditivo) ´e chamado um R-m´ odulo `a esquerda (ou um m´odulo `a esquerda sobre R) se, para cada elemento x ∈ R e m ∈ M, temos definido um produto xm ∈ M tal que:

  (i) (x + y)m = xm + ym, (ii) (x · y)m = x(ym), (iii) x(m + m ) = xm + xm ,

  1 2 1 2

  (iv) 1m = m, , m

  1 2 para todo x, y ∈ R e m, m ∈ M.

  4 Analogamente podemos definir um R-m´odulo `a direita. Neste trabalho utilizare- mos o termo R-m´odulo como uma abrevia¸c˜ao para R-m´odulo `a esquerda. Notemos que, se K ´e um corpo, o conceito de K-m´odulo coincide com a no¸c˜ao de espa¸co vetorial sobre K. Assim, constituem exemplos de K-m´odulos com as opera¸c˜oes usuais: n

  , o conjunto dos vetores colunas com suas n coordenadas em K; • K n • M (K), o conjunto de matrizes n × n com entradas em K; • K[t], o conjunto dos polinˆomios na vari´avel t com coeficientes em K. n Dado um homomorfismo ϕ de M n (K), ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o n , n produto Av definido por ϕ(A) · v, para toda matriz A ∈ M (K) e todo v ∈ K n

  ´e um M n (K)- onde · denota a muliplica¸c˜ao de matrizes. Neste caso, diremos que K m´ odulo com o produto induzido por ϕ. Em particular, se ϕ ´e a identidade, n ent˜ao K ´e um M n (K)-m´odulo com o produto Av coincidindo com a multiplica¸c˜ao de matrizes A · v.

  Se L ´e um ideal `a esquerda de um anel R, ent˜ao L ´e um R-m´odulo. Em particular, um anel ´e sempre um m´odulo sobre si mesmo.

  Dado um anel R, um exemplo importante de R-m´odulo que ser´a utilizado neste trabalho ´e o chamado anel de s´ eries formais R[[t]] dado por ( )

  ∞

  X i R[[t]] = a i t ; a i i ∈ R

  =0

  com as opera¸c˜oes

  ∞ ∞ ∞

  X X X i i i i i i + a i t b i t = (a i + b i )t ,

  =0 =0 =0 ∞ ∞ ∞

  X X X i i i a i t b i t = c i t , i i =0 i =0 i =0 · X onde c i = a j b . j i−j =0

  Defini¸c˜ ao 1.1.2 Sejam R um anel e M um R-m´odulo. Um subconjunto n˜ao vazio odulo de M se as seguintes propriedades s˜ao N ⊆ M ´e chamado um R-subm´

  satisfeitas:

  (i) n + n

  1 2

  ∈ N (ii) xn ∈ N,

  para todo n , n 1 2

  , n ∈ N e x ∈ R.

  5

  Se V ´e um espa¸co vetorial sobre um corpo K, ent˜ao os K-subm´odulos de V s˜ao precisamente seus subespa¸cos. Em geral, todo m´odulo n˜ao nulo M cont´em pelos menos dois subm´odulos, M e {0}, os quais s˜ao chamados triviais. Defini¸c˜ ao 1.1.3 Seja R um anel. Um R-m´odulo M ´e chamado simples se M 6= {0} e seus ´unicos R-subm´odulos s˜ao os triviais. n

  Vale ressaltar que K n˜ao ´e um K-m´odulo simples quando n > 1, j´a que todo n n subespa¸co de K ´e um K-subm´odulo. No entanto, K ´e um M n (K)-m´odulo simples com o produto induzido por um automorfismo ϕ, conforme veremos no pr´oximo exemplo.

  Exemplo 1.1.4 n Seja K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K). Ent˜ao K ´e um M n (K)- m´odulo simples com o produto induzido por ϕ. n (K)-subm´odulo de K . Ent˜ao N possui um n

  De fato, seja N 6= {0} um M i elemento v 6= 0. Sejam v uma coordenada n˜ao nula de v e α ∈ K. Como ϕ ´e um automorfismo de M n (K), para cada j ∈ {1, · · · , n}, existe uma matriz A j tal que α

  ϕ(A j ) = E ji , onde E ji ´e a matriz com 1 na (j, i)-´esima entrada e 0 nas demais. v i Assim,

  α A j v = ϕ(A j E ji j ,

  ) · v = · v = αe v i onde e j ´e o vetor com 1 na j-´esima coordenada e 0 nas demais.

  Logo, como N ´e um M n (K)-subm´odulo e α foi escolhido arbitrariamente, segue n que αe j . ∈ N para todo α ∈ K e j ∈ {1, · · · , n}. Portanto, N = K

  Exemplo 1.1.5 Sejam K um corpo e i ∈ {1, · · · , n}. O ideal (`a esquerda) de matrizes colunas

   

     1i

   0 · · · 0 a 0 · · · 0 

    

  L i = ji ∈ K, ∀ j ∈ {1, · · · , n}

   ... ... ... ... ... ... ...  ; a 

    ni

   0 · · · 0 a 0 · · · 0 ´e um M n (K)-m´odulo simples com a opera¸c˜ao usual.

  Defini¸c˜ ao 1.1.6 Sejam M e N dois m´odulos sobre um anel R. Uma aplica¸c˜ao odulos , se f ´e um isomorfismo de grupos f : M → N ´e um isomorfismo de R-m´

  aditivos e

  f (xm) = xf (m),

  

para todo x ∈ R e m ∈ M. Neste caso, dizemos que M e N s˜ao R-m´odulos

isomorfos.

  6

  Exemplo 1.1.7 Sejam K um corpo e L i e L j dois ideais de matrizes colunas com i, j ∈ {1, · · · , n}. A aplica¸c˜ao f : L i j definida por:

  → L    

  1i 1i

  0 · · · 0 a 0 · · · 0 0 · · · 0 a 0 · · · 0      ... ... ... ... ... ... ...  7→  ... ... ... ... ... ... ...  ni ni 0 · · · 0 a 0 · · · 0 0 · · · 0 a 0 · · · 0

  ֒→ i-´esima coluna ֒→ j-´esima coluna ´e claramente um isomorfismo de M n (K)-m´odulos.

  Assim, L e L s˜ao M i j n (K)-m´odulos simples e isomorfos para todo i, j ∈ {1, · · · , n}.

  Em geral temos o seguinte resultado. Proposi¸c˜ ao 1.1.8 Se K ´e um corpo, ent˜ao todos os M n (K)-m´odulos simples s˜ao

  isomorfos.

Demonstra¸c˜ao: Seja N um R-m´odulo simples, onde R = M (K). Segue do visto

n

  acima que basta provar que existe i ∈ {1, · · · , n} tal que N ´e isomorfo ao ideal de matrizes colunas L . i n

  X L i Como N = 1N ⊆ RN ⊆ N, temos RN = N. Logo, como R = e N 6= {0}, i i =1 i existe i ∈ {1, · · · , n} tal que L N 6= {0}. Portanto, existe n ∈ N tal que el n 6= 0 para algum e l i i . Consideremos, ent˜ao, a aplica¸c˜ao

  ∈ L f : L i → N l i i n. 7→ l

  Temos que f ´e um homomorfismo de grupos aditivos com conjunto imagem f (L ) = xf (l . Como f (L ) ´e i i i i i i ) 6= {0} e satisfaz f(xl ), para todo x ∈ R e l ∈ L um R-subm´odulo de N e N ´e um R-m´odulo simples, ent˜ao f (L i ) = N . Por outro lado, como o n´ ucleo Ker(f ) ´e um R-subm´odulo de L i i e L i ´e um tal que Ker(f ) 6= L R-m´odulo simples, ent˜ao Ker(f ) = {0}. Logo, f ´e um isomorfismo de R-m´odulos.

  Defini¸c˜ ao 1.1.9 Seja R um anel comutativo. Um R-m´odulo A ´e chamado uma R-´ algebra se existe uma multiplica¸c˜ao definida em A tal que, com a adi¸c˜ao dada

  em A e esta muliplica¸c˜ao, A ´e um anel e valem as seguintes condi¸c˜oes:

  x(ab) = (xa)b = a(xb),

  para todo x ∈ R e a, b ∈ A.

  7

  Se R ´e um anel comutativo, ent˜ao M n (R), R[t] e R[[t]] s˜ao exemplos de R-´algebras. Notemos tamb´em que se D ´e um anel de divis˜ao, ent˜ao M n

  (D) ´e uma Z(D)-´algebra. Apresentaremos a seguir um exemplo de R-´algebra que ser´a importante no desen- volvimento de nosso trabalho.

  Sejam R um anel, G um grupo e RG o conjunto de todas as combina¸c˜oes formais

  X α = α x, com α x x x ’s diferentes de zero. ∈ R e apenas um n´umero finito de α

  x∈G

  X X Definimos que α x x = β x x se, e somente se, α x = β x para todo x ∈ G. Em

  x∈G x∈G

  RG definimos, respectivamente, as opera¸c˜oes soma e produto por:

  X X X α + β = α x x + β x x = (α x + β x )x,

  x∈G x∈G x∈G

  X X X α x β y y = (α x β y )(xy). α · β = x ·

  x∈G y∈G x,y∈G

  Reordenando os termos do produto, obtemos

  X X X α x β y y = γ z z,

  α · β = x ·

  x∈G y∈G z∈G

  X onde γ z = α x β y . xy

  =z

  X Com estas opera¸c˜oes ´e f´acil ver que RG ´e um anel com unidade 1 = u x x,

  x∈G i ’s s˜ao

  onde o coeficiente de 1 ∈ G ´e a unidade 1 ∈ R e os coeficientes dos demais u todos iguais a zero. Temos assim a seguinte defini¸c˜ao: Defini¸c˜ ao 1.1.10 Sejam R um anel e G um grupo. O conjunto RG com as opera¸c˜oes

  soma e produto definidas acima ´e denominado o anel de grupo de G sobre R.

  Em RG podemos definir tamb´em o produto de elementos de RG por elementos λ ∈ R:

  X X λ α x x = (λα x )x.

  x∈G x∈G

  Com esta opera¸c˜ao, RG ´e um R-m´odulo. Ainda, no caso em que R ´e comutativo, RG ´e uma R-´algebra.

  Defini¸c˜ ao 1.1.11 Sejam R um anel comutativo e G um grupo. O anel de grupo RG com o produto de seus elementos por elementos de R definido como acima ´e

  denominado a ´ algebra de grupo de G sobre R.

  8 Observemos que, se identificarmos x ∈ G com 1 · x ∈ RG, podemos considerar G contido em RG, e assim os elementos de G formam uma base de RG sobre R.

1.2 Involu¸c˜ oes em um anel

  Daremos agora a defini¸c˜ao de involu¸c˜ao em um anel e, em seguida, apresentaremos exemplos de involu¸c˜oes e veremos algumas defini¸c˜oes e proposi¸c˜oes relacionadas ao conceito de involu¸c˜ao que ser˜ao utilizadas mais adiante.

  Defini¸c˜ ao 1.2.1 Seja R um anel. Dizemos que uma aplica¸c˜ao ∗ : R → R ´e uma involu¸ c˜ ao em

  R se, para todo x, y ∈ R, as seguintes propriedades s˜ao satisfeitas:

  ∗ ∗ ∗

  (i) (x + y) = x + y

  ∗ ∗ ∗

  (ii) (xy) = y x

  ∗ ∗

  (iii) (x ) = x. Observa¸c˜ ao 1.2.2

  ∗

  para Dada uma involu¸c˜ao ∗ em um anel R, utilizaremos a nota¸c˜ao exponencial x denotar a imagem de x em R por ∗.

  Exemplo 1.2.3 Aplica¸c˜ao identidade em um anel comutativo Seja R um anel comutativo e consideremos a aplica¸c˜ao

  ∗ : R → R x 7→ x. Claramente valem as propriedades (i) e (iii); al´em disso, como R ´e comutativo,

  ∗ ∗ ∗

  a propriedade (ii) ´e satisfeita, j´a que (xy) = xy = yx = y x . Logo, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.4 Conjuga¸c˜ao complexa em C Seja R = C e consideremos a aplica¸c˜ao

  C C ∗ : →

  α + βi 7→ α − βi. Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em C, seguem facilmente as propriedades (i), (ii) e (iii). Portanto, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em C denominada conjuga¸c˜ao complexa.

  9 Exemplo 1.2.5 Involu¸c˜oes em H Seja R = H, a ´algebra dos quat´ernios hamiltonianos reais, e consideremos as aplica¸c˜oes

1.2 Involu¸c˜ oes em um anel

  Daremos agora a defini¸c˜ao de involu¸c˜ao em um anel e, em seguida, apresentaremos exemplos de involu¸c˜oes e veremos algumas defini¸c˜oes e proposi¸c˜oes relacionadas ao conceito de involu¸c˜ao que ser˜ao utilizadas mais adiante.

  Defini¸c˜ ao 1.2.1 Seja R um anel. Dizemos que uma aplica¸c˜ao ∗ : R → R ´e uma involu¸ c˜ ao em

  R se, para todo x, y ∈ R, as seguintes propriedades s˜ao satisfeitas:

  ∗ ∗ ∗

  (i) (x + y) = x + y

  ∗ ∗ ∗

  (ii) (xy) = y x

  ∗ ∗

  (iii) (x ) = x. Observa¸c˜ ao 1.2.2

  ∗

  para Dada uma involu¸c˜ao ∗ em um anel R, utilizaremos a nota¸c˜ao exponencial x denotar a imagem de x em R por ∗.

  Exemplo 1.2.3 Aplica¸c˜ao identidade em um anel comutativo Seja R um anel comutativo e consideremos a aplica¸c˜ao

  ∗ : R → R x 7→ x. Claramente valem as propriedades (i) e (iii); al´em disso, como R ´e comutativo,

  ∗ ∗ ∗

  a propriedade (ii) ´e satisfeita, j´a que (xy) = xy = yx = y x . Logo, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.4 Conjuga¸c˜ao complexa em C Seja R = C e consideremos a aplica¸c˜ao

  C C ∗ : →

  α + βi 7→ α − βi. Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em C, seguem facilmente as propriedades (i), (ii) e (iii). Portanto, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em C denominada conjuga¸c˜ao complexa.

  9 Exemplo 1.2.5 Involu¸c˜oes em H Seja R = H, a ´algebra dos quat´ernios hamiltonianos reais, e consideremos as aplica¸c˜oes

  H H b : →

  α + α i + α j + α k

  1 2 3 1 2 3

  k 7→ α − α i − α j − α e

  −

  : H H

  → α + α i + α j + α + α i + α j + α k.

  1 2 3 2 1 3

  k 7→ α Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em H, seguem as propriedades (i), (ii) e (iii). Por-

  −

  s˜ao involu¸c˜oes em H, sendo que b ser´a denominada involu¸c˜ao canˆonica tanto, b e em H.

  Exemplo 1.2.6 Involu¸c˜ao em um anel de grupo RG

  

  Sejam R um anel com uma involu¸c˜ao e G um grupo. Definimos, para o anel de grupo RG, a seguinte aplica¸c˜ao RG RG

  ∗ : →

  X X

  ∗ −1

  . α = α x = α x x x 7→ α

  

x∈G x∈G

  Agora ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  (α + β) = α x x + β x x = (α x + β x )x = (α x + β x )x

  x∈G x∈G x∈G x∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  −1 −1 −1

  • = (α x + β x )x = α x x β + x x = α x x β x x

  x∈G x∈G x∈G x∈G x∈G ∗ ∗

  = α + β ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  = α x β y y = (α x β y )(xy) = (α x β y )(xy) (α · β) x ·

  x∈G y∈G x,y∈G x,y∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  

−1 −1 −1 −1

  = (β y α x )(y x ) = β y y α x x = β y y α x x · ·

  x,y∈G y∈G x∈G y∈G x∈G ∗ ∗

  = β α

  10 e !

1.2 Involu¸c˜ oes em um anel

  Daremos agora a defini¸c˜ao de involu¸c˜ao em um anel e, em seguida, apresentaremos exemplos de involu¸c˜oes e veremos algumas defini¸c˜oes e proposi¸c˜oes relacionadas ao conceito de involu¸c˜ao que ser˜ao utilizadas mais adiante.

  Defini¸c˜ ao 1.2.1 Seja R um anel. Dizemos que uma aplica¸c˜ao ∗ : R → R ´e uma involu¸ c˜ ao em

  R se, para todo x, y ∈ R, as seguintes propriedades s˜ao satisfeitas:

  ∗ ∗ ∗

  (i) (x + y) = x + y

  ∗ ∗ ∗

  (ii) (xy) = y x

  ∗ ∗

  (iii) (x ) = x. Observa¸c˜ ao 1.2.2

  ∗

  para Dada uma involu¸c˜ao ∗ em um anel R, utilizaremos a nota¸c˜ao exponencial x denotar a imagem de x em R por ∗.

  Exemplo 1.2.3 Aplica¸c˜ao identidade em um anel comutativo Seja R um anel comutativo e consideremos a aplica¸c˜ao

  ∗ : R → R x 7→ x. Claramente valem as propriedades (i) e (iii); al´em disso, como R ´e comutativo,

  ∗ ∗ ∗

  a propriedade (ii) ´e satisfeita, j´a que (xy) = xy = yx = y x . Logo, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.4 Conjuga¸c˜ao complexa em C Seja R = C e consideremos a aplica¸c˜ao

  C C ∗ : →

  α + βi 7→ α − βi. Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em C, seguem facilmente as propriedades (i), (ii) e (iii). Portanto, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em C denominada conjuga¸c˜ao complexa.

  9 Exemplo 1.2.5 Involu¸c˜oes em H Seja R = H, a ´algebra dos quat´ernios hamiltonianos reais, e consideremos as aplica¸c˜oes

  H H b : →

  α + α i + α j + α k

  1 2 3 1 2 3

  k 7→ α − α i − α j − α e

  −

  : H H

  → α + α i + α j + α + α i + α j + α k.

  1 2 3 2 1 3

  k 7→ α Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em H, seguem as propriedades (i), (ii) e (iii). Por-

  −

  s˜ao involu¸c˜oes em H, sendo que b ser´a denominada involu¸c˜ao canˆonica tanto, b e em H.

  Exemplo 1.2.6 Involu¸c˜ao em um anel de grupo RG

  

  Sejam R um anel com uma involu¸c˜ao e G um grupo. Definimos, para o anel de grupo RG, a seguinte aplica¸c˜ao RG RG

  ∗ : →

  X X

  ∗ −1

  . α = α x = α x x x 7→ α

  

x∈G x∈G

  Agora ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  (α + β) = α x x + β x x = (α x + β x )x = (α x + β x )x

  x∈G x∈G x∈G x∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  −1 −1 −1

  • = (α x + β x )x = α x x β + x x = α x x β x x

  x∈G x∈G x∈G x∈G x∈G ∗ ∗

  = α + β ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  = α x β y y = (α x β y )(xy) = (α x β y )(xy) (α · β) x ·

  x∈G y∈G x,y∈G x,y∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  

−1 −1 −1 −1

  = (β y α x )(y x ) = β y y α x x = β y y α x x · ·

  x,y∈G y∈G x∈G y∈G x∈G ∗ ∗

  = β α

  10 e !

  ∗

  X X X

  ∗ ∗ −1 −1 −1

  (α ) = α x x = α x (x ) = α x x = α.

  

x∈G x∈G x∈G

  Assim, procedendo de modo an´alogo para o produto de dois elementos quaisquer de RG, verificamos que ∗ ´e uma involu¸c˜ao em RG. Notemos ainda que, para todo anel R comutativo, RG possui uma involu¸c˜ao ∗ definida como acima, j´a que a identidade ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.7 Involu¸c˜ao canˆonica na ´algebra de grupo KG Seja KG uma ´algebra de grupo sobre um corpo K. Do que foi visto no exemplo anterior, segue que a aplica¸c˜ao

  KG KG ∗ : →

  X X

  ∗ −1

  α = α x = α x x x 7→ α

  x∈G x∈G

  ´e uma involu¸c˜ao, que ser´a denominada involu¸c˜ ao canˆ onica em KG. Exemplo 1.2.8 Involu¸c˜ao em M n (R) obtida a partir de uma em R

  −

  Sejam R um anel e uma involu¸c˜ao em R. Ent˜ao a aplica¸c˜ao n n (R) ∗ : M (R) → M

  (a ij ) (a ji ) 7→

  −

  ´e uma involu¸c˜ao em M n (R). De fato, como uma involu¸c˜ao em R, ent˜ao

  ∗ ∗

  ((a ij ) + (b ij )) = (a ij + b ij ) = (a ji + b ji ) = (a ji + b ji ) = (a ji ) + (b ji )

  ∗ ∗

  = (a ij ) + (b ij ) n ∗ n n ! ! !

  X X X

  ∗

  ((a ik lj )) = a im b mj = a jm b mi = b mi a jm ) · (b m m m

  =1 =1 =1 ∗ ∗

  = (b ) = (b ) ) ki jl ik lj ) · (a · (a

  ∗ ∗ ∗

  ((a ij ) ) = (a ji ) = (a ij ) = (a ij ).

  11 Exemplo 1.2.9 Transposta de uma matriz em M n (R) Seja R um anel comutativo. Considerando a aplica¸c˜ao identidade como sendo a

1.2 Involu¸c˜ oes em um anel

  Daremos agora a defini¸c˜ao de involu¸c˜ao em um anel e, em seguida, apresentaremos exemplos de involu¸c˜oes e veremos algumas defini¸c˜oes e proposi¸c˜oes relacionadas ao conceito de involu¸c˜ao que ser˜ao utilizadas mais adiante.

  Defini¸c˜ ao 1.2.1 Seja R um anel. Dizemos que uma aplica¸c˜ao ∗ : R → R ´e uma involu¸ c˜ ao em

  R se, para todo x, y ∈ R, as seguintes propriedades s˜ao satisfeitas:

  ∗ ∗ ∗

  (i) (x + y) = x + y

  ∗ ∗ ∗

  (ii) (xy) = y x

  ∗ ∗

  (iii) (x ) = x. Observa¸c˜ ao 1.2.2

  ∗

  para Dada uma involu¸c˜ao ∗ em um anel R, utilizaremos a nota¸c˜ao exponencial x denotar a imagem de x em R por ∗.

  Exemplo 1.2.3 Aplica¸c˜ao identidade em um anel comutativo Seja R um anel comutativo e consideremos a aplica¸c˜ao

  ∗ : R → R x 7→ x. Claramente valem as propriedades (i) e (iii); al´em disso, como R ´e comutativo,

  ∗ ∗ ∗

  a propriedade (ii) ´e satisfeita, j´a que (xy) = xy = yx = y x . Logo, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.4 Conjuga¸c˜ao complexa em C Seja R = C e consideremos a aplica¸c˜ao

  C C ∗ : →

  α + βi 7→ α − βi. Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em C, seguem facilmente as propriedades (i), (ii) e (iii). Portanto, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em C denominada conjuga¸c˜ao complexa.

  9 Exemplo 1.2.5 Involu¸c˜oes em H Seja R = H, a ´algebra dos quat´ernios hamiltonianos reais, e consideremos as aplica¸c˜oes

  H H b : →

  α + α i + α j + α k

  1 2 3 1 2 3

  k 7→ α − α i − α j − α e

  −

  : H H

  → α + α i + α j + α + α i + α j + α k.

  1 2 3 2 1 3

  k 7→ α Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em H, seguem as propriedades (i), (ii) e (iii). Por-

  −

  s˜ao involu¸c˜oes em H, sendo que b ser´a denominada involu¸c˜ao canˆonica tanto, b e em H.

  Exemplo 1.2.6 Involu¸c˜ao em um anel de grupo RG

  

  Sejam R um anel com uma involu¸c˜ao e G um grupo. Definimos, para o anel de grupo RG, a seguinte aplica¸c˜ao RG RG

  ∗ : →

  X X

  ∗ −1

  . α = α x = α x x x 7→ α

  

x∈G x∈G

  Agora ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  (α + β) = α x x + β x x = (α x + β x )x = (α x + β x )x

  x∈G x∈G x∈G x∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  −1 −1 −1

  • = (α x + β x )x = α x x β + x x = α x x β x x

  x∈G x∈G x∈G x∈G x∈G ∗ ∗

  = α + β ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  = α x β y y = (α x β y )(xy) = (α x β y )(xy) (α · β) x ·

  x∈G y∈G x,y∈G x,y∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  

−1 −1 −1 −1

  = (β y α x )(y x ) = β y y α x x = β y y α x x · ·

  x,y∈G y∈G x∈G y∈G x∈G ∗ ∗

  = β α

  10 e !

  ∗

  X X X

  ∗ ∗ −1 −1 −1

  (α ) = α x x = α x (x ) = α x x = α.

  

x∈G x∈G x∈G

  Assim, procedendo de modo an´alogo para o produto de dois elementos quaisquer de RG, verificamos que ∗ ´e uma involu¸c˜ao em RG. Notemos ainda que, para todo anel R comutativo, RG possui uma involu¸c˜ao ∗ definida como acima, j´a que a identidade ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.7 Involu¸c˜ao canˆonica na ´algebra de grupo KG Seja KG uma ´algebra de grupo sobre um corpo K. Do que foi visto no exemplo anterior, segue que a aplica¸c˜ao

  KG KG ∗ : →

  X X

  ∗ −1

  α = α x = α x x x 7→ α

  x∈G x∈G

  ´e uma involu¸c˜ao, que ser´a denominada involu¸c˜ ao canˆ onica em KG. Exemplo 1.2.8 Involu¸c˜ao em M n (R) obtida a partir de uma em R

  −

  Sejam R um anel e uma involu¸c˜ao em R. Ent˜ao a aplica¸c˜ao n n (R) ∗ : M (R) → M

  (a ij ) (a ji ) 7→

  −

  ´e uma involu¸c˜ao em M n (R). De fato, como uma involu¸c˜ao em R, ent˜ao

  ∗ ∗

  ((a ij ) + (b ij )) = (a ij + b ij ) = (a ji + b ji ) = (a ji + b ji ) = (a ji ) + (b ji )

  ∗ ∗

  = (a ij ) + (b ij ) n ∗ n n ! ! !

  X X X

  ∗

  ((a ik lj )) = a im b mj = a jm b mi = b mi a jm ) · (b m m m

  =1 =1 =1 ∗ ∗

  = (b ) = (b ) ) ki jl ik lj ) · (a · (a

  ∗ ∗ ∗

  ((a ij ) ) = (a ji ) = (a ij ) = (a ij ).

  11 Exemplo 1.2.9 Transposta de uma matriz em M n (R) Seja R um anel comutativo. Considerando a aplica¸c˜ao identidade como sendo a

  −

  involu¸c˜ao em R, segue do exemplo anterior que n n (R) ∗ : M (R) → M

  (a ij ) (a ji ) 7→

  ´e uma involu¸c˜ao em M n (R) comumente chamada de transposta. Proposi¸c˜ ao 1.2.10 Seja uma involu¸c˜ao em um anel R. Ent˜ao valem as seguintes

  propriedades:

  (i) 1 = 1

  −1 ∗ ∗ −1

  ) = (x ) (ii) Se x ∈ U(R), ent˜ao (x

  ∗

  (iii) x ∈ Z(R) se, e somente se, x ∈ Z(R).

  Demonstra¸c˜ao:

  (i) Temos

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  1 = (1 ) ) = (1 ) = 1 .

  = (1 · 1 · 1 = 1 · 1

  −1 ∗

  = 1 e utilizando que 1 = 1, obtemos (ii) Se x ∈ U(R), ent˜ao aplicando ∗ em xx

  

−1 ∗ ∗ ∗ ∗ −1 ∗ −1 ∗ ∗ −1

  (x ) x = 1 = 1. De modo an´alogo, x (x ) = 1 e, portanto, (x ) = (x ) .

  (iii) Se x ∈ Z(R), ent˜ao para todo y ∈ R temos que

  

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  x y = x (y ) = (y x) = (xy ) = (y ) x = yx

  ∗ ∗ ∗ ∗

  e portanto x y = yx , o que implica x ∈ Z(R). Reciprocamente, se x ∈ Z(R),

  ∗ ∗

  ent˜ao do que j´a foi mostrado temos que x = (x ) ∈ Z(R).

  A partir de uma involu¸c˜ao ∗ em um anel R, podemos construir novas involu¸c˜oes.

  ∗

  Por exemplo, se u ∈ U(R) ´e tal que u = ±u, ent˜ao a composi¸c˜ao σ = Int(u) ◦ ∗ ´e uma involu¸c˜ao em R. De fato, como Int(u) ´e um automorfismo, temos: σ σ σ

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  (a + b) = Int(u)(a + b) = Int(u)(a + b ) = Int(u)(a ) + Int(u)(b ) = a + b σ σ σ

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  (ab) = Int(u)(ab) = Int(u)(b a ) = (Int(u)(b ))(Int(u)(a )) = b a σ σ

  ∗ ∗ ∗ −1 ∗ −1 −1 ∗ ∗ ∗ ∗ −1

  (a ) = Int(u)(Int(u)(a )) = u(ua u ) u = u(u ) (a ) u u

  ∗ −1 ∗ −1 −1 −1

  = u(u ) au u = a.

  = u(±u) a(±u)u

  12 Vejamos dois exemplos de involu¸c˜oes assim constru´ıdas que ser˜ao fundamentais no Cap´ıtulo 3. Exemplo 1.2.11

1.2 Involu¸c˜ oes em um anel

  Daremos agora a defini¸c˜ao de involu¸c˜ao em um anel e, em seguida, apresentaremos exemplos de involu¸c˜oes e veremos algumas defini¸c˜oes e proposi¸c˜oes relacionadas ao conceito de involu¸c˜ao que ser˜ao utilizadas mais adiante.

  Defini¸c˜ ao 1.2.1 Seja R um anel. Dizemos que uma aplica¸c˜ao ∗ : R → R ´e uma involu¸ c˜ ao em

  R se, para todo x, y ∈ R, as seguintes propriedades s˜ao satisfeitas:

  ∗ ∗ ∗

  (i) (x + y) = x + y

  ∗ ∗ ∗

  (ii) (xy) = y x

  ∗ ∗

  (iii) (x ) = x. Observa¸c˜ ao 1.2.2

  ∗

  para Dada uma involu¸c˜ao ∗ em um anel R, utilizaremos a nota¸c˜ao exponencial x denotar a imagem de x em R por ∗.

  Exemplo 1.2.3 Aplica¸c˜ao identidade em um anel comutativo Seja R um anel comutativo e consideremos a aplica¸c˜ao

  ∗ : R → R x 7→ x. Claramente valem as propriedades (i) e (iii); al´em disso, como R ´e comutativo,

  ∗ ∗ ∗

  a propriedade (ii) ´e satisfeita, j´a que (xy) = xy = yx = y x . Logo, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.4 Conjuga¸c˜ao complexa em C Seja R = C e consideremos a aplica¸c˜ao

  C C ∗ : →

  α + βi 7→ α − βi. Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em C, seguem facilmente as propriedades (i), (ii) e (iii). Portanto, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em C denominada conjuga¸c˜ao complexa.

  9 Exemplo 1.2.5 Involu¸c˜oes em H Seja R = H, a ´algebra dos quat´ernios hamiltonianos reais, e consideremos as aplica¸c˜oes

  H H b : →

  α + α i + α j + α k

  1 2 3 1 2 3

  k 7→ α − α i − α j − α e

  −

  : H H

  → α + α i + α j + α + α i + α j + α k.

  1 2 3 2 1 3

  k 7→ α Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em H, seguem as propriedades (i), (ii) e (iii). Por-

  −

  s˜ao involu¸c˜oes em H, sendo que b ser´a denominada involu¸c˜ao canˆonica tanto, b e em H.

  Exemplo 1.2.6 Involu¸c˜ao em um anel de grupo RG

  

  Sejam R um anel com uma involu¸c˜ao e G um grupo. Definimos, para o anel de grupo RG, a seguinte aplica¸c˜ao RG RG

  ∗ : →

  X X

  ∗ −1

  . α = α x = α x x x 7→ α

  

x∈G x∈G

  Agora ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  (α + β) = α x x + β x x = (α x + β x )x = (α x + β x )x

  x∈G x∈G x∈G x∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  −1 −1 −1

  • = (α x + β x )x = α x x β + x x = α x x β x x

  x∈G x∈G x∈G x∈G x∈G ∗ ∗

  = α + β ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  = α x β y y = (α x β y )(xy) = (α x β y )(xy) (α · β) x ·

  x∈G y∈G x,y∈G x,y∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  

−1 −1 −1 −1

  = (β y α x )(y x ) = β y y α x x = β y y α x x · ·

  x,y∈G y∈G x∈G y∈G x∈G ∗ ∗

  = β α

  10 e !

  ∗

  X X X

  ∗ ∗ −1 −1 −1

  (α ) = α x x = α x (x ) = α x x = α.

  

x∈G x∈G x∈G

  Assim, procedendo de modo an´alogo para o produto de dois elementos quaisquer de RG, verificamos que ∗ ´e uma involu¸c˜ao em RG. Notemos ainda que, para todo anel R comutativo, RG possui uma involu¸c˜ao ∗ definida como acima, j´a que a identidade ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.7 Involu¸c˜ao canˆonica na ´algebra de grupo KG Seja KG uma ´algebra de grupo sobre um corpo K. Do que foi visto no exemplo anterior, segue que a aplica¸c˜ao

  KG KG ∗ : →

  X X

  ∗ −1

  α = α x = α x x x 7→ α

  x∈G x∈G

  ´e uma involu¸c˜ao, que ser´a denominada involu¸c˜ ao canˆ onica em KG. Exemplo 1.2.8 Involu¸c˜ao em M n (R) obtida a partir de uma em R

  −

  Sejam R um anel e uma involu¸c˜ao em R. Ent˜ao a aplica¸c˜ao n n (R) ∗ : M (R) → M

  (a ij ) (a ji ) 7→

  −

  ´e uma involu¸c˜ao em M n (R). De fato, como uma involu¸c˜ao em R, ent˜ao

  ∗ ∗

  ((a ij ) + (b ij )) = (a ij + b ij ) = (a ji + b ji ) = (a ji + b ji ) = (a ji ) + (b ji )

  ∗ ∗

  = (a ij ) + (b ij ) n ∗ n n ! ! !

  X X X

  ∗

  ((a ik lj )) = a im b mj = a jm b mi = b mi a jm ) · (b m m m

  =1 =1 =1 ∗ ∗

  = (b ) = (b ) ) ki jl ik lj ) · (a · (a

  ∗ ∗ ∗

  ((a ij ) ) = (a ji ) = (a ij ) = (a ij ).

  11 Exemplo 1.2.9 Transposta de uma matriz em M n (R) Seja R um anel comutativo. Considerando a aplica¸c˜ao identidade como sendo a

  −

  involu¸c˜ao em R, segue do exemplo anterior que n n (R) ∗ : M (R) → M

  (a ij ) (a ji ) 7→

  ´e uma involu¸c˜ao em M n (R) comumente chamada de transposta. Proposi¸c˜ ao 1.2.10 Seja uma involu¸c˜ao em um anel R. Ent˜ao valem as seguintes

  propriedades:

  (i) 1 = 1

  −1 ∗ ∗ −1

  ) = (x ) (ii) Se x ∈ U(R), ent˜ao (x

  ∗

  (iii) x ∈ Z(R) se, e somente se, x ∈ Z(R).

  Demonstra¸c˜ao:

  (i) Temos

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  1 = (1 ) ) = (1 ) = 1 .

  = (1 · 1 · 1 = 1 · 1

  −1 ∗

  = 1 e utilizando que 1 = 1, obtemos (ii) Se x ∈ U(R), ent˜ao aplicando ∗ em xx

  

−1 ∗ ∗ ∗ ∗ −1 ∗ −1 ∗ ∗ −1

  (x ) x = 1 = 1. De modo an´alogo, x (x ) = 1 e, portanto, (x ) = (x ) .

  (iii) Se x ∈ Z(R), ent˜ao para todo y ∈ R temos que

  

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  x y = x (y ) = (y x) = (xy ) = (y ) x = yx

  ∗ ∗ ∗ ∗

  e portanto x y = yx , o que implica x ∈ Z(R). Reciprocamente, se x ∈ Z(R),

  ∗ ∗

  ent˜ao do que j´a foi mostrado temos que x = (x ) ∈ Z(R).

  A partir de uma involu¸c˜ao ∗ em um anel R, podemos construir novas involu¸c˜oes.

  ∗

  Por exemplo, se u ∈ U(R) ´e tal que u = ±u, ent˜ao a composi¸c˜ao σ = Int(u) ◦ ∗ ´e uma involu¸c˜ao em R. De fato, como Int(u) ´e um automorfismo, temos: σ σ σ

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  (a + b) = Int(u)(a + b) = Int(u)(a + b ) = Int(u)(a ) + Int(u)(b ) = a + b σ σ σ

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  (ab) = Int(u)(ab) = Int(u)(b a ) = (Int(u)(b ))(Int(u)(a )) = b a σ σ

  ∗ ∗ ∗ −1 ∗ −1 −1 ∗ ∗ ∗ ∗ −1

  (a ) = Int(u)(Int(u)(a )) = u(ua u ) u = u(u ) (a ) u u

  ∗ −1 ∗ −1 −1 −1

  = u(u ) au u = a.

  = u(±u) a(±u)u

  12 Vejamos dois exemplos de involu¸c˜oes assim constru´ıdas que ser˜ao fundamentais no Cap´ıtulo 3. Exemplo 1.2.11

  −

  Sejam D um anel de divis˜ao, uma involu¸c˜ao em D e C = diag(c ) uma

  1 n

  , · · · , c matriz diagonal invert´ıvel com c i = c i , para i = 1, · · · , n. Se τ ´e a involu¸c˜ao em τ

  M n (D) dada por (a ij ji ) (veja Exemplo 1.2.8), ent˜ao C = C e a aplica¸c˜ao ) 7→ (a

  σ = Int(C) ◦ τ ´e uma involu¸c˜ao em M n (D).

  Exemplo 1.2.12 I Sejam K um corpo, n = 2m e S = n (K), onde I ´e a identidade

  ∈ M

  −I τ

  em M m (K). Ent˜ao, se τ ´e a involu¸c˜ao transposta em M n (K), temos que S = −S e a aplica¸c˜ao

  σ = Int(S) ◦ τ ´e uma involu¸c˜ao em M (K). n Defini¸c˜ ao 1.2.13 Seja R um anel com uma involu¸c˜ao . Um elemento k ∈ R ´e

  ∗

denominado um elemento sim´ etrico de R se k = k. O conjunto dos elementos

sim´etricos de R ´e

  R = {k ∈ R | k = k}.

  Defini¸c˜ ao 1.2.14 Seja R um anel com uma involu¸c˜ao . Um elemento k ∈ R ´e

  ∗

  etrico de

  denominado um elemento anti-sim´ R se k

  = −k. O conjunto dos

  elementos anti-sim´etricos de R ´e − ∗

  R = {k ∈ R | k = −k}.

  No caso em que K ´e um corpo com caracter´ıstica diferente de 2 e ∗ ´e a involu¸c˜ao canˆonica na ´algebra de grupo KG, temos o seguinte resultado para o conjunto dos elementos anti-sim´etricos.

  Proposi¸c˜ ao 1.2.15 Sejam K um corpo com caracter´ıstica diferente de 2 e a

  − −1 involu¸c˜ao canˆonica em KG. Ent˜ao KG

  , , como K-m´odulo, ´e gerado por x − x

  x ∈ G.

  13 X X X

1.2 Involu¸c˜ oes em um anel

  Daremos agora a defini¸c˜ao de involu¸c˜ao em um anel e, em seguida, apresentaremos exemplos de involu¸c˜oes e veremos algumas defini¸c˜oes e proposi¸c˜oes relacionadas ao conceito de involu¸c˜ao que ser˜ao utilizadas mais adiante.

  Defini¸c˜ ao 1.2.1 Seja R um anel. Dizemos que uma aplica¸c˜ao ∗ : R → R ´e uma involu¸ c˜ ao em

  R se, para todo x, y ∈ R, as seguintes propriedades s˜ao satisfeitas:

  ∗ ∗ ∗

  (i) (x + y) = x + y

  ∗ ∗ ∗

  (ii) (xy) = y x

  ∗ ∗

  (iii) (x ) = x. Observa¸c˜ ao 1.2.2

  ∗

  para Dada uma involu¸c˜ao ∗ em um anel R, utilizaremos a nota¸c˜ao exponencial x denotar a imagem de x em R por ∗.

  Exemplo 1.2.3 Aplica¸c˜ao identidade em um anel comutativo Seja R um anel comutativo e consideremos a aplica¸c˜ao

  ∗ : R → R x 7→ x. Claramente valem as propriedades (i) e (iii); al´em disso, como R ´e comutativo,

  ∗ ∗ ∗

  a propriedade (ii) ´e satisfeita, j´a que (xy) = xy = yx = y x . Logo, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.4 Conjuga¸c˜ao complexa em C Seja R = C e consideremos a aplica¸c˜ao

  C C ∗ : →

  α + βi 7→ α − βi. Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em C, seguem facilmente as propriedades (i), (ii) e (iii). Portanto, ∗ ´e uma involu¸c˜ao em C denominada conjuga¸c˜ao complexa.

  9 Exemplo 1.2.5 Involu¸c˜oes em H Seja R = H, a ´algebra dos quat´ernios hamiltonianos reais, e consideremos as aplica¸c˜oes

  H H b : →

  α + α i + α j + α k

  1 2 3 1 2 3

  k 7→ α − α i − α j − α e

  −

  : H H

  → α + α i + α j + α + α i + α j + α k.

  1 2 3 2 1 3

  k 7→ α Da defini¸c˜ao das opera¸c˜oes em H, seguem as propriedades (i), (ii) e (iii). Por-

  −

  s˜ao involu¸c˜oes em H, sendo que b ser´a denominada involu¸c˜ao canˆonica tanto, b e em H.

  Exemplo 1.2.6 Involu¸c˜ao em um anel de grupo RG

  

  Sejam R um anel com uma involu¸c˜ao e G um grupo. Definimos, para o anel de grupo RG, a seguinte aplica¸c˜ao RG RG

  ∗ : →

  X X

  ∗ −1

  . α = α x = α x x x 7→ α

  

x∈G x∈G

  Agora ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  (α + β) = α x x + β x x = (α x + β x )x = (α x + β x )x

  x∈G x∈G x∈G x∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  −1 −1 −1

  • = (α x + β x )x = α x x β + x x = α x x β x x

  x∈G x∈G x∈G x∈G x∈G ∗ ∗

  = α + β ! !

  ∗ ∗

  X X X X

  ∗ −1

  = α x β y y = (α x β y )(xy) = (α x β y )(xy) (α · β) x ·

  x∈G y∈G x,y∈G x,y∈G

  ! !

  ∗ ∗

  X X X X X

  

−1 −1 −1 −1

  = (β y α x )(y x ) = β y y α x x = β y y α x x · ·

  x,y∈G y∈G x∈G y∈G x∈G ∗ ∗

  = β α

  10 e !

  ∗

  X X X

  ∗ ∗ −1 −1 −1

  (α ) = α x x = α x (x ) = α x x = α.

  

x∈G x∈G x∈G

  Assim, procedendo de modo an´alogo para o produto de dois elementos quaisquer de RG, verificamos que ∗ ´e uma involu¸c˜ao em RG. Notemos ainda que, para todo anel R comutativo, RG possui uma involu¸c˜ao ∗ definida como acima, j´a que a identidade ´e uma involu¸c˜ao em R.

  Exemplo 1.2.7 Involu¸c˜ao canˆonica na ´algebra de grupo KG Seja KG uma ´algebra de grupo sobre um corpo K. Do que foi visto no exemplo anterior, segue que a aplica¸c˜ao

  KG KG ∗ : →

  X X

  ∗ −1

  α = α x = α x x x 7→ α

  x∈G x∈G

  ´e uma involu¸c˜ao, que ser´a denominada involu¸c˜ ao canˆ onica em KG. Exemplo 1.2.8 Involu¸c˜ao em M n (R) obtida a partir de uma em R

  −

  Sejam R um anel e uma involu¸c˜ao em R. Ent˜ao a aplica¸c˜ao n n (R) ∗ : M (R) → M

  (a ij ) (a ji ) 7→

  −

  ´e uma involu¸c˜ao em M n (R). De fato, como uma involu¸c˜ao em R, ent˜ao

  ∗ ∗

  ((a ij ) + (b ij )) = (a ij + b ij ) = (a ji + b ji ) = (a ji + b ji ) = (a ji ) + (b ji )

  ∗ ∗

  = (a ij ) + (b ij ) n ∗ n n ! ! !

  X X X

  ∗

  ((a ik lj )) = a im b mj = a jm b mi = b mi a jm ) · (b m m m

  =1 =1 =1 ∗ ∗

  = (b ) = (b ) ) ki jl ik lj ) · (a · (a

  ∗ ∗ ∗

  ((a ij ) ) = (a ji ) = (a ij ) = (a ij ).

  11 Exemplo 1.2.9 Transposta de uma matriz em M n (R) Seja R um anel comutativo. Considerando a aplica¸c˜ao identidade como sendo a

  −

  involu¸c˜ao em R, segue do exemplo anterior que n n (R) ∗ : M (R) → M

  (a ij ) (a ji ) 7→

  ´e uma involu¸c˜ao em M n (R) comumente chamada de transposta. Proposi¸c˜ ao 1.2.10 Seja uma involu¸c˜ao em um anel R. Ent˜ao valem as seguintes

  propriedades:

  (i) 1 = 1

  −1 ∗ ∗ −1

  ) = (x ) (ii) Se x ∈ U(R), ent˜ao (x

  ∗

  (iii) x ∈ Z(R) se, e somente se, x ∈ Z(R).

  Demonstra¸c˜ao:

  (i) Temos

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  1 = (1 ) ) = (1 ) = 1 .

  = (1 · 1 · 1 = 1 · 1

  −1 ∗

  = 1 e utilizando que 1 = 1, obtemos (ii) Se x ∈ U(R), ent˜ao aplicando ∗ em xx

  

−1 ∗ ∗ ∗ ∗ −1 ∗ −1 ∗ ∗ −1

  (x ) x = 1 = 1. De modo an´alogo, x (x ) = 1 e, portanto, (x ) = (x ) .

  (iii) Se x ∈ Z(R), ent˜ao para todo y ∈ R temos que

  

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  x y = x (y ) = (y x) = (xy ) = (y ) x = yx

  ∗ ∗ ∗ ∗

  e portanto x y = yx , o que implica x ∈ Z(R). Reciprocamente, se x ∈ Z(R),

  ∗ ∗

  ent˜ao do que j´a foi mostrado temos que x = (x ) ∈ Z(R).

  A partir de uma involu¸c˜ao ∗ em um anel R, podemos construir novas involu¸c˜oes.

  ∗

  Por exemplo, se u ∈ U(R) ´e tal que u = ±u, ent˜ao a composi¸c˜ao σ = Int(u) ◦ ∗ ´e uma involu¸c˜ao em R. De fato, como Int(u) ´e um automorfismo, temos: σ σ σ

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  (a + b) = Int(u)(a + b) = Int(u)(a + b ) = Int(u)(a ) + Int(u)(b ) = a + b σ σ σ

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  (ab) = Int(u)(ab) = Int(u)(b a ) = (Int(u)(b ))(Int(u)(a )) = b a σ σ

  ∗ ∗ ∗ −1 ∗ −1 −1 ∗ ∗ ∗ ∗ −1

  (a ) = Int(u)(Int(u)(a )) = u(ua u ) u = u(u ) (a ) u u

  ∗ −1 ∗ −1 −1 −1

  = u(u ) au u = a.

  = u(±u) a(±u)u

  12 Vejamos dois exemplos de involu¸c˜oes assim constru´ıdas que ser˜ao fundamentais no Cap´ıtulo 3. Exemplo 1.2.11

  −

  Sejam D um anel de divis˜ao, uma involu¸c˜ao em D e C = diag(c ) uma

  1 n

  , · · · , c matriz diagonal invert´ıvel com c i = c i , para i = 1, · · · , n. Se τ ´e a involu¸c˜ao em τ

  M n (D) dada por (a ij ji ) (veja Exemplo 1.2.8), ent˜ao C = C e a aplica¸c˜ao ) 7→ (a

  σ = Int(C) ◦ τ ´e uma involu¸c˜ao em M n (D).

  Exemplo 1.2.12 I Sejam K um corpo, n = 2m e S = n (K), onde I ´e a identidade

  ∈ M

  −I τ

  em M m (K). Ent˜ao, se τ ´e a involu¸c˜ao transposta em M n (K), temos que S = −S e a aplica¸c˜ao

  σ = Int(S) ◦ τ ´e uma involu¸c˜ao em M (K). n Defini¸c˜ ao 1.2.13 Seja R um anel com uma involu¸c˜ao . Um elemento k ∈ R ´e

  ∗

denominado um elemento sim´ etrico de R se k = k. O conjunto dos elementos

sim´etricos de R ´e

  R = {k ∈ R | k = k}.

  Defini¸c˜ ao 1.2.14 Seja R um anel com uma involu¸c˜ao . Um elemento k ∈ R ´e

  ∗

  etrico de

  denominado um elemento anti-sim´ R se k

  = −k. O conjunto dos

  elementos anti-sim´etricos de R ´e − ∗

  R = {k ∈ R | k = −k}.

  No caso em que K ´e um corpo com caracter´ıstica diferente de 2 e ∗ ´e a involu¸c˜ao canˆonica na ´algebra de grupo KG, temos o seguinte resultado para o conjunto dos elementos anti-sim´etricos.

  Proposi¸c˜ ao 1.2.15 Sejam K um corpo com caracter´ıstica diferente de 2 e a

  − −1 involu¸c˜ao canˆonica em KG. Ent˜ao KG

  , , como K-m´odulo, ´e gerado por x − x

  x ∈ G.

  13 X X X

  − −1

Demonstra¸c˜ao: Se α = α , ent˜ao α α x . Logo

x x x

  x ∈ KG x = −

  x∈G x∈G x∈G

  X

  1 −1

  −1

  α x x α x ). = −α , para todo x ∈ G. Portanto, α = (x − x

  2

  x∈G −

  Proposi¸c˜ . Ent˜ao 1 + k ´e invert´ıvel em R se, e somente se, ao 1.2.16 Seja k ∈ R 1 − k ´e invert´ıvel em R.

  

Demonstra¸c˜ao: Se 1 + k ´e invert´ıvel em R, ent˜ao existe x ∈ R tal que x(1 + k) = 1.

  Assim,

  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

  x(1 + k) = 1 = 1 = (1 + k) x = (1 + k )x .

  = (1 − k)x ao Defini¸c˜ ao 1.2.17 Uma involu¸c˜ao em um anel R ´e denominada uma involu¸c˜ do primeiro tipo se todo elemento do centro de R ´e sim´etrico. Caso contr´ario,

  ela ´e dita ser do segundo tipo.

  A aplica¸c˜ao identidade em qualquer anel comutativo, a involu¸c˜ao canˆonica em H e a transposta em M n (R), onde R ´e um anel comutativo, s˜ao exemplos de involu¸c˜oes do primeiro tipo. J´a a conjuga¸c˜ao complexa em C e a involu¸c˜ao canˆonica na ´algebra de grupo KG, onde G ´e um grupo abeliano contendo elementos de ordem maior que 2 e K ´e um corpo, s˜ao exemplos de involu¸c˜oes do segundo tipo.

1.3 Elementos unit´ arios e Cayley unit´ arios

  Introduziremos nesta se¸c˜ao dois subconjuntos de U(R), onde R ´e um anel munido de uma involu¸c˜ao, que ser˜ao parte essencial no desenvolvimento desta disserta¸c˜ao. Defini¸c˜ ao 1.3.1 Seja R um anel com uma involu¸c˜ao . Um elemento u ∈ U(R) ´e

  ∗

denominado um elemento unit´ ario de R se uu = 1. O conjunto dos elementos

unit´arios de R ´e um subgrupo de U(R) denotado por Un(R).

  − −1

  Proposi¸c˜ ao 1.3.2 Se k ∈ R e 1 + k ∈ U(R), ent˜ao u = (1−k)(1+k) ∈ Un(R).

  14

1.3 Elementos unit´ arios e Cayley unit´ arios

  Introduziremos nesta se¸c˜ao dois subconjuntos de U(R), onde R ´e um anel munido de uma involu¸c˜ao, que ser˜ao parte essencial no desenvolvimento desta disserta¸c˜ao. Defini¸c˜ ao 1.3.1 Seja R um anel com uma involu¸c˜ao . Um elemento u ∈ U(R) ´e

  ∗

denominado um elemento unit´ ario de R se uu = 1. O conjunto dos elementos

unit´arios de R ´e um subgrupo de U(R) denotado por Un(R).

  − −1

  Proposi¸c˜ ao 1.3.2 Se k ∈ R e 1 + k ∈ U(R), ent˜ao u = (1−k)(1+k) ∈ Un(R).

  14

  ∗ Demonstra¸c˜ao: Como k

  = −k, segue imediatamente que

  

∗ −1 ∗

  u ) = ((1 − k)(1 + k)

  −1

  (1 + k). = (1 − k)

  Logo

  ∗ −1 −1

  uu (1 + k) = (1 − k)(1 + k) (1 − k)

  −1 −1

  (1 + k) (1 + k) = (1 − k)(1 − k) = 1.

  Portanto, u ´e um elemento unit´ario de R. Defini¸c˜ ao 1.3.3 Um elemento u ∈ Un(R) ´e chamado um elemento Cayley uni-

  − −1

  t´ ario de

  .

  R se existe k ∈ R com 1 + k invert´ıvel em R tal que u = (1 − k)(1 + k)

  

Neste caso, dizemos que u ´e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de k, deno-

tado, quando conveniente, por u [k] . O conjunto dos elementos Cayley unit´arios de

C

  (R). R ser´a denotado por Un C

  (R), ent˜ao a Se R ´e um anel com involu¸c˜ao no qual 2 ´e invert´ıvel e u ∈ Un

  −

  pr´oxima proposi¸c˜ao nos diz que existe um ´ com 1 + k invert´ıvel em R unico k ∈ R tal que u = u .

  [k]

  Proposi¸c˜ ao 1.3.4 Sejam R um anel com involu¸c˜ao no qual 2 ´e invert´ıvel e = u , ent˜ao k = h.

  [k] [h]

  u ∈ Un(R). Se u = u

  Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que u = u . Ent˜ao [k] [h] −1 −1

  , 1 + (1 − k)(1 + k) = 1 + (1 − h)(1 + h) o que implica

  −1 −1 −1 −1

  (1 + k)(1 + k) = (1 + h)(1 + h) .

  • (1 − k)(1 + k) + (1 − h)(1 + h)

  −1 −1

  Logo, 2(1 + k) = 2(1 + h) e, como 2 ´e invert´ıvel em R, segue que

  −1 −1

  (1 + k) = (1 + h) . Assim, 1 + k = 1 + h e, portanto, k = h.

  15

1.3 Elementos unit´ arios e Cayley unit´ arios

  Introduziremos nesta se¸c˜ao dois subconjuntos de U(R), onde R ´e um anel munido de uma involu¸c˜ao, que ser˜ao parte essencial no desenvolvimento desta disserta¸c˜ao. Defini¸c˜ ao 1.3.1 Seja R um anel com uma involu¸c˜ao . Um elemento u ∈ U(R) ´e

  ∗

denominado um elemento unit´ ario de R se uu = 1. O conjunto dos elementos

unit´arios de R ´e um subgrupo de U(R) denotado por Un(R).

  − −1

  Proposi¸c˜ ao 1.3.2 Se k ∈ R e 1 + k ∈ U(R), ent˜ao u = (1−k)(1+k) ∈ Un(R).

  14

  ∗ Demonstra¸c˜ao: Como k

  = −k, segue imediatamente que

  

∗ −1 ∗

  u ) = ((1 − k)(1 + k)

  −1

  (1 + k). = (1 − k)

  Logo

  ∗ −1 −1

  uu (1 + k) = (1 − k)(1 + k) (1 − k)

  −1 −1

  (1 + k) (1 + k) = (1 − k)(1 − k) = 1.

  Portanto, u ´e um elemento unit´ario de R. Defini¸c˜ ao 1.3.3 Um elemento u ∈ Un(R) ´e chamado um elemento Cayley uni-

  − −1

  t´ ario de

  .

  R se existe k ∈ R com 1 + k invert´ıvel em R tal que u = (1 − k)(1 + k)

  

Neste caso, dizemos que u ´e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de k, deno-

tado, quando conveniente, por u [k] . O conjunto dos elementos Cayley unit´arios de

C

  (R). R ser´a denotado por Un C

  (R), ent˜ao a Se R ´e um anel com involu¸c˜ao no qual 2 ´e invert´ıvel e u ∈ Un

  −

  pr´oxima proposi¸c˜ao nos diz que existe um ´ com 1 + k invert´ıvel em R unico k ∈ R tal que u = u .

  [k]

  Proposi¸c˜ ao 1.3.4 Sejam R um anel com involu¸c˜ao no qual 2 ´e invert´ıvel e = u , ent˜ao k = h.

  [k] [h]

  u ∈ Un(R). Se u = u

  Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que u = u . Ent˜ao [k] [h] −1 −1

  , 1 + (1 − k)(1 + k) = 1 + (1 − h)(1 + h) o que implica

  −1 −1 −1 −1

  (1 + k)(1 + k) = (1 + h)(1 + h) .

  • (1 − k)(1 + k) + (1 − h)(1 + h)

  −1 −1

  Logo, 2(1 + k) = 2(1 + h) e, como 2 ´e invert´ıvel em R, segue que

  −1 −1

  (1 + k) = (1 + h) . Assim, 1 + k = 1 + h e, portanto, k = h.

  15

  −

  ´e tal que 1 + k ´e invert´ıvel em R, ent˜ao da Proposi¸c˜ao 1.2.16 segue Se k ∈ R que 1 − k tamb´em ´e invert´ıvel em R. Al´em disso,

  −1 −1

  u u = 1.

  [k] [−k] = (1 − k)(1 + k) (1 + k)(1 − k)

  Assim temos a seguinte proposi¸c˜ao. C Proposi¸c˜ ao 1.3.5 Sejam R um anel com involu¸c˜ao e u (R). Ent˜ao

  [k]

  ∈ Un

  −1

  (u ) = u .

  [k] [−k]

  Nos pr´oximos dois lemas, encontrados em [2], R ´e um anel com involu¸c˜ao ∗ no qual 2 ´e invert´ıvel. Estes lemas nos d˜ao condi¸c˜oes necess´arias e suficientes para que u ∈ Un(R) seja, respectivamente, um elemento Cayley unit´ario e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R. C

  Proposi¸c˜ (R) se, e so- ao 1.3.6 ([2], Lema 1) Seja u ∈ Un(R). Ent˜ao u ∈ Un

  mente se, 1 + u ´e invert´ıvel em R. Demonstra¸c˜ao: C

  −1

  para algum elemento anti-sim´etrico (⇒) Se u ∈ Un (R), ent˜ao u = (1 − k)(1 + k) k tal que 1 + k ´e invert´ıvel em R. Logo

  −1

  1 + u = 1 + (1 − k)(1 + k)

  −1 −1

  = (1 + k)(1 + k)

  • (1 − k)(1 + k)

  −1

  = 2(1 + k) . Portanto, como 2 ´e invert´ıvel em R, ent˜ao 1 + u ´e invert´ıvel em R. (⇐) Se u ´e um elemento unit´ario tal que 1 + u ´e invert´ıvel em R, ent˜ao

  −1

  k = (1 −u)(1+u) ´e anti-sim´etrico. De fato, como ∗ ´e uma involu¸c˜ao e u ∈ Un(R),

  ∗ −1 ∗

  k ) = ((1 − u)(1 + u)

  −1 ∗ ∗

  = ((1 + u) ) (1 − u)

  ∗ −1 ∗

  = ((1 + u) ) (1 − u)

  

∗ ∗ −1 ∗ ∗

  = (1 + u ) (1 ) − u

  −1 −1 −1

  = (1 + u ) ) (1 − u

  −1 −1 −1 −1

  = (1 + u ) u ) u(1 − u

  −1 −1 −1

  = (u(1 + u )) )) (u(1 − u

  −1

  = (u + 1) (u − 1)

  

−1

  = −(1 + u) (1 − u).

  16

1.3 Elementos unit´ arios e Cayley unit´ arios

  Introduziremos nesta se¸c˜ao dois subconjuntos de U(R), onde R ´e um anel munido de uma involu¸c˜ao, que ser˜ao parte essencial no desenvolvimento desta disserta¸c˜ao. Defini¸c˜ ao 1.3.1 Seja R um anel com uma involu¸c˜ao . Um elemento u ∈ U(R) ´e

  ∗

denominado um elemento unit´ ario de R se uu = 1. O conjunto dos elementos

unit´arios de R ´e um subgrupo de U(R) denotado por Un(R).

  − −1

  Proposi¸c˜ ao 1.3.2 Se k ∈ R e 1 + k ∈ U(R), ent˜ao u = (1−k)(1+k) ∈ Un(R).

  14

  ∗ Demonstra¸c˜ao: Como k

  = −k, segue imediatamente que

  

∗ −1 ∗

  u ) = ((1 − k)(1 + k)

  −1

  (1 + k). = (1 − k)

  Logo

  ∗ −1 −1

  uu (1 + k) = (1 − k)(1 + k) (1 − k)

  −1 −1

  (1 + k) (1 + k) = (1 − k)(1 − k) = 1.

  Portanto, u ´e um elemento unit´ario de R. Defini¸c˜ ao 1.3.3 Um elemento u ∈ Un(R) ´e chamado um elemento Cayley uni-

  − −1

  t´ ario de

  .

  R se existe k ∈ R com 1 + k invert´ıvel em R tal que u = (1 − k)(1 + k)

  

Neste caso, dizemos que u ´e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de k, deno-

tado, quando conveniente, por u [k] . O conjunto dos elementos Cayley unit´arios de

C

  (R). R ser´a denotado por Un C

  (R), ent˜ao a Se R ´e um anel com involu¸c˜ao no qual 2 ´e invert´ıvel e u ∈ Un

  −

  pr´oxima proposi¸c˜ao nos diz que existe um ´ com 1 + k invert´ıvel em R unico k ∈ R tal que u = u .

  [k]

  Proposi¸c˜ ao 1.3.4 Sejam R um anel com involu¸c˜ao no qual 2 ´e invert´ıvel e = u , ent˜ao k = h.

  [k] [h]

  u ∈ Un(R). Se u = u

  Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que u = u . Ent˜ao [k] [h] −1 −1

  , 1 + (1 − k)(1 + k) = 1 + (1 − h)(1 + h) o que implica

  −1 −1 −1 −1

  (1 + k)(1 + k) = (1 + h)(1 + h) .

  • (1 − k)(1 + k) + (1 − h)(1 + h)

  −1 −1

  Logo, 2(1 + k) = 2(1 + h) e, como 2 ´e invert´ıvel em R, segue que

  −1 −1

  (1 + k) = (1 + h) . Assim, 1 + k = 1 + h e, portanto, k = h.

  15

  −

  ´e tal que 1 + k ´e invert´ıvel em R, ent˜ao da Proposi¸c˜ao 1.2.16 segue Se k ∈ R que 1 − k tamb´em ´e invert´ıvel em R. Al´em disso,

  −1 −1

  u u = 1.

  [k] [−k] = (1 − k)(1 + k) (1 + k)(1 − k)

  Assim temos a seguinte proposi¸c˜ao. C Proposi¸c˜ ao 1.3.5 Sejam R um anel com involu¸c˜ao e u (R). Ent˜ao

  [k]

  ∈ Un

  −1

  (u ) = u .

  [k] [−k]

  Nos pr´oximos dois lemas, encontrados em [2], R ´e um anel com involu¸c˜ao ∗ no qual 2 ´e invert´ıvel. Estes lemas nos d˜ao condi¸c˜oes necess´arias e suficientes para que u ∈ Un(R) seja, respectivamente, um elemento Cayley unit´ario e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R. C

  Proposi¸c˜ (R) se, e so- ao 1.3.6 ([2], Lema 1) Seja u ∈ Un(R). Ent˜ao u ∈ Un

  mente se, 1 + u ´e invert´ıvel em R. Demonstra¸c˜ao: C

  −1

  para algum elemento anti-sim´etrico (⇒) Se u ∈ Un (R), ent˜ao u = (1 − k)(1 + k) k tal que 1 + k ´e invert´ıvel em R. Logo

  −1

  1 + u = 1 + (1 − k)(1 + k)

  −1 −1

  = (1 + k)(1 + k)

  • (1 − k)(1 + k)

  −1

  = 2(1 + k) . Portanto, como 2 ´e invert´ıvel em R, ent˜ao 1 + u ´e invert´ıvel em R. (⇐) Se u ´e um elemento unit´ario tal que 1 + u ´e invert´ıvel em R, ent˜ao

  −1

  k = (1 −u)(1+u) ´e anti-sim´etrico. De fato, como ∗ ´e uma involu¸c˜ao e u ∈ Un(R),

  ∗ −1 ∗

  k ) = ((1 − u)(1 + u)

  −1 ∗ ∗

  = ((1 + u) ) (1 − u)

  ∗ −1 ∗

  = ((1 + u) ) (1 − u)

  

∗ ∗ −1 ∗ ∗

  = (1 + u ) (1 ) − u

  −1 −1 −1

  = (1 + u ) ) (1 − u

  −1 −1 −1 −1

  = (1 + u ) u ) u(1 − u

  −1 −1 −1

  = (u(1 + u )) )) (u(1 − u

  −1

  = (u + 1) (u − 1)

  

−1

  = −(1 + u) (1 − u).

  16

  −1 −1

  . Como (1 − u)(1 + u) = (1 + u)(1 − u), ent˜ao (1 + u) (1 − u) = (1 − u)(1 + u) Logo

  ∗ −1 −1

  k = −(1 + u) (1 − u) = −(1 − u)(1 + u) = −k.

  −1

  Agora, como 2 ´e invert´ıvel em R, ent˜ao 1 + k = 2(1 + u) ´e invert´ıvel em R.

  −1

  , temos que Assim, como 1 − k = 2u(1 + u)

  −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1

  = 2u(1 + u) (2(1 + u) ) = 2u(1 + u) (1 + u)2 = 2u2 = u. (1 − k)(1 + k) C

  −1

  = u (R).

  [k]

  Logo, u = (1 − k)(1 + k) ∈ Un Proposi¸c˜ ao 1.3.7 ([2], Lema 2) Se u ∈ Un(R), ent˜ao u ´e um produto de dois

  

elementos Cayley unit´arios de R se, e somente se, (1 + u) − (1 − u)k ´e invert´ıvel

com 1 + k invert´ıvel em R. em R, para algum elemento k ∈ R Demonstra¸c˜ao:

  (⇒) Suponha que u ∈ Un(R) ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios C

  −1

  de R, isto ´e, u = u u . Ent˜ao uu = u(u ) = u , ou seja, uu (R).

  [h] [k] [k] [h] [−k] [−k] ∈ Un

  Da Proposi¸c˜ao 1.3.6 segue que 1 + uu ´e invert´ıvel em R. Agora

  [−k] −1

  1 + uu

  [−k] = 1 + u(1 + k)(1 − k) −1 −1

  = (1 − k)(1 − k) + u(1 + k)(1 − k)

  −1

  = (1 − k + u + uk)(1 − k)

  −1

  . = [(1 + u) − (1 − u)k](1 − k)

  Logo, (1 + u) − (1 − u)k = (1 + uu [−k] )(1 − k) ´e invert´ıvel em R.

  −

  com 1 + k (⇐) Se (1 + u) − (1 − u)k ´e invert´ıvel em R, para algum elemento k ∈ R

  −1

  invert´ıvel em R, ent˜ao 1 + uu ´e invert´ıvel em R.

  [−k]

  = [(1 + u) − (1 − u)k](1 − k) C Logo, pela Proposi¸c˜ao 1.3.6, uu (R), isto ´e, uu = u

  [h] [−k] ∈ Un [−k] , h ∈ R. Assim,

  u = u [h] u [k] ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios.

1.4 Fun¸c˜ oes geradoras

  Nesta se¸c˜ao explicaremos brevemente como, utilizando fun¸c˜oes geradoras, pode- mos encontrar o termo geral de uma seq¨ uˆencia dada por uma rela¸c˜ao de recorrˆencia. A seguir encontraremos o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) que ser´a utilizada no Cap´ıtulo 2.

  17 c˜ ao geradora Defini¸c˜ ao 1.4.1 A fun¸ de uma seq¨ uˆencia A , A , A

1.4 Fun¸c˜ oes geradoras

  Nesta se¸c˜ao explicaremos brevemente como, utilizando fun¸c˜oes geradoras, pode- mos encontrar o termo geral de uma seq¨ uˆencia dada por uma rela¸c˜ao de recorrˆencia. A seguir encontraremos o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) que ser´a utilizada no Cap´ıtulo 2.

  17 c˜ ao geradora Defini¸c˜ ao 1.4.1 A fun¸ de uma seq¨ uˆencia A , A , A

  1 2

  , · · · ´e definida X i

  como a s´erie formal A(t) = A i t . i≥0

  Dada uma rela¸c˜ao de recorrˆencia que define uma seq¨ uˆencia A , A , A

  1 2

  , · · · cujo termo geral A i ´e desconhecido, podemos tentar obter uma f´ormula para este termo geral encontrando uma forma fechada para a fun¸c˜ao geradora A(t) e ent˜ao obtendo i o coeficiente de t em A(t). Mais precisamente, conforme mencionado em [11], uma f´ormula para A i pode ser obtida seguindo-se os seguintes passos:

  1. Descreva os valores de i para os quais a rela¸c˜ao de recorrˆencia ´e v´alida.

  X i

  2. Escreva a fun¸c˜ao geradora a ser procurada A(t) = A i t em termos da

  i≥0

  seq¨ uˆencia desconhecida (A i ). i

  3. Multiplique ambos os lados da rela¸c˜ao de recorrˆencia por t e some sobre todos os valores de i para os quais a recorrˆencia ´e v´alida.

  4. Expresse ambos os lados da equa¸c˜ao resultante explicitamente em termos de A(t).

  5. Resolva a equa¸c˜ao resultante para a desconhecida fun¸c˜ao geradora A(t).

  6. Tente obter a f´ormula para A i expandindo A(t) em uma s´erie de potˆencias e i tomando ent˜ao o coeficiente de t nesta s´erie.

  Exemplo 1.4.2 F´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) Sejam K uma extens˜ao real de

  Q e 0 6= α ∈ K. Usando fun¸c˜oes geradoras, encontraremos uma f´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) dada por

  2

  G = 0, G = 1 e G = α G + G (1.1)

  1 i

  , i ≥ 2.

  i−2 i−1 ∞

  X i i Seja G(t) = G i t a fun¸c˜ao geradora de (G i ). Multiplicando por t cada termo i

  =0

  da rela¸c˜ao de recorrˆencia de (1.1) e somando sobre i ≥ 2, obtemos

  X X X i 2 i i G i t = α G t G t , +

  i−2 i−1 i≥2 i≥2 i≥2

  18 o que implica

1.4 Fun¸c˜ oes geradoras

  Nesta se¸c˜ao explicaremos brevemente como, utilizando fun¸c˜oes geradoras, pode- mos encontrar o termo geral de uma seq¨ uˆencia dada por uma rela¸c˜ao de recorrˆencia. A seguir encontraremos o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) que ser´a utilizada no Cap´ıtulo 2.

  17 c˜ ao geradora Defini¸c˜ ao 1.4.1 A fun¸ de uma seq¨ uˆencia A , A , A

  1 2

  , · · · ´e definida X i

  como a s´erie formal A(t) = A i t . i≥0

  Dada uma rela¸c˜ao de recorrˆencia que define uma seq¨ uˆencia A , A , A

  1 2

  , · · · cujo termo geral A i ´e desconhecido, podemos tentar obter uma f´ormula para este termo geral encontrando uma forma fechada para a fun¸c˜ao geradora A(t) e ent˜ao obtendo i o coeficiente de t em A(t). Mais precisamente, conforme mencionado em [11], uma f´ormula para A i pode ser obtida seguindo-se os seguintes passos:

  1. Descreva os valores de i para os quais a rela¸c˜ao de recorrˆencia ´e v´alida.

  X i

  2. Escreva a fun¸c˜ao geradora a ser procurada A(t) = A i t em termos da

  i≥0

  seq¨ uˆencia desconhecida (A i ). i

  3. Multiplique ambos os lados da rela¸c˜ao de recorrˆencia por t e some sobre todos os valores de i para os quais a recorrˆencia ´e v´alida.

  4. Expresse ambos os lados da equa¸c˜ao resultante explicitamente em termos de A(t).

  5. Resolva a equa¸c˜ao resultante para a desconhecida fun¸c˜ao geradora A(t).

  6. Tente obter a f´ormula para A i expandindo A(t) em uma s´erie de potˆencias e i tomando ent˜ao o coeficiente de t nesta s´erie.

  Exemplo 1.4.2 F´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) Sejam K uma extens˜ao real de

  Q e 0 6= α ∈ K. Usando fun¸c˜oes geradoras, encontraremos uma f´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) dada por

  2

  G = 0, G = 1 e G = α G + G (1.1)

  1 i

  , i ≥ 2.

  i−2 i−1 ∞

  X i i Seja G(t) = G i t a fun¸c˜ao geradora de (G i ). Multiplicando por t cada termo i

  =0

  da rela¸c˜ao de recorrˆencia de (1.1) e somando sobre i ≥ 2, obtemos

  X X X i 2 i i G i t = α G t G t , +

  i−2 i−1 i≥2 i≥2 i≥2

  18 o que implica

  X X X i

  2 2 i−2 i−1

  G i t = α t G t + t G t ,

  i−2 i−1 i≥2 i≥2 i≥2

  ou seja, !

  X X X i i i

  2 2

  G i t = α t G i t + t G i t .

  1

  − G t − G − G

  i≥0 i≥0 i≥0

  Logo, desde que G = 0 e G = 1, da defini¸c˜ao de G(t), segue

  1

2 2

  t G(t) + tG(t), G(t) − t = α assim, t

  G(t) = ·

  2 2

  t 1 − t − α

  √ √ 2 2 1+ 1+4α 1+4α 2 2 1− ′ ′′

  ′

  Sejam r = 2 e r = 2 t e · Como as ra´ızes de 1 − t − α s˜ao −r

  2α 2α 1 ′′ ′ ′′

  , ent˜ao r r 2 e −r = − α

  2 2 2 ′′ ′

  t (t + r )(t + r ) 1 − t − α = −α

  2 2 ′ ′′

  = (1 − α t)(1 − α r r t). t Expandindo 2 2 em fra¸c˜oes parciais, temos t

  1−t−α

  t t =

  2 2 2 2 ′ ′′

  t r r t) 1 − t − α (1 − α t)(1 − α 1 1 1

  = − ·

  2 2 2 ′ ′′ ′ ′′

  α (r ) r t r t − r 1 − α 1 − α

  √

  2 2 ′ ′′

  Como α (r ) = 1 + 4α , segue que − r 1 1 1

  G(t) = √

  − ·

  2 2 2 ′ ′′

  r t r t 1 + 4α 1 − α 1 − α

  Agora, no anel de s´eries formais K[[t]],

  ∞

  X 1 i i

  = λ t , λ ∈ K.

  1 − λt i

  

=0

  19 Logo !

1.4 Fun¸c˜ oes geradoras

  Nesta se¸c˜ao explicaremos brevemente como, utilizando fun¸c˜oes geradoras, pode- mos encontrar o termo geral de uma seq¨ uˆencia dada por uma rela¸c˜ao de recorrˆencia. A seguir encontraremos o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) que ser´a utilizada no Cap´ıtulo 2.

  17 c˜ ao geradora Defini¸c˜ ao 1.4.1 A fun¸ de uma seq¨ uˆencia A , A , A

  1 2

  , · · · ´e definida X i

  como a s´erie formal A(t) = A i t . i≥0

  Dada uma rela¸c˜ao de recorrˆencia que define uma seq¨ uˆencia A , A , A

  1 2

  , · · · cujo termo geral A i ´e desconhecido, podemos tentar obter uma f´ormula para este termo geral encontrando uma forma fechada para a fun¸c˜ao geradora A(t) e ent˜ao obtendo i o coeficiente de t em A(t). Mais precisamente, conforme mencionado em [11], uma f´ormula para A i pode ser obtida seguindo-se os seguintes passos:

  1. Descreva os valores de i para os quais a rela¸c˜ao de recorrˆencia ´e v´alida.

  X i

  2. Escreva a fun¸c˜ao geradora a ser procurada A(t) = A i t em termos da

  i≥0

  seq¨ uˆencia desconhecida (A i ). i

  3. Multiplique ambos os lados da rela¸c˜ao de recorrˆencia por t e some sobre todos os valores de i para os quais a recorrˆencia ´e v´alida.

  4. Expresse ambos os lados da equa¸c˜ao resultante explicitamente em termos de A(t).

  5. Resolva a equa¸c˜ao resultante para a desconhecida fun¸c˜ao geradora A(t).

  6. Tente obter a f´ormula para A i expandindo A(t) em uma s´erie de potˆencias e i tomando ent˜ao o coeficiente de t nesta s´erie.

  Exemplo 1.4.2 F´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) Sejam K uma extens˜ao real de

  Q e 0 6= α ∈ K. Usando fun¸c˜oes geradoras, encontraremos uma f´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) dada por

  2

  G = 0, G = 1 e G = α G + G (1.1)

  1 i

  , i ≥ 2.

  i−2 i−1 ∞

  X i i Seja G(t) = G i t a fun¸c˜ao geradora de (G i ). Multiplicando por t cada termo i

  =0

  da rela¸c˜ao de recorrˆencia de (1.1) e somando sobre i ≥ 2, obtemos

  X X X i 2 i i G i t = α G t G t , +

  i−2 i−1 i≥2 i≥2 i≥2

  18 o que implica

  X X X i

  2 2 i−2 i−1

  G i t = α t G t + t G t ,

  i−2 i−1 i≥2 i≥2 i≥2

  ou seja, !

  X X X i i i

  2 2

  G i t = α t G i t + t G i t .

  1

  − G t − G − G

  i≥0 i≥0 i≥0

  Logo, desde que G = 0 e G = 1, da defini¸c˜ao de G(t), segue

  1

2 2

  t G(t) + tG(t), G(t) − t = α assim, t

  G(t) = ·

  2 2

  t 1 − t − α

  √ √ 2 2 1+ 1+4α 1+4α 2 2 1− ′ ′′

  ′

  Sejam r = 2 e r = 2 t e · Como as ra´ızes de 1 − t − α s˜ao −r

  2α 2α 1 ′′ ′ ′′

  , ent˜ao r r 2 e −r = − α

  2 2 2 ′′ ′

  t (t + r )(t + r ) 1 − t − α = −α

  2 2 ′ ′′

  = (1 − α t)(1 − α r r t). t Expandindo 2 2 em fra¸c˜oes parciais, temos t

  1−t−α

  t t =

  2 2 2 2 ′ ′′

  t r r t) 1 − t − α (1 − α t)(1 − α 1 1 1

  = − ·

  2 2 2 ′ ′′ ′ ′′

  α (r ) r t r t − r 1 − α 1 − α

  √

  2 2 ′ ′′

  Como α (r ) = 1 + 4α , segue que − r 1 1 1

  G(t) = √

  − ·

  2 2 2 ′ ′′

  r t r t 1 + 4α 1 − α 1 − α

  Agora, no anel de s´eries formais K[[t]],

  ∞

  X 1 i i

  = λ t , λ ∈ K.

  1 − λt i

  

=0

  19 Logo !

  ∞ ∞

  X X

  1

  2 i i 2 i i ′ ′′

  G(t) = (α r ) t (α r ) t √ − ·

  2

  1 + 4α i i i =0 =0 Como G i ´e o coeficiente de t em G(t), segue que

  1 i i

  2 2 ′ ′′

  G i = (α r ) r ) √ − (α ·

  2

  1 + 4α

  ′ ′′

  Portanto, da defini¸c˜ao de r e r , temos √ √ i i

  

2 2

  (1 + 1 + 4α ) 1 + 4α ) − (1 −

  G = i (1.2) i 2 √ , i = 0, 1, · · · , n, · · · 2 ( 1 + 4α )

  Agora, observemos: √ √ i i

  2 2

  (1 + 1 + 4α ) 1 + 4α ) = − (1 −

  X X i √ i √ m m m

  2 2

  = ( 1 + 4α ) ( 1 + 4α ) − (−1) m m m m

  X √ i m m

  2

  = )( 1 + 4α ) (1 − (−1) m m

  X i √ m

  2

  = 2 ( 1 + 4α ) m ´ımpar m X m−1

  √ i

  2 2 2

  = 2 1 + 4α (1 + 4α ) . m ´ımpar m Logo, a f´ormula geral para G i ´e:

  X m−1 1 i

  2 2

  G i = (1 + 4α ) (1.3) , i ≥ 1.

  i−1

  2 m m ´ımpar

  20 Cap´ıtulo 2 Elementos Cayley unit´ arios de ´ algebras de grupos

1.4 Fun¸c˜ oes geradoras

  Nesta se¸c˜ao explicaremos brevemente como, utilizando fun¸c˜oes geradoras, pode- mos encontrar o termo geral de uma seq¨ uˆencia dada por uma rela¸c˜ao de recorrˆencia. A seguir encontraremos o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) que ser´a utilizada no Cap´ıtulo 2.

  17 c˜ ao geradora Defini¸c˜ ao 1.4.1 A fun¸ de uma seq¨ uˆencia A , A , A

  1 2

  , · · · ´e definida X i

  como a s´erie formal A(t) = A i t . i≥0

  Dada uma rela¸c˜ao de recorrˆencia que define uma seq¨ uˆencia A , A , A

  1 2

  , · · · cujo termo geral A i ´e desconhecido, podemos tentar obter uma f´ormula para este termo geral encontrando uma forma fechada para a fun¸c˜ao geradora A(t) e ent˜ao obtendo i o coeficiente de t em A(t). Mais precisamente, conforme mencionado em [11], uma f´ormula para A i pode ser obtida seguindo-se os seguintes passos:

  1. Descreva os valores de i para os quais a rela¸c˜ao de recorrˆencia ´e v´alida.

  X i

  2. Escreva a fun¸c˜ao geradora a ser procurada A(t) = A i t em termos da

  i≥0

  seq¨ uˆencia desconhecida (A i ). i

  3. Multiplique ambos os lados da rela¸c˜ao de recorrˆencia por t e some sobre todos os valores de i para os quais a recorrˆencia ´e v´alida.

  4. Expresse ambos os lados da equa¸c˜ao resultante explicitamente em termos de A(t).

  5. Resolva a equa¸c˜ao resultante para a desconhecida fun¸c˜ao geradora A(t).

  6. Tente obter a f´ormula para A i expandindo A(t) em uma s´erie de potˆencias e i tomando ent˜ao o coeficiente de t nesta s´erie.

  Exemplo 1.4.2 F´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) Sejam K uma extens˜ao real de

  Q e 0 6= α ∈ K. Usando fun¸c˜oes geradoras, encontraremos uma f´ormula para o termo geral da seq¨ uˆencia (G i ) dada por

  2

  G = 0, G = 1 e G = α G + G (1.1)

  1 i

  , i ≥ 2.

  i−2 i−1 ∞

  X i i Seja G(t) = G i t a fun¸c˜ao geradora de (G i ). Multiplicando por t cada termo i

  =0

  da rela¸c˜ao de recorrˆencia de (1.1) e somando sobre i ≥ 2, obtemos

  X X X i 2 i i G i t = α G t G t , +

  i−2 i−1 i≥2 i≥2 i≥2

  18 o que implica

  X X X i

  2 2 i−2 i−1

  G i t = α t G t + t G t ,

  i−2 i−1 i≥2 i≥2 i≥2

  ou seja, !

  X X X i i i

  2 2

  G i t = α t G i t + t G i t .

  1

  − G t − G − G

  i≥0 i≥0 i≥0

  Logo, desde que G = 0 e G = 1, da defini¸c˜ao de G(t), segue

  1

2 2

  t G(t) + tG(t), G(t) − t = α assim, t

  G(t) = ·

  2 2

  t 1 − t − α

  √ √ 2 2 1+ 1+4α 1+4α 2 2 1− ′ ′′

  ′

  Sejam r = 2 e r = 2 t e · Como as ra´ızes de 1 − t − α s˜ao −r

  2α 2α 1 ′′ ′ ′′

  , ent˜ao r r 2 e −r = − α

  2 2 2 ′′ ′

  t (t + r )(t + r ) 1 − t − α = −α

  2 2 ′ ′′

  = (1 − α t)(1 − α r r t). t Expandindo 2 2 em fra¸c˜oes parciais, temos t

  1−t−α

  t t =

  2 2 2 2 ′ ′′

  t r r t) 1 − t − α (1 − α t)(1 − α 1 1 1

  = − ·

  2 2 2 ′ ′′ ′ ′′

  α (r ) r t r t − r 1 − α 1 − α

  √

  2 2 ′ ′′

  Como α (r ) = 1 + 4α , segue que − r 1 1 1

  G(t) = √

  − ·

  2 2 2 ′ ′′

  r t r t 1 + 4α 1 − α 1 − α

  Agora, no anel de s´eries formais K[[t]],

  ∞

  X 1 i i

  = λ t , λ ∈ K.

  1 − λt i

  

=0

  19 Logo !

  ∞ ∞

  X X

  1

  2 i i 2 i i ′ ′′

  G(t) = (α r ) t (α r ) t √ − ·

  2

  1 + 4α i i i =0 =0 Como G i ´e o coeficiente de t em G(t), segue que

  1 i i

  2 2 ′ ′′

  G i = (α r ) r ) √ − (α ·

  2

  1 + 4α

  ′ ′′

  Portanto, da defini¸c˜ao de r e r , temos √ √ i i

  

2 2

  (1 + 1 + 4α ) 1 + 4α ) − (1 −

  G = i (1.2) i 2 √ , i = 0, 1, · · · , n, · · · 2 ( 1 + 4α )

  Agora, observemos: √ √ i i

  2 2

  (1 + 1 + 4α ) 1 + 4α ) = − (1 −

  X X i √ i √ m m m

  2 2

  = ( 1 + 4α ) ( 1 + 4α ) − (−1) m m m m

  X √ i m m

  2

  = )( 1 + 4α ) (1 − (−1) m m

  X i √ m

  2

  = 2 ( 1 + 4α ) m ´ımpar m X m−1

  √ i

  2 2 2

  = 2 1 + 4α (1 + 4α ) . m ´ımpar m Logo, a f´ormula geral para G i ´e:

  X m−1 1 i

  2 2

  G i = (1 + 4α ) (1.3) , i ≥ 1.

  i−1

  2 m m ´ımpar

  20 Cap´ıtulo 2 Elementos Cayley unit´ arios de ´ algebras de grupos

  Neste cap´ıtulo estudaremos elementos Cayley unit´arios da ´algebra de grupo KG, onde K ´e um corpo, a princ´ıpio de caracter´ıstica zero, G ´e um grupo e a involu¸c˜ao ∗ ´e a canˆonica em KG.

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

  −1

  Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

  KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

  −1 −1

  ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

   a + a = 1  1

  − a n−1    a + a = 0  1 2

  − a  a + a = 0

  2 1 3

  − a    ... ... ...    a + a = 0

  n−1 − a n−2 −1

  , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

  Sejam C ,

  7

  = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

  1 2 3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

  Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

  

6 1

   − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

  2 1 3

   − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

    a + a = 0

  4 3 5

   − a    a + a = 0

  5 4 6

   − a   a + a = 0.

  6 5

  − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

  5

  24

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

  −1

  Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

  KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

  −1 −1

  ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

   a + a = 1  1

  − a n−1    a + a = 0  1 2

  − a  a + a = 0

  2 1 3

  − a    ... ... ...    a + a = 0

  n−1 − a n−2 −1

  , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

  Sejam C ,

  7

  = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

  1 2 3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

  Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

  

6 1

   − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

  2 1 3

   − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

    a + a = 0

  4 3 5

   − a    a + a = 0

  5 4 6

   − a   a + a = 0.

  6 5

  − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

  5

  24

  25

  4

  =

  2

  29 , a

  = −1

  3

  29 , a

  5

  =

  4

  29 , a

  =

  29 , a

  5

  29 , a

  9

  =

  6

  e ent˜ao, por substitui¸c˜ao, os dos demais a i ’s. Assim, a

  6

  3 o passo: Encontraremos o valor de a

  6 )·

  9 20 (1 − a

  6 ) a 6 =

  6

  1

  6 ) a 5 =

  2

  ·

  6

  29 x

  5

  29 x

  4

  29 x

  3

  1 29 x

  −

  6 29 x

  = −7

  7 29 x +

  29 −

  13

  =

  −1

  )

  −1

  Portanto, (1 + x − x

  29 ·

  13

  29 e a =

  4 20 (1 − a

  5 20 (1 − a

  Logo                                             

  =

  a

  5

  2

  a −3a

  =

  3

  a

  3

  3

  a −2a

  4

  =

  a

  2

  4

  a −a

  =

  5

  a

  5

  = a − a

  6

  a

  2

  a −5a

  6 ) a 4 =

  1

  

−1

20

(1 − a

  6 ) a 3 =

  6 20 (1 − a

  2 =

  6 ) a

  

−7

20

(1 − a

  (1 − a 6 ) a 1 =

  a = 13 20

  , e assim sucessivamente. Obtendo                                     

  2

  em a

  2 o passo: Escreveremos todos os a i ’s em fun¸c˜ao de a 6 , substituindo a em a 1 , e, ent˜ao, a e a

  1

  ·

  20

  6

  13−13a

  a =

  13

  a −8a

  =

  1

  a

  8

  • 5
  • 4
  • 9
Observando cuidadosamente os a i ’s obtidos nos dois primeiros passos da resolu¸c˜ao

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

  −1

  Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

  KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

  −1 −1

  ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

   a + a = 1  1

  − a n−1    a + a = 0  1 2

  − a  a + a = 0

  2 1 3

  − a    ... ... ...    a + a = 0

  n−1 − a n−2 −1

  , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

  Sejam C ,

  7

  = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

  1 2 3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

  Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

  

6 1

   − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

  2 1 3

   − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

    a + a = 0

  4 3 5

   − a    a + a = 0

  5 4 6

   − a   a + a = 0.

  6 5

  − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

  5

  24

  25

  4

  =

  2

  29 , a

  = −1

  3

  29 , a

  5

  =

  4

  29 , a

  =

  29 , a

  5

  29 , a

  9

  =

  6

  e ent˜ao, por substitui¸c˜ao, os dos demais a i ’s. Assim, a

  6

  3 o passo: Encontraremos o valor de a

  6 )·

  9 20 (1 − a

  6 ) a 6 =

  6

  1

  6 ) a 5 =

  2

  ·

  6

  29 x

  5

  29 x

  4

  29 x

  3

  1 29 x

  −

  6 29 x

  = −7

  7 29 x +

  29 −

  13

  =

  −1

  )

  −1

  Portanto, (1 + x − x

  29 ·

  13

  29 e a =

  4 20 (1 − a

  5 20 (1 − a

  Logo                                             

  =

  a

  5

  2

  a −3a

  =

  3

  a

  3

  3

  a −2a

  4

  =

  a

  2

  4

  a −a

  =

  5

  a

  5

  = a − a

  6

  a

  2

  a −5a

  6 ) a 4 =

  1

  

−1

20

(1 − a

  6 ) a 3 =

  6 20 (1 − a

  2 =

  6 ) a

  

−7

20

(1 − a

  (1 − a 6 ) a 1 =

  a = 13 20

  , e assim sucessivamente. Obtendo                                     

  2

  em a

  2 o passo: Escreveremos todos os a i ’s em fun¸c˜ao de a 6 , substituindo a em a 1 , e, ent˜ao, a e a

  1

  ·

  20

  6

  13−13a

  a =

  13

  a −8a

  =

  1

  a

  8

  • 5
  • 4
  • 9
Observando cuidadosamente os a i ’s obtidos nos dois primeiros passos da resolu¸c˜ao

  −1 −1

  ) , onde de nosso sistema linear, podemos encontrar uma f´ormula para (1 + x − x o(x) = n > 2. ´ E o que faremos na pr´oxima se¸c˜ao.

  −1 −1

  2.2 ) Encontrando (1 + x − x

  Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e K um corpo de caracter´ıstica zero. No

  −1

  , para n = 7, resolvendo em Exemplo 2.1.4, obtivemos o inverso de 1 + x − x ‘trˆes passos’ um sistema linear nas vari´aveis a . Observando os a i ’s obti-

  6 o , · · · , a dos no 1 passo da resolu¸c˜ao de nosso sistema linear, vemos que os denominadores

  de a 6 , a 5 , a 4 , a 3 , a 2 e a 1 s˜ao os seis primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci o 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... J´a os numeradores dos a i ’s obtidos no 2 passo s˜ao os sete primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci 13, −7, 6, −1, 5, 4, 9, ...

  Uma pergunta natural e importante ´e a seguinte: “´ E poss´ıvel escrever os a i ’s obtidos nestes dois passos em fun¸c˜ao de uma mesma seq¨ uˆencia de Fibonacci?”. A resposta ´e afirmativa e tal seq¨ uˆencia pode ser encontrada a partir da observa¸c˜ao de o que os a i ’s obtidos no 2 passo podem ser reescritos da seguinte forma:

  

  

0+13

a = 6 )

  

  (1 − a

  21

  

  

−1

    

   

  1

−8

  

a 1 = 6 )

   (1 − a

  21

   −1    1+5  

  

a 2 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  2

−3

a 3 = 6 )

(1 − a

  21

−1

   

  3+2

   

  

a 4 = 6 )

  

  (1 − a

  21

   −1    5

  

−1

   

  

a 5 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  8+1

     a 6 = 6

  (1 − a )· 21

−1

  Assim, vamos considerar (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, · · · dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia

  F = 0, F = 1 e F i = F + F , i > 2. (2.1)

  1 i−1 i−2

  26 Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos F i ’s temos 

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

  −1

  Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

  KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

  −1 −1

  ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

   a + a = 1  1

  − a n−1    a + a = 0  1 2

  − a  a + a = 0

  2 1 3

  − a    ... ... ...    a + a = 0

  n−1 − a n−2 −1

  , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

  Sejam C ,

  7

  = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

  1 2 3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

  Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

  

6 1

   − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

  2 1 3

   − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

    a + a = 0

  4 3 5

   − a    a + a = 0

  5 4 6

   − a   a + a = 0.

  6 5

  − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

  5

  24

  25

  4

  =

  2

  29 , a

  = −1

  3

  29 , a

  5

  =

  4

  29 , a

  =

  29 , a

  5

  29 , a

  9

  =

  6

  e ent˜ao, por substitui¸c˜ao, os dos demais a i ’s. Assim, a

  6

  3 o passo: Encontraremos o valor de a

  6 )·

  9 20 (1 − a

  6 ) a 6 =

  6

  1

  6 ) a 5 =

  2

  ·

  6

  29 x

  5

  29 x

  4

  29 x

  3

  1 29 x

  −

  6 29 x

  = −7

  7 29 x +

  29 −

  13

  =

  −1

  )

  −1

  Portanto, (1 + x − x

  29 ·

  13

  29 e a =

  4 20 (1 − a

  5 20 (1 − a

  Logo                                             

  =

  a

  5

  2

  a −3a

  =

  3

  a

  3

  3

  a −2a

  4

  =

  a

  2

  4

  a −a

  =

  5

  a

  5

  = a − a

  6

  a

  2

  a −5a

  6 ) a 4 =

  1

  

−1

20

(1 − a

  6 ) a 3 =

  6 20 (1 − a

  2 =

  6 ) a

  

−7

20

(1 − a

  (1 − a 6 ) a 1 =

  a = 13 20

  , e assim sucessivamente. Obtendo                                     

  2

  em a

  2 o passo: Escreveremos todos os a i ’s em fun¸c˜ao de a 6 , substituindo a em a 1 , e, ent˜ao, a e a

  1

  ·

  20

  6

  13−13a

  a =

  13

  a −8a

  =

  1

  a

  8

  • 5
  • 4
  • 9
Observando cuidadosamente os a i ’s obtidos nos dois primeiros passos da resolu¸c˜ao

  −1 −1

  ) , onde de nosso sistema linear, podemos encontrar uma f´ormula para (1 + x − x o(x) = n > 2. ´ E o que faremos na pr´oxima se¸c˜ao.

  −1 −1

  2.2 ) Encontrando (1 + x − x

  Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e K um corpo de caracter´ıstica zero. No

  −1

  , para n = 7, resolvendo em Exemplo 2.1.4, obtivemos o inverso de 1 + x − x ‘trˆes passos’ um sistema linear nas vari´aveis a . Observando os a i ’s obti-

  6 o , · · · , a dos no 1 passo da resolu¸c˜ao de nosso sistema linear, vemos que os denominadores

  de a 6 , a 5 , a 4 , a 3 , a 2 e a 1 s˜ao os seis primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci o 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... J´a os numeradores dos a i ’s obtidos no 2 passo s˜ao os sete primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci 13, −7, 6, −1, 5, 4, 9, ...

  Uma pergunta natural e importante ´e a seguinte: “´ E poss´ıvel escrever os a i ’s obtidos nestes dois passos em fun¸c˜ao de uma mesma seq¨ uˆencia de Fibonacci?”. A resposta ´e afirmativa e tal seq¨ uˆencia pode ser encontrada a partir da observa¸c˜ao de o que os a i ’s obtidos no 2 passo podem ser reescritos da seguinte forma:

  

  

0+13

a = 6 )

  

  (1 − a

  21

  

  

−1

    

   

  1

−8

  

a 1 = 6 )

   (1 − a

  21

   −1    1+5  

  

a 2 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  2

−3

a 3 = 6 )

(1 − a

  21

−1

   

  3+2

   

  

a 4 = 6 )

  

  (1 − a

  21

   −1    5

  

−1

   

  

a 5 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  8+1

     a 6 = 6

  (1 − a )· 21

−1

  Assim, vamos considerar (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, · · · dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia

  F = 0, F = 1 e F i = F + F , i > 2. (2.1)

  1 i−1 i−2

  26 Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos F i ’s temos 

  F +F

  7

   

  

a = (1 )

  6 

  − a

  F 8 

  −1    

  F 1 6 −F

   

  

a = (1 )

   1 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

2 5

     a = (1 ) 2 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F

  

3 4

  −F

  

a = (1 )

  3 6

  − a

  F 8 −1

      F 4 +F 3  

  

a = (1 )

   4 6

  − a

  F  8

  −1    

  F 5 2  −F 

  

a = (1 )

   5 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

6 1

     a = (1 ) 6 6  − a ·

  F 8 −1

  Logo, podemos escrever para n = 7: i F i F

  • (−1) n−i a i =

  (1 − a n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, F n

  • 1

  − 1 e ent˜ao encontrando a express˜ao para a e, por substitui¸c˜ao, a dos demais a i ’s,

  

n−1

  obtemos i F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Formulamos ent˜ao o seguinte. Teorema 2.2.1 Consideremos (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci definida em (2.1). Se x ∈ G ´e tal que o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, ent˜ao

  n−1 −1 ´e invert´ıvel em KG e seu inverso ´e dado por a + a x ,

  1

  1 + x − x x + · · · + a

  n−1 onde i

  F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Vamos nos preparar para, na pr´oxima se¸c˜ao, demonstrarmos este teorema em

  −1

  uma situa¸c˜ao mais geral, considerando elementos 1 + α(x − x ) ∈ KG, onde α ∈ K e x ∈ G com o(x) = n > 2. Para este fim vamos considerar, a partir de agora, K uma extens˜ao real de Q.

  27

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

  −1

  Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

  KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

  −1 −1

  ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

   a + a = 1  1

  − a n−1    a + a = 0  1 2

  − a  a + a = 0

  2 1 3

  − a    ... ... ...    a + a = 0

  n−1 − a n−2 −1

  , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

  Sejam C ,

  7

  = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

  1 2 3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

  Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

  

6 1

   − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

  2 1 3

   − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

    a + a = 0

  4 3 5

   − a    a + a = 0

  5 4 6

   − a   a + a = 0.

  6 5

  − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

  5

  24

  25

  4

  =

  2

  29 , a

  = −1

  3

  29 , a

  5

  =

  4

  29 , a

  =

  29 , a

  5

  29 , a

  9

  =

  6

  e ent˜ao, por substitui¸c˜ao, os dos demais a i ’s. Assim, a

  6

  3 o passo: Encontraremos o valor de a

  6 )·

  9 20 (1 − a

  6 ) a 6 =

  6

  1

  6 ) a 5 =

  2

  ·

  6

  29 x

  5

  29 x

  4

  29 x

  3

  1 29 x

  −

  6 29 x

  = −7

  7 29 x +

  29 −

  13

  =

  −1

  )

  −1

  Portanto, (1 + x − x

  29 ·

  13

  29 e a =

  4 20 (1 − a

  5 20 (1 − a

  Logo                                             

  =

  a

  5

  2

  a −3a

  =

  3

  a

  3

  3

  a −2a

  4

  =

  a

  2

  4

  a −a

  =

  5

  a

  5

  = a − a

  6

  a

  2

  a −5a

  6 ) a 4 =

  1

  

−1

20

(1 − a

  6 ) a 3 =

  6 20 (1 − a

  2 =

  6 ) a

  

−7

20

(1 − a

  (1 − a 6 ) a 1 =

  a = 13 20

  , e assim sucessivamente. Obtendo                                     

  2

  em a

  2 o passo: Escreveremos todos os a i ’s em fun¸c˜ao de a 6 , substituindo a em a 1 , e, ent˜ao, a e a

  1

  ·

  20

  6

  13−13a

  a =

  13

  a −8a

  =

  1

  a

  8

  • 5
  • 4
  • 9
Observando cuidadosamente os a i ’s obtidos nos dois primeiros passos da resolu¸c˜ao

  −1 −1

  ) , onde de nosso sistema linear, podemos encontrar uma f´ormula para (1 + x − x o(x) = n > 2. ´ E o que faremos na pr´oxima se¸c˜ao.

  −1 −1

  2.2 ) Encontrando (1 + x − x

  Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e K um corpo de caracter´ıstica zero. No

  −1

  , para n = 7, resolvendo em Exemplo 2.1.4, obtivemos o inverso de 1 + x − x ‘trˆes passos’ um sistema linear nas vari´aveis a . Observando os a i ’s obti-

  6 o , · · · , a dos no 1 passo da resolu¸c˜ao de nosso sistema linear, vemos que os denominadores

  de a 6 , a 5 , a 4 , a 3 , a 2 e a 1 s˜ao os seis primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci o 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... J´a os numeradores dos a i ’s obtidos no 2 passo s˜ao os sete primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci 13, −7, 6, −1, 5, 4, 9, ...

  Uma pergunta natural e importante ´e a seguinte: “´ E poss´ıvel escrever os a i ’s obtidos nestes dois passos em fun¸c˜ao de uma mesma seq¨ uˆencia de Fibonacci?”. A resposta ´e afirmativa e tal seq¨ uˆencia pode ser encontrada a partir da observa¸c˜ao de o que os a i ’s obtidos no 2 passo podem ser reescritos da seguinte forma:

  

  

0+13

a = 6 )

  

  (1 − a

  21

  

  

−1

    

   

  1

−8

  

a 1 = 6 )

   (1 − a

  21

   −1    1+5  

  

a 2 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  2

−3

a 3 = 6 )

(1 − a

  21

−1

   

  3+2

   

  

a 4 = 6 )

  

  (1 − a

  21

   −1    5

  

−1

   

  

a 5 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  8+1

     a 6 = 6

  (1 − a )· 21

−1

  Assim, vamos considerar (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, · · · dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia

  F = 0, F = 1 e F i = F + F , i > 2. (2.1)

  1 i−1 i−2

  26 Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos F i ’s temos 

  F +F

  7

   

  

a = (1 )

  6 

  − a

  F 8 

  −1    

  F 1 6 −F

   

  

a = (1 )

   1 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

2 5

     a = (1 ) 2 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F

  

3 4

  −F

  

a = (1 )

  3 6

  − a

  F 8 −1

      F 4 +F 3  

  

a = (1 )

   4 6

  − a

  F  8

  −1    

  F 5 2  −F 

  

a = (1 )

   5 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

6 1

     a = (1 ) 6 6  − a ·

  F 8 −1

  Logo, podemos escrever para n = 7: i F i F

  • (−1) n−i a i =

  (1 − a n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, F n

  • 1

  − 1 e ent˜ao encontrando a express˜ao para a e, por substitui¸c˜ao, a dos demais a i ’s,

  

n−1

  obtemos i F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Formulamos ent˜ao o seguinte. Teorema 2.2.1 Consideremos (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci definida em (2.1). Se x ∈ G ´e tal que o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, ent˜ao

  n−1 −1 ´e invert´ıvel em KG e seu inverso ´e dado por a + a x ,

  1

  1 + x − x x + · · · + a

  n−1 onde i

  F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Vamos nos preparar para, na pr´oxima se¸c˜ao, demonstrarmos este teorema em

  −1

  uma situa¸c˜ao mais geral, considerando elementos 1 + α(x − x ) ∈ KG, onde α ∈ K e x ∈ G com o(x) = n > 2. Para este fim vamos considerar, a partir de agora, K uma extens˜ao real de Q.

  27

  −1 −1

  2.3 )) Encontrando (1 + α(x − x

  Sejam C n = hxi tal que n > 2 e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encon-

  −1 −1

  )) em KC n para posteriormente obtermos o elemento Cayley trar (1 + α(x − x

  −1

  ). A fim de encontrarmos unit´ario proveniente do elemento anti-sim´etrico α(x − x uma f´ormula geral para tal inverso, estudaremos inicialmente o caso particular em que o(x) = 7.

  Sejam C , a , a ,

  7 1 2

  = hxi e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encontrar a a , a , a , a

  3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  ))(a + a x + a x + a x + a x + a x + a x ) = 1.

  1 2 3 4 5 6

  (1 + α(x − x Isto ´e equivalente a encontrarmos uma solu¸c˜ao do sistema linear

   a + αa = 1

  

6 1

   − αa    a + αa = 0

  1 2

  − αa     a + αa = 0

  2 1 3

   − αa a + αa = 0

  3 2 4

  − αa   a 4 + αa 3 5 = 0  − αa    a + αa = 0

  5 4 6

   − αa   a 6 + αa 5 = 0.

  − αa Resolvendo o sistema acima seguindo os passos descritos no Exemplo 2.1.4, obte- mos o 1 passo:

   

  a = α(a )

   6 5

  

− a

      

  α(αa )

  

4

  −a    a = 2

  5 

  1+α   

  

2 2

    α(α a )a )

  3

  −(1+α    a = 2

  4 

  1+2α   

  

3 2

   

  α(α a )a 2 ) −(1+2α

  a = 2 4

  3 1+3α +α

   

  4 2 4

   

  α(α a +α )a )

  1

  −(1+3α  

  a =

   2 4

  2 

  1+4α +3α   

  5 2 4

    α(α a +3α )a )

  −(1+4α    a = 2 4 6

  1 

  1+5α +6α +α   

  2 4 6

   

  (1+5α +6α +α 6 )  )(1−αa 

  

a = 2 4 6 7

  

  ·

  1+6α +10α +4α −α

  28

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

  −1

  Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

  KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

  −1 −1

  ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

   a + a = 1  1

  − a n−1    a + a = 0  1 2

  − a  a + a = 0

  2 1 3

  − a    ... ... ...    a + a = 0

  n−1 − a n−2 −1

  , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

  Sejam C ,

  7

  = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

  1 2 3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

  Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

  

6 1

   − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

  2 1 3

   − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

    a + a = 0

  4 3 5

   − a    a + a = 0

  5 4 6

   − a   a + a = 0.

  6 5

  − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

  5

  24

  25

  4

  =

  2

  29 , a

  = −1

  3

  29 , a

  5

  =

  4

  29 , a

  =

  29 , a

  5

  29 , a

  9

  =

  6

  e ent˜ao, por substitui¸c˜ao, os dos demais a i ’s. Assim, a

  6

  3 o passo: Encontraremos o valor de a

  6 )·

  9 20 (1 − a

  6 ) a 6 =

  6

  1

  6 ) a 5 =

  2

  ·

  6

  29 x

  5

  29 x

  4

  29 x

  3

  1 29 x

  −

  6 29 x

  = −7

  7 29 x +

  29 −

  13

  =

  −1

  )

  −1

  Portanto, (1 + x − x

  29 ·

  13

  29 e a =

  4 20 (1 − a

  5 20 (1 − a

  Logo                                             

  =

  a

  5

  2

  a −3a

  =

  3

  a

  3

  3

  a −2a

  4

  =

  a

  2

  4

  a −a

  =

  5

  a

  5

  = a − a

  6

  a

  2

  a −5a

  6 ) a 4 =

  1

  

−1

20

(1 − a

  6 ) a 3 =

  6 20 (1 − a

  2 =

  6 ) a

  

−7

20

(1 − a

  (1 − a 6 ) a 1 =

  a = 13 20

  , e assim sucessivamente. Obtendo                                     

  2

  em a

  2 o passo: Escreveremos todos os a i ’s em fun¸c˜ao de a 6 , substituindo a em a 1 , e, ent˜ao, a e a

  1

  ·

  20

  6

  13−13a

  a =

  13

  a −8a

  =

  1

  a

  8

  • 5
  • 4
  • 9
Observando cuidadosamente os a i ’s obtidos nos dois primeiros passos da resolu¸c˜ao

  −1 −1

  ) , onde de nosso sistema linear, podemos encontrar uma f´ormula para (1 + x − x o(x) = n > 2. ´ E o que faremos na pr´oxima se¸c˜ao.

  −1 −1

  2.2 ) Encontrando (1 + x − x

  Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e K um corpo de caracter´ıstica zero. No

  −1

  , para n = 7, resolvendo em Exemplo 2.1.4, obtivemos o inverso de 1 + x − x ‘trˆes passos’ um sistema linear nas vari´aveis a . Observando os a i ’s obti-

  6 o , · · · , a dos no 1 passo da resolu¸c˜ao de nosso sistema linear, vemos que os denominadores

  de a 6 , a 5 , a 4 , a 3 , a 2 e a 1 s˜ao os seis primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci o 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... J´a os numeradores dos a i ’s obtidos no 2 passo s˜ao os sete primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci 13, −7, 6, −1, 5, 4, 9, ...

  Uma pergunta natural e importante ´e a seguinte: “´ E poss´ıvel escrever os a i ’s obtidos nestes dois passos em fun¸c˜ao de uma mesma seq¨ uˆencia de Fibonacci?”. A resposta ´e afirmativa e tal seq¨ uˆencia pode ser encontrada a partir da observa¸c˜ao de o que os a i ’s obtidos no 2 passo podem ser reescritos da seguinte forma:

  

  

0+13

a = 6 )

  

  (1 − a

  21

  

  

−1

    

   

  1

−8

  

a 1 = 6 )

   (1 − a

  21

   −1    1+5  

  

a 2 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  2

−3

a 3 = 6 )

(1 − a

  21

−1

   

  3+2

   

  

a 4 = 6 )

  

  (1 − a

  21

   −1    5

  

−1

   

  

a 5 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  8+1

     a 6 = 6

  (1 − a )· 21

−1

  Assim, vamos considerar (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, · · · dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia

  F = 0, F = 1 e F i = F + F , i > 2. (2.1)

  1 i−1 i−2

  26 Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos F i ’s temos 

  F +F

  7

   

  

a = (1 )

  6 

  − a

  F 8 

  −1    

  F 1 6 −F

   

  

a = (1 )

   1 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

2 5

     a = (1 ) 2 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F

  

3 4

  −F

  

a = (1 )

  3 6

  − a

  F 8 −1

      F 4 +F 3  

  

a = (1 )

   4 6

  − a

  F  8

  −1    

  F 5 2  −F 

  

a = (1 )

   5 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

6 1

     a = (1 ) 6 6  − a ·

  F 8 −1

  Logo, podemos escrever para n = 7: i F i F

  • (−1) n−i a i =

  (1 − a n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, F n

  • 1

  − 1 e ent˜ao encontrando a express˜ao para a e, por substitui¸c˜ao, a dos demais a i ’s,

  

n−1

  obtemos i F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Formulamos ent˜ao o seguinte. Teorema 2.2.1 Consideremos (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci definida em (2.1). Se x ∈ G ´e tal que o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, ent˜ao

  n−1 −1 ´e invert´ıvel em KG e seu inverso ´e dado por a + a x ,

  1

  1 + x − x x + · · · + a

  n−1 onde i

  F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Vamos nos preparar para, na pr´oxima se¸c˜ao, demonstrarmos este teorema em

  −1

  uma situa¸c˜ao mais geral, considerando elementos 1 + α(x − x ) ∈ KG, onde α ∈ K e x ∈ G com o(x) = n > 2. Para este fim vamos considerar, a partir de agora, K uma extens˜ao real de Q.

  27

  −1 −1

  2.3 )) Encontrando (1 + α(x − x

  Sejam C n = hxi tal que n > 2 e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encon-

  −1 −1

  )) em KC n para posteriormente obtermos o elemento Cayley trar (1 + α(x − x

  −1

  ). A fim de encontrarmos unit´ario proveniente do elemento anti-sim´etrico α(x − x uma f´ormula geral para tal inverso, estudaremos inicialmente o caso particular em que o(x) = 7.

  Sejam C , a , a ,

  7 1 2

  = hxi e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encontrar a a , a , a , a

  3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  ))(a + a x + a x + a x + a x + a x + a x ) = 1.

  1 2 3 4 5 6

  (1 + α(x − x Isto ´e equivalente a encontrarmos uma solu¸c˜ao do sistema linear

   a + αa = 1

  

6 1

   − αa    a + αa = 0

  1 2

  − αa     a + αa = 0

  2 1 3

   − αa a + αa = 0

  3 2 4

  − αa   a 4 + αa 3 5 = 0  − αa    a + αa = 0

  5 4 6

   − αa   a 6 + αa 5 = 0.

  − αa Resolvendo o sistema acima seguindo os passos descritos no Exemplo 2.1.4, obte- mos o 1 passo:

   

  a = α(a )

   6 5

  

− a

      

  α(αa )

  

4

  −a    a = 2

  5 

  1+α   

  

2 2

    α(α a )a )

  3

  −(1+α    a = 2

  4 

  1+2α   

  

3 2

   

  α(α a )a 2 ) −(1+2α

  a = 2 4

  3 1+3α +α

   

  4 2 4

   

  α(α a +α )a )

  1

  −(1+3α  

  a =

   2 4

  2 

  1+4α +3α   

  5 2 4

    α(α a +3α )a )

  −(1+4α    a = 2 4 6

  1 

  1+5α +6α +α   

  2 4 6

   

  (1+5α +6α +α 6 )  )(1−αa 

  

a = 2 4 6 7

  

  ·

  1+6α +10α +4α −α

  28

  • α
  • α
  • G
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 1+3α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 1+2α
  • 10α

  • α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  2

  =

  α

  5

  .1+α

  2

  (1+3α

  

2

  ) 1+6α

  4

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  3

  =

  α

  4

  (1+α

  2

  4

  2

  ) 1+6α

  2

  7 (1 − αa

  6

  ) ·

  Observemos que os a i ’s podem ser reescritos da seguinte forma:                                                     

  a =

  α

  7

  .0+α (1+5α

  

2

  4

  6

  ) 1+6α

  

4

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  1

  =

  α

  6

  .1−α

  1

  (1+4α

  

2

  )−α

  3

  (1+2α

  6

  2

  

3

  )−α

  5

  .1 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  =

  2

  α(1+4α

  2

  

4

  )+α

  6

  .1 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) ·

  (1+3α

  α

  2

  (1+2α

  ) 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  4

  =

  α

  3

  2

  =

  )+α

  

4

  (1+α

  2

  ) 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  5

  −α

  6

  4

  4

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  1

  =

  α(α

  5

  −(1+4α

  

2

  4

  )) 1+6α

  2

  6

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  2

  =

  α

  2

  (α

  3

  2

  4

  ) 1+6α

  −α

  4

  4

  4

  Notemos que nos denominadores dos a i ’s, 1 ≤ i ≤ 6, aparece uma interessante seq¨ uˆencia 1, 1 + α

  2

  , 1 + 2α

  2

  , 1 + 3α

  2

  

4

  , 1 + 4α

  2

  4

  , 1 + 5α

  2

  6

  2

  muito parecida com a seq¨ uˆencia de Fibonacci, j´a que satisfaz a rela¸c˜ao de recorrˆencia G i = α

  2

  G

  i−2

  i−1

  . 2 o passo:

                                                      

  a =

  1+5α

  2

  

4

  6

  1+6α

  2

  6

  2

  ) 1+6α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  5

  =

  α

  2

  (1+3α

  2

  4

  −α

  3

  2

  6

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  6

  =

  α(1+4α

  2

  4

  5

  ) 1+6α

  −α

  4

  −α

  2

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  3

  =

  α

  3

  (α+α

  3

  −(1+2α

  2

  )) 1+6α

  4

  2

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  4

  =

  α

  3

  (α+α

  3

  2

  ) 1+6α

  29 Assim, seja (G i ) a seq¨ uˆencia

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

  −1

  Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

  KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

  −1 −1

  ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

   a + a = 1  1

  − a n−1    a + a = 0  1 2

  − a  a + a = 0

  2 1 3

  − a    ... ... ...    a + a = 0

  n−1 − a n−2 −1

  , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

  Sejam C ,

  7

  = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

  1 2 3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

  Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

  

6 1

   − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

  2 1 3

   − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

    a + a = 0

  4 3 5

   − a    a + a = 0

  5 4 6

   − a   a + a = 0.

  6 5

  − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

  5

  24

  25

  4

  =

  2

  29 , a

  = −1

  3

  29 , a

  5

  =

  4

  29 , a

  =

  29 , a

  5

  29 , a

  9

  =

  6

  e ent˜ao, por substitui¸c˜ao, os dos demais a i ’s. Assim, a

  6

  3 o passo: Encontraremos o valor de a

  6 )·

  9 20 (1 − a

  6 ) a 6 =

  6

  1

  6 ) a 5 =

  2

  ·

  6

  29 x

  5

  29 x

  4

  29 x

  3

  1 29 x

  −

  6 29 x

  = −7

  7 29 x +

  29 −

  13

  =

  −1

  )

  −1

  Portanto, (1 + x − x

  29 ·

  13

  29 e a =

  4 20 (1 − a

  5 20 (1 − a

  Logo                                             

  =

  a

  5

  2

  a −3a

  =

  3

  a

  3

  3

  a −2a

  4

  =

  a

  2

  4

  a −a

  =

  5

  a

  5

  = a − a

  6

  a

  2

  a −5a

  6 ) a 4 =

  1

  

−1

20

(1 − a

  6 ) a 3 =

  6 20 (1 − a

  2 =

  6 ) a

  

−7

20

(1 − a

  (1 − a 6 ) a 1 =

  a = 13 20

  , e assim sucessivamente. Obtendo                                     

  2

  em a

  2 o passo: Escreveremos todos os a i ’s em fun¸c˜ao de a 6 , substituindo a em a 1 , e, ent˜ao, a e a

  1

  ·

  20

  6

  13−13a

  a =

  13

  a −8a

  =

  1

  a

  8

  • 5
  • 4
  • 9
Observando cuidadosamente os a i ’s obtidos nos dois primeiros passos da resolu¸c˜ao

  −1 −1

  ) , onde de nosso sistema linear, podemos encontrar uma f´ormula para (1 + x − x o(x) = n > 2. ´ E o que faremos na pr´oxima se¸c˜ao.

  −1 −1

  2.2 ) Encontrando (1 + x − x

  Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e K um corpo de caracter´ıstica zero. No

  −1

  , para n = 7, resolvendo em Exemplo 2.1.4, obtivemos o inverso de 1 + x − x ‘trˆes passos’ um sistema linear nas vari´aveis a . Observando os a i ’s obti-

  6 o , · · · , a dos no 1 passo da resolu¸c˜ao de nosso sistema linear, vemos que os denominadores

  de a 6 , a 5 , a 4 , a 3 , a 2 e a 1 s˜ao os seis primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci o 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... J´a os numeradores dos a i ’s obtidos no 2 passo s˜ao os sete primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci 13, −7, 6, −1, 5, 4, 9, ...

  Uma pergunta natural e importante ´e a seguinte: “´ E poss´ıvel escrever os a i ’s obtidos nestes dois passos em fun¸c˜ao de uma mesma seq¨ uˆencia de Fibonacci?”. A resposta ´e afirmativa e tal seq¨ uˆencia pode ser encontrada a partir da observa¸c˜ao de o que os a i ’s obtidos no 2 passo podem ser reescritos da seguinte forma:

  

  

0+13

a = 6 )

  

  (1 − a

  21

  

  

−1

    

   

  1

−8

  

a 1 = 6 )

   (1 − a

  21

   −1    1+5  

  

a 2 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  2

−3

a 3 = 6 )

(1 − a

  21

−1

   

  3+2

   

  

a 4 = 6 )

  

  (1 − a

  21

   −1    5

  

−1

   

  

a 5 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  8+1

     a 6 = 6

  (1 − a )· 21

−1

  Assim, vamos considerar (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, · · · dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia

  F = 0, F = 1 e F i = F + F , i > 2. (2.1)

  1 i−1 i−2

  26 Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos F i ’s temos 

  F +F

  7

   

  

a = (1 )

  6 

  − a

  F 8 

  −1    

  F 1 6 −F

   

  

a = (1 )

   1 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

2 5

     a = (1 ) 2 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F

  

3 4

  −F

  

a = (1 )

  3 6

  − a

  F 8 −1

      F 4 +F 3  

  

a = (1 )

   4 6

  − a

  F  8

  −1    

  F 5 2  −F 

  

a = (1 )

   5 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

6 1

     a = (1 ) 6 6  − a ·

  F 8 −1

  Logo, podemos escrever para n = 7: i F i F

  • (−1) n−i a i =

  (1 − a n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, F n

  • 1

  − 1 e ent˜ao encontrando a express˜ao para a e, por substitui¸c˜ao, a dos demais a i ’s,

  

n−1

  obtemos i F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Formulamos ent˜ao o seguinte. Teorema 2.2.1 Consideremos (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci definida em (2.1). Se x ∈ G ´e tal que o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, ent˜ao

  n−1 −1 ´e invert´ıvel em KG e seu inverso ´e dado por a + a x ,

  1

  1 + x − x x + · · · + a

  n−1 onde i

  F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Vamos nos preparar para, na pr´oxima se¸c˜ao, demonstrarmos este teorema em

  −1

  uma situa¸c˜ao mais geral, considerando elementos 1 + α(x − x ) ∈ KG, onde α ∈ K e x ∈ G com o(x) = n > 2. Para este fim vamos considerar, a partir de agora, K uma extens˜ao real de Q.

  27

  −1 −1

  2.3 )) Encontrando (1 + α(x − x

  Sejam C n = hxi tal que n > 2 e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encon-

  −1 −1

  )) em KC n para posteriormente obtermos o elemento Cayley trar (1 + α(x − x

  −1

  ). A fim de encontrarmos unit´ario proveniente do elemento anti-sim´etrico α(x − x uma f´ormula geral para tal inverso, estudaremos inicialmente o caso particular em que o(x) = 7.

  Sejam C , a , a ,

  7 1 2

  = hxi e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encontrar a a , a , a , a

  3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  ))(a + a x + a x + a x + a x + a x + a x ) = 1.

  1 2 3 4 5 6

  (1 + α(x − x Isto ´e equivalente a encontrarmos uma solu¸c˜ao do sistema linear

   a + αa = 1

  

6 1

   − αa    a + αa = 0

  1 2

  − αa     a + αa = 0

  2 1 3

   − αa a + αa = 0

  3 2 4

  − αa   a 4 + αa 3 5 = 0  − αa    a + αa = 0

  5 4 6

   − αa   a 6 + αa 5 = 0.

  − αa Resolvendo o sistema acima seguindo os passos descritos no Exemplo 2.1.4, obte- mos o 1 passo:

   

  a = α(a )

   6 5

  

− a

      

  α(αa )

  

4

  −a    a = 2

  5 

  1+α   

  

2 2

    α(α a )a )

  3

  −(1+α    a = 2

  4 

  1+2α   

  

3 2

   

  α(α a )a 2 ) −(1+2α

  a = 2 4

  3 1+3α +α

   

  4 2 4

   

  α(α a +α )a )

  1

  −(1+3α  

  a =

   2 4

  2 

  1+4α +3α   

  5 2 4

    α(α a +3α )a )

  −(1+4α    a = 2 4 6

  1 

  1+5α +6α +α   

  2 4 6

   

  (1+5α +6α +α 6 )  )(1−αa 

  

a = 2 4 6 7

  

  ·

  1+6α +10α +4α −α

  28

  • α
  • α
  • G
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 1+3α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 1+2α
  • 10α

  • α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  2

  =

  α

  5

  .1+α

  2

  (1+3α

  

2

  ) 1+6α

  4

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  3

  =

  α

  4

  (1+α

  2

  4

  2

  ) 1+6α

  2

  7 (1 − αa

  6

  ) ·

  Observemos que os a i ’s podem ser reescritos da seguinte forma:                                                     

  a =

  α

  7

  .0+α (1+5α

  

2

  4

  6

  ) 1+6α

  

4

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  1

  =

  α

  6

  .1−α

  1

  (1+4α

  

2

  )−α

  3

  (1+2α

  6

  2

  

3

  )−α

  5

  .1 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  =

  2

  α(1+4α

  2

  

4

  )+α

  6

  .1 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) ·

  (1+3α

  α

  2

  (1+2α

  ) 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  4

  =

  α

  3

  2

  =

  )+α

  

4

  (1+α

  2

  ) 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  5

  −α

  6

  4

  4

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  1

  =

  α(α

  5

  −(1+4α

  

2

  4

  )) 1+6α

  2

  6

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  2

  =

  α

  2

  (α

  3

  2

  4

  ) 1+6α

  −α

  4

  4

  4

  Notemos que nos denominadores dos a i ’s, 1 ≤ i ≤ 6, aparece uma interessante seq¨ uˆencia 1, 1 + α

  2

  , 1 + 2α

  2

  , 1 + 3α

  2

  

4

  , 1 + 4α

  2

  4

  , 1 + 5α

  2

  6

  2

  muito parecida com a seq¨ uˆencia de Fibonacci, j´a que satisfaz a rela¸c˜ao de recorrˆencia G i = α

  2

  G

  i−2

  i−1

  . 2 o passo:

                                                      

  a =

  1+5α

  2

  

4

  6

  1+6α

  2

  6

  2

  ) 1+6α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  5

  =

  α

  2

  (1+3α

  2

  4

  −α

  3

  2

  6

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  6

  =

  α(1+4α

  2

  4

  5

  ) 1+6α

  −α

  4

  −α

  2

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  3

  =

  α

  3

  (α+α

  3

  −(1+2α

  2

  )) 1+6α

  4

  2

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  4

  =

  α

  3

  (α+α

  3

  2

  ) 1+6α

  29 Assim, seja (G i ) a seq¨ uˆencia

  2 2 2 4 2 4 2 4 6

  0, 1, 1, 1 + α , 1 + 2α , 1 + 3α + α , 1 + 4α + 3α , 1 + 5α + 6α + α , · · ·

  (G ) ´e dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia i

  2

  G = 0, G = 1 e G i = α G + G , i > 2,

  1 i−2 i−1

  ou seja, (G i ) ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ) quando α = 1.

  Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos G i ’s temos 

  7

   α G G 7

  • (−α)  

  a = 7 (1 )

   6

  − αa

   G 8 −α

    

  

6 1

    α G G

  1 6

  • (−α)    a = 7 (1 ) 1 6

  − αa

   G

  8

  −α     5 2 

  α G 2 G 5  +(−α)   a = (1 )

  7

  2 6  − αa

  G 8 

  −α    4 3 

  α G 3 G 4

  • (−α)

  a = 7 (1 )

  3 6

  − αa

  G 8 −α

    

  

3 4

   

  α G G

  4 3

  • (−α)    a = 7 (1 ) 4 6

   − αa G

  8

   −α    2 5 

  α G 5 G 2 

  • (−α)  

  a = (1 )

  7

  5 6  − αa  G 8

  −α   

  

1 6

   

  α G 6 G 1

  • (−α)  

  a = 7 (1 )

   6 6

  − αa ·

   G 8

  −α Logo, para n = 7, i

  n−i

  α G i G

  • (−α) n−i a i = n

  (1 − αa n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, G n

  • 1

  − α e assim i

  n−i

  α G i G

  • (−α) n−i a i = n n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1.

  2

  G n +1 + α G )

  

n−1 − α (1 + (−1)

  30 Em geral, vale a seguinte generaliza¸c˜ao do Teorema 2.2.1: Teorema 2.3.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

  −1

  Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

  KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

  −1 −1

  ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

   a + a = 1  1

  − a n−1    a + a = 0  1 2

  − a  a + a = 0

  2 1 3

  − a    ... ... ...    a + a = 0

  n−1 − a n−2 −1

  , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

  Sejam C ,

  7

  = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

  1 2 3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

  Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

  

6 1

   − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

  2 1 3

   − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

    a + a = 0

  4 3 5

   − a    a + a = 0

  5 4 6

   − a   a + a = 0.

  6 5

  − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

  5

  24

  25

  4

  =

  2

  29 , a

  = −1

  3

  29 , a

  5

  =

  4

  29 , a

  =

  29 , a

  5

  29 , a

  9

  =

  6

  e ent˜ao, por substitui¸c˜ao, os dos demais a i ’s. Assim, a

  6

  3 o passo: Encontraremos o valor de a

  6 )·

  9 20 (1 − a

  6 ) a 6 =

  6

  1

  6 ) a 5 =

  2

  ·

  6

  29 x

  5

  29 x

  4

  29 x

  3

  1 29 x

  −

  6 29 x

  = −7

  7 29 x +

  29 −

  13

  =

  −1

  )

  −1

  Portanto, (1 + x − x

  29 ·

  13

  29 e a =

  4 20 (1 − a

  5 20 (1 − a

  Logo                                             

  =

  a

  5

  2

  a −3a

  =

  3

  a

  3

  3

  a −2a

  4

  =

  a

  2

  4

  a −a

  =

  5

  a

  5

  = a − a

  6

  a

  2

  a −5a

  6 ) a 4 =

  1

  

−1

20

(1 − a

  6 ) a 3 =

  6 20 (1 − a

  2 =

  6 ) a

  

−7

20

(1 − a

  (1 − a 6 ) a 1 =

  a = 13 20

  , e assim sucessivamente. Obtendo                                     

  2

  em a

  2 o passo: Escreveremos todos os a i ’s em fun¸c˜ao de a 6 , substituindo a em a 1 , e, ent˜ao, a e a

  1

  ·

  20

  6

  13−13a

  a =

  13

  a −8a

  =

  1

  a

  8

  • 5
  • 4
  • 9
Observando cuidadosamente os a i ’s obtidos nos dois primeiros passos da resolu¸c˜ao

  −1 −1

  ) , onde de nosso sistema linear, podemos encontrar uma f´ormula para (1 + x − x o(x) = n > 2. ´ E o que faremos na pr´oxima se¸c˜ao.

  −1 −1

  2.2 ) Encontrando (1 + x − x

  Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e K um corpo de caracter´ıstica zero. No

  −1

  , para n = 7, resolvendo em Exemplo 2.1.4, obtivemos o inverso de 1 + x − x ‘trˆes passos’ um sistema linear nas vari´aveis a . Observando os a i ’s obti-

  6 o , · · · , a dos no 1 passo da resolu¸c˜ao de nosso sistema linear, vemos que os denominadores

  de a 6 , a 5 , a 4 , a 3 , a 2 e a 1 s˜ao os seis primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci o 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... J´a os numeradores dos a i ’s obtidos no 2 passo s˜ao os sete primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci 13, −7, 6, −1, 5, 4, 9, ...

  Uma pergunta natural e importante ´e a seguinte: “´ E poss´ıvel escrever os a i ’s obtidos nestes dois passos em fun¸c˜ao de uma mesma seq¨ uˆencia de Fibonacci?”. A resposta ´e afirmativa e tal seq¨ uˆencia pode ser encontrada a partir da observa¸c˜ao de o que os a i ’s obtidos no 2 passo podem ser reescritos da seguinte forma:

  

  

0+13

a = 6 )

  

  (1 − a

  21

  

  

−1

    

   

  1

−8

  

a 1 = 6 )

   (1 − a

  21

   −1    1+5  

  

a 2 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  2

−3

a 3 = 6 )

(1 − a

  21

−1

   

  3+2

   

  

a 4 = 6 )

  

  (1 − a

  21

   −1    5

  

−1

   

  

a 5 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  8+1

     a 6 = 6

  (1 − a )· 21

−1

  Assim, vamos considerar (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, · · · dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia

  F = 0, F = 1 e F i = F + F , i > 2. (2.1)

  1 i−1 i−2

  26 Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos F i ’s temos 

  F +F

  7

   

  

a = (1 )

  6 

  − a

  F 8 

  −1    

  F 1 6 −F

   

  

a = (1 )

   1 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

2 5

     a = (1 ) 2 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F

  

3 4

  −F

  

a = (1 )

  3 6

  − a

  F 8 −1

      F 4 +F 3  

  

a = (1 )

   4 6

  − a

  F  8

  −1    

  F 5 2  −F 

  

a = (1 )

   5 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

6 1

     a = (1 ) 6 6  − a ·

  F 8 −1

  Logo, podemos escrever para n = 7: i F i F

  • (−1) n−i a i =

  (1 − a n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, F n

  • 1

  − 1 e ent˜ao encontrando a express˜ao para a e, por substitui¸c˜ao, a dos demais a i ’s,

  

n−1

  obtemos i F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Formulamos ent˜ao o seguinte. Teorema 2.2.1 Consideremos (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci definida em (2.1). Se x ∈ G ´e tal que o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, ent˜ao

  n−1 −1 ´e invert´ıvel em KG e seu inverso ´e dado por a + a x ,

  1

  1 + x − x x + · · · + a

  n−1 onde i

  F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Vamos nos preparar para, na pr´oxima se¸c˜ao, demonstrarmos este teorema em

  −1

  uma situa¸c˜ao mais geral, considerando elementos 1 + α(x − x ) ∈ KG, onde α ∈ K e x ∈ G com o(x) = n > 2. Para este fim vamos considerar, a partir de agora, K uma extens˜ao real de Q.

  27

  −1 −1

  2.3 )) Encontrando (1 + α(x − x

  Sejam C n = hxi tal que n > 2 e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encon-

  −1 −1

  )) em KC n para posteriormente obtermos o elemento Cayley trar (1 + α(x − x

  −1

  ). A fim de encontrarmos unit´ario proveniente do elemento anti-sim´etrico α(x − x uma f´ormula geral para tal inverso, estudaremos inicialmente o caso particular em que o(x) = 7.

  Sejam C , a , a ,

  7 1 2

  = hxi e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encontrar a a , a , a , a

  3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  ))(a + a x + a x + a x + a x + a x + a x ) = 1.

  1 2 3 4 5 6

  (1 + α(x − x Isto ´e equivalente a encontrarmos uma solu¸c˜ao do sistema linear

   a + αa = 1

  

6 1

   − αa    a + αa = 0

  1 2

  − αa     a + αa = 0

  2 1 3

   − αa a + αa = 0

  3 2 4

  − αa   a 4 + αa 3 5 = 0  − αa    a + αa = 0

  5 4 6

   − αa   a 6 + αa 5 = 0.

  − αa Resolvendo o sistema acima seguindo os passos descritos no Exemplo 2.1.4, obte- mos o 1 passo:

   

  a = α(a )

   6 5

  

− a

      

  α(αa )

  

4

  −a    a = 2

  5 

  1+α   

  

2 2

    α(α a )a )

  3

  −(1+α    a = 2

  4 

  1+2α   

  

3 2

   

  α(α a )a 2 ) −(1+2α

  a = 2 4

  3 1+3α +α

   

  4 2 4

   

  α(α a +α )a )

  1

  −(1+3α  

  a =

   2 4

  2 

  1+4α +3α   

  5 2 4

    α(α a +3α )a )

  −(1+4α    a = 2 4 6

  1 

  1+5α +6α +α   

  2 4 6

   

  (1+5α +6α +α 6 )  )(1−αa 

  

a = 2 4 6 7

  

  ·

  1+6α +10α +4α −α

  28

  • α
  • α
  • G
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 1+3α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 1+2α
  • 10α

  • α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  2

  =

  α

  5

  .1+α

  2

  (1+3α

  

2

  ) 1+6α

  4

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  3

  =

  α

  4

  (1+α

  2

  4

  2

  ) 1+6α

  2

  7 (1 − αa

  6

  ) ·

  Observemos que os a i ’s podem ser reescritos da seguinte forma:                                                     

  a =

  α

  7

  .0+α (1+5α

  

2

  4

  6

  ) 1+6α

  

4

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  1

  =

  α

  6

  .1−α

  1

  (1+4α

  

2

  )−α

  3

  (1+2α

  6

  2

  

3

  )−α

  5

  .1 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  =

  2

  α(1+4α

  2

  

4

  )+α

  6

  .1 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) ·

  (1+3α

  α

  2

  (1+2α

  ) 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  4

  =

  α

  3

  2

  =

  )+α

  

4

  (1+α

  2

  ) 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  5

  −α

  6

  4

  4

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  1

  =

  α(α

  5

  −(1+4α

  

2

  4

  )) 1+6α

  2

  6

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  2

  =

  α

  2

  (α

  3

  2

  4

  ) 1+6α

  −α

  4

  4

  4

  Notemos que nos denominadores dos a i ’s, 1 ≤ i ≤ 6, aparece uma interessante seq¨ uˆencia 1, 1 + α

  2

  , 1 + 2α

  2

  , 1 + 3α

  2

  

4

  , 1 + 4α

  2

  4

  , 1 + 5α

  2

  6

  2

  muito parecida com a seq¨ uˆencia de Fibonacci, j´a que satisfaz a rela¸c˜ao de recorrˆencia G i = α

  2

  G

  i−2

  i−1

  . 2 o passo:

                                                      

  a =

  1+5α

  2

  

4

  6

  1+6α

  2

  6

  2

  ) 1+6α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  5

  =

  α

  2

  (1+3α

  2

  4

  −α

  3

  2

  6

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  6

  =

  α(1+4α

  2

  4

  5

  ) 1+6α

  −α

  4

  −α

  2

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  3

  =

  α

  3

  (α+α

  3

  −(1+2α

  2

  )) 1+6α

  4

  2

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  4

  =

  α

  3

  (α+α

  3

  2

  ) 1+6α

  29 Assim, seja (G i ) a seq¨ uˆencia

  2 2 2 4 2 4 2 4 6

  0, 1, 1, 1 + α , 1 + 2α , 1 + 3α + α , 1 + 4α + 3α , 1 + 5α + 6α + α , · · ·

  (G ) ´e dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia i

  2

  G = 0, G = 1 e G i = α G + G , i > 2,

  1 i−2 i−1

  ou seja, (G i ) ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ) quando α = 1.

  Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos G i ’s temos 

  7

   α G G 7

  • (−α)  

  a = 7 (1 )

   6

  − αa

   G 8 −α

    

  

6 1

    α G G

  1 6

  • (−α)    a = 7 (1 ) 1 6

  − αa

   G

  8

  −α     5 2 

  α G 2 G 5  +(−α)   a = (1 )

  7

  2 6  − αa

  G 8 

  −α    4 3 

  α G 3 G 4

  • (−α)

  a = 7 (1 )

  3 6

  − αa

  G 8 −α

    

  

3 4

   

  α G G

  4 3

  • (−α)    a = 7 (1 ) 4 6

   − αa G

  8

   −α    2 5 

  α G 5 G 2 

  • (−α)  

  a = (1 )

  7

  5 6  − αa  G 8

  −α   

  

1 6

   

  α G 6 G 1

  • (−α)  

  a = 7 (1 )

   6 6

  − αa ·

   G 8

  −α Logo, para n = 7, i

  n−i

  α G i G

  • (−α) n−i a i = n

  (1 − αa n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, G n

  • 1

  − α e assim i

  n−i

  α G i G

  • (−α) n−i a i = n n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1.

  2

  G n +1 + α G )

  

n−1 − α (1 + (−1)

  30 Em geral, vale a seguinte generaliza¸c˜ao do Teorema 2.2.1: Teorema 2.3.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

  −1

extens˜ao real de ) ´e invert´ıvel em KG e seu

  Q. Ent˜ao, o elemento 1 + α(x − x

  n−1 inverso ´e dado por a + a x , onde

  1

  x + · · · + a n−1 i

  n−i

  α G i G

  • (−α) n−i a i = , (2.2) n n

  2

  G n + α G )

  • 1 j

  n−1 − α (1 + (−1) para 0 ≤ i ≤ n − 1, e G ´e dado pela rela¸c˜ao (1.1), para 0 ≤ j ≤ n. n−1

  

Demonstra¸c˜ao: Para que a + a x definido no enunciado de nosso

  1

  x + · · · + a n−1 n n

  2

  teorema seja um elemento de KG, basta que G n + α G ) seja

  • 1 n−1 − α (1 + (−1)

  diferente de zero. Para garantir este fato, vamos utilizar a f´ormula geral para a seq¨ uencia (G i ) encontrada no Exemplo 1.4.2, analisando o que ocorre nos dois casos poss´ıveis: n ´ımpar e n par.

  Se n ´e ´ımpar, ent˜ao

  2 n n 2

  G n + α G ) = G n + α G

  • 1 +1 n−1 − α (1 + (−1) n−1

  2

  e, como α ≥ 0, segue de (1.3) que

  

2

  G n +1 + α G > 0.

  n−1

  Se n ´e par, ent˜ao

  2 n n 2 n

  G n + α G ) = G n + α G .

  • 1 +1 n−1 − α (1 + (−1) n−1 − 2α

  Segue de (1.3) que X m−1 1 n + 1

  2 2

  G = (1 + 4α ) n +1 n 2 m m ´ımpar e X m−1

  1 n − 1

  2 2

  G = (1 + 4α ) .

  n−1 n−2

  2 m m ´ımpar Agora, como n + 1 e n − 1 s˜ao ´ımpares e K ´e uma extens˜ao real de Q, ent˜ao (n+1)−1 n n 1 n + 1 1 (2α) n

  2 2 2 2

  G n > (1 + 4α ) > (4α ) = = α

  • 1

    n n n

  2 n + 1 2 2 e (n−1)−1 n−2 n−2 1 1 (2α) n − 1 2 2 2 2 n−2

  G (1 + 4α ) (4α ) = = α .

  ≥ ≥

  n−1

n−2 n−2 n−2

  2 2 2 n − 1

  31

2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

  O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

  −

  elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

  −1 − −1

  ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

  Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

  3 2 3 −1 − −1 −1

  S = 1, y = 1, xy = y

  3

  3

  = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

  1 1 2 −1

  • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

  2 2

  o elemento Cayley unit´ario 1 1

  2 −1

  ) + y u = (1 − y + y 2 2

  2

  = y .

  21 Exemplo 2.1.2 KD

  4 2 4 − −1 −1 −1

  D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

  3 1 2 1 2 3 −1

  )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

  5 5 5 5

  1 2 4 2

  2 3

  u = y + y y −

  • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

  4

  Exemplo 2.1.3 KQ

  8 4 2 2 −1 −1 −1

  Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

  8

  = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

  3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

  )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

  5 5 5 5 5 5 5 5

  Assim 1 2 4 2

  2 3

  • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

  2 3

  u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

  8

  Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

  −1

  ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

  3 1 2 2 1 3 −1

  • por x + x x

  dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

  5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

  por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

  5 5 5 5 −1 −1 −1

  ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

  ]

  (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

  = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

  22

  11

  3

  5 −

  1

  11

  −

  4

  x +

  2 5

  

6

11

  x

  2

  2 11

  x

  3

  8 11

  x

  2

  4

  3 x

  n u = (1 − x + x

  −1

  )(1 + x − x

  −1

  )

  −1

  2

  x

  4

  1

  5

  −

  2 5

  x +

  4 5

  x

  6 −

  x

  10 29

  x

  2

  −

  

2

29

  x

  3

  x

  12

  4

  8 29

  x

  5

  18 29

  x

  6

  29

  x +

  1

  4

  2

  x +

  1 2

  x

  

2

  1 2

  x

  1 2

  29

  x

  5

  7 −

  3

  29

  −

  14

  6

  9 29

  23

  2

  x

  3

  5

  5

  11

  −

  11

  2

  x +

  

3

11

  x

  2

  1 11

  x

  3

  1 5

  x

  x

  1 2

  n (1 + x − x

  −1

  )

  −1

  3

  

1

2

  x

  2 5

  2

  4

  3

  5

  −

  1 5

  x +

  4 11

  4

  5

  7

  3

  x

  

1

29

  −

  2

  x

  4

  6

  x +

  4 29

  7

  −

  6

  13

  5

  x

  x

  1 4

  4

  x

  1 4

  2

  x

  

1

4

  x +

  4

  1

  −

  2

  1

  5 29

  29

  29

  x

  29

  −1

  Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

  KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

  −1 −1

  ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

   a + a = 1  1

  − a n−1    a + a = 0  1 2

  − a  a + a = 0

  2 1 3

  − a    ... ... ...    a + a = 0

  n−1 − a n−2 −1

  , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

  −1 −1

  ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

  Sejam C ,

  7

  = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

  1 2 3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

  Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

  

6 1

   − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

  2 1 3

   − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

    a + a = 0

  4 3 5

   − a    a + a = 0

  5 4 6

   − a   a + a = 0.

  6 5

  − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

  5

  24

  25

  4

  =

  2

  29 , a

  = −1

  3

  29 , a

  5

  =

  4

  29 , a

  =

  29 , a

  5

  29 , a

  9

  =

  6

  e ent˜ao, por substitui¸c˜ao, os dos demais a i ’s. Assim, a

  6

  3 o passo: Encontraremos o valor de a

  6 )·

  9 20 (1 − a

  6 ) a 6 =

  6

  1

  6 ) a 5 =

  2

  ·

  6

  29 x

  5

  29 x

  4

  29 x

  3

  1 29 x

  −

  6 29 x

  = −7

  7 29 x +

  29 −

  13

  =

  −1

  )

  −1

  Portanto, (1 + x − x

  29 ·

  13

  29 e a =

  4 20 (1 − a

  5 20 (1 − a

  Logo                                             

  =

  a

  5

  2

  a −3a

  =

  3

  a

  3

  3

  a −2a

  4

  =

  a

  2

  4

  a −a

  =

  5

  a

  5

  = a − a

  6

  a

  2

  a −5a

  6 ) a 4 =

  1

  

−1

20

(1 − a

  6 ) a 3 =

  6 20 (1 − a

  2 =

  6 ) a

  

−7

20

(1 − a

  (1 − a 6 ) a 1 =

  a = 13 20

  , e assim sucessivamente. Obtendo                                     

  2

  em a

  2 o passo: Escreveremos todos os a i ’s em fun¸c˜ao de a 6 , substituindo a em a 1 , e, ent˜ao, a e a

  1

  ·

  20

  6

  13−13a

  a =

  13

  a −8a

  =

  1

  a

  8

  • 5
  • 4
  • 9
Observando cuidadosamente os a i ’s obtidos nos dois primeiros passos da resolu¸c˜ao

  −1 −1

  ) , onde de nosso sistema linear, podemos encontrar uma f´ormula para (1 + x − x o(x) = n > 2. ´ E o que faremos na pr´oxima se¸c˜ao.

  −1 −1

  2.2 ) Encontrando (1 + x − x

  Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e K um corpo de caracter´ıstica zero. No

  −1

  , para n = 7, resolvendo em Exemplo 2.1.4, obtivemos o inverso de 1 + x − x ‘trˆes passos’ um sistema linear nas vari´aveis a . Observando os a i ’s obti-

  6 o , · · · , a dos no 1 passo da resolu¸c˜ao de nosso sistema linear, vemos que os denominadores

  de a 6 , a 5 , a 4 , a 3 , a 2 e a 1 s˜ao os seis primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci o 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... J´a os numeradores dos a i ’s obtidos no 2 passo s˜ao os sete primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci 13, −7, 6, −1, 5, 4, 9, ...

  Uma pergunta natural e importante ´e a seguinte: “´ E poss´ıvel escrever os a i ’s obtidos nestes dois passos em fun¸c˜ao de uma mesma seq¨ uˆencia de Fibonacci?”. A resposta ´e afirmativa e tal seq¨ uˆencia pode ser encontrada a partir da observa¸c˜ao de o que os a i ’s obtidos no 2 passo podem ser reescritos da seguinte forma:

  

  

0+13

a = 6 )

  

  (1 − a

  21

  

  

−1

    

   

  1

−8

  

a 1 = 6 )

   (1 − a

  21

   −1    1+5  

  

a 2 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  2

−3

a 3 = 6 )

(1 − a

  21

−1

   

  3+2

   

  

a 4 = 6 )

  

  (1 − a

  21

   −1    5

  

−1

   

  

a 5 = 6 )

(1 − a

   21

  

−1

    

  8+1

     a 6 = 6

  (1 − a )· 21

−1

  Assim, vamos considerar (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, · · · dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia

  F = 0, F = 1 e F i = F + F , i > 2. (2.1)

  1 i−1 i−2

  26 Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos F i ’s temos 

  F +F

  7

   

  

a = (1 )

  6 

  − a

  F 8 

  −1    

  F 1 6 −F

   

  

a = (1 )

   1 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

2 5

     a = (1 ) 2 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F

  

3 4

  −F

  

a = (1 )

  3 6

  − a

  F 8 −1

      F 4 +F 3  

  

a = (1 )

   4 6

  − a

  F  8

  −1    

  F 5 2  −F 

  

a = (1 )

   5 6

  − a

   F

  8

  −1    

  F +F

  

6 1

     a = (1 ) 6 6  − a ·

  F 8 −1

  Logo, podemos escrever para n = 7: i F i F

  • (−1) n−i a i =

  (1 − a n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, F n

  • 1

  − 1 e ent˜ao encontrando a express˜ao para a e, por substitui¸c˜ao, a dos demais a i ’s,

  

n−1

  obtemos i F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Formulamos ent˜ao o seguinte. Teorema 2.2.1 Consideremos (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci definida em (2.1). Se x ∈ G ´e tal que o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, ent˜ao

  n−1 −1 ´e invert´ıvel em KG e seu inverso ´e dado por a + a x ,

  1

  1 + x − x x + · · · + a

  n−1 onde i

  F i F

  • (−1) n−i a i = n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

  • 1 n−1 − (1 + (−1)

  Vamos nos preparar para, na pr´oxima se¸c˜ao, demonstrarmos este teorema em

  −1

  uma situa¸c˜ao mais geral, considerando elementos 1 + α(x − x ) ∈ KG, onde α ∈ K e x ∈ G com o(x) = n > 2. Para este fim vamos considerar, a partir de agora, K uma extens˜ao real de Q.

  27

  −1 −1

  2.3 )) Encontrando (1 + α(x − x

  Sejam C n = hxi tal que n > 2 e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encon-

  −1 −1

  )) em KC n para posteriormente obtermos o elemento Cayley trar (1 + α(x − x

  −1

  ). A fim de encontrarmos unit´ario proveniente do elemento anti-sim´etrico α(x − x uma f´ormula geral para tal inverso, estudaremos inicialmente o caso particular em que o(x) = 7.

  Sejam C , a , a ,

  7 1 2

  = hxi e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encontrar a a , a , a , a

  3 4 5 6

  ∈ K tais que

  2 3 4 5 6 −1

  ))(a + a x + a x + a x + a x + a x + a x ) = 1.

  1 2 3 4 5 6

  (1 + α(x − x Isto ´e equivalente a encontrarmos uma solu¸c˜ao do sistema linear

   a + αa = 1

  

6 1

   − αa    a + αa = 0

  1 2

  − αa     a + αa = 0

  2 1 3

   − αa a + αa = 0

  3 2 4

  − αa   a 4 + αa 3 5 = 0  − αa    a + αa = 0

  5 4 6

   − αa   a 6 + αa 5 = 0.

  − αa Resolvendo o sistema acima seguindo os passos descritos no Exemplo 2.1.4, obte- mos o 1 passo:

   

  a = α(a )

   6 5

  

− a

      

  α(αa )

  

4

  −a    a = 2

  5 

  1+α   

  

2 2

    α(α a )a )

  3

  −(1+α    a = 2

  4 

  1+2α   

  

3 2

   

  α(α a )a 2 ) −(1+2α

  a = 2 4

  3 1+3α +α

   

  4 2 4

   

  α(α a +α )a )

  1

  −(1+3α  

  a =

   2 4

  2 

  1+4α +3α   

  5 2 4

    α(α a +3α )a )

  −(1+4α    a = 2 4 6

  1 

  1+5α +6α +α   

  2 4 6

   

  (1+5α +6α +α 6 )  )(1−αa 

  

a = 2 4 6 7

  

  ·

  1+6α +10α +4α −α

  28

  • α
  • α
  • G
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 1+3α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 1+2α
  • 10α

  • α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α
  • 10α
  • α
  • 10α
  • 10α

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  2

  =

  α

  5

  .1+α

  2

  (1+3α

  

2

  ) 1+6α

  4

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  3

  =

  α

  4

  (1+α

  2

  4

  2

  ) 1+6α

  2

  7 (1 − αa

  6

  ) ·

  Observemos que os a i ’s podem ser reescritos da seguinte forma:                                                     

  a =

  α

  7

  .0+α (1+5α

  

2

  4

  6

  ) 1+6α

  

4

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  1

  =

  α

  6

  .1−α

  1

  (1+4α

  

2

  )−α

  3

  (1+2α

  6

  2

  

3

  )−α

  5

  .1 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  =

  2

  α(1+4α

  2

  

4

  )+α

  6

  .1 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) ·

  (1+3α

  α

  2

  (1+2α

  ) 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  4

  =

  α

  3

  2

  =

  )+α

  

4

  (1+α

  2

  ) 1+6α

  2

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  5

  −α

  6

  4

  4

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  1

  =

  α(α

  5

  −(1+4α

  

2

  4

  )) 1+6α

  2

  6

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  2

  =

  α

  2

  (α

  3

  2

  4

  ) 1+6α

  −α

  4

  4

  4

  Notemos que nos denominadores dos a i ’s, 1 ≤ i ≤ 6, aparece uma interessante seq¨ uˆencia 1, 1 + α

  2

  , 1 + 2α

  2

  , 1 + 3α

  2

  

4

  , 1 + 4α

  2

  4

  , 1 + 5α

  2

  6

  2

  muito parecida com a seq¨ uˆencia de Fibonacci, j´a que satisfaz a rela¸c˜ao de recorrˆencia G i = α

  2

  G

  i−2

  i−1

  . 2 o passo:

                                                      

  a =

  1+5α

  2

  

4

  6

  1+6α

  2

  6

  2

  ) 1+6α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  5

  =

  α

  2

  (1+3α

  2

  4

  −α

  3

  2

  6

  4

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  6

  =

  α(1+4α

  2

  4

  5

  ) 1+6α

  −α

  4

  −α

  2

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  3

  =

  α

  3

  (α+α

  3

  −(1+2α

  2

  )) 1+6α

  4

  2

  6

  −α

  7 (1 − αa

  6

  ) a

  4

  =

  α

  3

  (α+α

  3

  2

  ) 1+6α

  29 Assim, seja (G i ) a seq¨ uˆencia

  2 2 2 4 2 4 2 4 6

  0, 1, 1, 1 + α , 1 + 2α , 1 + 3α + α , 1 + 4α + 3α , 1 + 5α + 6α + α , · · ·

  (G ) ´e dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia i

  2

  G = 0, G = 1 e G i = α G + G , i > 2,

  1 i−2 i−1

  ou seja, (G i ) ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ) quando α = 1.

  Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos G i ’s temos 

  7

   α G G 7

  • (−α)  

  a = 7 (1 )

   6

  − αa

   G 8 −α

    

  

6 1

    α G G

  1 6

  • (−α)    a = 7 (1 ) 1 6

  − αa

   G

  8

  −α     5 2 

  α G 2 G 5  +(−α)   a = (1 )

  7

  2 6  − αa

  G 8 

  −α    4 3 

  α G 3 G 4

  • (−α)

  a = 7 (1 )

  3 6

  − αa

  G 8 −α

    

  

3 4

   

  α G G

  4 3

  • (−α)    a = 7 (1 ) 4 6

   − αa G

  8

   −α    2 5 

  α G 5 G 2 

  • (−α)  

  a = (1 )

  7

  5 6  − αa  G 8

  −α   

  

1 6

   

  α G 6 G 1

  • (−α)  

  a = 7 (1 )

   6 6

  − αa ·

   G 8

  −α Logo, para n = 7, i

  n−i

  α G i G

  • (−α) n−i a i = n

  (1 − αa n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, G n

  • 1

  − α e assim i

  n−i

  α G i G

  • (−α) n−i a i = n n

  , i = 0, 1, · · · , n − 1.

  2

  G n +1 + α G )

  

n−1 − α (1 + (−1)

  30 Em geral, vale a seguinte generaliza¸c˜ao do Teorema 2.2.1: Teorema 2.3.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

  −1

extens˜ao real de ) ´e invert´ıvel em KG e seu

  Q. Ent˜ao, o elemento 1 + α(x − x

  n−1 inverso ´e dado por a + a x , onde

  1

  x + · · · + a n−1 i

  n−i

  α G i G

  • (−α) n−i a i = , (2.2) n n

  2

  G n + α G )

  • 1 j

  n−1 − α (1 + (−1) para 0 ≤ i ≤ n − 1, e G ´e dado pela rela¸c˜ao (1.1), para 0 ≤ j ≤ n. n−1

  

Demonstra¸c˜ao: Para que a + a x definido no enunciado de nosso

  1

  x + · · · + a n−1 n n

  2

  teorema seja um elemento de KG, basta que G n + α G ) seja

  • 1 n−1 − α (1 + (−1)

  diferente de zero. Para garantir este fato, vamos utilizar a f´ormula geral para a seq¨ uencia (G i ) encontrada no Exemplo 1.4.2, analisando o que ocorre nos dois casos poss´ıveis: n ´ımpar e n par.

  Se n ´e ´ımpar, ent˜ao

  2 n n 2

  G n + α G ) = G n + α G

  • 1 +1 n−1 − α (1 + (−1) n−1

  2

  e, como α ≥ 0, segue de (1.3) que

  

2

  G n +1 + α G > 0.

  n−1

  Se n ´e par, ent˜ao

  2 n n 2 n

  G n + α G ) = G n + α G .

  • 1 +1 n−1 − α (1 + (−1) n−1 − 2α

  Segue de (1.3) que X m−1 1 n + 1

  2 2

  G = (1 + 4α ) n +1 n 2 m m ´ımpar e X m−1

  1 n − 1

  2 2

  G = (1 + 4α ) .

  n−1 n−2

  2 m m ´ımpar Agora, como n + 1 e n − 1 s˜ao ´ımpares e K ´e uma extens˜ao real de Q, ent˜ao (n+1)−1 n n 1 n + 1 1 (2α) n

  2 2 2 2

  G n > (1 + 4α ) > (4α ) = = α

  • 1

    n n n

  2 n + 1 2 2 e (n−1)−1 n−2 n−2 1 1 (2α) n − 1 2 2 2 2 n−2

  G (1 + 4α ) (4α ) = = α .

  ≥ ≥

  n−1

n−2 n−2 n−2

  2 2 2 n − 1

  31

  • α
  • >1· · ·+a n−1 x
  • · · · + a n−1 x
  • 1
  • · · · + (a n−1
  • αa
  • αa
  • +1

  n−1 − α n

  G n

  (1 + (−1) n )

  n−1 − α n

  G

  2

  = G n

  − α n (1 + (−1) n )

  n−1

  G

  2

  G n +1 + α

  (1 + (−1) n )

  G

  G

  2

  ) + α

  n−1

  G

  2

  = (G n + α

  (1 + (−1) n )

  n−1 − α n

  G

  2

  ) G n

  n−1

  G

  2

  n−1 − α n

  1

  ) G n

  = 0

  (1 + (−1) n )

  n−1 − α n

  G

  2

  G n

  .0 + (−α) i .0

  n−i

  = α

  (1 + (−1) n )

  n−1 − α n

  G

  2

  n−i−1

  (1 + (−1) n )

  G

  2

  n−i − G n−i+1

  ) + (−α) i (G

  i−1 − G i +1

  G

  2

  (G i + α

  n−i

  α

  = =

  i−1 − αa i

  = 1 a i + αa

  1

  G

  32 a + αa =

  Agora, consideremos os a i ’s dados em (2.2). Vamos mostrar que a

  n−1

  2

  x

  2

  x + a

  1

  ))(a + a

  −1

  ) quando x ∈ G ´e um elemento de ordem n > 2. (1 + α(x − x

  −1

  ´e o inverso de 1 + α(x − x

  n−1

  − 2α n > 0.

  n−1 − αa

  

n−1

  G

  2

  Portanto, G n +1 + α

  − 2α n .

  n−2

  α

  2

  > α n + α

  n−1 − 2α n

  G

  2

  Logo, G n

  ) = = (a + αa

  1

  n−1

  i−1 − αa

i

  ) − α(α

  1

  G

  n−1

  n−1

  G

  1

  G n + α(α

  α n G

  = =

  1

  n−1 − αa

  = 0. Da defini¸c˜ao dos a i ’s e da rela¸c˜ao (1.1), temos a + αa

  − αa = 0 e, para todo i ∈ {1, · · · , n − 2}, a i + αa

  ) + · · · + (a i + αa

  n−2

  n−1

  = 1, a

  1

  − αa

  n−1

  Assim, basta mostrar que a + αa

  .

  n−1

  )x

  n−2 − αa

  )x i

  i−1 − αa i

  • (−α)
  • (−α)
  • (−α)
  • α
  • >1α>1α>11
  • α
  • α
  • >1α>1

    2.1 Exemplos de elementos Cayley unit´ arios

      O nosso objetivo inicial ´e estudar alguns grupos finitos tentando obter exemplos de elementos Cayley unit´arios nas ´algebras destes grupos sobre corpos de caracte- r´ıstica zero. Mais precisamente procuraremos, num primeiro momento, encontrar

      −

      elementos Cayley unit´arios obtidos a partir dos geradores de KG para alguns grupos finitos. Neste sentido, nossa preocupa¸c˜ao se encontra em verificar se um

      −1 − −1

      ´e invert´ıvel em KG. gerador x − x ∈ KG ´e tal que 1 + x − x

      Vejamos alguns exemplos: Exemplo 2.1.1 KS

      3 2 3 −1 − −1 −1

      S = 1, y = 1, xy = y

      3

      3

      = hx, y | x xi, KS ´e gerado por y − y e 1 + y − y

      1 1 2 −1

    • )( y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos ´e invert´ıvel, pois (1 + y − y

      2 2

      o elemento Cayley unit´ario 1 1

      2 −1

      ) + y u = (1 − y + y 2 2

      2

      = y .

      21 Exemplo 2.1.2 KD

      4 2 4 − −1 −1 −1

      D 4 = 1, y = 1, xy = y 4 ´e invert´ıvel, = hx, y | x xi, y −y ∈ KD e 1 + y −y

      3 1 2 1 2 3 −1

      )( y + + y y ) = 1. Assim, da Proposi¸c˜ao 1.3.2, obtemos pois (1 + y − y −

      5 5 5 5

      1 2 4 2

      2 3

      u = y + y y −

    • 5 5 5 5 um elemento Cayley unit´ario de KD .

      4

      Exemplo 2.1.3 KQ

      8 4 2 2 −1 −1 −1

      Q = 1, x = y , xy = y s˜ao invert´ıveis,

      8

      = hx, y | x xi e 1 + x − x e 1 + y − y

      3 1 2 2 1 3 3 1 2 2 1 3 −1 −1

      )( x + + x x )( y + y y ) = 1. + pois (1 + x − x − ) = 1 e (1 + y − y −

      5 5 5 5 5 5 5 5

      Assim 1 2 4 2

      2 3

    • u 1 = x + x x − 5 5 5 5 e 1 2 4 2

      2 3

      u = + 2 y + y y − 5 5 5 5 s˜ao elementos Cayley unit´arios de KQ .

      8

      Observemos que, embora D 4 e Q 8 sejam grupos distintos, se x ´e um elemento de

      −1

      ´e invert´ıvel, sendo seu inverso dado ordem 4 em um destes grupos, ent˜ao 1 + x − x

      3 1 2 2 1 3 −1

    • por x + x x

      dado − e o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de x − x

      5 5 5 5 1 2 4 2 2 3

      por + x + x x − . Assim, se x ∈ G e o(x) = n, pelo que temos observado,

      5 5 5 5 −1 −1 −1

      ) e u , caso existam, parecem n˜ao depender de G, mas apenas

      ]

      (1 + x − x [x−x da ordem de x. Portanto, trabalharemos a partir de agora com os grupos c´ıclicos C n

      = hxi, o(x) = n > 2. Trabalhando com 3 ≤ n ≤ 7, encontramos:

      22

      11

      3

      5 −

      1

      11

      −

      4

      x +

      2 5

      

    6

    11

      x

      2

      2 11

      x

      3

      8 11

      x

      2

      4

      3 x

      n u = (1 − x + x

      −1

      )(1 + x − x

      −1

      )

      −1

      2

      x

      4

      1

      5

      −

      2 5

      x +

      4 5

      x

      6 −

      x

      10 29

      x

      2

      −

      

    2

    29

      x

      3

      x

      12

      4

      8 29

      x

      5

      18 29

      x

      6

      29

      x +

      1

      4

      2

      x +

      1 2

      x

      

    2

      1 2

      x

      1 2

      29

      x

      5

      7 −

      3

      29

      −

      14

      6

      9 29

      23

      2

      x

      3

      5

      5

      11

      −

      11

      2

      x +

      

    3

    11

      x

      2

      1 11

      x

      3

      1 5

      x

      x

      1 2

      n (1 + x − x

      −1

      )

      −1

      3

      

    1

    2

      x

      2 5

      2

      4

      3

      5

      −

      1 5

      x +

      4 11

      4

      5

      7

      3

      x

      

    1

    29

      −

      2

      x

      4

      6

      x +

      4 29

      7

      −

      6

      13

      5

      x

      x

      1 4

      4

      x

      1 4

      2

      x

      

    1

    4

      x +

      4

      1

      −

      2

      1

      5 29

      29

      29

      x

      29

      −1

      Os resultados acima sugerem que se C n ´e invert´ıvel em = hxi, ent˜ao 1 + x − x

      KC n , quando K ´e um corpo de caracter´ıstica zero. Na tentativa de mostrar que isto de fato ocorre e de encontrar alguma regularidade que nos ajude a obter uma

      −1 −1

      ) , podemos resolver de uma forma padr˜ao, para f´ormula geral para (1 + x − x 3 ≤ n ≤ 7, os sistemas lineares

       a + a = 1  1

      − a n−1    a + a = 0  1 2

      − a  a + a = 0

      2 1 3

      − a    ... ... ...    a + a = 0

      n−1 − a n−2 −1

      , onde o(x) = n. Como exemplo, vejamos a que fornecem o inverso de 1 + x − x

      −1 −1

      ) no caso em que n = 7. obten¸c˜ao de (1 + x − x

      −1 −1

      ) no caso em que o(x) = 7. Exemplo 2.1.4 Obten¸c˜ao de (1 + x − x

      Sejam C ,

      7

      = hxi e K um corpo com caracter´ıstica zero. Queremos encontrar a a , a , a , a , a , a

      1 2 3 4 5 6

      ∈ K tais que

      2 3 4 5 6 −1

      )(a + a 1 x + a 2 x + a 3 x + a 4 x + a 5 x + a 6 x ) = 1. (1 + x − x

      Isto ´e equivalente a encontrar uma solu¸c˜ao do sistema linear  a + a = 1

      

    6 1

       − a    a 1 + a 2 = 0  − a    a + a = 0

      2 1 3

       − a a 3 + a 2 4 = 0 − a

        a + a = 0

      4 3 5

       − a    a + a = 0

      5 4 6

       − a   a + a = 0.

      6 5

      − a o a a Resolveremos o sistema acima seguindo os seguintes passos: 1 passo: Isolaremos a 6 na 7 equa¸c˜ao e o substituiremos na 6 equa¸c˜ao; isolaremos, a a ent˜ao, a na 6 equa¸c˜ao e o substituiremos na 5 equa¸c˜ao e assim sucessivamente.

      5

      24

      25

      4

      =

      2

      29 , a

      = −1

      3

      29 , a

      5

      =

      4

      29 , a

      =

      29 , a

      5

      29 , a

      9

      =

      6

      e ent˜ao, por substitui¸c˜ao, os dos demais a i ’s. Assim, a

      6

      3 o passo: Encontraremos o valor de a

      6 )·

      9 20 (1 − a

      6 ) a 6 =

      6

      1

      6 ) a 5 =

      2

      ·

      6

      29 x

      5

      29 x

      4

      29 x

      3

      1 29 x

      −

      6 29 x

      = −7

      7 29 x +

      29 −

      13

      =

      −1

      )

      −1

      Portanto, (1 + x − x

      29 ·

      13

      29 e a =

      4 20 (1 − a

      5 20 (1 − a

      Logo                                             

      =

      a

      5

      2

      a −3a

      =

      3

      a

      3

      3

      a −2a

      4

      =

      a

      2

      4

      a −a

      =

      5

      a

      5

      = a − a

      6

      a

      2

      a −5a

      6 ) a 4 =

      1

      

    −1

    20

    (1 − a

      6 ) a 3 =

      6 20 (1 − a

      2 =

      6 ) a

      

    −7

    20

    (1 − a

      (1 − a 6 ) a 1 =

      a = 13 20

      , e assim sucessivamente. Obtendo                                     

      2

      em a

      2 o passo: Escreveremos todos os a i ’s em fun¸c˜ao de a 6 , substituindo a em a 1 , e, ent˜ao, a e a

      1

      ·

      20

      6

      13−13a

      a =

      13

      a −8a

      =

      1

      a

      8

    • 5
    • 4
    • 9
    Observando cuidadosamente os a i ’s obtidos nos dois primeiros passos da resolu¸c˜ao

      −1 −1

      ) , onde de nosso sistema linear, podemos encontrar uma f´ormula para (1 + x − x o(x) = n > 2. ´ E o que faremos na pr´oxima se¸c˜ao.

      −1 −1

      2.2 ) Encontrando (1 + x − x

      Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e K um corpo de caracter´ıstica zero. No

      −1

      , para n = 7, resolvendo em Exemplo 2.1.4, obtivemos o inverso de 1 + x − x ‘trˆes passos’ um sistema linear nas vari´aveis a . Observando os a i ’s obti-

      6 o , · · · , a dos no 1 passo da resolu¸c˜ao de nosso sistema linear, vemos que os denominadores

      de a 6 , a 5 , a 4 , a 3 , a 2 e a 1 s˜ao os seis primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci o 1, 2, 3, 5, 8, 13, ... J´a os numeradores dos a i ’s obtidos no 2 passo s˜ao os sete primeiros termos da seq¨ uˆencia de Fibonacci 13, −7, 6, −1, 5, 4, 9, ...

      Uma pergunta natural e importante ´e a seguinte: “´ E poss´ıvel escrever os a i ’s obtidos nestes dois passos em fun¸c˜ao de uma mesma seq¨ uˆencia de Fibonacci?”. A resposta ´e afirmativa e tal seq¨ uˆencia pode ser encontrada a partir da observa¸c˜ao de o que os a i ’s obtidos no 2 passo podem ser reescritos da seguinte forma:

      

      

    0+13

    a = 6 )

      

      (1 − a

      21

      

      

    −1

        

       

      1

    −8

      

    a 1 = 6 )

       (1 − a

      21

       −1    1+5  

      

    a 2 = 6 )

    (1 − a

       21

      

    −1

        

      2

    −3

    a 3 = 6 )

    (1 − a

      21

    −1

       

      3+2

       

      

    a 4 = 6 )

      

      (1 − a

      21

       −1    5

      

    −1

       

      

    a 5 = 6 )

    (1 − a

       21

      

    −1

        

      8+1

         a 6 = 6

      (1 − a )· 21

    −1

      Assim, vamos considerar (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, · · · dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia

      F = 0, F = 1 e F i = F + F , i > 2. (2.1)

      1 i−1 i−2

      26 Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos F i ’s temos 

      F +F

      7

       

      

    a = (1 )

      6 

      − a

      F 8 

      −1    

      F 1 6 −F

       

      

    a = (1 )

       1 6

      − a

       F

      8

      −1    

      F +F

      

    2 5

         a = (1 ) 2 6

      − a

       F

      8

      −1    

      F

      

    3 4

      −F

      

    a = (1 )

      3 6

      − a

      F 8 −1

          F 4 +F 3  

      

    a = (1 )

       4 6

      − a

      F  8

      −1    

      F 5 2  −F 

      

    a = (1 )

       5 6

      − a

       F

      8

      −1    

      F +F

      

    6 1

         a = (1 ) 6 6  − a ·

      F 8 −1

      Logo, podemos escrever para n = 7: i F i F

    • (−1) n−i a i =

      (1 − a n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, F n

    • 1

      − 1 e ent˜ao encontrando a express˜ao para a e, por substitui¸c˜ao, a dos demais a i ’s,

      

    n−1

      obtemos i F i F

    • (−1) n−i a i = n

      , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

    • 1 n−1 − (1 + (−1)

      Formulamos ent˜ao o seguinte. Teorema 2.2.1 Consideremos (F i ) a seq¨ uˆencia de Fibonacci definida em (2.1). Se x ∈ G ´e tal que o(x) = n > 2 e K ´e um corpo com caracter´ıstica zero, ent˜ao

      n−1 −1 ´e invert´ıvel em KG e seu inverso ´e dado por a + a x ,

      1

      1 + x − x x + · · · + a

      n−1 onde i

      F i F

    • (−1) n−i a i = n

      , i = 0, 1, · · · , n − 1. F n + F )

    • 1 n−1 − (1 + (−1)

      Vamos nos preparar para, na pr´oxima se¸c˜ao, demonstrarmos este teorema em

      −1

      uma situa¸c˜ao mais geral, considerando elementos 1 + α(x − x ) ∈ KG, onde α ∈ K e x ∈ G com o(x) = n > 2. Para este fim vamos considerar, a partir de agora, K uma extens˜ao real de Q.

      27

      −1 −1

      2.3 )) Encontrando (1 + α(x − x

      Sejam C n = hxi tal que n > 2 e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encon-

      −1 −1

      )) em KC n para posteriormente obtermos o elemento Cayley trar (1 + α(x − x

      −1

      ). A fim de encontrarmos unit´ario proveniente do elemento anti-sim´etrico α(x − x uma f´ormula geral para tal inverso, estudaremos inicialmente o caso particular em que o(x) = 7.

      Sejam C , a , a ,

      7 1 2

      = hxi e α um elemento n˜ao nulo de K. Queremos encontrar a a , a , a , a

      3 4 5 6

      ∈ K tais que

      2 3 4 5 6 −1

      ))(a + a x + a x + a x + a x + a x + a x ) = 1.

      1 2 3 4 5 6

      (1 + α(x − x Isto ´e equivalente a encontrarmos uma solu¸c˜ao do sistema linear

       a + αa = 1

      

    6 1

       − αa    a + αa = 0

      1 2

      − αa     a + αa = 0

      2 1 3

       − αa a + αa = 0

      3 2 4

      − αa   a 4 + αa 3 5 = 0  − αa    a + αa = 0

      5 4 6

       − αa   a 6 + αa 5 = 0.

      − αa Resolvendo o sistema acima seguindo os passos descritos no Exemplo 2.1.4, obte- mos o 1 passo:

       

      a = α(a )

       6 5

      

    − a

          

      α(αa )

      

    4

      −a    a = 2

      5 

      1+α   

      

    2 2

        α(α a )a )

      3

      −(1+α    a = 2

      4 

      1+2α   

      

    3 2

       

      α(α a )a 2 ) −(1+2α

      a = 2 4

      3 1+3α +α

       

      4 2 4

       

      α(α a +α )a )

      1

      −(1+3α  

      a =

       2 4

      2 

      1+4α +3α   

      5 2 4

        α(α a +3α )a )

      −(1+4α    a = 2 4 6

      1 

      1+5α +6α +α   

      2 4 6

       

      (1+5α +6α +α 6 )  )(1−αa 

      

    a = 2 4 6 7

      

      ·

      1+6α +10α +4α −α

      28

    • α
    • α
    • G
    • α
    • 10α
    • 10α
    • 1+3α
    • α
    • 10α
    • 10α
    • 1+2α
    • 10α

    • α
    • 10α
    • α
    • 10α
    • α
    • 10α
    • 10α
    • α
    • 10α
    • 10α
    • 10α
    • α
    • 10α
    • 10α

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      2

      =

      α

      5

      .1+α

      2

      (1+3α

      

    2

      ) 1+6α

      4

      2

      4

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      3

      =

      α

      4

      (1+α

      2

      4

      2

      ) 1+6α

      2

      7 (1 − αa

      6

      ) ·

      Observemos que os a i ’s podem ser reescritos da seguinte forma:                                                     

      a =

      α

      7

      .0+α (1+5α

      

    2

      4

      6

      ) 1+6α

      

    4

      4

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      1

      =

      α

      6

      .1−α

      1

      (1+4α

      

    2

      )−α

      3

      (1+2α

      6

      2

      

    3

      )−α

      5

      .1 1+6α

      2

      4

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      =

      2

      α(1+4α

      2

      

    4

      )+α

      6

      .1 1+6α

      2

      4

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) ·

      (1+3α

      α

      2

      (1+2α

      ) 1+6α

      2

      4

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      4

      =

      α

      3

      2

      =

      )+α

      

    4

      (1+α

      2

      ) 1+6α

      2

      4

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      5

      −α

      6

      4

      4

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      1

      =

      α(α

      5

      −(1+4α

      

    2

      4

      )) 1+6α

      2

      6

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      2

      =

      α

      2

      (α

      3

      2

      4

      ) 1+6α

      −α

      4

      4

      4

      Notemos que nos denominadores dos a i ’s, 1 ≤ i ≤ 6, aparece uma interessante seq¨ uˆencia 1, 1 + α

      2

      , 1 + 2α

      2

      , 1 + 3α

      2

      

    4

      , 1 + 4α

      2

      4

      , 1 + 5α

      2

      6

      2

      muito parecida com a seq¨ uˆencia de Fibonacci, j´a que satisfaz a rela¸c˜ao de recorrˆencia G i = α

      2

      G

      i−2

      i−1

      . 2 o passo:

                                                          

      a =

      1+5α

      2

      

    4

      6

      1+6α

      2

      6

      2

      ) 1+6α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      5

      =

      α

      2

      (1+3α

      2

      4

      −α

      3

      2

      6

      4

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      6

      =

      α(1+4α

      2

      4

      5

      ) 1+6α

      −α

      4

      −α

      2

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      3

      =

      α

      3

      (α+α

      3

      −(1+2α

      2

      )) 1+6α

      4

      2

      6

      −α

      7 (1 − αa

      6

      ) a

      4

      =

      α

      3

      (α+α

      3

      2

      ) 1+6α

      29 Assim, seja (G i ) a seq¨ uˆencia

      2 2 2 4 2 4 2 4 6

      0, 1, 1, 1 + α , 1 + 2α , 1 + 3α + α , 1 + 4α + 3α , 1 + 5α + 6α + α , · · ·

      (G ) ´e dada pela rela¸c˜ao de recorrˆencia i

      2

      G = 0, G = 1 e G i = α G + G , i > 2,

      1 i−2 i−1

      ou seja, (G i ) ´e a seq¨ uˆencia de Fibonacci (F i ) quando α = 1.

      Reescrevendo os a i ’s em fun¸c˜ao dos G i ’s temos 

      7

       α G G 7

    • (−α)  

      a = 7 (1 )

       6

      − αa

       G 8 −α

        

      

    6 1

        α G G

      1 6

    • (−α)    a = 7 (1 ) 1 6

      − αa

       G

      8

      −α     5 2 

      α G 2 G 5  +(−α)   a = (1 )

      7

      2 6  − αa

      G 8 

      −α    4 3 

      α G 3 G 4

    • (−α)

      a = 7 (1 )

      3 6

      − αa

      G 8 −α

        

      

    3 4

       

      α G G

      4 3

    • (−α)    a = 7 (1 ) 4 6

       − αa G

      8

       −α    2 5 

      α G 5 G 2 

    • (−α)  

      a = (1 )

      7

      5 6  − αa  G 8

      −α   

      

    1 6

       

      α G 6 G 1

    • (−α)  

      a = 7 (1 )

       6 6

      − αa ·

       G 8

      −α Logo, para n = 7, i

      n−i

      α G i G

    • (−α) n−i a i = n

      (1 − αa n−1 ), i = 0, 1, · · · , n − 1, G n

    • 1

      − α e assim i

      n−i

      α G i G

    • (−α) n−i a i = n n

      , i = 0, 1, · · · , n − 1.

      2

      G n +1 + α G )

      

    n−1 − α (1 + (−1)

      30 Em geral, vale a seguinte generaliza¸c˜ao do Teorema 2.2.1: Teorema 2.3.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

      −1

    extens˜ao real de ) ´e invert´ıvel em KG e seu

      Q. Ent˜ao, o elemento 1 + α(x − x

      n−1 inverso ´e dado por a + a x , onde

      1

      x + · · · + a n−1 i

      n−i

      α G i G

    • (−α) n−i a i = , (2.2) n n

      2

      G n + α G )

    • 1 j

      n−1 − α (1 + (−1) para 0 ≤ i ≤ n − 1, e G ´e dado pela rela¸c˜ao (1.1), para 0 ≤ j ≤ n. n−1

      

    Demonstra¸c˜ao: Para que a + a x definido no enunciado de nosso

      1

      x + · · · + a n−1 n n

      2

      teorema seja um elemento de KG, basta que G n + α G ) seja

    • 1 n−1 − α (1 + (−1)

      diferente de zero. Para garantir este fato, vamos utilizar a f´ormula geral para a seq¨ uencia (G i ) encontrada no Exemplo 1.4.2, analisando o que ocorre nos dois casos poss´ıveis: n ´ımpar e n par.

      Se n ´e ´ımpar, ent˜ao

      2 n n 2

      G n + α G ) = G n + α G

    • 1 +1 n−1 − α (1 + (−1) n−1

      2

      e, como α ≥ 0, segue de (1.3) que

      

    2

      G n +1 + α G > 0.

      n−1

      Se n ´e par, ent˜ao

      2 n n 2 n

      G n + α G ) = G n + α G .

    • 1 +1 n−1 − α (1 + (−1) n−1 − 2α

      Segue de (1.3) que X m−1 1 n + 1

      2 2

      G = (1 + 4α ) n +1 n 2 m m ´ımpar e X m−1

      1 n − 1

      2 2

      G = (1 + 4α ) .

      n−1 n−2

      2 m m ´ımpar Agora, como n + 1 e n − 1 s˜ao ´ımpares e K ´e uma extens˜ao real de Q, ent˜ao (n+1)−1 n n 1 n + 1 1 (2α) n

      2 2 2 2

      G n > (1 + 4α ) > (4α ) = = α

    • 1

      n n n

      2 n + 1 2 2 e (n−1)−1 n−2 n−2 1 1 (2α) n − 1 2 2 2 2 n−2

      G (1 + 4α ) (4α ) = = α .

      ≥ ≥

      n−1

    n−2 n−2 n−2

      2 2 2 n − 1

      31

    • α
    • >1· · ·+a n−1 x
    • · · · + a n−1 x
    • 1
    • · · · + (a n−1
    • αa
    • αa
    • +1

      n−1 − α n

      G n

      (1 + (−1) n )

      n−1 − α n

      G

      2

      = G n

      − α n (1 + (−1) n )

      n−1

      G

      2

      G n +1 + α

      (1 + (−1) n )

      G

      G

      2

      ) + α

      n−1

      G

      2

      = (G n + α

      (1 + (−1) n )

      n−1 − α n

      G

      2

      ) G n

      n−1

      G

      2

      n−1 − α n

      1

      ) G n

      = 0

      (1 + (−1) n )

      n−1 − α n

      G

      2

      G n

      .0 + (−α) i .0

      n−i

      = α

      (1 + (−1) n )

      n−1 − α n

      G

      2

      n−i−1

      (1 + (−1) n )

      G

      2

      n−i − G n−i+1

      ) + (−α) i (G

      i−1 − G i +1

      G

      2

      (G i + α

      n−i

      α

      = =

      i−1 − αa i

      = 1 a i + αa

      1

      G

      32 a + αa =

      Agora, consideremos os a i ’s dados em (2.2). Vamos mostrar que a

      n−1

      2

      x

      2

      x + a

      1

      ))(a + a

      −1

      ) quando x ∈ G ´e um elemento de ordem n > 2. (1 + α(x − x

      −1

      ´e o inverso de 1 + α(x − x

      n−1

      − 2α n > 0.

      n−1 − αa

      

    n−1

      G

      2

      Portanto, G n +1 + α

      − 2α n .

      n−2

      α

      2

      > α n + α

      n−1 − 2α n

      G

      2

      Logo, G n

      ) = = (a + αa

      1

      n−1

      i−1 − αa

    i

      ) − α(α

      1

      G

      n−1

      n−1

      G

      1

      G n + α(α

      α n G

      = =

      1

      n−1 − αa

      = 0. Da defini¸c˜ao dos a i ’s e da rela¸c˜ao (1.1), temos a + αa

      − αa = 0 e, para todo i ∈ {1, · · · , n − 2}, a i + αa

      ) + · · · + (a i + αa

      n−2

      n−1

      = 1, a

      1

      − αa

      n−1

      Assim, basta mostrar que a + αa

      .

      n−1

      )x

      n−2 − αa

      )x i

      i−1 − αa i

    • (−α)
    • (−α)
    • (−α)
    • α
    • >1α>1α>11
    • α
    • α
    • >1α>1

        n−1 n−2 − αa 2 n n−1 n−2

        αG G 1 + α(α G G 2 G G n )

        n−1 + (−α) n−2 + (−α) ) − α(α + (−α)

        =

        2 n n

        G n + α G )

      • 1 n−1 − α (1 + (−1)

        2

        α(G + α G n )

        n−1 n−2 − G

        = = 0 n n

        2

        G + α G ) n +1 − α (1 + (−1)

        n−1

        e o teorema est´a demonstrado.

      2.4 Elementos Cayley unit´ arios de KG obtidos a

        −1

        ) partir de α(x − x

        Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma extens˜ao real de Q.

        −1

        ) ´e dado por O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        −1 −1 −1

        )) . (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        −1 −1 n−1

        )) = a + a x , onde os a i ’s s˜ao dados por

        1

        Agora, (1 + α(x − x x + · · · + a n−1 (2.2). Logo

        −1 −1 −1

        )) = (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        2 −1 n−1

        )(a + a x + a x x )

        1 2

        = (1 − αx + αx + · · · + a n−1 i

        n−1

        = (a + αa i + αa i )x + αa )x .

        1 +1

        − αa n−1 ) + · · · + (a − αa i−1 + · · · + (a n−1 − αa n−2 Substituindo os a i ’s por suas respectivas express˜oes e utilizando a rela¸c˜ao (1.1), obtemos o seguinte resultado.

        Teorema 2.4.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

        −1 extens˜ao real de

        ) Q. O elemento Cayley unit´ario de KG obtido a partir de α(x−x

        n−1 ´e dado por b + b x , onde

        1

        x + · · · + b n−1 n n

        2

        G n G + α ) − 2α n−1 (1 + (−1) b = , n n

        2

        G + α G ) n +1 − α (1 + (−1)

        

      n−1

        b i = 2a i , i = 1, · · · , n − 1,

        e os a i ’s s˜ao dados por (2.2).

        33

      2.4 Elementos Cayley unit´ arios de KG obtidos a

        −1

        ) partir de α(x − x

        Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma extens˜ao real de Q.

        −1

        ) ´e dado por O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        −1 −1 −1

        )) . (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        −1 −1 n−1

        )) = a + a x , onde os a i ’s s˜ao dados por

        1

        Agora, (1 + α(x − x x + · · · + a n−1 (2.2). Logo

        −1 −1 −1

        )) = (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        2 −1 n−1

        )(a + a x + a x x )

        1 2

        = (1 − αx + αx + · · · + a n−1 i

        n−1

        = (a + αa i + αa i )x + αa )x .

        1 +1

        − αa n−1 ) + · · · + (a − αa i−1 + · · · + (a n−1 − αa n−2 Substituindo os a i ’s por suas respectivas express˜oes e utilizando a rela¸c˜ao (1.1), obtemos o seguinte resultado.

        Teorema 2.4.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

        −1 extens˜ao real de

        ) Q. O elemento Cayley unit´ario de KG obtido a partir de α(x−x

        n−1 ´e dado por b + b x , onde

        1

        x + · · · + b n−1 n n

        2

        G n G + α ) − 2α n−1 (1 + (−1) b = , n n

        2

        G + α G ) n +1 − α (1 + (−1)

        

      n−1

        b i = 2a i , i = 1, · · · , n − 1,

        e os a i ’s s˜ao dados por (2.2).

        33

      • α
      • α
      • α

        2

        1

        G

        2

        

      2

        G

        1

        = 2 α

        2

        b

        2

        = 2α(α − 1) 1 + 3α

        ) + α

        

      2

        2

        − α (1 + 2α

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        G 4 + α

        G 2 α

        G

        2

        3 ).

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        2

        2

        1 − α

        2

        ( QC 3 ) = 1 1 + 3α

        , para algum α ∈ Q, e ent˜ao Un C

        2

        2

        1 − α

        1 1 + 3α

        3

        · Assim, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3 ´e da forma

        2

        = 2α(α + 1) 1 + 3α

        2

        ) + α

        

      2

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        4

        2

        34 C

        x + b

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        − 2α

        3

        , onde b = G

        2

        x

        2

        1

        ) G

        ´e dado por b + b

        )]

        ), para algum α ∈ Q. Agora, do Teorema 2.4.1 segue que, se α ∈ Q, ent˜ao u [α(x−x −1

        −1

        ´e obtido a partir de α(x − x

        ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3

        −1

        = {α(x − x

        3 −

        Seja C 3 = hxi, ent˜ao QC

        Exemplo 2.4.2 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC 3

        3

        4

        G

        2

        1

        

      1

        G

        2

        = 2 α

        1

        b

        2

        1 + 3α

        2

        = 1 − α

        ) + α

        2

        2

        (1 + 2α

        2

        ) − 2α

        2

        (1 + α

        ) =

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

      • (−α)
      • α
      • α
      • (−α)
      • α (1 + 2α
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x

      2.4 Elementos Cayley unit´ arios de KG obtidos a

        −1

        ) partir de α(x − x

        Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma extens˜ao real de Q.

        −1

        ) ´e dado por O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        −1 −1 −1

        )) . (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        −1 −1 n−1

        )) = a + a x , onde os a i ’s s˜ao dados por

        1

        Agora, (1 + α(x − x x + · · · + a n−1 (2.2). Logo

        −1 −1 −1

        )) = (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        2 −1 n−1

        )(a + a x + a x x )

        1 2

        = (1 − αx + αx + · · · + a n−1 i

        n−1

        = (a + αa i + αa i )x + αa )x .

        1 +1

        − αa n−1 ) + · · · + (a − αa i−1 + · · · + (a n−1 − αa n−2 Substituindo os a i ’s por suas respectivas express˜oes e utilizando a rela¸c˜ao (1.1), obtemos o seguinte resultado.

        Teorema 2.4.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

        −1 extens˜ao real de

        ) Q. O elemento Cayley unit´ario de KG obtido a partir de α(x−x

        n−1 ´e dado por b + b x , onde

        1

        x + · · · + b n−1 n n

        2

        G n G + α ) − 2α n−1 (1 + (−1) b = , n n

        2

        G + α G ) n +1 − α (1 + (−1)

        

      n−1

        b i = 2a i , i = 1, · · · , n − 1,

        e os a i ’s s˜ao dados por (2.2).

        33

      • α
      • α
      • α

        2

        1

        G

        2

        

      2

        G

        1

        = 2 α

        2

        b

        2

        = 2α(α − 1) 1 + 3α

        ) + α

        

      2

        2

        − α (1 + 2α

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        G 4 + α

        G 2 α

        G

        2

        3 ).

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        2

        2

        1 − α

        2

        ( QC 3 ) = 1 1 + 3α

        , para algum α ∈ Q, e ent˜ao Un C

        2

        2

        1 − α

        1 1 + 3α

        3

        · Assim, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3 ´e da forma

        2

        = 2α(α + 1) 1 + 3α

        2

        ) + α

        

      2

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        4

        2

        34 C

        x + b

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        − 2α

        3

        , onde b = G

        2

        x

        2

        1

        ) G

        ´e dado por b + b

        )]

        ), para algum α ∈ Q. Agora, do Teorema 2.4.1 segue que, se α ∈ Q, ent˜ao u [α(x−x −1

        −1

        ´e obtido a partir de α(x − x

        ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3

        −1

        = {α(x − x

        3 −

        Seja C 3 = hxi, ent˜ao QC

        Exemplo 2.4.2 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC 3

        3

        4

        G

        2

        1

        

      1

        G

        2

        = 2 α

        1

        b

        2

        1 + 3α

        2

        = 1 − α

        ) + α

        2

        2

        (1 + 2α

        2

        ) − 2α

        2

        (1 + α

        ) =

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

      • (−α)
      • α
      • α
      • (−α)
      • α (1 + 2α
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x

        ( QC ), j´a que o produto de dois

        

      3 3

        Notemos que Un ) n˜ao ´e subgrupo de Un(QC elementos Cayley unit´arios n˜ao ´e necessariamente um elemento Cayley unit´ario. De

        1 −1 −1

        fato, sejam k ) e k ), ent˜ao

        1 2

        = −(x − x = − (x − x

        3

        2 2 1

        2 1 2 + u [k ] = x e u [k ] = x , x −

        3 3 3 o que implica 1 2 2

        2

        u u x + x + .

        [k ] [k ] 1 2 = −

        3 3 3 Agora

        2

        2

        1 + u u = (1 + x + x )

        [k ] [k ] 1 2

        3

        2 2

        e (1 + x + x ) ´e divisor de zero, pois

        3

        2 2

        2 3

        (1 + x + x ) = 0, )(1 − x) = (1 − x 3 3

        3

        j´a que x = 1. Logo, 1 + u u n˜ao ´e invert´ıvel e da Proposi¸c˜ao 1.3.6 conclu´ımos

        [k 1 ] [k 2 ]

        que u u n˜ao ´e um elemento Cayley unit´ario.

        [k ] [k ] 1 2

        2

        Notemos tamb´em que x e x s˜ao elementos Cayley unit´arios de QC 3 j´a que −1 −1

        2

        u = x e u = x .

        )] ] [−(x−x [x−x

        Exemplo 2.4.3 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QS 3

        2 3 − −1 −1

        Seja S = 1, y = 1, xy = y

        3

        3

        = hx, y | x xi, ent˜ao QS = {α(y −y ); α ∈ Q} =

        −

        QC , onde C

        3 3 C C = hyi. Logo

        ( ( ) QS 3 QC 3

        Un ) = Un

        1

        2 2

        = 1 − α + 2α(α − 1)y + 2α(α + 1)y ; α ∈ Q ·

        2

        1 + 3α Exemplo 2.4.4 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC

        4 − −1

        Seja C

        4 4

        = hxi, ent˜ao QC = {α(x − x ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo

        −1

        elemento Cayley unit´ario de QC 4 ), para algum ´e obtido a partir de α(x − x

        3

        α ∈ Q. De modo an´alogo ao que foi feito para QC , temos que, se α ∈ Q, ent˜ao −1 2 3 u = b + b 1 x + b 2 x + b 3 x , onde

        )] [α(x−x

        2

        1 2α 4α 2α b = , b , b = e b =

        1 2 3

        = − ·

        2 2 2 2

        1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α

        35

      2.4 Elementos Cayley unit´ arios de KG obtidos a

        −1

        ) partir de α(x − x

        Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma extens˜ao real de Q.

        −1

        ) ´e dado por O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        −1 −1 −1

        )) . (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        −1 −1 n−1

        )) = a + a x , onde os a i ’s s˜ao dados por

        1

        Agora, (1 + α(x − x x + · · · + a n−1 (2.2). Logo

        −1 −1 −1

        )) = (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        2 −1 n−1

        )(a + a x + a x x )

        1 2

        = (1 − αx + αx + · · · + a n−1 i

        n−1

        = (a + αa i + αa i )x + αa )x .

        1 +1

        − αa n−1 ) + · · · + (a − αa i−1 + · · · + (a n−1 − αa n−2 Substituindo os a i ’s por suas respectivas express˜oes e utilizando a rela¸c˜ao (1.1), obtemos o seguinte resultado.

        Teorema 2.4.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

        −1 extens˜ao real de

        ) Q. O elemento Cayley unit´ario de KG obtido a partir de α(x−x

        n−1 ´e dado por b + b x , onde

        1

        x + · · · + b n−1 n n

        2

        G n G + α ) − 2α n−1 (1 + (−1) b = , n n

        2

        G + α G ) n +1 − α (1 + (−1)

        

      n−1

        b i = 2a i , i = 1, · · · , n − 1,

        e os a i ’s s˜ao dados por (2.2).

        33

      • α
      • α
      • α

        2

        1

        G

        2

        

      2

        G

        1

        = 2 α

        2

        b

        2

        = 2α(α − 1) 1 + 3α

        ) + α

        

      2

        2

        − α (1 + 2α

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        G 4 + α

        G 2 α

        G

        2

        3 ).

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        2

        2

        1 − α

        2

        ( QC 3 ) = 1 1 + 3α

        , para algum α ∈ Q, e ent˜ao Un C

        2

        2

        1 − α

        1 1 + 3α

        3

        · Assim, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3 ´e da forma

        2

        = 2α(α + 1) 1 + 3α

        2

        ) + α

        

      2

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        4

        2

        34 C

        x + b

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        − 2α

        3

        , onde b = G

        2

        x

        2

        1

        ) G

        ´e dado por b + b

        )]

        ), para algum α ∈ Q. Agora, do Teorema 2.4.1 segue que, se α ∈ Q, ent˜ao u [α(x−x −1

        −1

        ´e obtido a partir de α(x − x

        ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3

        −1

        = {α(x − x

        3 −

        Seja C 3 = hxi, ent˜ao QC

        Exemplo 2.4.2 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC 3

        3

        4

        G

        2

        1

        

      1

        G

        2

        = 2 α

        1

        b

        2

        1 + 3α

        2

        = 1 − α

        ) + α

        2

        2

        (1 + 2α

        2

        ) − 2α

        2

        (1 + α

        ) =

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

      • (−α)
      • α
      • α
      • (−α)
      • α (1 + 2α
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x

        ( QC ), j´a que o produto de dois

        

      3 3

        Notemos que Un ) n˜ao ´e subgrupo de Un(QC elementos Cayley unit´arios n˜ao ´e necessariamente um elemento Cayley unit´ario. De

        1 −1 −1

        fato, sejam k ) e k ), ent˜ao

        1 2

        = −(x − x = − (x − x

        3

        2 2 1

        2 1 2 + u [k ] = x e u [k ] = x , x −

        3 3 3 o que implica 1 2 2

        2

        u u x + x + .

        [k ] [k ] 1 2 = −

        3 3 3 Agora

        2

        2

        1 + u u = (1 + x + x )

        [k ] [k ] 1 2

        3

        2 2

        e (1 + x + x ) ´e divisor de zero, pois

        3

        2 2

        2 3

        (1 + x + x ) = 0, )(1 − x) = (1 − x 3 3

        3

        j´a que x = 1. Logo, 1 + u u n˜ao ´e invert´ıvel e da Proposi¸c˜ao 1.3.6 conclu´ımos

        [k 1 ] [k 2 ]

        que u u n˜ao ´e um elemento Cayley unit´ario.

        [k ] [k ] 1 2

        2

        Notemos tamb´em que x e x s˜ao elementos Cayley unit´arios de QC 3 j´a que −1 −1

        2

        u = x e u = x .

        )] ] [−(x−x [x−x

        Exemplo 2.4.3 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QS 3

        2 3 − −1 −1

        Seja S = 1, y = 1, xy = y

        3

        3

        = hx, y | x xi, ent˜ao QS = {α(y −y ); α ∈ Q} =

        −

        QC , onde C

        3 3 C C = hyi. Logo

        ( ( ) QS 3 QC 3

        Un ) = Un

        1

        2 2

        = 1 − α + 2α(α − 1)y + 2α(α + 1)y ; α ∈ Q ·

        2

        1 + 3α Exemplo 2.4.4 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC

        4 − −1

        Seja C

        4 4

        = hxi, ent˜ao QC = {α(x − x ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo

        −1

        elemento Cayley unit´ario de QC 4 ), para algum ´e obtido a partir de α(x − x

        3

        α ∈ Q. De modo an´alogo ao que foi feito para QC , temos que, se α ∈ Q, ent˜ao −1 2 3 u = b + b 1 x + b 2 x + b 3 x , onde

        )] [α(x−x

        2

        1 2α 4α 2α b = , b , b = e b =

        1 2 3

        = − ·

        2 2 2 2

        1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α

        35

      • 2αx
      • 2αy
      • a
      • a
      • 2βα
      • 1 + β
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • αβ
      • 2αβ + β
      • β
      • β

      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • α
      • α
      • β + β
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • βα
      • α
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • 3βα
      • β
      • β
      • α + 2αβ − αβ
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • b
      • b

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        3

        = α

        4

        − α

        3

        3

        2

        − β

        2

        α

        2

        

      2

        − 2αβ + 3αβ

        2

        − 2αβ

        3

        − β + β

        4

        − 2β

        3

        5α

        2

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        2

        = α

        4

        3

        3

        2

        − βα

        − β

        − 5β

        2

        α

        

      2

        − 2αβ − 3αβ

        2

        − 2αβ

        3

        4

        3

        5α

        4

        3

        4

        3

        − 5β

        2

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        · Al´em disso, o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        4

        ) + β(x

        3

        − x

        ) ´e dado por b + b

        − 5β

        1

        x + b

        2

        x

        2

        3

        x

        3

        4

        x

        4

        , onde

        2

        3

        2

        3

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        4

        = α

        4

        3

        − β

        4

        2

        α

        2

        2

        − 2αβ

        3

        2

        − β

        3

        2

        4

        5α

        2

        α

        2

        1 1 + 4α

        −1

        ); α ∈ Q} =

        QC 4

        −

        , onde C

        4

        = hyi. Logo Un C

        ( QD

        4

        ) = Un C ( QC

        4

        ) =

        2

        4 −

        1 − 2αy + 4α

        2

        y

        2

        3

        ; α ∈ Q · Exemplo 2.4.6 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de

        QC 5 Sejam C

        5

        = hxi e α, β ∈ Q. Ent˜ao 1 + α(x − x

        4

        ) + β(x

        3

        = {α(y − y

        xi, ent˜ao QD

        2

        2

        Logo Un C

        ( QC 4

        ) = 1 1 + 4α

        2

        1 − 2αx + 4α

        2

        x

        2

        3

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        4

        ). Notemos que x, x

        e x

        −1

        3

        n˜ao s˜ao elementos Cayley unit´arios de QC 4

        , j´a que todo elemento Cayley unit´ario de QC

        4

        possui termo independente n˜ao nulo. Exemplo 2.4.5 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de

        QD 4 Seja D

        4

        = hx, y | x

        2

        = 1, y

        4

        = 1, xy = y

        − x

        ) ´e invert´ıvel em QC 5 e seu inverso ´e dado por a + a

        2

        α

        3

        2

        4

        a

        1

        = α

        4

        − 2α

        3

        3

        − β

        2

        2

        2

        − 3βα

        2

        2

        − α − 2αβ

        3

        2

        4

        3

        5α

        4

        3

        − 5β

        − 10αβ

        2

        1

        3

        x + a

        2

        x

        2

        3

        x

        3

        4

        x

        4

        , onde a = α

        4

        − β

        α

        2

        α

        2

        2

        − 2αβ

        3

        4

        2

        5α

        4

        3

        − 5β

        2

        36

      2.4 Elementos Cayley unit´ arios de KG obtidos a

        −1

        ) partir de α(x − x

        Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma extens˜ao real de Q.

        −1

        ) ´e dado por O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        −1 −1 −1

        )) . (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        −1 −1 n−1

        )) = a + a x , onde os a i ’s s˜ao dados por

        1

        Agora, (1 + α(x − x x + · · · + a n−1 (2.2). Logo

        −1 −1 −1

        )) = (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        2 −1 n−1

        )(a + a x + a x x )

        1 2

        = (1 − αx + αx + · · · + a n−1 i

        n−1

        = (a + αa i + αa i )x + αa )x .

        1 +1

        − αa n−1 ) + · · · + (a − αa i−1 + · · · + (a n−1 − αa n−2 Substituindo os a i ’s por suas respectivas express˜oes e utilizando a rela¸c˜ao (1.1), obtemos o seguinte resultado.

        Teorema 2.4.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

        −1 extens˜ao real de

        ) Q. O elemento Cayley unit´ario de KG obtido a partir de α(x−x

        n−1 ´e dado por b + b x , onde

        1

        x + · · · + b n−1 n n

        2

        G n G + α ) − 2α n−1 (1 + (−1) b = , n n

        2

        G + α G ) n +1 − α (1 + (−1)

        

      n−1

        b i = 2a i , i = 1, · · · , n − 1,

        e os a i ’s s˜ao dados por (2.2).

        33

      • α
      • α
      • α

        2

        1

        G

        2

        

      2

        G

        1

        = 2 α

        2

        b

        2

        = 2α(α − 1) 1 + 3α

        ) + α

        

      2

        2

        − α (1 + 2α

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        G 4 + α

        G 2 α

        G

        2

        3 ).

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        2

        2

        1 − α

        2

        ( QC 3 ) = 1 1 + 3α

        , para algum α ∈ Q, e ent˜ao Un C

        2

        2

        1 − α

        1 1 + 3α

        3

        · Assim, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3 ´e da forma

        2

        = 2α(α + 1) 1 + 3α

        2

        ) + α

        

      2

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        4

        2

        34 C

        x + b

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        − 2α

        3

        , onde b = G

        2

        x

        2

        1

        ) G

        ´e dado por b + b

        )]

        ), para algum α ∈ Q. Agora, do Teorema 2.4.1 segue que, se α ∈ Q, ent˜ao u [α(x−x −1

        −1

        ´e obtido a partir de α(x − x

        ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3

        −1

        = {α(x − x

        3 −

        Seja C 3 = hxi, ent˜ao QC

        Exemplo 2.4.2 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC 3

        3

        4

        G

        2

        1

        

      1

        G

        2

        = 2 α

        1

        b

        2

        1 + 3α

        2

        = 1 − α

        ) + α

        2

        2

        (1 + 2α

        2

        ) − 2α

        2

        (1 + α

        ) =

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

      • (−α)
      • α
      • α
      • (−α)
      • α (1 + 2α
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x

        ( QC ), j´a que o produto de dois

        

      3 3

        Notemos que Un ) n˜ao ´e subgrupo de Un(QC elementos Cayley unit´arios n˜ao ´e necessariamente um elemento Cayley unit´ario. De

        1 −1 −1

        fato, sejam k ) e k ), ent˜ao

        1 2

        = −(x − x = − (x − x

        3

        2 2 1

        2 1 2 + u [k ] = x e u [k ] = x , x −

        3 3 3 o que implica 1 2 2

        2

        u u x + x + .

        [k ] [k ] 1 2 = −

        3 3 3 Agora

        2

        2

        1 + u u = (1 + x + x )

        [k ] [k ] 1 2

        3

        2 2

        e (1 + x + x ) ´e divisor de zero, pois

        3

        2 2

        2 3

        (1 + x + x ) = 0, )(1 − x) = (1 − x 3 3

        3

        j´a que x = 1. Logo, 1 + u u n˜ao ´e invert´ıvel e da Proposi¸c˜ao 1.3.6 conclu´ımos

        [k 1 ] [k 2 ]

        que u u n˜ao ´e um elemento Cayley unit´ario.

        [k ] [k ] 1 2

        2

        Notemos tamb´em que x e x s˜ao elementos Cayley unit´arios de QC 3 j´a que −1 −1

        2

        u = x e u = x .

        )] ] [−(x−x [x−x

        Exemplo 2.4.3 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QS 3

        2 3 − −1 −1

        Seja S = 1, y = 1, xy = y

        3

        3

        = hx, y | x xi, ent˜ao QS = {α(y −y ); α ∈ Q} =

        −

        QC , onde C

        3 3 C C = hyi. Logo

        ( ( ) QS 3 QC 3

        Un ) = Un

        1

        2 2

        = 1 − α + 2α(α − 1)y + 2α(α + 1)y ; α ∈ Q ·

        2

        1 + 3α Exemplo 2.4.4 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC

        4 − −1

        Seja C

        4 4

        = hxi, ent˜ao QC = {α(x − x ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo

        −1

        elemento Cayley unit´ario de QC 4 ), para algum ´e obtido a partir de α(x − x

        3

        α ∈ Q. De modo an´alogo ao que foi feito para QC , temos que, se α ∈ Q, ent˜ao −1 2 3 u = b + b 1 x + b 2 x + b 3 x , onde

        )] [α(x−x

        2

        1 2α 4α 2α b = , b , b = e b =

        1 2 3

        = − ·

        2 2 2 2

        1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α

        35

      • 2αx
      • 2αy
      • a
      • a
      • 2βα
      • 1 + β
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • αβ
      • 2αβ + β
      • β
      • β

      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • α
      • α
      • β + β
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • βα
      • α
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • 3βα
      • β
      • β
      • α + 2αβ − αβ
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • b
      • b

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        3

        = α

        4

        − α

        3

        3

        2

        − β

        2

        α

        2

        

      2

        − 2αβ + 3αβ

        2

        − 2αβ

        3

        − β + β

        4

        − 2β

        3

        5α

        2

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        2

        = α

        4

        3

        3

        2

        − βα

        − β

        − 5β

        2

        α

        

      2

        − 2αβ − 3αβ

        2

        − 2αβ

        3

        4

        3

        5α

        4

        3

        4

        3

        − 5β

        2

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        · Al´em disso, o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        4

        ) + β(x

        3

        − x

        ) ´e dado por b + b

        − 5β

        1

        x + b

        2

        x

        2

        3

        x

        3

        4

        x

        4

        , onde

        2

        3

        2

        3

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        4

        = α

        4

        3

        − β

        4

        2

        α

        2

        2

        − 2αβ

        3

        2

        − β

        3

        2

        4

        5α

        2

        α

        2

        1 1 + 4α

        −1

        ); α ∈ Q} =

        QC 4

        −

        , onde C

        4

        = hyi. Logo Un C

        ( QD

        4

        ) = Un C ( QC

        4

        ) =

        2

        4 −

        1 − 2αy + 4α

        2

        y

        2

        3

        ; α ∈ Q · Exemplo 2.4.6 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de

        QC 5 Sejam C

        5

        = hxi e α, β ∈ Q. Ent˜ao 1 + α(x − x

        4

        ) + β(x

        3

        = {α(y − y

        xi, ent˜ao QD

        2

        2

        Logo Un C

        ( QC 4

        ) = 1 1 + 4α

        2

        1 − 2αx + 4α

        2

        x

        2

        3

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        4

        ). Notemos que x, x

        e x

        −1

        3

        n˜ao s˜ao elementos Cayley unit´arios de QC 4

        , j´a que todo elemento Cayley unit´ario de QC

        4

        possui termo independente n˜ao nulo. Exemplo 2.4.5 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de

        QD 4 Seja D

        4

        = hx, y | x

        2

        = 1, y

        4

        = 1, xy = y

        − x

        ) ´e invert´ıvel em QC 5 e seu inverso ´e dado por a + a

        2

        α

        3

        2

        4

        a

        1

        = α

        4

        − 2α

        3

        3

        − β

        2

        2

        2

        − 3βα

        2

        2

        − α − 2αβ

        3

        2

        4

        3

        5α

        4

        3

        − 5β

        − 10αβ

        2

        1

        3

        x + a

        2

        x

        2

        3

        x

        3

        4

        x

        4

        , onde a = α

        4

        − β

        α

        2

        α

        2

        2

        − 2αβ

        3

        4

        2

        5α

        4

        3

        − 5β

        2

        36

        4 3 3 2 2 2 4 2

      • 6αβ + 3α β + α + β 1 − 3β − 6βα − 3α b =

        4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 4 2 3

        2(α + 2βα β + αβ + 2αβ + β + β + β ) − 2α − 3βα − α − α − 2αβ b =

        1 4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 2 3 4

        2(α + α + 2βα + α β + 2β + β + β) − βα − α − 2αβ − 2αβ − 3αβ b =

        2 4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 2 3 4

        2(α + 2βα + α β + βα + 3αβ + β − α − α − 2αβ − 2αβ − 2β − β) b =

        3 4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 4 2 3

        2(α + 2βα + 2α + 3βα β + 2αβ + β + β ) − α − αβ + α − 2αβ − β b =

        4

        ·

        4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        2 2 2 2 2

        Notemos que os denominadores dos a i ’s s˜ao iguais a 5(α ) +5(α +β )+1

      • αβ−β

        e, portanto, s˜ao sempre maiores que zero, o que nos garante que a i , b i C ∈ Q para todo i. Quando α e β percorrem todo o conjunto ( QC 5 ). Al´em disso, C Q obtemos Un

        C ( QC ),

        

      5 5

        ⊆ Un 4 3 2 4 3 2 4 3 2 2 3 j´a que u = 1, u = x, u = x , u = x e

        

      [0] )] )+(x )] )]

      [−(x−x )−(x [−(x−x [(x−x )−(x −x −x −x 4 3 2

        4

        u = x .

        )+(x )] [(x−x −x

        Segue do que foi visto nos exemplos acima que, se x ´e um elemento de um grupo C (

        QG), enquanto que se o(x) = 4, ent˜ao G e o(x) = 3 ou o(x) = 5, ent˜ao x ∈ Un C x / ( QG). Em geral, vale o seguinte resultado.

        ∈ Un Proposi¸c˜ ao 2.4.7 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n e K um corpo de caracter´ıstica

        

      diferente de 2. Ent˜ao x ´e um elemento Cayley unit´ario de KG se, e somente se, n

      ´e ´ımpar.

      Demonstra¸c˜ao: Como x ∈ G, ent˜ao x ´e um elemento unit´ario de KG. Logo, segue

        da Proposi¸c˜ao 1.3.6, que x ´e um elemento Cayley unit´ario se, e somente se, 1 + x ´e invert´ıvel em KG. Agora,

        1

        1

        2 3 n n−1 n−1 n−1

        (1 + x) x ) = x ).

        (1 − x + x − x + · · · + (−1) (1 + (−1)

        2

        2 Como o(x) = n, temos

        1

        1

        2 3 n−1 n−1 n−1

        (1 + x) x ) = ). (2.3) (1 − x + x − x + · · · + (−1) (1 + (−1)

        2

        2

        37 Assim, se n ´e ´ımpar, ent˜ao 1 + x ´e invert´ıvel em KG, o que implica x ´e um elemento Cayley unit´ario. Se n ´e par, ent˜ao 1 + x ´e divisor de zero e, portanto, n˜ao ´e invert´ıvel em KG, o que faz com que x n˜ao seja um elemento Cayley unit´ario.

      2.4 Elementos Cayley unit´ arios de KG obtidos a

        −1

        ) partir de α(x − x

        Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma extens˜ao real de Q.

        −1

        ) ´e dado por O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        −1 −1 −1

        )) . (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        −1 −1 n−1

        )) = a + a x , onde os a i ’s s˜ao dados por

        1

        Agora, (1 + α(x − x x + · · · + a n−1 (2.2). Logo

        −1 −1 −1

        )) = (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        2 −1 n−1

        )(a + a x + a x x )

        1 2

        = (1 − αx + αx + · · · + a n−1 i

        n−1

        = (a + αa i + αa i )x + αa )x .

        1 +1

        − αa n−1 ) + · · · + (a − αa i−1 + · · · + (a n−1 − αa n−2 Substituindo os a i ’s por suas respectivas express˜oes e utilizando a rela¸c˜ao (1.1), obtemos o seguinte resultado.

        Teorema 2.4.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

        −1 extens˜ao real de

        ) Q. O elemento Cayley unit´ario de KG obtido a partir de α(x−x

        n−1 ´e dado por b + b x , onde

        1

        x + · · · + b n−1 n n

        2

        G n G + α ) − 2α n−1 (1 + (−1) b = , n n

        2

        G + α G ) n +1 − α (1 + (−1)

        

      n−1

        b i = 2a i , i = 1, · · · , n − 1,

        e os a i ’s s˜ao dados por (2.2).

        33

      • α
      • α
      • α

        2

        1

        G

        2

        

      2

        G

        1

        = 2 α

        2

        b

        2

        = 2α(α − 1) 1 + 3α

        ) + α

        

      2

        2

        − α (1 + 2α

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        G 4 + α

        G 2 α

        G

        2

        3 ).

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        2

        2

        1 − α

        2

        ( QC 3 ) = 1 1 + 3α

        , para algum α ∈ Q, e ent˜ao Un C

        2

        2

        1 − α

        1 1 + 3α

        3

        · Assim, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3 ´e da forma

        2

        = 2α(α + 1) 1 + 3α

        2

        ) + α

        

      2

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        4

        2

        34 C

        x + b

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        − 2α

        3

        , onde b = G

        2

        x

        2

        1

        ) G

        ´e dado por b + b

        )]

        ), para algum α ∈ Q. Agora, do Teorema 2.4.1 segue que, se α ∈ Q, ent˜ao u [α(x−x −1

        −1

        ´e obtido a partir de α(x − x

        ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3

        −1

        = {α(x − x

        3 −

        Seja C 3 = hxi, ent˜ao QC

        Exemplo 2.4.2 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC 3

        3

        4

        G

        2

        1

        

      1

        G

        2

        = 2 α

        1

        b

        2

        1 + 3α

        2

        = 1 − α

        ) + α

        2

        2

        (1 + 2α

        2

        ) − 2α

        2

        (1 + α

        ) =

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

      • (−α)
      • α
      • α
      • (−α)
      • α (1 + 2α
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x

        ( QC ), j´a que o produto de dois

        

      3 3

        Notemos que Un ) n˜ao ´e subgrupo de Un(QC elementos Cayley unit´arios n˜ao ´e necessariamente um elemento Cayley unit´ario. De

        1 −1 −1

        fato, sejam k ) e k ), ent˜ao

        1 2

        = −(x − x = − (x − x

        3

        2 2 1

        2 1 2 + u [k ] = x e u [k ] = x , x −

        3 3 3 o que implica 1 2 2

        2

        u u x + x + .

        [k ] [k ] 1 2 = −

        3 3 3 Agora

        2

        2

        1 + u u = (1 + x + x )

        [k ] [k ] 1 2

        3

        2 2

        e (1 + x + x ) ´e divisor de zero, pois

        3

        2 2

        2 3

        (1 + x + x ) = 0, )(1 − x) = (1 − x 3 3

        3

        j´a que x = 1. Logo, 1 + u u n˜ao ´e invert´ıvel e da Proposi¸c˜ao 1.3.6 conclu´ımos

        [k 1 ] [k 2 ]

        que u u n˜ao ´e um elemento Cayley unit´ario.

        [k ] [k ] 1 2

        2

        Notemos tamb´em que x e x s˜ao elementos Cayley unit´arios de QC 3 j´a que −1 −1

        2

        u = x e u = x .

        )] ] [−(x−x [x−x

        Exemplo 2.4.3 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QS 3

        2 3 − −1 −1

        Seja S = 1, y = 1, xy = y

        3

        3

        = hx, y | x xi, ent˜ao QS = {α(y −y ); α ∈ Q} =

        −

        QC , onde C

        3 3 C C = hyi. Logo

        ( ( ) QS 3 QC 3

        Un ) = Un

        1

        2 2

        = 1 − α + 2α(α − 1)y + 2α(α + 1)y ; α ∈ Q ·

        2

        1 + 3α Exemplo 2.4.4 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC

        4 − −1

        Seja C

        4 4

        = hxi, ent˜ao QC = {α(x − x ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo

        −1

        elemento Cayley unit´ario de QC 4 ), para algum ´e obtido a partir de α(x − x

        3

        α ∈ Q. De modo an´alogo ao que foi feito para QC , temos que, se α ∈ Q, ent˜ao −1 2 3 u = b + b 1 x + b 2 x + b 3 x , onde

        )] [α(x−x

        2

        1 2α 4α 2α b = , b , b = e b =

        1 2 3

        = − ·

        2 2 2 2

        1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α

        35

      • 2αx
      • 2αy
      • a
      • a
      • 2βα
      • 1 + β
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • αβ
      • 2αβ + β
      • β
      • β

      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • α
      • α
      • β + β
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • βα
      • α
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • 3βα
      • β
      • β
      • α + 2αβ − αβ
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • b
      • b

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        3

        = α

        4

        − α

        3

        3

        2

        − β

        2

        α

        2

        

      2

        − 2αβ + 3αβ

        2

        − 2αβ

        3

        − β + β

        4

        − 2β

        3

        5α

        2

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        2

        = α

        4

        3

        3

        2

        − βα

        − β

        − 5β

        2

        α

        

      2

        − 2αβ − 3αβ

        2

        − 2αβ

        3

        4

        3

        5α

        4

        3

        4

        3

        − 5β

        2

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        · Al´em disso, o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        4

        ) + β(x

        3

        − x

        ) ´e dado por b + b

        − 5β

        1

        x + b

        2

        x

        2

        3

        x

        3

        4

        x

        4

        , onde

        2

        3

        2

        3

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        4

        = α

        4

        3

        − β

        4

        2

        α

        2

        2

        − 2αβ

        3

        2

        − β

        3

        2

        4

        5α

        2

        α

        2

        1 1 + 4α

        −1

        ); α ∈ Q} =

        QC 4

        −

        , onde C

        4

        = hyi. Logo Un C

        ( QD

        4

        ) = Un C ( QC

        4

        ) =

        2

        4 −

        1 − 2αy + 4α

        2

        y

        2

        3

        ; α ∈ Q · Exemplo 2.4.6 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de

        QC 5 Sejam C

        5

        = hxi e α, β ∈ Q. Ent˜ao 1 + α(x − x

        4

        ) + β(x

        3

        = {α(y − y

        xi, ent˜ao QD

        2

        2

        Logo Un C

        ( QC 4

        ) = 1 1 + 4α

        2

        1 − 2αx + 4α

        2

        x

        2

        3

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        4

        ). Notemos que x, x

        e x

        −1

        3

        n˜ao s˜ao elementos Cayley unit´arios de QC 4

        , j´a que todo elemento Cayley unit´ario de QC

        4

        possui termo independente n˜ao nulo. Exemplo 2.4.5 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de

        QD 4 Seja D

        4

        = hx, y | x

        2

        = 1, y

        4

        = 1, xy = y

        − x

        ) ´e invert´ıvel em QC 5 e seu inverso ´e dado por a + a

        2

        α

        3

        2

        4

        a

        1

        = α

        4

        − 2α

        3

        3

        − β

        2

        2

        2

        − 3βα

        2

        2

        − α − 2αβ

        3

        2

        4

        3

        5α

        4

        3

        − 5β

        − 10αβ

        2

        1

        3

        x + a

        2

        x

        2

        3

        x

        3

        4

        x

        4

        , onde a = α

        4

        − β

        α

        2

        α

        2

        2

        − 2αβ

        3

        4

        2

        5α

        4

        3

        − 5β

        2

        36

        4 3 3 2 2 2 4 2

      • 6αβ + 3α β + α + β 1 − 3β − 6βα − 3α b =

        4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 4 2 3

        2(α + 2βα β + αβ + 2αβ + β + β + β ) − 2α − 3βα − α − α − 2αβ b =

        1 4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 2 3 4

        2(α + α + 2βα + α β + 2β + β + β) − βα − α − 2αβ − 2αβ − 3αβ b =

        2 4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 2 3 4

        2(α + 2βα + α β + βα + 3αβ + β − α − α − 2αβ − 2αβ − 2β − β) b =

        3 4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 4 2 3

        2(α + 2βα + 2α + 3βα β + 2αβ + β + β ) − α − αβ + α − 2αβ − β b =

        4

        ·

        4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        2 2 2 2 2

        Notemos que os denominadores dos a i ’s s˜ao iguais a 5(α ) +5(α +β )+1

      • αβ−β

        e, portanto, s˜ao sempre maiores que zero, o que nos garante que a i , b i C ∈ Q para todo i. Quando α e β percorrem todo o conjunto ( QC 5 ). Al´em disso, C Q obtemos Un

        C ( QC ),

        

      5 5

        ⊆ Un 4 3 2 4 3 2 4 3 2 2 3 j´a que u = 1, u = x, u = x , u = x e

        

      [0] )] )+(x )] )]

      [−(x−x )−(x [−(x−x [(x−x )−(x −x −x −x 4 3 2

        4

        u = x .

        )+(x )] [(x−x −x

        Segue do que foi visto nos exemplos acima que, se x ´e um elemento de um grupo C (

        QG), enquanto que se o(x) = 4, ent˜ao G e o(x) = 3 ou o(x) = 5, ent˜ao x ∈ Un C x / ( QG). Em geral, vale o seguinte resultado.

        ∈ Un Proposi¸c˜ ao 2.4.7 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n e K um corpo de caracter´ıstica

        

      diferente de 2. Ent˜ao x ´e um elemento Cayley unit´ario de KG se, e somente se, n

      ´e ´ımpar.

      Demonstra¸c˜ao: Como x ∈ G, ent˜ao x ´e um elemento unit´ario de KG. Logo, segue

        da Proposi¸c˜ao 1.3.6, que x ´e um elemento Cayley unit´ario se, e somente se, 1 + x ´e invert´ıvel em KG. Agora,

        1

        1

        2 3 n n−1 n−1 n−1

        (1 + x) x ) = x ).

        (1 − x + x − x + · · · + (−1) (1 + (−1)

        2

        2 Como o(x) = n, temos

        1

        1

        2 3 n−1 n−1 n−1

        (1 + x) x ) = ). (2.3) (1 − x + x − x + · · · + (−1) (1 + (−1)

        2

        2

        37 Assim, se n ´e ´ımpar, ent˜ao 1 + x ´e invert´ıvel em KG, o que implica x ´e um elemento Cayley unit´ario. Se n ´e par, ent˜ao 1 + x ´e divisor de zero e, portanto, n˜ao ´e invert´ıvel em KG, o que faz com que x n˜ao seja um elemento Cayley unit´ario.

        Conclu´ımos que se G ´e um grupo com ordem ´ımpar e K ´e um corpo de caracte- r´ıstica diferente de 2, ent˜ao todo elemento de G ´e um elemento Cayley unit´ario de KG. Mais do que isto, se x ∈ G tem ordem ´ımpar n > 1, ent˜ao o elemento anti- sim´etrico k tal que x = u ´e conhecido. ´ E o que veremos na pr´oxima proposi¸c˜ao.

        [k]

        Proposi¸c˜ ao 2.4.8 Sejam x ∈ G um elemento n˜ao trivial de ordem ´ımpar n e K

        um corpo de caracter´ıstica diferente de 2. Ent˜ao x = u , onde [k] 3 2 n−1 n−3 n−2

        ). k = −(x − x ) − (x − x ) − · · · − (x − x

        −1

      Demonstra¸c˜ao: Como x tem ordem ´ımpar n > 1, ent˜ao x = u [k] e 1 +x = 2(1 +k) .

        3 2 n−1 n−3 n−2 −1

        )] . Agora, de (2.3) temos que 1+x = 2[1−(x−x )−(x −x )−· · ·−(x −x

        3 2 n−1 n−3 n−2

        ). Logo, da unicidade de k, segue que k = −(x−x ) −(x −x ) −· · ·−(x −x

        C

        Se a ordem de G ´e par, ent˜ao G (KG), j´a que G possui elementos de

      • Un ordem 2, que por sua vez n˜ao s˜ao elementos Cayley unit´arios. Uma pergunta que poder´ıamos fazer ´e: “Se x ∈ G e o(x) ´e par, ent˜ao x ´e um produto de elemen- tos Cayley unit´arios de KG?”. Vamos responder esta quest˜ao atrav´es do seguinte exemplo. Exemplo 2.4.9

        2 4

      −1

        Se D 4 = 1, y = 1, xy = y = hx, y | x xi, ent˜ao C

        1

        2 2 3

        ( QD ) = y + 2αy

        4

        Un 1 − 2αy + 4α ; α ∈ Q ·

        2

        1 + 4α

        2

        Assim, x e y s˜ao dois elementos de D de ordem par, mas x n˜ao ´e um produto de

        4 2 2 2

        elementos Cayley unit´arios de , enquanto y o ´e (note que y = (u ) , onde QD 4 [k]

        1 3

        k = )).

        (y − y

        2

        38 Cap´ıtulo 3 Involu¸c˜ oes em an´ eis de matrizes −

      2.4 Elementos Cayley unit´ arios de KG obtidos a

        −1

        ) partir de α(x − x

        Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma extens˜ao real de Q.

        −1

        ) ´e dado por O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        −1 −1 −1

        )) . (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        −1 −1 n−1

        )) = a + a x , onde os a i ’s s˜ao dados por

        1

        Agora, (1 + α(x − x x + · · · + a n−1 (2.2). Logo

        −1 −1 −1

        )) = (1 − α(x − x ))(1 + α(x − x

        2 −1 n−1

        )(a + a x + a x x )

        1 2

        = (1 − αx + αx + · · · + a n−1 i

        n−1

        = (a + αa i + αa i )x + αa )x .

        1 +1

        − αa n−1 ) + · · · + (a − αa i−1 + · · · + (a n−1 − αa n−2 Substituindo os a i ’s por suas respectivas express˜oes e utilizando a rela¸c˜ao (1.1), obtemos o seguinte resultado.

        Teorema 2.4.1 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n > 2 e α ∈ K, onde K ´e uma

        −1 extens˜ao real de

        ) Q. O elemento Cayley unit´ario de KG obtido a partir de α(x−x

        n−1 ´e dado por b + b x , onde

        1

        x + · · · + b n−1 n n

        2

        G n G + α ) − 2α n−1 (1 + (−1) b = , n n

        2

        G + α G ) n +1 − α (1 + (−1)

        

      n−1

        b i = 2a i , i = 1, · · · , n − 1,

        e os a i ’s s˜ao dados por (2.2).

        33

      • α
      • α
      • α

        2

        1

        G

        2

        

      2

        G

        1

        = 2 α

        2

        b

        2

        = 2α(α − 1) 1 + 3α

        ) + α

        

      2

        2

        − α (1 + 2α

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        G 4 + α

        G 2 α

        G

        2

        3 ).

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        2

        2

        1 − α

        2

        ( QC 3 ) = 1 1 + 3α

        , para algum α ∈ Q, e ent˜ao Un C

        2

        2

        1 − α

        1 1 + 3α

        3

        · Assim, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3 ´e da forma

        2

        = 2α(α + 1) 1 + 3α

        2

        ) + α

        

      2

        2

        α

        ) = 2

        3

        (1 + (−1)

        4

        2

        34 C

        x + b

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

        2

        − 2α

        3

        , onde b = G

        2

        x

        2

        1

        ) G

        ´e dado por b + b

        )]

        ), para algum α ∈ Q. Agora, do Teorema 2.4.1 segue que, se α ∈ Q, ent˜ao u [α(x−x −1

        −1

        ´e obtido a partir de α(x − x

        ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo elemento Cayley unit´ario de QC 3

        −1

        = {α(x − x

        3 −

        Seja C 3 = hxi, ent˜ao QC

        Exemplo 2.4.2 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC 3

        3

        4

        G

        2

        1

        

      1

        G

        2

        = 2 α

        1

        b

        2

        1 + 3α

        2

        = 1 − α

        ) + α

        2

        2

        (1 + 2α

        2

        ) − 2α

        2

        (1 + α

        ) =

        3

        (1 + (−1)

        3

        

      2

        G

      • (−α)
      • α
      • α
      • (−α)
      • α (1 + 2α
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x
      • 2α(α − 1)x + 2α(α + 1)x

        ( QC ), j´a que o produto de dois

        

      3 3

        Notemos que Un ) n˜ao ´e subgrupo de Un(QC elementos Cayley unit´arios n˜ao ´e necessariamente um elemento Cayley unit´ario. De

        1 −1 −1

        fato, sejam k ) e k ), ent˜ao

        1 2

        = −(x − x = − (x − x

        3

        2 2 1

        2 1 2 + u [k ] = x e u [k ] = x , x −

        3 3 3 o que implica 1 2 2

        2

        u u x + x + .

        [k ] [k ] 1 2 = −

        3 3 3 Agora

        2

        2

        1 + u u = (1 + x + x )

        [k ] [k ] 1 2

        3

        2 2

        e (1 + x + x ) ´e divisor de zero, pois

        3

        2 2

        2 3

        (1 + x + x ) = 0, )(1 − x) = (1 − x 3 3

        3

        j´a que x = 1. Logo, 1 + u u n˜ao ´e invert´ıvel e da Proposi¸c˜ao 1.3.6 conclu´ımos

        [k 1 ] [k 2 ]

        que u u n˜ao ´e um elemento Cayley unit´ario.

        [k ] [k ] 1 2

        2

        Notemos tamb´em que x e x s˜ao elementos Cayley unit´arios de QC 3 j´a que −1 −1

        2

        u = x e u = x .

        )] ] [−(x−x [x−x

        Exemplo 2.4.3 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QS 3

        2 3 − −1 −1

        Seja S = 1, y = 1, xy = y

        3

        3

        = hx, y | x xi, ent˜ao QS = {α(y −y ); α ∈ Q} =

        −

        QC , onde C

        3 3 C C = hyi. Logo

        ( ( ) QS 3 QC 3

        Un ) = Un

        1

        2 2

        = 1 − α + 2α(α − 1)y + 2α(α + 1)y ; α ∈ Q ·

        2

        1 + 3α Exemplo 2.4.4 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de QC

        4 − −1

        Seja C

        4 4

        = hxi, ent˜ao QC = {α(x − x ); α ∈ Q} e, conseq¨uentemente, todo

        −1

        elemento Cayley unit´ario de QC 4 ), para algum ´e obtido a partir de α(x − x

        3

        α ∈ Q. De modo an´alogo ao que foi feito para QC , temos que, se α ∈ Q, ent˜ao −1 2 3 u = b + b 1 x + b 2 x + b 3 x , onde

        )] [α(x−x

        2

        1 2α 4α 2α b = , b , b = e b =

        1 2 3

        = − ·

        2 2 2 2

        1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α 1 + 4α

        35

      • 2αx
      • 2αy
      • a
      • a
      • 2βα
      • 1 + β
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • αβ
      • 2αβ + β
      • β
      • β

      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • α
      • α
      • β + β
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • βα
      • α
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • 2βα
      • 3βα
      • β
      • β
      • α + 2αβ − αβ
      • 10βα
      • 1 + 5β
      • b
      • b

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        3

        = α

        4

        − α

        3

        3

        2

        − β

        2

        α

        2

        

      2

        − 2αβ + 3αβ

        2

        − 2αβ

        3

        − β + β

        4

        − 2β

        3

        5α

        2

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        2

        = α

        4

        3

        3

        2

        − βα

        − β

        − 5β

        2

        α

        

      2

        − 2αβ − 3αβ

        2

        − 2αβ

        3

        4

        3

        5α

        4

        3

        4

        3

        − 5β

        2

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        · Al´em disso, o elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α(x − x

        4

        ) + β(x

        3

        − x

        ) ´e dado por b + b

        − 5β

        1

        x + b

        2

        x

        2

        3

        x

        3

        4

        x

        4

        , onde

        2

        3

        2

        3

        α

        2

        2

        − 10αβ

        3

        2

        4

        a

        4

        = α

        4

        3

        − β

        4

        2

        α

        2

        2

        − 2αβ

        3

        2

        − β

        3

        2

        4

        5α

        2

        α

        2

        1 1 + 4α

        −1

        ); α ∈ Q} =

        QC 4

        −

        , onde C

        4

        = hyi. Logo Un C

        ( QD

        4

        ) = Un C ( QC

        4

        ) =

        2

        4 −

        1 − 2αy + 4α

        2

        y

        2

        3

        ; α ∈ Q · Exemplo 2.4.6 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de

        QC 5 Sejam C

        5

        = hxi e α, β ∈ Q. Ent˜ao 1 + α(x − x

        4

        ) + β(x

        3

        = {α(y − y

        xi, ent˜ao QD

        2

        2

        Logo Un C

        ( QC 4

        ) = 1 1 + 4α

        2

        1 − 2αx + 4α

        2

        x

        2

        3

        ; α ∈ Q ⊆ Un(QC

        4

        ). Notemos que x, x

        e x

        −1

        3

        n˜ao s˜ao elementos Cayley unit´arios de QC 4

        , j´a que todo elemento Cayley unit´ario de QC

        4

        possui termo independente n˜ao nulo. Exemplo 2.4.5 Caracteriza¸c˜ao dos elementos Cayley unit´arios de

        QD 4 Seja D

        4

        = hx, y | x

        2

        = 1, y

        4

        = 1, xy = y

        − x

        ) ´e invert´ıvel em QC 5 e seu inverso ´e dado por a + a

        2

        α

        3

        2

        4

        a

        1

        = α

        4

        − 2α

        3

        3

        − β

        2

        2

        2

        − 3βα

        2

        2

        − α − 2αβ

        3

        2

        4

        3

        5α

        4

        3

        − 5β

        − 10αβ

        2

        1

        3

        x + a

        2

        x

        2

        3

        x

        3

        4

        x

        4

        , onde a = α

        4

        − β

        α

        2

        α

        2

        2

        − 2αβ

        3

        4

        2

        5α

        4

        3

        − 5β

        2

        36

        4 3 3 2 2 2 4 2

      • 6αβ + 3α β + α + β 1 − 3β − 6βα − 3α b =

        4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 4 2 3

        2(α + 2βα β + αβ + 2αβ + β + β + β ) − 2α − 3βα − α − α − 2αβ b =

        1 4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 2 3 4

        2(α + α + 2βα + α β + 2β + β + β) − βα − α − 2αβ − 2αβ − 3αβ b =

        2 4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 2 3 4

        2(α + 2βα + α β + βα + 3αβ + β − α − α − 2αβ − 2αβ − 2β − β) b =

        3 4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        4 3 3 2 2 2 2 3 4 2 3

        2(α + 2βα + 2α + 3βα β + 2αβ + β + β ) − α − αβ + α − 2αβ − β b =

        4

        ·

        4 3 2 2 2 3 2 4

        5α + 10βα α + 5α + 1 + 5β + 5β − 5β − 10αβ

        2 2 2 2 2

        Notemos que os denominadores dos a i ’s s˜ao iguais a 5(α ) +5(α +β )+1

      • αβ−β

        e, portanto, s˜ao sempre maiores que zero, o que nos garante que a i , b i C ∈ Q para todo i. Quando α e β percorrem todo o conjunto ( QC 5 ). Al´em disso, C Q obtemos Un

        C ( QC ),

        

      5 5

        ⊆ Un 4 3 2 4 3 2 4 3 2 2 3 j´a que u = 1, u = x, u = x , u = x e

        

      [0] )] )+(x )] )]

      [−(x−x )−(x [−(x−x [(x−x )−(x −x −x −x 4 3 2

        4

        u = x .

        )+(x )] [(x−x −x

        Segue do que foi visto nos exemplos acima que, se x ´e um elemento de um grupo C (

        QG), enquanto que se o(x) = 4, ent˜ao G e o(x) = 3 ou o(x) = 5, ent˜ao x ∈ Un C x / ( QG). Em geral, vale o seguinte resultado.

        ∈ Un Proposi¸c˜ ao 2.4.7 Sejam x ∈ G tal que o(x) = n e K um corpo de caracter´ıstica

        

      diferente de 2. Ent˜ao x ´e um elemento Cayley unit´ario de KG se, e somente se, n

      ´e ´ımpar.

      Demonstra¸c˜ao: Como x ∈ G, ent˜ao x ´e um elemento unit´ario de KG. Logo, segue

        da Proposi¸c˜ao 1.3.6, que x ´e um elemento Cayley unit´ario se, e somente se, 1 + x ´e invert´ıvel em KG. Agora,

        1

        1

        2 3 n n−1 n−1 n−1

        (1 + x) x ) = x ).

        (1 − x + x − x + · · · + (−1) (1 + (−1)

        2

        2 Como o(x) = n, temos

        1

        1

        2 3 n−1 n−1 n−1

        (1 + x) x ) = ). (2.3) (1 − x + x − x + · · · + (−1) (1 + (−1)

        2

        2

        37 Assim, se n ´e ´ımpar, ent˜ao 1 + x ´e invert´ıvel em KG, o que implica x ´e um elemento Cayley unit´ario. Se n ´e par, ent˜ao 1 + x ´e divisor de zero e, portanto, n˜ao ´e invert´ıvel em KG, o que faz com que x n˜ao seja um elemento Cayley unit´ario.

        Conclu´ımos que se G ´e um grupo com ordem ´ımpar e K ´e um corpo de caracte- r´ıstica diferente de 2, ent˜ao todo elemento de G ´e um elemento Cayley unit´ario de KG. Mais do que isto, se x ∈ G tem ordem ´ımpar n > 1, ent˜ao o elemento anti- sim´etrico k tal que x = u ´e conhecido. ´ E o que veremos na pr´oxima proposi¸c˜ao.

        [k]

        Proposi¸c˜ ao 2.4.8 Sejam x ∈ G um elemento n˜ao trivial de ordem ´ımpar n e K

        um corpo de caracter´ıstica diferente de 2. Ent˜ao x = u , onde [k] 3 2 n−1 n−3 n−2

        ). k = −(x − x ) − (x − x ) − · · · − (x − x

        −1

      Demonstra¸c˜ao: Como x tem ordem ´ımpar n > 1, ent˜ao x = u [k] e 1 +x = 2(1 +k) .

        3 2 n−1 n−3 n−2 −1

        )] . Agora, de (2.3) temos que 1+x = 2[1−(x−x )−(x −x )−· · ·−(x −x

        3 2 n−1 n−3 n−2

        ). Logo, da unicidade de k, segue que k = −(x−x ) −(x −x ) −· · ·−(x −x

        C

        Se a ordem de G ´e par, ent˜ao G (KG), j´a que G possui elementos de

      • Un ordem 2, que por sua vez n˜ao s˜ao elementos Cayley unit´arios. Uma pergunta que poder´ıamos fazer ´e: “Se x ∈ G e o(x) ´e par, ent˜ao x ´e um produto de elemen- tos Cayley unit´arios de KG?”. Vamos responder esta quest˜ao atrav´es do seguinte exemplo. Exemplo 2.4.9

        2 4

      −1

        Se D 4 = 1, y = 1, xy = y = hx, y | x xi, ent˜ao C

        1

        2 2 3

        ( QD ) = y + 2αy

        4

        Un 1 − 2αy + 4α ; α ∈ Q ·

        2

        1 + 4α

        2

        Assim, x e y s˜ao dois elementos de D de ordem par, mas x n˜ao ´e um produto de

        4 2 2 2

        elementos Cayley unit´arios de , enquanto y o ´e (note que y = (u ) , onde QD 4 [k]

        1 3

        k = )).

        (y − y

        2

        38 Cap´ıtulo 3 Involu¸c˜ oes em an´ eis de matrizes −

        Sejam D um anel de divis˜ao e uma involu¸c˜ao em D. Neste cap´ıtulo, denotare- mos por τ a involu¸c˜ao no anel de matrizes M n (D), vista no Exemplo 1.2.8, dada por

        τ : M n n (D) (D) → M

        (a ij ) (a ji ).

        7→ Conforme veremos, τ ser´a usado no Teorema 3.2.1, o qual nos permite caracterizar involu¸c˜oes em M n (D) e ser´a utilizado na demonstra¸c˜ao do Teorema 3.3.2. Este, por sua vez, trata de elementos unit´arios que s˜ao produtos de dois elementos Cayley unit´arios de M n

        (D), quando este anel est´a munido de uma involu¸c˜ao ∗ que induz uma involu¸c˜ao diferente da identidade em D e a caracter´ıstica de D ´e diferente de

        2.

      3.1 Isomorfismos de an´ eis com involu¸c˜ ao

        Defini¸c˜ ao 3.1.1 Sejam σ e σ involu¸c˜oes nos an´eis R e R , respectivamente. Um

        1 2 1 2

        isomorfismo de an´ eis com involu¸ c˜ ao (R , σ , σ ) ´e um isomorfismo

        1 1 2 2 σ 1 σ 2 ) → (R

      de an´eis ψ : R tal que ψ(x ) = (ψ(x)) . Neste caso,

        1 2

        1

        → R para todo x ∈ R

        denotamos (R , σ ) ∼ , σ ).

        1 1 = (R 2 2 −

        Considerando uma involu¸c˜ao no anel de divis˜ao D e U e V matrizes invert´ıveis τ τ em M n (D) tais que U = ±U e V = ±V , vimos na Se¸c˜ao 2 do Cap´ıtulo 1 que as n (D). aplica¸c˜oes ∗ = Int(U) ◦ τ e σ = Int(V ) ◦ τ s˜ao involu¸c˜oes em M

        39 Agora, se P ´e um elemento invert´ıvel de M n (D) temos que ψ : M n n (D), (D) → M

      3.1 Isomorfismos de an´ eis com involu¸c˜ ao

        Defini¸c˜ ao 3.1.1 Sejam σ e σ involu¸c˜oes nos an´eis R e R , respectivamente. Um

        1 2 1 2

        isomorfismo de an´ eis com involu¸ c˜ ao (R , σ , σ ) ´e um isomorfismo

        1 1 2 2 σ 1 σ 2 ) → (R

      de an´eis ψ : R tal que ψ(x ) = (ψ(x)) . Neste caso,

        1 2

        1

        → R para todo x ∈ R

        denotamos (R , σ ) ∼ , σ ).

        1 1 = (R 2 2 −

        Considerando uma involu¸c˜ao no anel de divis˜ao D e U e V matrizes invert´ıveis τ τ em M n (D) tais que U = ±U e V = ±V , vimos na Se¸c˜ao 2 do Cap´ıtulo 1 que as n (D). aplica¸c˜oes ∗ = Int(U) ◦ τ e σ = Int(V ) ◦ τ s˜ao involu¸c˜oes em M

        39 Agora, se P ´e um elemento invert´ıvel de M n (D) temos que ψ : M n n (D), (D) → M

        −1

        dado por ψ(A) = P AP , ´e um isomorfismo de an´eis. Assim, munindo M n (D) com as involu¸c˜oes ∗ e σ, podemos nos perguntar quando ψ : (M n n (D), σ)

        (D), ∗) → (M

        −1

        A P AP 7→

        ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao. Temos, τ τ τ τ

        ∗ −1 −1 −1 −1

        ψ(A ) = ψ(Int(U )(A )) = ψ(U A U ) = P (U A U )P = (P U )A (P U ) e σ τ τ τ τ τ

        −1 −1 −1 −1

        (ψ(A)) = Int(V )(ψ(A)) = V (P AP ) V = (V (P ) )A (P V ), τ n (D). Logo, se P U = V (P ) , nossa aplica¸c˜ao ψ ´e um −1 para toda matriz A ∈ M isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao.

        Vejamos agora alguns exemplos. Exemplo 3.1.2

        −

        Seja a involu¸c˜ao em H, vista no Exemplo 1.2.5, dada por a + a i + a j + a k = a + a i + a j + a k

        1 2 3 2 1 3

        e consideremos 0 j U = (

        2 H)) e ∗ = Int(U) ◦ τ.

        ∈ U(M τ i 0 Ent˜ao U (

        2 H).

        = U e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M

        1 1 −2i

        Se P = (

      2 H)), ent˜ao a aplica¸c˜ao

        ∈ U(M

        2 −k −2j

        ψ : (M ( ( H), τ )

        2 H), ∗) → (M 2 −1

        A P AP 7→

        ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, j´a que neste caso σ = Int(V ) ◦ τ, onde V ´e a identidade, τ τ 1 1

        2 2k 2 j

        −1 −1 −1

        P = e P U = = (P ) = V (P ) . i j 2k i 2 2

        40 Exemplo 3.1.3 Sejam

      2 H)), ent˜ao a aplica¸c˜ao

        ∈ U(M

        2 −k −2j

        ψ : (M ( ( H), τ )

        2 H), ∗) → (M 2 −1

        A P AP 7→

        ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, j´a que neste caso σ = Int(V ) ◦ τ, onde V ´e a identidade, τ τ 1 1

        2 2k 2 j

        −1 −1 −1

        P = e P U = = (P ) = V (P ) . i j 2k i 2 2

        40 Exemplo 3.1.3 Sejam

        −

        1

        2     e S =

            1 0

        0 1 −1 0 0

        −1 0 0     ·

        Ent˜ao ∗ e σ s˜ao involu¸c˜oes em M

        4

        ( C), j´a que U τ = −U e S τ = −S.

        Se P =

        1 1 1 1 1 1 1 1

        ! ∈ U(M

        4

        ( C)), ent˜ao P U =

           

        1 −1

        1 −2

        1 0 −1 −1 1

        1     = S(P

        −1

        ) τ . E, portanto, a aplica¸c˜ao

        ψ : (M

        4

        ( C), ∗) → (M

        4

        ( C), σ)

        A 7→

        P AP

        −1

        ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao.

        −1

        1 −1

        a conjuga¸c˜ao complexa em C, ∗ = Int(U) ◦ τ e σ = Int(C) ◦ τ, onde

        ψ : (M 2 ( C), ∗) → (M

        U = 0 −i i e C =

        −1 0

        1 ·

        Ent˜ao ∗ e σ s˜ao involu¸c˜oes em M

        2

        ( C), pois U τ

        = U e C τ = C. Se P =

        √

        2 2 1 i i

        1

        ∈ U(M

        2

        ( C)), ent˜ao a aplica¸c˜ao

        2 ( C), σ)

        1 −1

        A 7→

        P AP

        −1

        ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, j´a que P U =

        √

        2

        2 −1 −i i 1

        = C(P

        −1

        ) τ . Exemplo 3.1.4

        Sejam

        −

        a identidade em C, ∗ = Int(U) ◦ τ e σ = Int(S) ◦ τ, onde

        U =    

        41 Proposi¸c˜ ao 3.1.5 Seja ψ : (R , σ , σ ) um isomorfismo de an´eis com in-

      2 H)), ent˜ao a aplica¸c˜ao

        ∈ U(M

        2 −k −2j

        ψ : (M ( ( H), τ )

        2 H), ∗) → (M 2 −1

        A P AP 7→

        ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, j´a que neste caso σ = Int(V ) ◦ τ, onde V ´e a identidade, τ τ 1 1

        2 2k 2 j

        −1 −1 −1

        P = e P U = = (P ) = V (P ) . i j 2k i 2 2

        40 Exemplo 3.1.3 Sejam

        −

        1

        2     e S =

            1 0

        0 1 −1 0 0

        −1 0 0     ·

        Ent˜ao ∗ e σ s˜ao involu¸c˜oes em M

        4

        ( C), j´a que U τ = −U e S τ = −S.

        Se P =

        1 1 1 1 1 1 1 1

        ! ∈ U(M

        4

        ( C)), ent˜ao P U =

           

        1 −1

        1 −2

        1 0 −1 −1 1

        1     = S(P

        −1

        ) τ . E, portanto, a aplica¸c˜ao

        ψ : (M

        4

        ( C), ∗) → (M

        4

        ( C), σ)

        A 7→

        P AP

        −1

        ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao.

        −1

        1 −1

        a conjuga¸c˜ao complexa em C, ∗ = Int(U) ◦ τ e σ = Int(C) ◦ τ, onde

        ψ : (M 2 ( C), ∗) → (M

        U = 0 −i i e C =

        −1 0

        1 ·

        Ent˜ao ∗ e σ s˜ao involu¸c˜oes em M

        2

        ( C), pois U τ

        = U e C τ = C. Se P =

        √

        2 2 1 i i

        1

        ∈ U(M

        2

        ( C)), ent˜ao a aplica¸c˜ao

        2 ( C), σ)

        1 −1

        A 7→

        P AP

        −1

        ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, j´a que P U =

        √

        2

        2 −1 −i i 1

        = C(P

        −1

        ) τ . Exemplo 3.1.4

        Sejam

        −

        a identidade em C, ∗ = Int(U) ◦ τ e σ = Int(S) ◦ τ, onde

        U =    

        41 Proposi¸c˜ ao 3.1.5 Seja ψ : (R , σ , σ ) um isomorfismo de an´eis com in-

        1 1 2 2

        ) → (R

        volu¸c˜ao. Ent˜ao valem as seguintes propriedades: − − 1 2 .

        (i) k ∈ R se, e somente se, ψ(k) ∈ R ).

        1 2

        (ii) u ∈ Un(R ) se, e somente se, ψ(u) ∈ Un(R C C (R (R ).

        1 2

        (iii) u ∈ Un ) se, e somente se, ψ(u) ∈ Un

        

      Demonstra¸c˜ao: Para cada item provaremos apenas uma das implica¸c˜oes, a outra se

        obt´em aplicando a inversa de ψ. σ σ

        − 1 1

        . Temos k

        1

        (i) Seja k ∈ R = −k e, portanto, ψ(k ) = ψ(−k). Assim, como ψ ´e uma isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, segue que σ σ 2 1

        (ψ(k)) = ψ(k ) = −ψ(k),

        −

        .

        2

        ou seja, ψ(k) ∈ R σ 1

        1 ), ent˜ao uu = 1 e assim

        (ii) Se u ∈ Un(R σ 2 σ σ 1 1 ψ(u)(ψ(u)) = ψ(u)ψ(u ) = ψ(uu ) = ψ(1) = 1.

        ).

        2

        Logo, ψ(u) ∈ Un(R C

        − −

        (R ), ent˜ao u = u e

        1 [k] 1 2

        (iii) Se u ∈ Un com k ∈ R . Logo ψ(k) ∈ R

        −1 −1

        ψ(u) = ψ(u

        [k]

        ) = ψ((1 − k)(1 + k) ) = (ψ(1 − k))(ψ(1 + k))

        

      −1

        = u .

        [ψ(k)]

        = (1 − ψ(k))(1 + ψ(k)) C (R ).

        2

        Portanto, ψ(u) ∈ Un

      3.2 Caracteriza¸c˜ ao de involu¸c˜ oes

        Iniciaremos esta se¸c˜ao com alguns exemplos de involu¸c˜oes em an´eis de ma- trizes que nos permitir˜ao entender melhor o comportamento de involu¸c˜oes em an´eis M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao.

        Sejam σ a involu¸c˜ao em M ( H) dada por

        1 2 σ 1 3

        a b ba bc

        5

        =

        5

        c d bb b d

        3

        42 e σ , σ , σ e σ involu¸c˜oes em M ( C) dadas por

      3.2 Caracteriza¸c˜ ao de involu¸c˜ oes

        Iniciaremos esta se¸c˜ao com alguns exemplos de involu¸c˜oes em an´eis de ma- trizes que nos permitir˜ao entender melhor o comportamento de involu¸c˜oes em an´eis M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao.

        Sejam σ a involu¸c˜ao em M ( H) dada por

        1 2 σ 1 3

        a b ba bc

        5

        =

        5

        c d bb b d

        3

        42 e σ , σ , σ e σ involu¸c˜oes em M ( C) dadas por

        2 3 4 5 2 σ σ 2 3 c

        a b a a b a −c

        2

        = , = , c d 2b d c d d σ σ 4 5 −b a b a b d ea −ec

        −b = e = , e c d d c d a

        −eb −c onde b e e denotam, respectivamente, a involu¸c˜ao canˆonica em H e a conjuga¸c˜ao complexa em

      C.

        

        Ent˜ao σ 1 induz em H uma involu¸c˜ao que coincide com a involu¸c˜ao canˆonica m , com m = 2, 3, 4 e 5, induz em C uma involu¸c˜ao , que ´e a − b em H e cada σ identidade quando m = 2, 3 e 5 e coincide com a conjuga¸c˜ao complexa e no caso em

        −

        que m = 4. Al´em disso, para cada assim definido, temos uma aplica¸c˜ao τ m (com τ = τ = τ ) e podemos escrever:

        2 3 5

        σ m = Int(C m m , para m = 1, 2, 3 e 4, e σ ,

        5 5

        ) ◦ τ = Int(S) ◦ τ

        3 i 1 1

        onde C = , C = , C = C = e S =

        1 2 3 4

        ·

        5 2i −1 −1

        Ainda, os elementos da diagonal de C s˜ao fixados pela involu¸c˜ao canˆonica em

        

      1

        H (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ 1 ), os elementos da diagonal de C 2 e C 3 s˜ao

        −

        fixados pela identidade (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ e σ ) e os da diagonal

        2 3 −

        de C s˜ao fixados pela conjuga¸c˜ao complexa (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ ).

        4

        4

        Assim, σ , σ , σ e σ se enquadram no Exemplo 1.2.11 e σ ´e a involu¸c˜ao do

        1 2 3 4 5

        Exemplo 1.2.12 quando K = C e n = 2. Em geral, a menos de isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, toda involu¸c˜ao em M n (D) se enquadra em um destes dois exemplos. Isto ´e o que nos informa o pr´oximo resultado, cuja demonstra¸c˜ao pode ser encontrada em [3].

        Teorema 3.2.1 ([4], Lema 2.1) Sejam D um anel de divis˜ao com centro Z(D) e n um inteiro positivo. Suponhamos que M n (D) tenha uma involu¸c˜ao . Ent˜ao uma,

        e somente uma, das alternativas abaixo ocorre:

        (i) D tem uma involu¸c˜ao

        induzida por e existe uma matriz diagonal in- vert´ıvel C = diag(c 1 n n (D), com c i = c i para todo i, tal que

        , · · · , c ) ∈ M (M n = (M n

        (D), ∗) ∼ (D), Int(C) ◦ τ). n n = (M

        (ii) D = Z(D) ´e comutativo, n = 2m e (M (D), ∗) ∼ (D), Int(S) ◦ τ), onde a I

        − involu¸c˜ao e I induzida por ´e a involu¸c˜ao identidade em D, S =

        −I ´e a identidade em M m (D).

        43 Observa¸c˜ ao 3.2.2 n (D) invert´ıvel tal Segue da demonstra¸c˜ao do teorema acima que existe P ∈ M que o automorfismo interno Int(P ) ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao de

      3.2 Caracteriza¸c˜ ao de involu¸c˜ oes

        Iniciaremos esta se¸c˜ao com alguns exemplos de involu¸c˜oes em an´eis de ma- trizes que nos permitir˜ao entender melhor o comportamento de involu¸c˜oes em an´eis M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao.

        Sejam σ a involu¸c˜ao em M ( H) dada por

        1 2 σ 1 3

        a b ba bc

        5

        =

        5

        c d bb b d

        3

        42 e σ , σ , σ e σ involu¸c˜oes em M ( C) dadas por

        2 3 4 5 2 σ σ 2 3 c

        a b a a b a −c

        2

        = , = , c d 2b d c d d σ σ 4 5 −b a b a b d ea −ec

        −b = e = , e c d d c d a

        −eb −c onde b e e denotam, respectivamente, a involu¸c˜ao canˆonica em H e a conjuga¸c˜ao complexa em

      C.

        

        Ent˜ao σ 1 induz em H uma involu¸c˜ao que coincide com a involu¸c˜ao canˆonica m , com m = 2, 3, 4 e 5, induz em C uma involu¸c˜ao , que ´e a − b em H e cada σ identidade quando m = 2, 3 e 5 e coincide com a conjuga¸c˜ao complexa e no caso em

        −

        que m = 4. Al´em disso, para cada assim definido, temos uma aplica¸c˜ao τ m (com τ = τ = τ ) e podemos escrever:

        2 3 5

        σ m = Int(C m m , para m = 1, 2, 3 e 4, e σ ,

        5 5

        ) ◦ τ = Int(S) ◦ τ

        3 i 1 1

        onde C = , C = , C = C = e S =

        1 2 3 4

        ·

        5 2i −1 −1

        Ainda, os elementos da diagonal de C s˜ao fixados pela involu¸c˜ao canˆonica em

        

      1

        H (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ 1 ), os elementos da diagonal de C 2 e C 3 s˜ao

        −

        fixados pela identidade (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ e σ ) e os da diagonal

        2 3 −

        de C s˜ao fixados pela conjuga¸c˜ao complexa (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ ).

        4

        4

        Assim, σ , σ , σ e σ se enquadram no Exemplo 1.2.11 e σ ´e a involu¸c˜ao do

        1 2 3 4 5

        Exemplo 1.2.12 quando K = C e n = 2. Em geral, a menos de isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, toda involu¸c˜ao em M n (D) se enquadra em um destes dois exemplos. Isto ´e o que nos informa o pr´oximo resultado, cuja demonstra¸c˜ao pode ser encontrada em [3].

        Teorema 3.2.1 ([4], Lema 2.1) Sejam D um anel de divis˜ao com centro Z(D) e n um inteiro positivo. Suponhamos que M n (D) tenha uma involu¸c˜ao . Ent˜ao uma,

        e somente uma, das alternativas abaixo ocorre:

        (i) D tem uma involu¸c˜ao

        induzida por e existe uma matriz diagonal in- vert´ıvel C = diag(c 1 n n (D), com c i = c i para todo i, tal que

        , · · · , c ) ∈ M (M n = (M n

        (D), ∗) ∼ (D), Int(C) ◦ τ). n n = (M

        (ii) D = Z(D) ´e comutativo, n = 2m e (M (D), ∗) ∼ (D), Int(S) ◦ τ), onde a I

        − involu¸c˜ao e I induzida por ´e a involu¸c˜ao identidade em D, S =

        −I ´e a identidade em M m (D).

        43 Observa¸c˜ ao 3.2.2 n (D) invert´ıvel tal Segue da demonstra¸c˜ao do teorema acima que existe P ∈ M que o automorfismo interno Int(P ) ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao de

        (M n n n (D), ∗) sobre (M (D), Int(C) ◦ τ), no caso do item (i), e de (M (D), ∗) sobre

        (M n (D), Int(S) ◦ τ), quando ∗ se enquadra no item (ii).

        Observa¸c˜ ao 3.2.3 Se ∗ induz uma involu¸c˜ao em D diferente da identidade ou se D 6= Z(D), ent˜ao

        ∗ se enquadra necessariamente no item (i) do Teorema 3.2.1. Exemplo 3.2.4

        2 ( H) dada por

        Seja ∗ a involu¸c˜ao em M

        ∗

        a + a i + a j + a k b + b i + b j + b k

        1 2 3 1 2 3

        = c + c 1 i + c 2 j + c 3 k d + d 1 i + d 2 j + d 3 k d i + d k b + b i + b j + b k

        2 1 3 3 1 2

        − d j − d =

        ,

      • c i + c k a + a k

        3 1 2 2 1 3

        −c j − c i − a j − a para todo a r , b r , c r , d r ∈ R com 1 ≤ r ≤ 4.

        Como H 6= Z(H), segue da Observa¸c˜ao 3.2.3 que ∗ se enquadra no item (i) do j

        −

        e ´e a involu¸c˜ao em H Teorema 3.2.1. Agora, ∗ = Int(U) ◦ τ, onde U = i dada por a + a i + a j + a k = a + a i + a j + a k.

        1 2 3 2 1 3

        Logo, ∗ coincide com a involu¸c˜ao de mesmo nome vista no Exemplo 3.1.2 e, portanto, (M ( (

        2 = (M 2

        H), ∗) ∼ H), Int(C) ◦ τ), onde C ´e a matriz identidade em M ( H).

        2

        Exemplo 3.2.5

        −

        Sejam a conjuga¸c˜ao complexa em (

        2 C) dada por

        C e ∗ a involu¸c˜ao em M

        ∗

        a b d −b

        = c d a

        −c para todo a, b, c, d ∈ C.

        44

      3.2 Caracteriza¸c˜ ao de involu¸c˜ oes

        Iniciaremos esta se¸c˜ao com alguns exemplos de involu¸c˜oes em an´eis de ma- trizes que nos permitir˜ao entender melhor o comportamento de involu¸c˜oes em an´eis M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao.

        Sejam σ a involu¸c˜ao em M ( H) dada por

        1 2 σ 1 3

        a b ba bc

        5

        =

        5

        c d bb b d

        3

        42 e σ , σ , σ e σ involu¸c˜oes em M ( C) dadas por

        2 3 4 5 2 σ σ 2 3 c

        a b a a b a −c

        2

        = , = , c d 2b d c d d σ σ 4 5 −b a b a b d ea −ec

        −b = e = , e c d d c d a

        −eb −c onde b e e denotam, respectivamente, a involu¸c˜ao canˆonica em H e a conjuga¸c˜ao complexa em

      C.

        

        Ent˜ao σ 1 induz em H uma involu¸c˜ao que coincide com a involu¸c˜ao canˆonica m , com m = 2, 3, 4 e 5, induz em C uma involu¸c˜ao , que ´e a − b em H e cada σ identidade quando m = 2, 3 e 5 e coincide com a conjuga¸c˜ao complexa e no caso em

        −

        que m = 4. Al´em disso, para cada assim definido, temos uma aplica¸c˜ao τ m (com τ = τ = τ ) e podemos escrever:

        2 3 5

        σ m = Int(C m m , para m = 1, 2, 3 e 4, e σ ,

        5 5

        ) ◦ τ = Int(S) ◦ τ

        3 i 1 1

        onde C = , C = , C = C = e S =

        1 2 3 4

        ·

        5 2i −1 −1

        Ainda, os elementos da diagonal de C s˜ao fixados pela involu¸c˜ao canˆonica em

        

      1

        H (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ 1 ), os elementos da diagonal de C 2 e C 3 s˜ao

        −

        fixados pela identidade (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ e σ ) e os da diagonal

        2 3 −

        de C s˜ao fixados pela conjuga¸c˜ao complexa (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ ).

        4

        4

        Assim, σ , σ , σ e σ se enquadram no Exemplo 1.2.11 e σ ´e a involu¸c˜ao do

        1 2 3 4 5

        Exemplo 1.2.12 quando K = C e n = 2. Em geral, a menos de isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, toda involu¸c˜ao em M n (D) se enquadra em um destes dois exemplos. Isto ´e o que nos informa o pr´oximo resultado, cuja demonstra¸c˜ao pode ser encontrada em [3].

        Teorema 3.2.1 ([4], Lema 2.1) Sejam D um anel de divis˜ao com centro Z(D) e n um inteiro positivo. Suponhamos que M n (D) tenha uma involu¸c˜ao . Ent˜ao uma,

        e somente uma, das alternativas abaixo ocorre:

        (i) D tem uma involu¸c˜ao

        induzida por e existe uma matriz diagonal in- vert´ıvel C = diag(c 1 n n (D), com c i = c i para todo i, tal que

        , · · · , c ) ∈ M (M n = (M n

        (D), ∗) ∼ (D), Int(C) ◦ τ). n n = (M

        (ii) D = Z(D) ´e comutativo, n = 2m e (M (D), ∗) ∼ (D), Int(S) ◦ τ), onde a I

        − involu¸c˜ao e I induzida por ´e a involu¸c˜ao identidade em D, S =

        −I ´e a identidade em M m (D).

        43 Observa¸c˜ ao 3.2.2 n (D) invert´ıvel tal Segue da demonstra¸c˜ao do teorema acima que existe P ∈ M que o automorfismo interno Int(P ) ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao de

        (M n n n (D), ∗) sobre (M (D), Int(C) ◦ τ), no caso do item (i), e de (M (D), ∗) sobre

        (M n (D), Int(S) ◦ τ), quando ∗ se enquadra no item (ii).

        Observa¸c˜ ao 3.2.3 Se ∗ induz uma involu¸c˜ao em D diferente da identidade ou se D 6= Z(D), ent˜ao

        ∗ se enquadra necessariamente no item (i) do Teorema 3.2.1. Exemplo 3.2.4

        2 ( H) dada por

        Seja ∗ a involu¸c˜ao em M

        ∗

        a + a i + a j + a k b + b i + b j + b k

        1 2 3 1 2 3

        = c + c 1 i + c 2 j + c 3 k d + d 1 i + d 2 j + d 3 k d i + d k b + b i + b j + b k

        2 1 3 3 1 2

        − d j − d =

        ,

      • c i + c k a + a k

        3 1 2 2 1 3

        −c j − c i − a j − a para todo a r , b r , c r , d r ∈ R com 1 ≤ r ≤ 4.

        Como H 6= Z(H), segue da Observa¸c˜ao 3.2.3 que ∗ se enquadra no item (i) do j

        −

        e ´e a involu¸c˜ao em H Teorema 3.2.1. Agora, ∗ = Int(U) ◦ τ, onde U = i dada por a + a i + a j + a k = a + a i + a j + a k.

        1 2 3 2 1 3

        Logo, ∗ coincide com a involu¸c˜ao de mesmo nome vista no Exemplo 3.1.2 e, portanto, (M ( (

        2 = (M 2

        H), ∗) ∼ H), Int(C) ◦ τ), onde C ´e a matriz identidade em M ( H).

        2

        Exemplo 3.2.5

        −

        Sejam a conjuga¸c˜ao complexa em (

        2 C) dada por

        C e ∗ a involu¸c˜ao em M

        ∗

        a b d −b

        = c d a

        −c para todo a, b, c, d ∈ C.

        44

      • a
      • a
      • 2a
      • a
      • a
      • a

      • 4a
      • a
      • 2a
      • 2a
      • a
      • 2a
      • a
      • a

        24

        j b

        2j

        b

        4j

        1 −2a

        23 + 2a 24

        − a

        33 + a 34

        − a

        43 + a 44

        −2a

        22 + 4a 23

        − a

        32 + 2a 33

        − a

        42 + 2a 43

        22

        21

        − a

        12

        − 2a

        44

        3 −a

        13

        a

        11

        − a

        14

        14

        4 −a

        13

        − a

        23

        a

        11

        − a

        12

        2 2a 13 − 2a

        − a

        14

        1 −2 −1

        − 2a

        13

        22

        − 2a

        23

        Temos que ∗ se enquadra no item (ii) do Teorema 3.2.1. Com efeito, ∗ ´e a involu¸c˜ao de mesmo nome vista no Exemplo 3.1.4, j´a que ∗ = Int(U) ◦ τ, onde U =

        1 −1 1 −1

        2

        a

        ! e

        −

        ´e a identidade em C. Logo,

        (M 4 ( C), ∗) ∼

        = (M 4 ( C), Int(S) ◦ τ), onde S =

        1 1 −1

        −1

        ! .

        12

        24

        

      43 + a 44 2a 12

        14

        − 4a

        13

        − a

        42 + 2a 43

        3 a

        13

        − a

        a

        − a

        12

        − 2a

        13

        4 a

        13

        − a

        14

        23

        42

        41

        − a

        33

        a

        14

        a 21 a 22 a 23 a 24 a

        31

        a

        32

        a

        a

        a

        34

        a 41 a 42 a 43 a 44    

        ∗

        =     b

        11

        b

        12

        13

        12

        13

        

      2

        Ent˜ao ∗ se enquadra no item (i) do Teorema 3.2.1. De fato, ∗ ´e a involu¸c˜ao de mesmo nome vista no Exemplo 3.1.3, j´a que ∗ = Int(U) ◦ τ, onde U =

        −i i

        . Assim,

        (M

        2

        ( C), ∗) ∼

        = (M

        ( C), Int(C) ◦ τ), onde C =

        a

        −1

        1

        . Exemplo 3.2.6

        Seja ∗ a involu¸c˜ao em M

        4

        ( C) dada por

            a

        11

        b

        b

        14

        42

        − a

        31

        32

        − 2a

        34

        − a

        41

        − 2a

        − 4a

        44

        2 −2a

        13

        43

        2a

        11

        − 2a

        12

        24

        22

        14

        34

        b 21 b 22 b 23 b 24 b

        31

        b

        32

        b

        33

        b

        b 41 b 42 b 43 b 44     , onde j b

        21

        1j

        b

        3j

        1 2a

        23

        33

        43

        −2a

        45 O fato de termos trabalhado no exemplo anterior com n = 4 (e n˜ao com n = 2, como nos Exemplos 3.2.4 e 3.2.5) n˜ao foi ao acaso. De fato, se K ´e um corpo, para se obter uma involu¸c˜ao em M n (K) que se enquadre no item (ii) do Teorema 3.2.1 e n˜ao coincida com Int(S) ◦ τ, precisamos trabalhar com n par e maior que 2.

      3.2 Caracteriza¸c˜ ao de involu¸c˜ oes

        Iniciaremos esta se¸c˜ao com alguns exemplos de involu¸c˜oes em an´eis de ma- trizes que nos permitir˜ao entender melhor o comportamento de involu¸c˜oes em an´eis M n (D), onde D ´e um anel de divis˜ao.

        Sejam σ a involu¸c˜ao em M ( H) dada por

        1 2 σ 1 3

        a b ba bc

        5

        =

        5

        c d bb b d

        3

        42 e σ , σ , σ e σ involu¸c˜oes em M ( C) dadas por

        2 3 4 5 2 σ σ 2 3 c

        a b a a b a −c

        2

        = , = , c d 2b d c d d σ σ 4 5 −b a b a b d ea −ec

        −b = e = , e c d d c d a

        −eb −c onde b e e denotam, respectivamente, a involu¸c˜ao canˆonica em H e a conjuga¸c˜ao complexa em

      C.

        

        Ent˜ao σ 1 induz em H uma involu¸c˜ao que coincide com a involu¸c˜ao canˆonica m , com m = 2, 3, 4 e 5, induz em C uma involu¸c˜ao , que ´e a − b em H e cada σ identidade quando m = 2, 3 e 5 e coincide com a conjuga¸c˜ao complexa e no caso em

        −

        que m = 4. Al´em disso, para cada assim definido, temos uma aplica¸c˜ao τ m (com τ = τ = τ ) e podemos escrever:

        2 3 5

        σ m = Int(C m m , para m = 1, 2, 3 e 4, e σ ,

        5 5

        ) ◦ τ = Int(S) ◦ τ

        3 i 1 1

        onde C = , C = , C = C = e S =

        1 2 3 4

        ·

        5 2i −1 −1

        Ainda, os elementos da diagonal de C s˜ao fixados pela involu¸c˜ao canˆonica em

        

      1

        H (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ 1 ), os elementos da diagonal de C 2 e C 3 s˜ao

        −

        fixados pela identidade (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ e σ ) e os da diagonal

        2 3 −

        de C s˜ao fixados pela conjuga¸c˜ao complexa (que ´e a involu¸c˜ao induzida por σ ).

        4

        4

        Assim, σ , σ , σ e σ se enquadram no Exemplo 1.2.11 e σ ´e a involu¸c˜ao do

        1 2 3 4 5

        Exemplo 1.2.12 quando K = C e n = 2. Em geral, a menos de isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, toda involu¸c˜ao em M n (D) se enquadra em um destes dois exemplos. Isto ´e o que nos informa o pr´oximo resultado, cuja demonstra¸c˜ao pode ser encontrada em [3].

        Teorema 3.2.1 ([4], Lema 2.1) Sejam D um anel de divis˜ao com centro Z(D) e n um inteiro positivo. Suponhamos que M n (D) tenha uma involu¸c˜ao . Ent˜ao uma,

        e somente uma, das alternativas abaixo ocorre:

        (i) D tem uma involu¸c˜ao

        induzida por e existe uma matriz diagonal in- vert´ıvel C = diag(c 1 n n (D), com c i = c i para todo i, tal que

        , · · · , c ) ∈ M (M n = (M n

        (D), ∗) ∼ (D), Int(C) ◦ τ). n n = (M

        (ii) D = Z(D) ´e comutativo, n = 2m e (M (D), ∗) ∼ (D), Int(S) ◦ τ), onde a I

        − involu¸c˜ao e I induzida por ´e a involu¸c˜ao identidade em D, S =

        −I ´e a identidade em M m (D).

        43 Observa¸c˜ ao 3.2.2 n (D) invert´ıvel tal Segue da demonstra¸c˜ao do teorema acima que existe P ∈ M que o automorfismo interno Int(P ) ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao de

        (M n n n (D), ∗) sobre (M (D), Int(C) ◦ τ), no caso do item (i), e de (M (D), ∗) sobre

        (M n (D), Int(S) ◦ τ), quando ∗ se enquadra no item (ii).

        Observa¸c˜ ao 3.2.3 Se ∗ induz uma involu¸c˜ao em D diferente da identidade ou se D 6= Z(D), ent˜ao

        ∗ se enquadra necessariamente no item (i) do Teorema 3.2.1. Exemplo 3.2.4

        2 ( H) dada por

        Seja ∗ a involu¸c˜ao em M

        ∗

        a + a i + a j + a k b + b i + b j + b k

        1 2 3 1 2 3

        = c + c 1 i + c 2 j + c 3 k d + d 1 i + d 2 j + d 3 k d i + d k b + b i + b j + b k

        2 1 3 3 1 2

        − d j − d =

        ,

      • c i + c k a + a k

        3 1 2 2 1 3

        −c j − c i − a j − a para todo a r , b r , c r , d r ∈ R com 1 ≤ r ≤ 4.

        Como H 6= Z(H), segue da Observa¸c˜ao 3.2.3 que ∗ se enquadra no item (i) do j

        −

        e ´e a involu¸c˜ao em H Teorema 3.2.1. Agora, ∗ = Int(U) ◦ τ, onde U = i dada por a + a i + a j + a k = a + a i + a j + a k.

        1 2 3 2 1 3

        Logo, ∗ coincide com a involu¸c˜ao de mesmo nome vista no Exemplo 3.1.2 e, portanto, (M ( (

        2 = (M 2

        H), ∗) ∼ H), Int(C) ◦ τ), onde C ´e a matriz identidade em M ( H).

        2

        Exemplo 3.2.5

        −

        Sejam a conjuga¸c˜ao complexa em (

        2 C) dada por

        C e ∗ a involu¸c˜ao em M

        ∗

        a b d −b

        = c d a

        −c para todo a, b, c, d ∈ C.

        44

      • a
      • a
      • 2a
      • a
      • a
      • a

      • 4a
      • a
      • 2a
      • 2a
      • a
      • 2a
      • a
      • a

        24

        j b

        2j

        b

        4j

        1 −2a

        23 + 2a 24

        − a

        33 + a 34

        − a

        43 + a 44

        −2a

        22 + 4a 23

        − a

        32 + 2a 33

        − a

        42 + 2a 43

        22

        21

        − a

        12

        − 2a

        44

        3 −a

        13

        a

        11

        − a

        14

        14

        4 −a

        13

        − a

        23

        a

        11

        − a

        12

        2 2a 13 − 2a

        − a

        14

        1 −2 −1

        − 2a

        13

        22

        − 2a

        23

        Temos que ∗ se enquadra no item (ii) do Teorema 3.2.1. Com efeito, ∗ ´e a involu¸c˜ao de mesmo nome vista no Exemplo 3.1.4, j´a que ∗ = Int(U) ◦ τ, onde U =

        1 −1 1 −1

        2

        a

        ! e

        −

        ´e a identidade em C. Logo,

        (M 4 ( C), ∗) ∼

        = (M 4 ( C), Int(S) ◦ τ), onde S =

        1 1 −1

        −1

        ! .

        12

        24

        

      43 + a 44 2a 12

        14

        − 4a

        13

        − a

        42 + 2a 43

        3 a

        13

        − a

        a

        − a

        12

        − 2a

        13

        4 a

        13

        − a

        14

        23

        42

        41

        − a

        33

        a

        14

        a 21 a 22 a 23 a 24 a

        31

        a

        32

        a

        a

        a

        34

        a 41 a 42 a 43 a 44    

        ∗

        =     b

        11

        b

        12

        13

        12

        13

        

      2

        Ent˜ao ∗ se enquadra no item (i) do Teorema 3.2.1. De fato, ∗ ´e a involu¸c˜ao de mesmo nome vista no Exemplo 3.1.3, j´a que ∗ = Int(U) ◦ τ, onde U =

        −i i

        . Assim,

        (M

        2

        ( C), ∗) ∼

        = (M

        ( C), Int(C) ◦ τ), onde C =

        a

        −1

        1

        . Exemplo 3.2.6

        Seja ∗ a involu¸c˜ao em M

        4

        ( C) dada por

            a

        11

        b

        b

        14

        42

        − a

        31

        32

        − 2a

        34

        − a

        41

        − 2a

        − 4a

        44

        2 −2a

        13

        43

        2a

        11

        − 2a

        12

        24

        22

        14

        34

        b 21 b 22 b 23 b 24 b

        31

        b

        32

        b

        33

        b

        b 41 b 42 b 43 b 44     , onde j b

        21

        1j

        b

        3j

        1 2a

        23

        33

        43

        −2a

        45 O fato de termos trabalhado no exemplo anterior com n = 4 (e n˜ao com n = 2, como nos Exemplos 3.2.4 e 3.2.5) n˜ao foi ao acaso. De fato, se K ´e um corpo, para se obter uma involu¸c˜ao em M n (K) que se enquadre no item (ii) do Teorema 3.2.1 e n˜ao coincida com Int(S) ◦ τ, precisamos trabalhar com n par e maior que 2.

        Proposi¸c˜

        2 (K) que se en-

        ao 3.2.7 Sejam K um corpo e uma involu¸c˜ao em M

        quadra no item (ii) do Teorema 3.2.1. Ent˜ao ∗ = Int(S) ◦ τ.

        (K) invert´ıvel tal que

        2 Demonstra¸c˜ao: Segue da Observa¸c˜ao 3.2.2 que existe P ∈ M

        ψ : (M

        2 2

        (K), ∗) → (M (K), Int(S) ◦ τ)

        −1

        A P AP 7→

        ´e um isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao. Assim, como ψ preserva involu¸c˜ao, temos τ τ τ τ τ

        ∗ −1 ∗ −1 −1 −1 −1

        P A P = ψ(A ) = Int(S)(ψ(A)) = S(P AP ) S = S(P ) A P S , (K). Logo,

        2

        para toda matriz A ∈ M τ τ τ τ τ τ

        

      ∗ −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1 −1

        A = P S(P ) A P S P = (P S(P ) )A (P S(P ) ) . τ Como τ ´e a involu¸c˜ao transposta em M (K), ent˜ao BSB = (det B)S, para toda

        

      2

      2 (K). Assim,

        matriz B ∈ M τ τ τ 1

        

      ∗ −1 −1 −1 −1 −1 −1

        A = (det(P )S)A (det(P )S) = det(P )SA S = SA S ,

        −1

        det(P )

        2

        para toda matriz A ∈ M (K). E, portanto, ∗ = Int(S) ◦ τ.

        Como toda involu¸c˜ao em um corpo K ´e um automorfismo, podemos, uma vez conhecidos os automorfismos de K, caracterizar todas as involu¸c˜oes em M n (K). Exemplo 3.2.8 Caracteriza¸c˜ao das involu¸c˜oes em M n (

      R)

        Lembrando que a identidade ´e o ´ unico automorfismo de R, vemos que a ´unica involu¸c˜ao em n R), ent˜ao ( R ´e a identidade. Portanto, se ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M

        −

        a involu¸c˜ao induzida por ∗ ´e a identidade. Logo nossa involu¸c˜ao τ ´e a aplica¸c˜ao transposta e segue do Teorema 3.2.1 que, a menos de isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, ∗ ´e da forma Int(S) ◦ τ ou Int(C) ◦ τ, onde C ´e uma matriz diagonal invert´ıvel em M n (

      R).

        46

      R)

        Lembrando que a identidade ´e o ´ unico automorfismo de R, vemos que a ´unica involu¸c˜ao em n R), ent˜ao ( R ´e a identidade. Portanto, se ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M

        −

        a involu¸c˜ao induzida por ∗ ´e a identidade. Logo nossa involu¸c˜ao τ ´e a aplica¸c˜ao transposta e segue do Teorema 3.2.1 que, a menos de isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, ∗ ´e da forma Int(S) ◦ τ ou Int(C) ◦ τ, onde C ´e uma matriz diagonal invert´ıvel em M n (

      R).

        46

        √ Exemplo 3.2.9 Caracteriza¸c˜ao das involu¸c˜oes em M n ( Q( d))

        √ Seja d um inteiro positivo livre de quadrados. As ´ unicas involu¸c˜oes em Q( d) s˜ao:

        √ √ √ √ ξ : Q( d) d) ξ : Q( d) Q( d)

        1

        2

        → Q( → √ √ e √ √ a + b d a + b d, d 7→ a + b d 7→ a − b

        √ √ √ pois todo automorfismo de Q( d) ´e a identidade em Q e leva d. d em ± n ( Q( d) uma involu¸c˜ao √ √

        Se ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M d)), ent˜ao ∗ induz em Q(

        −

        que coincide com ξ ou ξ .

        1 2 −

        ´e a involu¸c˜ao ξ 1 , ent˜ao τ ´e a involu¸c˜ao transposta e, a menos de isomorfismo • Se de an´eis com involu¸c˜ao, ∗ ´e da forma Int(S) ◦ τ ou Int(C) ◦ τ, onde C ´e uma matriz

        √ diagonal invert´ıvel em M n ( Q( d)).

        √ √ τ

        −

        ´e a involu¸c˜ao ξ , ent˜ao τ ´e dada por (a ij + b ij d) = (a ji ji d) e, a

        2

        • Se − b menos de isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao, ∗ ´e da forma Int(C) ◦ τ, onde C ´e

        √ uma matriz diagonal invert´ıvel em M n ( Q( d)) cujas entradas s˜ao fixadas por ξ ,

        2

        isto ´e, pertencem a

      Q.

      3.3 Produto de elementos Cayley unit´ arios

        No cap´ıtulo anterior trabalhamos com elementos Cayley unit´arios em uma ´algebra de grupo KG munida da involu¸c˜ao canˆonica e vimos que em QD existe um ele-

        4

        mento unit´ario que n˜ao ´e Cayley unit´ario (Proposi¸c˜ao 2.4.7), nem o produto de dois elementos Cayley unit´arios de QD (Exemplo 2.4.9).

        4

        Nesta se¸c˜ao veremos que o problema de determinar quando um elemento unit´ario ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D) est´a completamente resolvido, quando este anel est´a munido de uma involu¸c˜ao ∗ e D ´e um anel de divis˜ao com caracter´ıstica diferente de 2.

        Observemos inicialmente que se ∗ induz a identidade em D, ent˜ao D ´e um corpo,

        ∗ ∗ ∗

        j´a que ab = (ab) = b a = ba, para todo a, b ∈ D. Assim, temos dois casos poss´ıveis n (D): para nossa involu¸c˜ao ∗ em M o

        1 o caso: ∗ n˜ao induz a identidade em D 2 caso: ∗ induz a identidade em D e assim D = Z(D).

        47 Com o objetivo de demonstrar o Teorema 3.3.2, que trata do caso em que ∗ induz uma involu¸c˜ao em D diferente da identidade, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.1 ([2], Lema 3) Seja D um anel de divis˜ao e consideremos H 1

      Q.

      3.3 Produto de elementos Cayley unit´ arios

        No cap´ıtulo anterior trabalhamos com elementos Cayley unit´arios em uma ´algebra de grupo KG munida da involu¸c˜ao canˆonica e vimos que em QD existe um ele-

        4

        mento unit´ario que n˜ao ´e Cayley unit´ario (Proposi¸c˜ao 2.4.7), nem o produto de dois elementos Cayley unit´arios de QD (Exemplo 2.4.9).

        4

        Nesta se¸c˜ao veremos que o problema de determinar quando um elemento unit´ario ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D) est´a completamente resolvido, quando este anel est´a munido de uma involu¸c˜ao ∗ e D ´e um anel de divis˜ao com caracter´ıstica diferente de 2.

        Observemos inicialmente que se ∗ induz a identidade em D, ent˜ao D ´e um corpo,

        ∗ ∗ ∗

        j´a que ab = (ab) = b a = ba, para todo a, b ∈ D. Assim, temos dois casos poss´ıveis n (D): para nossa involu¸c˜ao ∗ em M o

        1 o caso: ∗ n˜ao induz a identidade em D 2 caso: ∗ induz a identidade em D e assim D = Z(D).

        47 Com o objetivo de demonstrar o Teorema 3.3.2, que trata do caso em que ∗ induz uma involu¸c˜ao em D diferente da identidade, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.1 ([2], Lema 3) Seja D um anel de divis˜ao e consideremos H 1

        , · · · , H n

        ′

        a n

        1

        · · · a n,n−1 a n,n             

        Da hip´otese de indu¸c˜ao segue que existe H

        ′

        = diag(h

        1

        , · · · , h n−1 ), com h i

        ∈ H i , i = 1, · · · , n − 1, tal que I

        ′

        − A

        − A

        a 1n ... a

        ′

        H

        ′

        ´e invert´ıvel em M

        n−1

        (D), onde I

        ′

        denota a identidade em M

        n−1 (D). Mostraremos que I − A − AH ´e singular para no m´aximo

        um elemento h n ∈ H n , onde H = diag(h

        

      1

        , · · · , h n ).

        n−1,n

        ′

        

      subconjuntos de D, cada qual contendo pelo menos dois elementos. Ent˜ao para

      qualquer A ∈ M n (D), existe uma matriz diagonal H = diag(h 1

        1 cont´em

        , · · · , h n ), com h i ∈ H i

        para i = 1, · · · , n, tal que I − A − AH ´e invert´ıvel em M n (D), onde I ´e a identidade em M n

        (D).

        

      Demonstra¸c˜ao: Nossa prova ser´a por indu¸c˜ao sobre n. Primeiramente, consideremos

        o caso n = 1.

        • Se A = 0, ent˜ao I − A − AH = I para qualquer H ∈ H

        1 e a afirma¸c˜ao vale

        trivialmente.

        • Se A 6= 0, ent˜ao I − A − AH = 0 apenas se H = A

        −1

        − I. Como H

        pelo menos dois elementos, existe H ∈ H

        A

        

      1

        com H 6= A

        −1

        − I e para este H temos que I − A − AH 6= 0, isto ´e, I − A − AH ´e invert´ıvel em M n (D).

        Agora assumamos que n > 1 e que a afirma¸c˜ao vale para n − 1. Consideremos A = (a ij )

        1≤i,j≤n ∈ M n (D) e seja A

        ∈ M n−1 (D) a submatriz de A formada pelas primeiras n − 1 linhas e n − 1 colunas de A, isto ´e, A

        ′

        = (a ij )

        1≤i,j≤n−1

        .

        A =             

        48 Suponhamos que h n ∈ H n seja tal que

      Q.

      3.3 Produto de elementos Cayley unit´ arios

        No cap´ıtulo anterior trabalhamos com elementos Cayley unit´arios em uma ´algebra de grupo KG munida da involu¸c˜ao canˆonica e vimos que em QD existe um ele-

        4

        mento unit´ario que n˜ao ´e Cayley unit´ario (Proposi¸c˜ao 2.4.7), nem o produto de dois elementos Cayley unit´arios de QD (Exemplo 2.4.9).

        4

        Nesta se¸c˜ao veremos que o problema de determinar quando um elemento unit´ario ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D) est´a completamente resolvido, quando este anel est´a munido de uma involu¸c˜ao ∗ e D ´e um anel de divis˜ao com caracter´ıstica diferente de 2.

        Observemos inicialmente que se ∗ induz a identidade em D, ent˜ao D ´e um corpo,

        ∗ ∗ ∗

        j´a que ab = (ab) = b a = ba, para todo a, b ∈ D. Assim, temos dois casos poss´ıveis n (D): para nossa involu¸c˜ao ∗ em M o

        1 o caso: ∗ n˜ao induz a identidade em D 2 caso: ∗ induz a identidade em D e assim D = Z(D).

        47 Com o objetivo de demonstrar o Teorema 3.3.2, que trata do caso em que ∗ induz uma involu¸c˜ao em D diferente da identidade, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.1 ([2], Lema 3) Seja D um anel de divis˜ao e consideremos H 1

        , · · · , H n

        ′

        a n

        1

        · · · a n,n−1 a n,n             

        Da hip´otese de indu¸c˜ao segue que existe H

        ′

        = diag(h

        1

        , · · · , h n−1 ), com h i

        ∈ H i , i = 1, · · · , n − 1, tal que I

        ′

        − A

        − A

        a 1n ... a

        ′

        H

        ′

        ´e invert´ıvel em M

        n−1

        (D), onde I

        ′

        denota a identidade em M

        n−1 (D). Mostraremos que I − A − AH ´e singular para no m´aximo

        um elemento h n ∈ H n , onde H = diag(h

        

      1

        , · · · , h n ).

        n−1,n

        ′

        

      subconjuntos de D, cada qual contendo pelo menos dois elementos. Ent˜ao para

      qualquer A ∈ M n (D), existe uma matriz diagonal H = diag(h 1

        1 cont´em

        , · · · , h n ), com h i ∈ H i

        para i = 1, · · · , n, tal que I − A − AH ´e invert´ıvel em M n (D), onde I ´e a identidade em M n

        (D).

        

      Demonstra¸c˜ao: Nossa prova ser´a por indu¸c˜ao sobre n. Primeiramente, consideremos

        o caso n = 1.

        • Se A = 0, ent˜ao I − A − AH = I para qualquer H ∈ H

        1 e a afirma¸c˜ao vale

        trivialmente.

        • Se A 6= 0, ent˜ao I − A − AH = 0 apenas se H = A

        −1

        − I. Como H

        pelo menos dois elementos, existe H ∈ H

        A

        

      1

        com H 6= A

        −1

        − I e para este H temos que I − A − AH 6= 0, isto ´e, I − A − AH ´e invert´ıvel em M n (D).

        Agora assumamos que n > 1 e que a afirma¸c˜ao vale para n − 1. Consideremos A = (a ij )

        1≤i,j≤n ∈ M n (D) e seja A

        ∈ M n−1 (D) a submatriz de A formada pelas primeiras n − 1 linhas e n − 1 colunas de A, isto ´e, A

        ′

        = (a ij )

        1≤i,j≤n−1

        .

        A =             

        48 Suponhamos que h n ∈ H n seja tal que

        I − A − AH =             

        1

        n−1

        ), · · · , a n,n−1 (1 + h

        1

        (1 + h

        1

        ) = (a n

        n−1

        v

        −1

        , · · · , v n

        v

        ′

        −1

        (v n

        )) = 0. Logo

        n−1

        ), · · · , a n,n−1 (1 + h

        1

        (1 + h

        1

        ) − v n (a n

        ′

        H

        ))(I

        − A

        − A

        =1

        − 1.

        −1

        v i )a in !

        −1

        (v n

        · v n − 1 = n X i =1

        −1

        !

        6= 0 e portanto h n = n X i =1 v i a in

        6= 0, ent˜ao n X i =1 v i a in

        v i a in (1 + h n ) = 0. Como v n

        − n X i

        ′

        e as entradas de A. O produto de v pela n-´esima coluna de I − A − AH ´e v n

        n−1

        , · · · , h

        1

        ´e determinado por h

        −1

        )

        ′

        H

        ′

        − A

        ′

        ′

        I

        1

        = (v 1 , · · · , v n−1 ). Mostraremos que, como v 6= 0, ent˜ao v n

        ′

        , · · · , v n ) com entradas em D tal que v(I − A − AH) = 0. Seja v

        1

        Ent˜ao existe um vetor n˜ao nulo v = (v

        ) 1 − a n,n (1 + h n )              seja singular.

        n−1

        ) · · · − a n,n−1 (1 + h

        1

        (1 + h

        −a n

        Suponhamos por absurdo que v n = 0. A multiplica¸c˜ao de v pelas primeiras n − 1 colunas de I −A−AH nos d´a v

        −a n−1,n (1 + h n )

        (1 + h n ) ...

        1n

        −a

        ′

        H

        ′

        − A

        ′

        − A

        ′

        6= 0.

        ′

        − A

        ′

        ′

        (I

        ′

        O produto de v pelas primeiras n − 1 colunas de I − A − AH ´e v

        = 0 e portanto v = 0, uma contradi¸c˜ao. Assim v n 6= 0.

        ′

        (D), temos que v

        n−1

        ´e invert´ıvel em M

        ′

        H

        −A

        (I

        ′

        −A

        ′

        ) = 0 e, como a matriz I

        ′

        H

        

        −A

        ′

        −A

        ′

        49

      Q.

      3.3 Produto de elementos Cayley unit´ arios

        No cap´ıtulo anterior trabalhamos com elementos Cayley unit´arios em uma ´algebra de grupo KG munida da involu¸c˜ao canˆonica e vimos que em QD existe um ele-

        4

        mento unit´ario que n˜ao ´e Cayley unit´ario (Proposi¸c˜ao 2.4.7), nem o produto de dois elementos Cayley unit´arios de QD (Exemplo 2.4.9).

        4

        Nesta se¸c˜ao veremos que o problema de determinar quando um elemento unit´ario ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D) est´a completamente resolvido, quando este anel est´a munido de uma involu¸c˜ao ∗ e D ´e um anel de divis˜ao com caracter´ıstica diferente de 2.

        Observemos inicialmente que se ∗ induz a identidade em D, ent˜ao D ´e um corpo,

        ∗ ∗ ∗

        j´a que ab = (ab) = b a = ba, para todo a, b ∈ D. Assim, temos dois casos poss´ıveis n (D): para nossa involu¸c˜ao ∗ em M o

        1 o caso: ∗ n˜ao induz a identidade em D 2 caso: ∗ induz a identidade em D e assim D = Z(D).

        47 Com o objetivo de demonstrar o Teorema 3.3.2, que trata do caso em que ∗ induz uma involu¸c˜ao em D diferente da identidade, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.1 ([2], Lema 3) Seja D um anel de divis˜ao e consideremos H 1

        , · · · , H n

        ′

        a n

        1

        · · · a n,n−1 a n,n             

        Da hip´otese de indu¸c˜ao segue que existe H

        ′

        = diag(h

        1

        , · · · , h n−1 ), com h i

        ∈ H i , i = 1, · · · , n − 1, tal que I

        ′

        − A

        − A

        a 1n ... a

        ′

        H

        ′

        ´e invert´ıvel em M

        n−1

        (D), onde I

        ′

        denota a identidade em M

        n−1 (D). Mostraremos que I − A − AH ´e singular para no m´aximo

        um elemento h n ∈ H n , onde H = diag(h

        

      1

        , · · · , h n ).

        n−1,n

        ′

        

      subconjuntos de D, cada qual contendo pelo menos dois elementos. Ent˜ao para

      qualquer A ∈ M n (D), existe uma matriz diagonal H = diag(h 1

        1 cont´em

        , · · · , h n ), com h i ∈ H i

        para i = 1, · · · , n, tal que I − A − AH ´e invert´ıvel em M n (D), onde I ´e a identidade em M n

        (D).

        

      Demonstra¸c˜ao: Nossa prova ser´a por indu¸c˜ao sobre n. Primeiramente, consideremos

        o caso n = 1.

        • Se A = 0, ent˜ao I − A − AH = I para qualquer H ∈ H

        1 e a afirma¸c˜ao vale

        trivialmente.

        • Se A 6= 0, ent˜ao I − A − AH = 0 apenas se H = A

        −1

        − I. Como H

        pelo menos dois elementos, existe H ∈ H

        A

        

      1

        com H 6= A

        −1

        − I e para este H temos que I − A − AH 6= 0, isto ´e, I − A − AH ´e invert´ıvel em M n (D).

        Agora assumamos que n > 1 e que a afirma¸c˜ao vale para n − 1. Consideremos A = (a ij )

        1≤i,j≤n ∈ M n (D) e seja A

        ∈ M n−1 (D) a submatriz de A formada pelas primeiras n − 1 linhas e n − 1 colunas de A, isto ´e, A

        ′

        = (a ij )

        1≤i,j≤n−1

        .

        A =             

        48 Suponhamos que h n ∈ H n seja tal que

        I − A − AH =             

        1

        n−1

        ), · · · , a n,n−1 (1 + h

        1

        (1 + h

        1

        ) = (a n

        n−1

        v

        −1

        , · · · , v n

        v

        ′

        −1

        (v n

        )) = 0. Logo

        n−1

        ), · · · , a n,n−1 (1 + h

        1

        (1 + h

        1

        ) − v n (a n

        ′

        H

        ))(I

        − A

        − A

        =1

        − 1.

        −1

        v i )a in !

        −1

        (v n

        · v n − 1 = n X i =1

        −1

        !

        6= 0 e portanto h n = n X i =1 v i a in

        6= 0, ent˜ao n X i =1 v i a in

        v i a in (1 + h n ) = 0. Como v n

        − n X i

        ′

        e as entradas de A. O produto de v pela n-´esima coluna de I − A − AH ´e v n

        n−1

        , · · · , h

        1

        ´e determinado por h

        −1

        )

        ′

        H

        ′

        − A

        ′

        ′

        I

        1

        = (v 1 , · · · , v n−1 ). Mostraremos que, como v 6= 0, ent˜ao v n

        ′

        , · · · , v n ) com entradas em D tal que v(I − A − AH) = 0. Seja v

        1

        Ent˜ao existe um vetor n˜ao nulo v = (v

        ) 1 − a n,n (1 + h n )              seja singular.

        n−1

        ) · · · − a n,n−1 (1 + h

        1

        (1 + h

        −a n

        Suponhamos por absurdo que v n = 0. A multiplica¸c˜ao de v pelas primeiras n − 1 colunas de I −A−AH nos d´a v

        −a n−1,n (1 + h n )

        (1 + h n ) ...

        1n

        −a

        ′

        H

        ′

        − A

        ′

        − A

        ′

        6= 0.

        ′

        − A

        ′

        ′

        (I

        ′

        O produto de v pelas primeiras n − 1 colunas de I − A − AH ´e v

        = 0 e portanto v = 0, uma contradi¸c˜ao. Assim v n 6= 0.

        ′

        (D), temos que v

        n−1

        ´e invert´ıvel em M

        ′

        H

        −A

        (I

        ′

        −A

        ′

        ) = 0 e, como a matriz I

        ′

        H

        

        −A

        ′

        −A

        ′

        49

        −1 −1

        Assim, como (v n v n v ) ´e determinado por h e as entradas

        1 1

        , · · · , v n−1 , · · · , h n−1 de A, ent˜ao h n tamb´em o ´e. Portanto, I − A − AH ´e singular para no m´aximo um elemento h n n , onde H = diag(h n ). Logo, como H n cont´em mais de um

        1

        ∈ H , · · · , h elemento, podemos escolher h n n tal que H = diag(h n

        1

        ∈ H , · · · , h ) torna I −A−AH invert´ıvel em M n (D).

        Teorema 3.3.2 ([2], Teorema 1) Seja D um anel de divis˜ao com caracter´ıstica

        diferente de 2. Suponhamos que R = M n

        (D) tenha uma involu¸c˜ao que induz uma

        

      involu¸c˜ao em D diferente da identidade. Ent˜ao todo elemento unit´ario de R ´e um

      produto de dois elementos Cayley unit´arios.

        − −

        Demonstra¸c˜ao: Seja

        ´e diferente da a involu¸c˜ao induzida por ∗ em D. Ent˜ao identidade e segue da Observa¸c˜ao 3.2.3 que ∗ se enquadra no item (i) do Teorema

        3.2.1. Em virtude da Proposi¸c˜ao 3.1.5, podemos supor que existem n elementos π i ’s em D, com π i = π i 6= 0, tais que

        ∗ −1

        (a ij ) = (π i a ji π j ) para toda matriz (a ij ) ∈ R. Seja U uma matriz unit´aria de R. Como a caracter´ıstica de D ´e diferente de 2, podemos definir a matriz

        1 A = (I − U).

        2 Para i = 1, · · · , n, seja H i i

        = {π a ∈ D | a = −a}.

        −

        Como n˜ao ´e a identidade em D, existe b ∈ D tal que b = c 6= b. Assim, seja a = b − c 6= 0. Temos que a = b − c = b − c = c − b = −(b − c) = −a. i

        Como −a = −a = −(−a), π 6= 0 para todo i = 1, · · · , n e a caracter´ıstica de D ´e diferente de 2, ent˜ao π i a e π i i . Portanto

        (−a) s˜ao dois elementos distintos em H H i cont´em pelo menos dois elementos e do Lema 3.3.1 segue que existe uma matriz diagonal H = diag(h ), com h

        1 n i i

        , · · · , h ∈ H para i = 1, · · · , n, tal que I − A − AH ´e invert´ıvel em R.

        −

        Temos que H = (h ij i ) ∈ R . De fato, para cada i = 1, · · · , n, existe a ∈ D tal que a e h = π a . Assim, i i i i i

        = −a

        −1

        π i h i π i , se j = i

        ∗ −1

        (h ) = (π h π ) = ij i ji j

        −1

        π i 0π j , se j 6= i.

        50 Agora,

      Q.

      3.3 Produto de elementos Cayley unit´ arios

        No cap´ıtulo anterior trabalhamos com elementos Cayley unit´arios em uma ´algebra de grupo KG munida da involu¸c˜ao canˆonica e vimos que em QD existe um ele-

        4

        mento unit´ario que n˜ao ´e Cayley unit´ario (Proposi¸c˜ao 2.4.7), nem o produto de dois elementos Cayley unit´arios de QD (Exemplo 2.4.9).

        4

        Nesta se¸c˜ao veremos que o problema de determinar quando um elemento unit´ario ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de M n (D) est´a completamente resolvido, quando este anel est´a munido de uma involu¸c˜ao ∗ e D ´e um anel de divis˜ao com caracter´ıstica diferente de 2.

        Observemos inicialmente que se ∗ induz a identidade em D, ent˜ao D ´e um corpo,

        ∗ ∗ ∗

        j´a que ab = (ab) = b a = ba, para todo a, b ∈ D. Assim, temos dois casos poss´ıveis n (D): para nossa involu¸c˜ao ∗ em M o

        1 o caso: ∗ n˜ao induz a identidade em D 2 caso: ∗ induz a identidade em D e assim D = Z(D).

        47 Com o objetivo de demonstrar o Teorema 3.3.2, que trata do caso em que ∗ induz uma involu¸c˜ao em D diferente da identidade, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.1 ([2], Lema 3) Seja D um anel de divis˜ao e consideremos H 1

        , · · · , H n

        ′

        a n

        1

        · · · a n,n−1 a n,n             

        Da hip´otese de indu¸c˜ao segue que existe H

        ′

        = diag(h

        1

        , · · · , h n−1 ), com h i

        ∈ H i , i = 1, · · · , n − 1, tal que I

        ′

        − A

        − A

        a 1n ... a

        ′

        H

        ′

        ´e invert´ıvel em M

        n−1

        (D), onde I

        ′

        denota a identidade em M

        n−1 (D). Mostraremos que I − A − AH ´e singular para no m´aximo

        um elemento h n ∈ H n , onde H = diag(h

        

      1

        , · · · , h n ).

        n−1,n

        ′

        

      subconjuntos de D, cada qual contendo pelo menos dois elementos. Ent˜ao para

      qualquer A ∈ M n (D), existe uma matriz diagonal H = diag(h 1

        1 cont´em

        , · · · , h n ), com h i ∈ H i

        para i = 1, · · · , n, tal que I − A − AH ´e invert´ıvel em M n (D), onde I ´e a identidade em M n

        (D).

        

      Demonstra¸c˜ao: Nossa prova ser´a por indu¸c˜ao sobre n. Primeiramente, consideremos

        o caso n = 1.

        • Se A = 0, ent˜ao I − A − AH = I para qualquer H ∈ H

        1 e a afirma¸c˜ao vale

        trivialmente.

        • Se A 6= 0, ent˜ao I − A − AH = 0 apenas se H = A

        −1

        − I. Como H

        pelo menos dois elementos, existe H ∈ H

        A

        

      1

        com H 6= A

        −1

        − I e para este H temos que I − A − AH 6= 0, isto ´e, I − A − AH ´e invert´ıvel em M n (D).

        Agora assumamos que n > 1 e que a afirma¸c˜ao vale para n − 1. Consideremos A = (a ij )

        1≤i,j≤n ∈ M n (D) e seja A

        ∈ M n−1 (D) a submatriz de A formada pelas primeiras n − 1 linhas e n − 1 colunas de A, isto ´e, A

        ′

        = (a ij )

        1≤i,j≤n−1

        .

        A =             

        48 Suponhamos que h n ∈ H n seja tal que

        I − A − AH =             

        1

        n−1

        ), · · · , a n,n−1 (1 + h

        1

        (1 + h

        1

        ) = (a n

        n−1

        v

        −1

        , · · · , v n

        v

        ′

        −1

        (v n

        )) = 0. Logo

        n−1

        ), · · · , a n,n−1 (1 + h

        1

        (1 + h

        1

        ) − v n (a n

        ′

        H

        ))(I

        − A

        − A

        =1

        − 1.

        −1

        v i )a in !

        −1

        (v n

        · v n − 1 = n X i =1

        −1

        !

        6= 0 e portanto h n = n X i =1 v i a in

        6= 0, ent˜ao n X i =1 v i a in

        v i a in (1 + h n ) = 0. Como v n

        − n X i

        ′

        e as entradas de A. O produto de v pela n-´esima coluna de I − A − AH ´e v n

        n−1

        , · · · , h

        1

        ´e determinado por h

        −1

        )

        ′

        H

        ′

        − A

        ′

        ′

        I

        1

        = (v 1 , · · · , v n−1 ). Mostraremos que, como v 6= 0, ent˜ao v n

        ′

        , · · · , v n ) com entradas em D tal que v(I − A − AH) = 0. Seja v

        1

        Ent˜ao existe um vetor n˜ao nulo v = (v

        ) 1 − a n,n (1 + h n )              seja singular.

        n−1

        ) · · · − a n,n−1 (1 + h

        1

        (1 + h

        −a n

        Suponhamos por absurdo que v n = 0. A multiplica¸c˜ao de v pelas primeiras n − 1 colunas de I −A−AH nos d´a v

        −a n−1,n (1 + h n )

        (1 + h n ) ...

        1n

        −a

        ′

        H

        ′

        − A

        ′

        − A

        ′

        6= 0.

        ′

        − A

        ′

        ′

        (I

        ′

        O produto de v pelas primeiras n − 1 colunas de I − A − AH ´e v

        = 0 e portanto v = 0, uma contradi¸c˜ao. Assim v n 6= 0.

        ′

        (D), temos que v

        n−1

        ´e invert´ıvel em M

        ′

        H

        −A

        (I

        ′

        −A

        ′

        ) = 0 e, como a matriz I

        ′

        H

        

        −A

        ′

        −A

        ′

        49

        −1 −1

        Assim, como (v n v n v ) ´e determinado por h e as entradas

        1 1

        , · · · , v n−1 , · · · , h n−1 de A, ent˜ao h n tamb´em o ´e. Portanto, I − A − AH ´e singular para no m´aximo um elemento h n n , onde H = diag(h n ). Logo, como H n cont´em mais de um

        1

        ∈ H , · · · , h elemento, podemos escolher h n n tal que H = diag(h n

        1

        ∈ H , · · · , h ) torna I −A−AH invert´ıvel em M n (D).

        Teorema 3.3.2 ([2], Teorema 1) Seja D um anel de divis˜ao com caracter´ıstica

        diferente de 2. Suponhamos que R = M n

        (D) tenha uma involu¸c˜ao que induz uma

        

      involu¸c˜ao em D diferente da identidade. Ent˜ao todo elemento unit´ario de R ´e um

      produto de dois elementos Cayley unit´arios.

        − −

        Demonstra¸c˜ao: Seja

        ´e diferente da a involu¸c˜ao induzida por ∗ em D. Ent˜ao identidade e segue da Observa¸c˜ao 3.2.3 que ∗ se enquadra no item (i) do Teorema

        3.2.1. Em virtude da Proposi¸c˜ao 3.1.5, podemos supor que existem n elementos π i ’s em D, com π i = π i 6= 0, tais que

        ∗ −1

        (a ij ) = (π i a ji π j ) para toda matriz (a ij ) ∈ R. Seja U uma matriz unit´aria de R. Como a caracter´ıstica de D ´e diferente de 2, podemos definir a matriz

        1 A = (I − U).

        2 Para i = 1, · · · , n, seja H i i

        = {π a ∈ D | a = −a}.

        −

        Como n˜ao ´e a identidade em D, existe b ∈ D tal que b = c 6= b. Assim, seja a = b − c 6= 0. Temos que a = b − c = b − c = c − b = −(b − c) = −a. i

        Como −a = −a = −(−a), π 6= 0 para todo i = 1, · · · , n e a caracter´ıstica de D ´e diferente de 2, ent˜ao π i a e π i i . Portanto

        (−a) s˜ao dois elementos distintos em H H i cont´em pelo menos dois elementos e do Lema 3.3.1 segue que existe uma matriz diagonal H = diag(h ), com h

        1 n i i

        , · · · , h ∈ H para i = 1, · · · , n, tal que I − A − AH ´e invert´ıvel em R.

        −

        Temos que H = (h ij i ) ∈ R . De fato, para cada i = 1, · · · , n, existe a ∈ D tal que a e h = π a . Assim, i i i i i

        = −a

        −1

        π i h i π i , se j = i

        ∗ −1

        (h ) = (π h π ) = ij i ji j

        −1

        π i 0π j , se j 6= i.

        50 Agora,

        −1 −1 −1 −1

        π i h i π i = π i π i a i π i = π i a i π i π i = π i i )π i π i i a i i .

        (−a = −π = −h

        ∗

        Logo (h ij ) ij ).

        = −(h Al´em disso, temos que I + H ´e invert´ıvel em R, pois

        I + H = diag(1 + h n )

        1

        , · · · , 1 + h e 1 + h i = 1 + π i a i i i e π i = π i 6= 0 para todo i = 1, · · · , n (j´a que a = −a 6= 0). Como

      1 I − A − AH = [(I + U ) − (I − U)H]

        2

        −

        com ´e invert´ıvel em R, ent˜ao (I + U ) − (I − U)H ´e invert´ıvel. Assim, como H ∈ R I + H invert´ıvel em R e U ∈ Un(R), segue da Proposi¸c˜ao 1.3.7 que U ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R.

        Trataremos agora do caso em que ∗ induz a identidade em D e portanto D ´e um corpo K. n (K), Primeiramente notemos que se K ´e um corpo e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M n (K)) ∼ = K, ent˜ao desde que Z(M ∗ induz a identidade em K se, e somente se, ∗ ´e do primeiro tipo.

        A fim de provarmos a pr´oxima proposi¸c˜ao, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.3 Sejam K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K) que fixa os ele-

        mentos de K. Ent˜ao ϕ ´e um automorfismo interno.

      Demonstra¸c˜ao: Segue dos coment´arios feitos na primeira se¸c˜ao do Cap´ıtulo 1 que

      n

        K pode ser visto como um M n (K)-m´odulo com o produto induzido tanto pela identidade (que ´e um automorfismo de M n (K)), como por ϕ. Em ambos os ca- sos conclu´ımos do Exemplo 1.1.4 que o respectivo M (K)-m´odulo ´e simples. Pela n Proposi¸c˜ao 1.1.8, esses dois M n (K)-m´odulos s˜ao isomorfos e, assim, existe um iso- n n morfismo de M n (K)-m´odulos f : K tal que

        → K n n (K). f (A · v) = ϕ(A) · f(v), para todo v ∈ K e A ∈ M Agora, como ϕ fixa os elementos de K e ϕ(I) = I, ent˜ao f (αv) = f ((αI) · v) = ϕ(αI) · f(v) = αϕ(I) · f(v) = αI · f(v) = αf(v), n

        . para todo α ∈ K e v ∈ K

        51 Assim, f ´e uma transforma¸c˜ao linear bijetiva e, portanto, existe uma matriz C n . Logo, invert´ıvel tal que f (v) = C · v, para todo v ∈ K n C · (A · v) = ϕ(A) · (C · v), n para todo v ∈ K e A ∈ M (K), o que implica que C · A = ϕ(A) · C, para toda n (K). Portanto, matriz A ∈ M

      1 I − A − AH = [(I + U ) − (I − U)H]

        2

        −

        com ´e invert´ıvel em R, ent˜ao (I + U ) − (I − U)H ´e invert´ıvel. Assim, como H ∈ R I + H invert´ıvel em R e U ∈ Un(R), segue da Proposi¸c˜ao 1.3.7 que U ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R.

        Trataremos agora do caso em que ∗ induz a identidade em D e portanto D ´e um corpo K. n (K), Primeiramente notemos que se K ´e um corpo e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M n (K)) ∼ = K, ent˜ao desde que Z(M ∗ induz a identidade em K se, e somente se, ∗ ´e do primeiro tipo.

        A fim de provarmos a pr´oxima proposi¸c˜ao, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.3 Sejam K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K) que fixa os ele-

        mentos de K. Ent˜ao ϕ ´e um automorfismo interno.

      Demonstra¸c˜ao: Segue dos coment´arios feitos na primeira se¸c˜ao do Cap´ıtulo 1 que

      n

        K pode ser visto como um M n (K)-m´odulo com o produto induzido tanto pela identidade (que ´e um automorfismo de M n (K)), como por ϕ. Em ambos os ca- sos conclu´ımos do Exemplo 1.1.4 que o respectivo M (K)-m´odulo ´e simples. Pela n Proposi¸c˜ao 1.1.8, esses dois M n (K)-m´odulos s˜ao isomorfos e, assim, existe um iso- n n morfismo de M n (K)-m´odulos f : K tal que

        → K n n (K). f (A · v) = ϕ(A) · f(v), para todo v ∈ K e A ∈ M Agora, como ϕ fixa os elementos de K e ϕ(I) = I, ent˜ao f (αv) = f ((αI) · v) = ϕ(αI) · f(v) = αϕ(I) · f(v) = αI · f(v) = αf(v), n

        . para todo α ∈ K e v ∈ K

        51 Assim, f ´e uma transforma¸c˜ao linear bijetiva e, portanto, existe uma matriz C n . Logo, invert´ıvel tal que f (v) = C · v, para todo v ∈ K n C · (A · v) = ϕ(A) · (C · v), n para todo v ∈ K e A ∈ M (K), o que implica que C · A = ϕ(A) · C, para toda n (K). Portanto, matriz A ∈ M

        −1

        , n (K), isto ´e, ϕ = Int(C). ϕ(A) = C · A · C para toda matriz A ∈ M Na pr´oxima proposi¸c˜ao e nos dois corol´arios subseq¨ uentes, estaremos considerando

        R o anel de matrizes M n (K) sobre um corpo K munido de uma involu¸c˜ao ∗ do primeiro tipo.

        ∗

        Proposi¸c˜ = det A. ao 3.3.4 ([2], Lema 4) Para todo A ∈ R temos que det A t

        

      Demonstra¸c˜ao: Sejam A a transposta da matriz A em R e ϕ a aplica¸c˜ao de R em

      t

        R tal que ϕ(A) = (A ) . Se A, B ∈ R ent˜ao, como ∗ e t s˜ao involu¸c˜oes em R, temos que ϕ ´e uma bije¸c˜ao com ϕ(A + B) = ϕ(A) + ϕ(B). Ainda, t t t t

        

      ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

        ϕ(AB) = ((AB) ) = (B A ) = (A ) (B ) = ϕ(A)ϕ(B). Logo ϕ ´e um automorfismo de R. Al´em disso, como ∗ e t s˜ao do primeiro tipo, ent˜ao ϕ deixa os elementos centrais de R fixados. Desta forma, ϕ ´e um automorfismo de R que fixa os elementos de K e, portanto, pelo lema anterior, existe uma matriz

        −1

        , isto ´e, invert´ıvel C ∈ R tal que, para todo A ∈ R, ϕ(A) = CAC t

        

      ∗ −1

      t t t (A ) = CAC .

        ∗ −1

        Assim, A = (C ) A C e, portanto, t t t t

        ∗ −1

        det A = (det C ) (det A )(det C ) = det A = det A.

        Corol´ ario 3.3.5 ([2], Corol´ ario 1) Se U ∈ Un(R) ent˜ao det U = ±1.

        ∗

        = 1, ent˜ao segue da proposi¸c˜ao

        Demonstra¸c˜ao: Seja U ∈ Un(R). Como UU 2 ∗

        anterior que (det U ) = (det U )(det U ) = 1 e portanto det U = ±1.

        52 Corol´ ario 3.3.6 ([2], Corol´ ario 2) Se U ∈ R ´e um produto de elementos Cayley

      1 I − A − AH = [(I + U ) − (I − U)H]

        2

        −

        com ´e invert´ıvel em R, ent˜ao (I + U ) − (I − U)H ´e invert´ıvel. Assim, como H ∈ R I + H invert´ıvel em R e U ∈ Un(R), segue da Proposi¸c˜ao 1.3.7 que U ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R.

        Trataremos agora do caso em que ∗ induz a identidade em D e portanto D ´e um corpo K. n (K), Primeiramente notemos que se K ´e um corpo e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M n (K)) ∼ = K, ent˜ao desde que Z(M ∗ induz a identidade em K se, e somente se, ∗ ´e do primeiro tipo.

        A fim de provarmos a pr´oxima proposi¸c˜ao, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.3 Sejam K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K) que fixa os ele-

        mentos de K. Ent˜ao ϕ ´e um automorfismo interno.

      Demonstra¸c˜ao: Segue dos coment´arios feitos na primeira se¸c˜ao do Cap´ıtulo 1 que

      n

        K pode ser visto como um M n (K)-m´odulo com o produto induzido tanto pela identidade (que ´e um automorfismo de M n (K)), como por ϕ. Em ambos os ca- sos conclu´ımos do Exemplo 1.1.4 que o respectivo M (K)-m´odulo ´e simples. Pela n Proposi¸c˜ao 1.1.8, esses dois M n (K)-m´odulos s˜ao isomorfos e, assim, existe um iso- n n morfismo de M n (K)-m´odulos f : K tal que

        → K n n (K). f (A · v) = ϕ(A) · f(v), para todo v ∈ K e A ∈ M Agora, como ϕ fixa os elementos de K e ϕ(I) = I, ent˜ao f (αv) = f ((αI) · v) = ϕ(αI) · f(v) = αϕ(I) · f(v) = αI · f(v) = αf(v), n

        . para todo α ∈ K e v ∈ K

        51 Assim, f ´e uma transforma¸c˜ao linear bijetiva e, portanto, existe uma matriz C n . Logo, invert´ıvel tal que f (v) = C · v, para todo v ∈ K n C · (A · v) = ϕ(A) · (C · v), n para todo v ∈ K e A ∈ M (K), o que implica que C · A = ϕ(A) · C, para toda n (K). Portanto, matriz A ∈ M

        −1

        , n (K), isto ´e, ϕ = Int(C). ϕ(A) = C · A · C para toda matriz A ∈ M Na pr´oxima proposi¸c˜ao e nos dois corol´arios subseq¨ uentes, estaremos considerando

        R o anel de matrizes M n (K) sobre um corpo K munido de uma involu¸c˜ao ∗ do primeiro tipo.

        ∗

        Proposi¸c˜ = det A. ao 3.3.4 ([2], Lema 4) Para todo A ∈ R temos que det A t

        

      Demonstra¸c˜ao: Sejam A a transposta da matriz A em R e ϕ a aplica¸c˜ao de R em

      t

        R tal que ϕ(A) = (A ) . Se A, B ∈ R ent˜ao, como ∗ e t s˜ao involu¸c˜oes em R, temos que ϕ ´e uma bije¸c˜ao com ϕ(A + B) = ϕ(A) + ϕ(B). Ainda, t t t t

        

      ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

        ϕ(AB) = ((AB) ) = (B A ) = (A ) (B ) = ϕ(A)ϕ(B). Logo ϕ ´e um automorfismo de R. Al´em disso, como ∗ e t s˜ao do primeiro tipo, ent˜ao ϕ deixa os elementos centrais de R fixados. Desta forma, ϕ ´e um automorfismo de R que fixa os elementos de K e, portanto, pelo lema anterior, existe uma matriz

        −1

        , isto ´e, invert´ıvel C ∈ R tal que, para todo A ∈ R, ϕ(A) = CAC t

        

      ∗ −1

      t t t (A ) = CAC .

        ∗ −1

        Assim, A = (C ) A C e, portanto, t t t t

        ∗ −1

        det A = (det C ) (det A )(det C ) = det A = det A.

        Corol´ ario 3.3.5 ([2], Corol´ ario 1) Se U ∈ Un(R) ent˜ao det U = ±1.

        ∗

        = 1, ent˜ao segue da proposi¸c˜ao

        Demonstra¸c˜ao: Seja U ∈ Un(R). Como UU 2 ∗

        anterior que (det U ) = (det U )(det U ) = 1 e portanto det U = ±1.

        52 Corol´ ario 3.3.6 ([2], Corol´ ario 2) Se U ∈ R ´e um produto de elementos Cayley

        unit´arios ent˜ao det U = 1. C −1

        Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que V ∈ Un (R), digamos V = (I − H)(I + H) −

        ∗

        , usando a para algum H ∈ R com I + H invert´ıvel em R. Desde que H = −H Proposi¸c˜ao 3.3.4, obtemos

        −1 ∗ −1

        det V ]

        = [det(I − H)][det(I + H)] = [det(I − H)][det(I − H)

        −1

        = 1. = [det(I − H)][det(I − H)]

        Assim, todo elemento Cayley unit´ario de R possui determinante 1. Se U = U r ,

        1 C

        · · · U com U i ∈ Un (R) para i = 1, · · · , r, ent˜ao det U = (det U 1 r ) = 1.

        ) · · · (det U O corol´ario anterior nos permite concluir que se ∗ ´e uma involu¸c˜ao do primeiro tipo em M n (K), ent˜ao apenas as matrizes unit´arias de determinante 1 podem ser expressas como um produto de elementos Cayley unit´arios. O pr´oximo exemplo mostra que nem toda matriz unit´aria de determinante 1 pode ser assim expressa. Exemplo 3.3.7 Matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao pode ser expressa como

        um produto de elementos Cayley unit´arios

        (K) com uma

        2

        Sejam K = {−1, 0, 1} um corpo com trˆes elementos e R = M involu¸c˜ao ∗ definida por

        ∗

        a b a −c

        = . c d d

        −b α Os elementos anti-sim´etricos de R s˜ao todos da forma α , onde α ∈ K. Logo 0 0 0 1

        −1

        −

        R = , , · 0 0 1 0

        −1

        −

        O ´ unico elemento de R com a propriedade de ser invert´ıvel quando somado `a

        1

        identidade ´e . Logo, ´e o ´ unico elemento Cayley unit´ario de R.

        1 −1

        Agora, ∈ Un(R) n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de

        −1

        R, embora tenha determinante 1.

        53 Na verdade, este ´e o ´ unico exemplo de matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios, conforme garante o seguinte resultado de C. Chuang e P. Lee.

      1 I − A − AH = [(I + U ) − (I − U)H]

        2

        −

        com ´e invert´ıvel em R, ent˜ao (I + U ) − (I − U)H ´e invert´ıvel. Assim, como H ∈ R I + H invert´ıvel em R e U ∈ Un(R), segue da Proposi¸c˜ao 1.3.7 que U ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R.

        Trataremos agora do caso em que ∗ induz a identidade em D e portanto D ´e um corpo K. n (K), Primeiramente notemos que se K ´e um corpo e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M n (K)) ∼ = K, ent˜ao desde que Z(M ∗ induz a identidade em K se, e somente se, ∗ ´e do primeiro tipo.

        A fim de provarmos a pr´oxima proposi¸c˜ao, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.3 Sejam K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K) que fixa os ele-

        mentos de K. Ent˜ao ϕ ´e um automorfismo interno.

      Demonstra¸c˜ao: Segue dos coment´arios feitos na primeira se¸c˜ao do Cap´ıtulo 1 que

      n

        K pode ser visto como um M n (K)-m´odulo com o produto induzido tanto pela identidade (que ´e um automorfismo de M n (K)), como por ϕ. Em ambos os ca- sos conclu´ımos do Exemplo 1.1.4 que o respectivo M (K)-m´odulo ´e simples. Pela n Proposi¸c˜ao 1.1.8, esses dois M n (K)-m´odulos s˜ao isomorfos e, assim, existe um iso- n n morfismo de M n (K)-m´odulos f : K tal que

        → K n n (K). f (A · v) = ϕ(A) · f(v), para todo v ∈ K e A ∈ M Agora, como ϕ fixa os elementos de K e ϕ(I) = I, ent˜ao f (αv) = f ((αI) · v) = ϕ(αI) · f(v) = αϕ(I) · f(v) = αI · f(v) = αf(v), n

        . para todo α ∈ K e v ∈ K

        51 Assim, f ´e uma transforma¸c˜ao linear bijetiva e, portanto, existe uma matriz C n . Logo, invert´ıvel tal que f (v) = C · v, para todo v ∈ K n C · (A · v) = ϕ(A) · (C · v), n para todo v ∈ K e A ∈ M (K), o que implica que C · A = ϕ(A) · C, para toda n (K). Portanto, matriz A ∈ M

        −1

        , n (K), isto ´e, ϕ = Int(C). ϕ(A) = C · A · C para toda matriz A ∈ M Na pr´oxima proposi¸c˜ao e nos dois corol´arios subseq¨ uentes, estaremos considerando

        R o anel de matrizes M n (K) sobre um corpo K munido de uma involu¸c˜ao ∗ do primeiro tipo.

        ∗

        Proposi¸c˜ = det A. ao 3.3.4 ([2], Lema 4) Para todo A ∈ R temos que det A t

        

      Demonstra¸c˜ao: Sejam A a transposta da matriz A em R e ϕ a aplica¸c˜ao de R em

      t

        R tal que ϕ(A) = (A ) . Se A, B ∈ R ent˜ao, como ∗ e t s˜ao involu¸c˜oes em R, temos que ϕ ´e uma bije¸c˜ao com ϕ(A + B) = ϕ(A) + ϕ(B). Ainda, t t t t

        

      ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

        ϕ(AB) = ((AB) ) = (B A ) = (A ) (B ) = ϕ(A)ϕ(B). Logo ϕ ´e um automorfismo de R. Al´em disso, como ∗ e t s˜ao do primeiro tipo, ent˜ao ϕ deixa os elementos centrais de R fixados. Desta forma, ϕ ´e um automorfismo de R que fixa os elementos de K e, portanto, pelo lema anterior, existe uma matriz

        −1

        , isto ´e, invert´ıvel C ∈ R tal que, para todo A ∈ R, ϕ(A) = CAC t

        

      ∗ −1

      t t t (A ) = CAC .

        ∗ −1

        Assim, A = (C ) A C e, portanto, t t t t

        ∗ −1

        det A = (det C ) (det A )(det C ) = det A = det A.

        Corol´ ario 3.3.5 ([2], Corol´ ario 1) Se U ∈ Un(R) ent˜ao det U = ±1.

        ∗

        = 1, ent˜ao segue da proposi¸c˜ao

        Demonstra¸c˜ao: Seja U ∈ Un(R). Como UU 2 ∗

        anterior que (det U ) = (det U )(det U ) = 1 e portanto det U = ±1.

        52 Corol´ ario 3.3.6 ([2], Corol´ ario 2) Se U ∈ R ´e um produto de elementos Cayley

        unit´arios ent˜ao det U = 1. C −1

        Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que V ∈ Un (R), digamos V = (I − H)(I + H) −

        ∗

        , usando a para algum H ∈ R com I + H invert´ıvel em R. Desde que H = −H Proposi¸c˜ao 3.3.4, obtemos

        −1 ∗ −1

        det V ]

        = [det(I − H)][det(I + H)] = [det(I − H)][det(I − H)

        −1

        = 1. = [det(I − H)][det(I − H)]

        Assim, todo elemento Cayley unit´ario de R possui determinante 1. Se U = U r ,

        1 C

        · · · U com U i ∈ Un (R) para i = 1, · · · , r, ent˜ao det U = (det U 1 r ) = 1.

        ) · · · (det U O corol´ario anterior nos permite concluir que se ∗ ´e uma involu¸c˜ao do primeiro tipo em M n (K), ent˜ao apenas as matrizes unit´arias de determinante 1 podem ser expressas como um produto de elementos Cayley unit´arios. O pr´oximo exemplo mostra que nem toda matriz unit´aria de determinante 1 pode ser assim expressa. Exemplo 3.3.7 Matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao pode ser expressa como

        um produto de elementos Cayley unit´arios

        (K) com uma

        2

        Sejam K = {−1, 0, 1} um corpo com trˆes elementos e R = M involu¸c˜ao ∗ definida por

        ∗

        a b a −c

        = . c d d

        −b α Os elementos anti-sim´etricos de R s˜ao todos da forma α , onde α ∈ K. Logo 0 0 0 1

        −1

        −

        R = , , · 0 0 1 0

        −1

        −

        O ´ unico elemento de R com a propriedade de ser invert´ıvel quando somado `a

        1

        identidade ´e . Logo, ´e o ´ unico elemento Cayley unit´ario de R.

        1 −1

        Agora, ∈ Un(R) n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de

        −1

        R, embora tenha determinante 1.

        53 Na verdade, este ´e o ´ unico exemplo de matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios, conforme garante o seguinte resultado de C. Chuang e P. Lee.

        Teorema 3.3.8 ([2], Teorema 2) Seja K um corpo de caracter´ıstica diferente de

        2. Suponhamos que R = M n (K) tenha uma involu¸c˜ao do primeiro tipo. Ent˜ao

        

      qualquer elemento unit´ario de R com determinante 1 ´e um produto de dois elementos

      Cayley unit´arios, exceto quando K ´e um corpo com trˆes elementos, n = 2 e ´e a

      a b a ∗ −c involu¸c˜ao dada por = . c d d

        −b

        Exemplo 3.3.9 Elementos Cayley unit´arios de M (K)

        2

        Sejam K um corpo de caracter´ıstica diferente de 2 e ∗ a involu¸c˜ao transposta em R = M 2 (K), isto ´e,

        ∗

        a b a c =

        · c d b d Ent˜ao

        α

        −

        R = ,

        1 2

        ; α ∈ K e Un(R) = A ∪ A −α 0 onde a b a b

        2 2 2 2

        = ; a + b = 1 = ; a + b

        1 2

        A e A = −1 · −b a b −a

        2

        Seja α ∈ K tal que 1 + α 6= 0. O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α H = ´e

        −α −1

        1 0 α 1 0 α

      • U =

        [H]

        − 0 1 0 1 −α 0 −α 0

        

      −1

        1 1 α 1 −α 1 −α 1 −α

        = =

        2

        α 1 α 1 α 1 1 + α −α 1

        2

        1 1 − α −2α =

        

      2 ·

        2

        2α 1 + α 1 − α

        Logo

        

      2

      C

        1

        2

        1 − α −2α (R) = ; 1 + α

        Un 2 6= 0 ·

        2

        2α 1 + α 1 − α

        Segue do Corol´ario 3.3.6 que os elementos de Un(R) que s˜ao produtos de Cayley e do Teorema 3.3.8 conclu´ımos que, na verdade,

        1

        unit´arios est˜ao todos contidos em A s˜ao produtos de dois elementos Cayley unit´arios.

        1

        todos os elementos de A

        54 a b

      1 I − A − AH = [(I + U ) − (I − U)H]

        2

        −

        com ´e invert´ıvel em R, ent˜ao (I + U ) − (I − U)H ´e invert´ıvel. Assim, como H ∈ R I + H invert´ıvel em R e U ∈ Un(R), segue da Proposi¸c˜ao 1.3.7 que U ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R.

        Trataremos agora do caso em que ∗ induz a identidade em D e portanto D ´e um corpo K. n (K), Primeiramente notemos que se K ´e um corpo e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M n (K)) ∼ = K, ent˜ao desde que Z(M ∗ induz a identidade em K se, e somente se, ∗ ´e do primeiro tipo.

        A fim de provarmos a pr´oxima proposi¸c˜ao, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.3 Sejam K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K) que fixa os ele-

        mentos de K. Ent˜ao ϕ ´e um automorfismo interno.

      Demonstra¸c˜ao: Segue dos coment´arios feitos na primeira se¸c˜ao do Cap´ıtulo 1 que

      n

        K pode ser visto como um M n (K)-m´odulo com o produto induzido tanto pela identidade (que ´e um automorfismo de M n (K)), como por ϕ. Em ambos os ca- sos conclu´ımos do Exemplo 1.1.4 que o respectivo M (K)-m´odulo ´e simples. Pela n Proposi¸c˜ao 1.1.8, esses dois M n (K)-m´odulos s˜ao isomorfos e, assim, existe um iso- n n morfismo de M n (K)-m´odulos f : K tal que

        → K n n (K). f (A · v) = ϕ(A) · f(v), para todo v ∈ K e A ∈ M Agora, como ϕ fixa os elementos de K e ϕ(I) = I, ent˜ao f (αv) = f ((αI) · v) = ϕ(αI) · f(v) = αϕ(I) · f(v) = αI · f(v) = αf(v), n

        . para todo α ∈ K e v ∈ K

        51 Assim, f ´e uma transforma¸c˜ao linear bijetiva e, portanto, existe uma matriz C n . Logo, invert´ıvel tal que f (v) = C · v, para todo v ∈ K n C · (A · v) = ϕ(A) · (C · v), n para todo v ∈ K e A ∈ M (K), o que implica que C · A = ϕ(A) · C, para toda n (K). Portanto, matriz A ∈ M

        −1

        , n (K), isto ´e, ϕ = Int(C). ϕ(A) = C · A · C para toda matriz A ∈ M Na pr´oxima proposi¸c˜ao e nos dois corol´arios subseq¨ uentes, estaremos considerando

        R o anel de matrizes M n (K) sobre um corpo K munido de uma involu¸c˜ao ∗ do primeiro tipo.

        ∗

        Proposi¸c˜ = det A. ao 3.3.4 ([2], Lema 4) Para todo A ∈ R temos que det A t

        

      Demonstra¸c˜ao: Sejam A a transposta da matriz A em R e ϕ a aplica¸c˜ao de R em

      t

        R tal que ϕ(A) = (A ) . Se A, B ∈ R ent˜ao, como ∗ e t s˜ao involu¸c˜oes em R, temos que ϕ ´e uma bije¸c˜ao com ϕ(A + B) = ϕ(A) + ϕ(B). Ainda, t t t t

        

      ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

        ϕ(AB) = ((AB) ) = (B A ) = (A ) (B ) = ϕ(A)ϕ(B). Logo ϕ ´e um automorfismo de R. Al´em disso, como ∗ e t s˜ao do primeiro tipo, ent˜ao ϕ deixa os elementos centrais de R fixados. Desta forma, ϕ ´e um automorfismo de R que fixa os elementos de K e, portanto, pelo lema anterior, existe uma matriz

        −1

        , isto ´e, invert´ıvel C ∈ R tal que, para todo A ∈ R, ϕ(A) = CAC t

        

      ∗ −1

      t t t (A ) = CAC .

        ∗ −1

        Assim, A = (C ) A C e, portanto, t t t t

        ∗ −1

        det A = (det C ) (det A )(det C ) = det A = det A.

        Corol´ ario 3.3.5 ([2], Corol´ ario 1) Se U ∈ Un(R) ent˜ao det U = ±1.

        ∗

        = 1, ent˜ao segue da proposi¸c˜ao

        Demonstra¸c˜ao: Seja U ∈ Un(R). Como UU 2 ∗

        anterior que (det U ) = (det U )(det U ) = 1 e portanto det U = ±1.

        52 Corol´ ario 3.3.6 ([2], Corol´ ario 2) Se U ∈ R ´e um produto de elementos Cayley

        unit´arios ent˜ao det U = 1. C −1

        Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que V ∈ Un (R), digamos V = (I − H)(I + H) −

        ∗

        , usando a para algum H ∈ R com I + H invert´ıvel em R. Desde que H = −H Proposi¸c˜ao 3.3.4, obtemos

        −1 ∗ −1

        det V ]

        = [det(I − H)][det(I + H)] = [det(I − H)][det(I − H)

        −1

        = 1. = [det(I − H)][det(I − H)]

        Assim, todo elemento Cayley unit´ario de R possui determinante 1. Se U = U r ,

        1 C

        · · · U com U i ∈ Un (R) para i = 1, · · · , r, ent˜ao det U = (det U 1 r ) = 1.

        ) · · · (det U O corol´ario anterior nos permite concluir que se ∗ ´e uma involu¸c˜ao do primeiro tipo em M n (K), ent˜ao apenas as matrizes unit´arias de determinante 1 podem ser expressas como um produto de elementos Cayley unit´arios. O pr´oximo exemplo mostra que nem toda matriz unit´aria de determinante 1 pode ser assim expressa. Exemplo 3.3.7 Matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao pode ser expressa como

        um produto de elementos Cayley unit´arios

        (K) com uma

        2

        Sejam K = {−1, 0, 1} um corpo com trˆes elementos e R = M involu¸c˜ao ∗ definida por

        ∗

        a b a −c

        = . c d d

        −b α Os elementos anti-sim´etricos de R s˜ao todos da forma α , onde α ∈ K. Logo 0 0 0 1

        −1

        −

        R = , , · 0 0 1 0

        −1

        −

        O ´ unico elemento de R com a propriedade de ser invert´ıvel quando somado `a

        1

        identidade ´e . Logo, ´e o ´ unico elemento Cayley unit´ario de R.

        1 −1

        Agora, ∈ Un(R) n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de

        −1

        R, embora tenha determinante 1.

        53 Na verdade, este ´e o ´ unico exemplo de matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios, conforme garante o seguinte resultado de C. Chuang e P. Lee.

        Teorema 3.3.8 ([2], Teorema 2) Seja K um corpo de caracter´ıstica diferente de

        2. Suponhamos que R = M n (K) tenha uma involu¸c˜ao do primeiro tipo. Ent˜ao

        

      qualquer elemento unit´ario de R com determinante 1 ´e um produto de dois elementos

      Cayley unit´arios, exceto quando K ´e um corpo com trˆes elementos, n = 2 e ´e a

      a b a ∗ −c involu¸c˜ao dada por = . c d d

        −b

        Exemplo 3.3.9 Elementos Cayley unit´arios de M (K)

        2

        Sejam K um corpo de caracter´ıstica diferente de 2 e ∗ a involu¸c˜ao transposta em R = M 2 (K), isto ´e,

        ∗

        a b a c =

        · c d b d Ent˜ao

        α

        −

        R = ,

        1 2

        ; α ∈ K e Un(R) = A ∪ A −α 0 onde a b a b

        2 2 2 2

        = ; a + b = 1 = ; a + b

        1 2

        A e A = −1 · −b a b −a

        2

        Seja α ∈ K tal que 1 + α 6= 0. O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α H = ´e

        −α −1

        1 0 α 1 0 α

      • U =

        [H]

        − 0 1 0 1 −α 0 −α 0

        

      −1

        1 1 α 1 −α 1 −α 1 −α

        = =

        2

        α 1 α 1 α 1 1 + α −α 1

        2

        1 1 − α −2α =

        

      2 ·

        2

        2α 1 + α 1 − α

        Logo

        

      2

      C

        1

        2

        1 − α −2α (R) = ; 1 + α

        Un 2 6= 0 ·

        2

        2α 1 + α 1 − α

        Segue do Corol´ario 3.3.6 que os elementos de Un(R) que s˜ao produtos de Cayley e do Teorema 3.3.8 conclu´ımos que, na verdade,

        1

        unit´arios est˜ao todos contidos em A s˜ao produtos de dois elementos Cayley unit´arios.

        1

        todos os elementos de A

        54 a b

        Se A = 1 , ent˜ao A = U [H] U [H ] , com a ∈ A

        −b

         a

        1 −

        

        ′ 1−b

         H = e H = , a se b 6= 1    −1 0

        1−b a

           0 −1 1+b

        ′

         H = e H = ,

         a se b 6= −1.

        1 −

        1+b

        De fato, se b 6= 1, ent˜ao

        2 2

        1 0 −1 (1 − b) − a 2a(1 − b) U = e U =

        [H] [H ] 2 2 ·

      2 2

        1

      • a
      • a

        −2a(1 − b) (1 − b) (1 − b)

        2 2 2 2 2 2

        Como a + b

      • a = 1, ent˜ao (1 − b) − a = −2b(1 − b) e (1 − b) = 2(1 − b). Logo a
      • −b U = e, portanto,

          [H ] −a −b

          a a b 0 −1 −b U U = = = A.

          [H] [H ]

          1 −a −b −b a

          Analogamente temos o caso em que b 6= −1.

          55 Considera¸c˜ oes Finais

        1 I − A − AH = [(I + U ) − (I − U)H]

          2

          −

          com ´e invert´ıvel em R, ent˜ao (I + U ) − (I − U)H ´e invert´ıvel. Assim, como H ∈ R I + H invert´ıvel em R e U ∈ Un(R), segue da Proposi¸c˜ao 1.3.7 que U ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R.

          Trataremos agora do caso em que ∗ induz a identidade em D e portanto D ´e um corpo K. n (K), Primeiramente notemos que se K ´e um corpo e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M n (K)) ∼ = K, ent˜ao desde que Z(M ∗ induz a identidade em K se, e somente se, ∗ ´e do primeiro tipo.

          A fim de provarmos a pr´oxima proposi¸c˜ao, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.3 Sejam K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K) que fixa os ele-

          mentos de K. Ent˜ao ϕ ´e um automorfismo interno.

        Demonstra¸c˜ao: Segue dos coment´arios feitos na primeira se¸c˜ao do Cap´ıtulo 1 que

        n

          K pode ser visto como um M n (K)-m´odulo com o produto induzido tanto pela identidade (que ´e um automorfismo de M n (K)), como por ϕ. Em ambos os ca- sos conclu´ımos do Exemplo 1.1.4 que o respectivo M (K)-m´odulo ´e simples. Pela n Proposi¸c˜ao 1.1.8, esses dois M n (K)-m´odulos s˜ao isomorfos e, assim, existe um iso- n n morfismo de M n (K)-m´odulos f : K tal que

          → K n n (K). f (A · v) = ϕ(A) · f(v), para todo v ∈ K e A ∈ M Agora, como ϕ fixa os elementos de K e ϕ(I) = I, ent˜ao f (αv) = f ((αI) · v) = ϕ(αI) · f(v) = αϕ(I) · f(v) = αI · f(v) = αf(v), n

          . para todo α ∈ K e v ∈ K

          51 Assim, f ´e uma transforma¸c˜ao linear bijetiva e, portanto, existe uma matriz C n . Logo, invert´ıvel tal que f (v) = C · v, para todo v ∈ K n C · (A · v) = ϕ(A) · (C · v), n para todo v ∈ K e A ∈ M (K), o que implica que C · A = ϕ(A) · C, para toda n (K). Portanto, matriz A ∈ M

          −1

          , n (K), isto ´e, ϕ = Int(C). ϕ(A) = C · A · C para toda matriz A ∈ M Na pr´oxima proposi¸c˜ao e nos dois corol´arios subseq¨ uentes, estaremos considerando

          R o anel de matrizes M n (K) sobre um corpo K munido de uma involu¸c˜ao ∗ do primeiro tipo.

          ∗

          Proposi¸c˜ = det A. ao 3.3.4 ([2], Lema 4) Para todo A ∈ R temos que det A t

          

        Demonstra¸c˜ao: Sejam A a transposta da matriz A em R e ϕ a aplica¸c˜ao de R em

        t

          R tal que ϕ(A) = (A ) . Se A, B ∈ R ent˜ao, como ∗ e t s˜ao involu¸c˜oes em R, temos que ϕ ´e uma bije¸c˜ao com ϕ(A + B) = ϕ(A) + ϕ(B). Ainda, t t t t

          

        ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

          ϕ(AB) = ((AB) ) = (B A ) = (A ) (B ) = ϕ(A)ϕ(B). Logo ϕ ´e um automorfismo de R. Al´em disso, como ∗ e t s˜ao do primeiro tipo, ent˜ao ϕ deixa os elementos centrais de R fixados. Desta forma, ϕ ´e um automorfismo de R que fixa os elementos de K e, portanto, pelo lema anterior, existe uma matriz

          −1

          , isto ´e, invert´ıvel C ∈ R tal que, para todo A ∈ R, ϕ(A) = CAC t

          

        ∗ −1

        t t t (A ) = CAC .

          ∗ −1

          Assim, A = (C ) A C e, portanto, t t t t

          ∗ −1

          det A = (det C ) (det A )(det C ) = det A = det A.

          Corol´ ario 3.3.5 ([2], Corol´ ario 1) Se U ∈ Un(R) ent˜ao det U = ±1.

          ∗

          = 1, ent˜ao segue da proposi¸c˜ao

          Demonstra¸c˜ao: Seja U ∈ Un(R). Como UU 2 ∗

          anterior que (det U ) = (det U )(det U ) = 1 e portanto det U = ±1.

          52 Corol´ ario 3.3.6 ([2], Corol´ ario 2) Se U ∈ R ´e um produto de elementos Cayley

          unit´arios ent˜ao det U = 1. C −1

          Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que V ∈ Un (R), digamos V = (I − H)(I + H) −

          ∗

          , usando a para algum H ∈ R com I + H invert´ıvel em R. Desde que H = −H Proposi¸c˜ao 3.3.4, obtemos

          −1 ∗ −1

          det V ]

          = [det(I − H)][det(I + H)] = [det(I − H)][det(I − H)

          −1

          = 1. = [det(I − H)][det(I − H)]

          Assim, todo elemento Cayley unit´ario de R possui determinante 1. Se U = U r ,

          1 C

          · · · U com U i ∈ Un (R) para i = 1, · · · , r, ent˜ao det U = (det U 1 r ) = 1.

          ) · · · (det U O corol´ario anterior nos permite concluir que se ∗ ´e uma involu¸c˜ao do primeiro tipo em M n (K), ent˜ao apenas as matrizes unit´arias de determinante 1 podem ser expressas como um produto de elementos Cayley unit´arios. O pr´oximo exemplo mostra que nem toda matriz unit´aria de determinante 1 pode ser assim expressa. Exemplo 3.3.7 Matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao pode ser expressa como

          um produto de elementos Cayley unit´arios

          (K) com uma

          2

          Sejam K = {−1, 0, 1} um corpo com trˆes elementos e R = M involu¸c˜ao ∗ definida por

          ∗

          a b a −c

          = . c d d

          −b α Os elementos anti-sim´etricos de R s˜ao todos da forma α , onde α ∈ K. Logo 0 0 0 1

          −1

          −

          R = , , · 0 0 1 0

          −1

          −

          O ´ unico elemento de R com a propriedade de ser invert´ıvel quando somado `a

          1

          identidade ´e . Logo, ´e o ´ unico elemento Cayley unit´ario de R.

          1 −1

          Agora, ∈ Un(R) n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de

          −1

          R, embora tenha determinante 1.

          53 Na verdade, este ´e o ´ unico exemplo de matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios, conforme garante o seguinte resultado de C. Chuang e P. Lee.

          Teorema 3.3.8 ([2], Teorema 2) Seja K um corpo de caracter´ıstica diferente de

          2. Suponhamos que R = M n (K) tenha uma involu¸c˜ao do primeiro tipo. Ent˜ao

          

        qualquer elemento unit´ario de R com determinante 1 ´e um produto de dois elementos

        Cayley unit´arios, exceto quando K ´e um corpo com trˆes elementos, n = 2 e ´e a

        a b a ∗ −c involu¸c˜ao dada por = . c d d

          −b

          Exemplo 3.3.9 Elementos Cayley unit´arios de M (K)

          2

          Sejam K um corpo de caracter´ıstica diferente de 2 e ∗ a involu¸c˜ao transposta em R = M 2 (K), isto ´e,

          ∗

          a b a c =

          · c d b d Ent˜ao

          α

          −

          R = ,

          1 2

          ; α ∈ K e Un(R) = A ∪ A −α 0 onde a b a b

          2 2 2 2

          = ; a + b = 1 = ; a + b

          1 2

          A e A = −1 · −b a b −a

          2

          Seja α ∈ K tal que 1 + α 6= 0. O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α H = ´e

          −α −1

          1 0 α 1 0 α

        • U =

          [H]

          − 0 1 0 1 −α 0 −α 0

          

        −1

          1 1 α 1 −α 1 −α 1 −α

          = =

          2

          α 1 α 1 α 1 1 + α −α 1

          2

          1 1 − α −2α =

          

        2 ·

          2

          2α 1 + α 1 − α

          Logo

          

        2

        C

          1

          2

          1 − α −2α (R) = ; 1 + α

          Un 2 6= 0 ·

          2

          2α 1 + α 1 − α

          Segue do Corol´ario 3.3.6 que os elementos de Un(R) que s˜ao produtos de Cayley e do Teorema 3.3.8 conclu´ımos que, na verdade,

          1

          unit´arios est˜ao todos contidos em A s˜ao produtos de dois elementos Cayley unit´arios.

          1

          todos os elementos de A

          54 a b

          Se A = 1 , ent˜ao A = U [H] U [H ] , com a ∈ A

          −b

           a

          1 −

          

          ′ 1−b

           H = e H = , a se b 6= 1    −1 0

          1−b a

             0 −1 1+b

          ′

           H = e H = ,

           a se b 6= −1.

          1 −

          1+b

          De fato, se b 6= 1, ent˜ao

          2 2

          1 0 −1 (1 − b) − a 2a(1 − b) U = e U =

          [H] [H ] 2 2 ·

        2 2

          1

        • a
        • a

          −2a(1 − b) (1 − b) (1 − b)

          2 2 2 2 2 2

          Como a + b

        • a = 1, ent˜ao (1 − b) − a = −2b(1 − b) e (1 − b) = 2(1 − b). Logo a
        • −b U = e, portanto,

            [H ] −a −b

            a a b 0 −1 −b U U = = = A.

            [H] [H ]

            1 −a −b −b a

            Analogamente temos o caso em que b 6= −1.

            55 Considera¸c˜ oes Finais

            Considerando K uma extens˜ao real de Q, α ∈ K e x um elemento de ordem finita de um grupo G, o Teorema 2.4.1 nos permite caracterizar todos os elementos Cayley unit´arios da ´algebra de grupo KG, munida da involu¸c˜ao canˆonica, obtidos a partir

            −1

            ). Assim, quando G ´e um grupo tal de um elemento anti-sim´etrico da forma α(x−x

            −

            que o K-m´odulo KG possui um ´ unico gerador, podemos utilizar este teorema para C (KG). Essencialmente fizemos isto para K = Q caracterizar todo o conjunto Un nos Exemplos 2.4.2, 2.4.3 e 2.4.4, quando G = C , S e C , respectivamente.

            3 3 4

            Agora, para G = C

            5

            = hxi, temos que

            4 3 2 −

            KC 5 = α 1 ) + α 3 (x ) ; α 1 , α 3 (x − x − x ∈ K e assim o Teorema 2.4.1 caracteriza apenas os elementos Cayley unit´arios de KC tais

            5

            que α = 0 ou α = 0. C´alculos computacionais nos permitem concluir, conforme

            1 3 4 3 2

            visto no Exemplo 2.4.6, que existe o inverso de 1 + α ) + α (x ) em

            1 3

            (x − x − x KC para todo α , α para

            5 1 3 [k]

            ∈ K e ainda nos d˜ao o elemento Cayley unit´ario u

            4 3 2

            k = α ) + α (x ). Ou seja, caracterizamos completamente o conjunto

            1 3 C (x − x − x

            (KC ).

            5

            Un C´alculos semelhantes podem ser feitos para C

            7

            = hxi e obtemos uma express˜ao

            6 3 4 5 2

            geral para o inverso de 1 + α ) + α (x ) + α (x ) em KC em fun¸c˜ao

            1 3 5 7

            (x − x − x − x de parˆametros α , α , α

            1 3 5

            ∈ K. Isto sugere que em geral para C p

            = hxi, com p primo ´ımpar, temos que

            3 2 p−1 p−3 p−2

            1 + α ) + α (x (x )

            1 3

            (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x ´e invert´ıvel em KC . E assim, o elemento Cayley unit´ario u pode ser constru´ıdo p

            [k]

            para

            3 2 p−1 p−3 p−2

            k = α ) + α (x (x ).

            1 3

            (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x

            56

          1 I − A − AH = [(I + U ) − (I − U)H]

            2

            −

            com ´e invert´ıvel em R, ent˜ao (I + U ) − (I − U)H ´e invert´ıvel. Assim, como H ∈ R I + H invert´ıvel em R e U ∈ Un(R), segue da Proposi¸c˜ao 1.3.7 que U ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R.

            Trataremos agora do caso em que ∗ induz a identidade em D e portanto D ´e um corpo K. n (K), Primeiramente notemos que se K ´e um corpo e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M n (K)) ∼ = K, ent˜ao desde que Z(M ∗ induz a identidade em K se, e somente se, ∗ ´e do primeiro tipo.

            A fim de provarmos a pr´oxima proposi¸c˜ao, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.3 Sejam K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K) que fixa os ele-

            mentos de K. Ent˜ao ϕ ´e um automorfismo interno.

          Demonstra¸c˜ao: Segue dos coment´arios feitos na primeira se¸c˜ao do Cap´ıtulo 1 que

          n

            K pode ser visto como um M n (K)-m´odulo com o produto induzido tanto pela identidade (que ´e um automorfismo de M n (K)), como por ϕ. Em ambos os ca- sos conclu´ımos do Exemplo 1.1.4 que o respectivo M (K)-m´odulo ´e simples. Pela n Proposi¸c˜ao 1.1.8, esses dois M n (K)-m´odulos s˜ao isomorfos e, assim, existe um iso- n n morfismo de M n (K)-m´odulos f : K tal que

            → K n n (K). f (A · v) = ϕ(A) · f(v), para todo v ∈ K e A ∈ M Agora, como ϕ fixa os elementos de K e ϕ(I) = I, ent˜ao f (αv) = f ((αI) · v) = ϕ(αI) · f(v) = αϕ(I) · f(v) = αI · f(v) = αf(v), n

            . para todo α ∈ K e v ∈ K

            51 Assim, f ´e uma transforma¸c˜ao linear bijetiva e, portanto, existe uma matriz C n . Logo, invert´ıvel tal que f (v) = C · v, para todo v ∈ K n C · (A · v) = ϕ(A) · (C · v), n para todo v ∈ K e A ∈ M (K), o que implica que C · A = ϕ(A) · C, para toda n (K). Portanto, matriz A ∈ M

            −1

            , n (K), isto ´e, ϕ = Int(C). ϕ(A) = C · A · C para toda matriz A ∈ M Na pr´oxima proposi¸c˜ao e nos dois corol´arios subseq¨ uentes, estaremos considerando

            R o anel de matrizes M n (K) sobre um corpo K munido de uma involu¸c˜ao ∗ do primeiro tipo.

            ∗

            Proposi¸c˜ = det A. ao 3.3.4 ([2], Lema 4) Para todo A ∈ R temos que det A t

            

          Demonstra¸c˜ao: Sejam A a transposta da matriz A em R e ϕ a aplica¸c˜ao de R em

          t

            R tal que ϕ(A) = (A ) . Se A, B ∈ R ent˜ao, como ∗ e t s˜ao involu¸c˜oes em R, temos que ϕ ´e uma bije¸c˜ao com ϕ(A + B) = ϕ(A) + ϕ(B). Ainda, t t t t

            

          ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

            ϕ(AB) = ((AB) ) = (B A ) = (A ) (B ) = ϕ(A)ϕ(B). Logo ϕ ´e um automorfismo de R. Al´em disso, como ∗ e t s˜ao do primeiro tipo, ent˜ao ϕ deixa os elementos centrais de R fixados. Desta forma, ϕ ´e um automorfismo de R que fixa os elementos de K e, portanto, pelo lema anterior, existe uma matriz

            −1

            , isto ´e, invert´ıvel C ∈ R tal que, para todo A ∈ R, ϕ(A) = CAC t

            

          ∗ −1

          t t t (A ) = CAC .

            ∗ −1

            Assim, A = (C ) A C e, portanto, t t t t

            ∗ −1

            det A = (det C ) (det A )(det C ) = det A = det A.

            Corol´ ario 3.3.5 ([2], Corol´ ario 1) Se U ∈ Un(R) ent˜ao det U = ±1.

            ∗

            = 1, ent˜ao segue da proposi¸c˜ao

            Demonstra¸c˜ao: Seja U ∈ Un(R). Como UU 2 ∗

            anterior que (det U ) = (det U )(det U ) = 1 e portanto det U = ±1.

            52 Corol´ ario 3.3.6 ([2], Corol´ ario 2) Se U ∈ R ´e um produto de elementos Cayley

            unit´arios ent˜ao det U = 1. C −1

            Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que V ∈ Un (R), digamos V = (I − H)(I + H) −

            ∗

            , usando a para algum H ∈ R com I + H invert´ıvel em R. Desde que H = −H Proposi¸c˜ao 3.3.4, obtemos

            −1 ∗ −1

            det V ]

            = [det(I − H)][det(I + H)] = [det(I − H)][det(I − H)

            −1

            = 1. = [det(I − H)][det(I − H)]

            Assim, todo elemento Cayley unit´ario de R possui determinante 1. Se U = U r ,

            1 C

            · · · U com U i ∈ Un (R) para i = 1, · · · , r, ent˜ao det U = (det U 1 r ) = 1.

            ) · · · (det U O corol´ario anterior nos permite concluir que se ∗ ´e uma involu¸c˜ao do primeiro tipo em M n (K), ent˜ao apenas as matrizes unit´arias de determinante 1 podem ser expressas como um produto de elementos Cayley unit´arios. O pr´oximo exemplo mostra que nem toda matriz unit´aria de determinante 1 pode ser assim expressa. Exemplo 3.3.7 Matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao pode ser expressa como

            um produto de elementos Cayley unit´arios

            (K) com uma

            2

            Sejam K = {−1, 0, 1} um corpo com trˆes elementos e R = M involu¸c˜ao ∗ definida por

            ∗

            a b a −c

            = . c d d

            −b α Os elementos anti-sim´etricos de R s˜ao todos da forma α , onde α ∈ K. Logo 0 0 0 1

            −1

            −

            R = , , · 0 0 1 0

            −1

            −

            O ´ unico elemento de R com a propriedade de ser invert´ıvel quando somado `a

            1

            identidade ´e . Logo, ´e o ´ unico elemento Cayley unit´ario de R.

            1 −1

            Agora, ∈ Un(R) n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de

            −1

            R, embora tenha determinante 1.

            53 Na verdade, este ´e o ´ unico exemplo de matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios, conforme garante o seguinte resultado de C. Chuang e P. Lee.

            Teorema 3.3.8 ([2], Teorema 2) Seja K um corpo de caracter´ıstica diferente de

            2. Suponhamos que R = M n (K) tenha uma involu¸c˜ao do primeiro tipo. Ent˜ao

            

          qualquer elemento unit´ario de R com determinante 1 ´e um produto de dois elementos

          Cayley unit´arios, exceto quando K ´e um corpo com trˆes elementos, n = 2 e ´e a

          a b a ∗ −c involu¸c˜ao dada por = . c d d

            −b

            Exemplo 3.3.9 Elementos Cayley unit´arios de M (K)

            2

            Sejam K um corpo de caracter´ıstica diferente de 2 e ∗ a involu¸c˜ao transposta em R = M 2 (K), isto ´e,

            ∗

            a b a c =

            · c d b d Ent˜ao

            α

            −

            R = ,

            1 2

            ; α ∈ K e Un(R) = A ∪ A −α 0 onde a b a b

            2 2 2 2

            = ; a + b = 1 = ; a + b

            1 2

            A e A = −1 · −b a b −a

            2

            Seja α ∈ K tal que 1 + α 6= 0. O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α H = ´e

            −α −1

            1 0 α 1 0 α

          • U =

            [H]

            − 0 1 0 1 −α 0 −α 0

            

          −1

            1 1 α 1 −α 1 −α 1 −α

            = =

            2

            α 1 α 1 α 1 1 + α −α 1

            2

            1 1 − α −2α =

            

          2 ·

            2

            2α 1 + α 1 − α

            Logo

            

          2

          C

            1

            2

            1 − α −2α (R) = ; 1 + α

            Un 2 6= 0 ·

            2

            2α 1 + α 1 − α

            Segue do Corol´ario 3.3.6 que os elementos de Un(R) que s˜ao produtos de Cayley e do Teorema 3.3.8 conclu´ımos que, na verdade,

            1

            unit´arios est˜ao todos contidos em A s˜ao produtos de dois elementos Cayley unit´arios.

            1

            todos os elementos de A

            54 a b

            Se A = 1 , ent˜ao A = U [H] U [H ] , com a ∈ A

            −b

             a

            1 −

            

            ′ 1−b

             H = e H = , a se b 6= 1    −1 0

            1−b a

               0 −1 1+b

            ′

             H = e H = ,

             a se b 6= −1.

            1 −

            1+b

            De fato, se b 6= 1, ent˜ao

            2 2

            1 0 −1 (1 − b) − a 2a(1 − b) U = e U =

            [H] [H ] 2 2 ·

          2 2

            1

          • a
          • a

            −2a(1 − b) (1 − b) (1 − b)

            2 2 2 2 2 2

            Como a + b

          • a = 1, ent˜ao (1 − b) − a = −2b(1 − b) e (1 − b) = 2(1 − b). Logo a
          • −b U = e, portanto,

              [H ] −a −b

              a a b 0 −1 −b U U = = = A.

              [H] [H ]

              1 −a −b −b a

              Analogamente temos o caso em que b 6= −1.

              55 Considera¸c˜ oes Finais

              Considerando K uma extens˜ao real de Q, α ∈ K e x um elemento de ordem finita de um grupo G, o Teorema 2.4.1 nos permite caracterizar todos os elementos Cayley unit´arios da ´algebra de grupo KG, munida da involu¸c˜ao canˆonica, obtidos a partir

              −1

              ). Assim, quando G ´e um grupo tal de um elemento anti-sim´etrico da forma α(x−x

              −

              que o K-m´odulo KG possui um ´ unico gerador, podemos utilizar este teorema para C (KG). Essencialmente fizemos isto para K = Q caracterizar todo o conjunto Un nos Exemplos 2.4.2, 2.4.3 e 2.4.4, quando G = C , S e C , respectivamente.

              3 3 4

              Agora, para G = C

              5

              = hxi, temos que

              4 3 2 −

              KC 5 = α 1 ) + α 3 (x ) ; α 1 , α 3 (x − x − x ∈ K e assim o Teorema 2.4.1 caracteriza apenas os elementos Cayley unit´arios de KC tais

              5

              que α = 0 ou α = 0. C´alculos computacionais nos permitem concluir, conforme

              1 3 4 3 2

              visto no Exemplo 2.4.6, que existe o inverso de 1 + α ) + α (x ) em

              1 3

              (x − x − x KC para todo α , α para

              5 1 3 [k]

              ∈ K e ainda nos d˜ao o elemento Cayley unit´ario u

              4 3 2

              k = α ) + α (x ). Ou seja, caracterizamos completamente o conjunto

              1 3 C (x − x − x

              (KC ).

              5

              Un C´alculos semelhantes podem ser feitos para C

              7

              = hxi e obtemos uma express˜ao

              6 3 4 5 2

              geral para o inverso de 1 + α ) + α (x ) + α (x ) em KC em fun¸c˜ao

              1 3 5 7

              (x − x − x − x de parˆametros α , α , α

              1 3 5

              ∈ K. Isto sugere que em geral para C p

              = hxi, com p primo ´ımpar, temos que

              3 2 p−1 p−3 p−2

              1 + α ) + α (x (x )

              1 3

              (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x ´e invert´ıvel em KC . E assim, o elemento Cayley unit´ario u pode ser constru´ıdo p

              [k]

              para

              3 2 p−1 p−3 p−2

              k = α ) + α (x (x ).

              1 3

              (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x

              56

              ´ E importante salientar que, embora os Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 tenham sido enun- ciados e provados no caso em que K ´e uma extens˜ao real de

              Q, eles s˜ao verdadeiros

              2 n n

              para qualquer corpo K tal que G n + α G ) seja diferente de

            • 1 n−1 − α (1 + (−1)

              zero para todo n > 2 e α ∈ K. Em particular, se G ´e um grupo finito de ordem

              2 n n

              m > 2, basta observar se G n +1 + α G ) ´e diferente de zero para

              n−1 − α (1 + (−1)

              todo α ∈ K e para todo n tal que 2 < n ≤ m e n divide m.

              Por exemplo, se G ´e um grupo de ordem 20, ent˜ao, conforme veremos a seguir, os Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 s˜ao verdadeiros tamb´em para a extens˜ao n˜ao real de Q

              √ dada por Q(i d), onde d > 1 ´e um inteiro positivo livre de quadrados. Exemplo

              Seja G um grupo de ordem m = 20. Ent˜ao os divisores de m maiores que 2 s˜ao 4, 5, 10 e 20. Agora, n n

              2

              n G n + α G )

            • 1 n−1 − α (1 + (−1) 2

              4 1 + 4α

              2 4

              5 1 + 5α + 5α

              2 4 2

              10 (1 + 5α + 5α )

              2 2 4 2 2 4 2

              20 (1 + 4α )(1 + 3α + α ) (1 + 5α + 5α )

              2 2 4

              Consideremos, ent˜ao, os polinˆomios na vari´avel α dados por 1+4α , 1+5α +5α

              2 4

              e 1 + 3α + α . Temos: Polinˆomio Ra´ızes em i C

              2

              1 + 4α ±

              2

              q √

              1 2 4

              1 + 5α + 5α 5) ±i (5 ±

              10

              q √

              1 2 4

              1 + 3α + α 5) ±i (3 ±

              2

              √ Assim, se K = Q(i d) onde d > 1 ´e um inteiro positivo livre de quadrados, n n

              2

              segue que G n + α G

            • 1 n−1 − α (1 + (−1) ) ´e diferente de zero para todo α ∈ K e

              para todo n tal que 2 < n ≤ 20 e n divide 20. Logo, valem os Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 para tal grupo G e tal corpo K.

              57 Antes de finalizar, observemos que, na Se¸c˜ao 1 do Cap´ıtulo 3, vimos trˆes exemplos de isomorfismos de an´eis de matrizes com involu¸c˜ao. Em todos eles consideramos

            1 I − A − AH = [(I + U ) − (I − U)H]

              2

              −

              com ´e invert´ıvel em R, ent˜ao (I + U ) − (I − U)H ´e invert´ıvel. Assim, como H ∈ R I + H invert´ıvel em R e U ∈ Un(R), segue da Proposi¸c˜ao 1.3.7 que U ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R.

              Trataremos agora do caso em que ∗ induz a identidade em D e portanto D ´e um corpo K. n (K), Primeiramente notemos que se K ´e um corpo e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M n (K)) ∼ = K, ent˜ao desde que Z(M ∗ induz a identidade em K se, e somente se, ∗ ´e do primeiro tipo.

              A fim de provarmos a pr´oxima proposi¸c˜ao, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.3 Sejam K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K) que fixa os ele-

              mentos de K. Ent˜ao ϕ ´e um automorfismo interno.

            Demonstra¸c˜ao: Segue dos coment´arios feitos na primeira se¸c˜ao do Cap´ıtulo 1 que

            n

              K pode ser visto como um M n (K)-m´odulo com o produto induzido tanto pela identidade (que ´e um automorfismo de M n (K)), como por ϕ. Em ambos os ca- sos conclu´ımos do Exemplo 1.1.4 que o respectivo M (K)-m´odulo ´e simples. Pela n Proposi¸c˜ao 1.1.8, esses dois M n (K)-m´odulos s˜ao isomorfos e, assim, existe um iso- n n morfismo de M n (K)-m´odulos f : K tal que

              → K n n (K). f (A · v) = ϕ(A) · f(v), para todo v ∈ K e A ∈ M Agora, como ϕ fixa os elementos de K e ϕ(I) = I, ent˜ao f (αv) = f ((αI) · v) = ϕ(αI) · f(v) = αϕ(I) · f(v) = αI · f(v) = αf(v), n

              . para todo α ∈ K e v ∈ K

              51 Assim, f ´e uma transforma¸c˜ao linear bijetiva e, portanto, existe uma matriz C n . Logo, invert´ıvel tal que f (v) = C · v, para todo v ∈ K n C · (A · v) = ϕ(A) · (C · v), n para todo v ∈ K e A ∈ M (K), o que implica que C · A = ϕ(A) · C, para toda n (K). Portanto, matriz A ∈ M

              −1

              , n (K), isto ´e, ϕ = Int(C). ϕ(A) = C · A · C para toda matriz A ∈ M Na pr´oxima proposi¸c˜ao e nos dois corol´arios subseq¨ uentes, estaremos considerando

              R o anel de matrizes M n (K) sobre um corpo K munido de uma involu¸c˜ao ∗ do primeiro tipo.

              ∗

              Proposi¸c˜ = det A. ao 3.3.4 ([2], Lema 4) Para todo A ∈ R temos que det A t

              

            Demonstra¸c˜ao: Sejam A a transposta da matriz A em R e ϕ a aplica¸c˜ao de R em

            t

              R tal que ϕ(A) = (A ) . Se A, B ∈ R ent˜ao, como ∗ e t s˜ao involu¸c˜oes em R, temos que ϕ ´e uma bije¸c˜ao com ϕ(A + B) = ϕ(A) + ϕ(B). Ainda, t t t t

              

            ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

              ϕ(AB) = ((AB) ) = (B A ) = (A ) (B ) = ϕ(A)ϕ(B). Logo ϕ ´e um automorfismo de R. Al´em disso, como ∗ e t s˜ao do primeiro tipo, ent˜ao ϕ deixa os elementos centrais de R fixados. Desta forma, ϕ ´e um automorfismo de R que fixa os elementos de K e, portanto, pelo lema anterior, existe uma matriz

              −1

              , isto ´e, invert´ıvel C ∈ R tal que, para todo A ∈ R, ϕ(A) = CAC t

              

            ∗ −1

            t t t (A ) = CAC .

              ∗ −1

              Assim, A = (C ) A C e, portanto, t t t t

              ∗ −1

              det A = (det C ) (det A )(det C ) = det A = det A.

              Corol´ ario 3.3.5 ([2], Corol´ ario 1) Se U ∈ Un(R) ent˜ao det U = ±1.

              ∗

              = 1, ent˜ao segue da proposi¸c˜ao

              Demonstra¸c˜ao: Seja U ∈ Un(R). Como UU 2 ∗

              anterior que (det U ) = (det U )(det U ) = 1 e portanto det U = ±1.

              52 Corol´ ario 3.3.6 ([2], Corol´ ario 2) Se U ∈ R ´e um produto de elementos Cayley

              unit´arios ent˜ao det U = 1. C −1

              Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que V ∈ Un (R), digamos V = (I − H)(I + H) −

              ∗

              , usando a para algum H ∈ R com I + H invert´ıvel em R. Desde que H = −H Proposi¸c˜ao 3.3.4, obtemos

              −1 ∗ −1

              det V ]

              = [det(I − H)][det(I + H)] = [det(I − H)][det(I − H)

              −1

              = 1. = [det(I − H)][det(I − H)]

              Assim, todo elemento Cayley unit´ario de R possui determinante 1. Se U = U r ,

              1 C

              · · · U com U i ∈ Un (R) para i = 1, · · · , r, ent˜ao det U = (det U 1 r ) = 1.

              ) · · · (det U O corol´ario anterior nos permite concluir que se ∗ ´e uma involu¸c˜ao do primeiro tipo em M n (K), ent˜ao apenas as matrizes unit´arias de determinante 1 podem ser expressas como um produto de elementos Cayley unit´arios. O pr´oximo exemplo mostra que nem toda matriz unit´aria de determinante 1 pode ser assim expressa. Exemplo 3.3.7 Matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao pode ser expressa como

              um produto de elementos Cayley unit´arios

              (K) com uma

              2

              Sejam K = {−1, 0, 1} um corpo com trˆes elementos e R = M involu¸c˜ao ∗ definida por

              ∗

              a b a −c

              = . c d d

              −b α Os elementos anti-sim´etricos de R s˜ao todos da forma α , onde α ∈ K. Logo 0 0 0 1

              −1

              −

              R = , , · 0 0 1 0

              −1

              −

              O ´ unico elemento de R com a propriedade de ser invert´ıvel quando somado `a

              1

              identidade ´e . Logo, ´e o ´ unico elemento Cayley unit´ario de R.

              1 −1

              Agora, ∈ Un(R) n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de

              −1

              R, embora tenha determinante 1.

              53 Na verdade, este ´e o ´ unico exemplo de matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios, conforme garante o seguinte resultado de C. Chuang e P. Lee.

              Teorema 3.3.8 ([2], Teorema 2) Seja K um corpo de caracter´ıstica diferente de

              2. Suponhamos que R = M n (K) tenha uma involu¸c˜ao do primeiro tipo. Ent˜ao

              

            qualquer elemento unit´ario de R com determinante 1 ´e um produto de dois elementos

            Cayley unit´arios, exceto quando K ´e um corpo com trˆes elementos, n = 2 e ´e a

            a b a ∗ −c involu¸c˜ao dada por = . c d d

              −b

              Exemplo 3.3.9 Elementos Cayley unit´arios de M (K)

              2

              Sejam K um corpo de caracter´ıstica diferente de 2 e ∗ a involu¸c˜ao transposta em R = M 2 (K), isto ´e,

              ∗

              a b a c =

              · c d b d Ent˜ao

              α

              −

              R = ,

              1 2

              ; α ∈ K e Un(R) = A ∪ A −α 0 onde a b a b

              2 2 2 2

              = ; a + b = 1 = ; a + b

              1 2

              A e A = −1 · −b a b −a

              2

              Seja α ∈ K tal que 1 + α 6= 0. O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α H = ´e

              −α −1

              1 0 α 1 0 α

            • U =

              [H]

              − 0 1 0 1 −α 0 −α 0

              

            −1

              1 1 α 1 −α 1 −α 1 −α

              = =

              2

              α 1 α 1 α 1 1 + α −α 1

              2

              1 1 − α −2α =

              

            2 ·

              2

              2α 1 + α 1 − α

              Logo

              

            2

            C

              1

              2

              1 − α −2α (R) = ; 1 + α

              Un 2 6= 0 ·

              2

              2α 1 + α 1 − α

              Segue do Corol´ario 3.3.6 que os elementos de Un(R) que s˜ao produtos de Cayley e do Teorema 3.3.8 conclu´ımos que, na verdade,

              1

              unit´arios est˜ao todos contidos em A s˜ao produtos de dois elementos Cayley unit´arios.

              1

              todos os elementos de A

              54 a b

              Se A = 1 , ent˜ao A = U [H] U [H ] , com a ∈ A

              −b

               a

              1 −

              

              ′ 1−b

               H = e H = , a se b 6= 1    −1 0

              1−b a

                 0 −1 1+b

              ′

               H = e H = ,

               a se b 6= −1.

              1 −

              1+b

              De fato, se b 6= 1, ent˜ao

              2 2

              1 0 −1 (1 − b) − a 2a(1 − b) U = e U =

              [H] [H ] 2 2 ·

            2 2

              1

            • a
            • a

              −2a(1 − b) (1 − b) (1 − b)

              2 2 2 2 2 2

              Como a + b

            • a = 1, ent˜ao (1 − b) − a = −2b(1 − b) e (1 − b) = 2(1 − b). Logo a
            • −b U = e, portanto,

                [H ] −a −b

                a a b 0 −1 −b U U = = = A.

                [H] [H ]

                1 −a −b −b a

                Analogamente temos o caso em que b 6= −1.

                55 Considera¸c˜ oes Finais

                Considerando K uma extens˜ao real de Q, α ∈ K e x um elemento de ordem finita de um grupo G, o Teorema 2.4.1 nos permite caracterizar todos os elementos Cayley unit´arios da ´algebra de grupo KG, munida da involu¸c˜ao canˆonica, obtidos a partir

                −1

                ). Assim, quando G ´e um grupo tal de um elemento anti-sim´etrico da forma α(x−x

                −

                que o K-m´odulo KG possui um ´ unico gerador, podemos utilizar este teorema para C (KG). Essencialmente fizemos isto para K = Q caracterizar todo o conjunto Un nos Exemplos 2.4.2, 2.4.3 e 2.4.4, quando G = C , S e C , respectivamente.

                3 3 4

                Agora, para G = C

                5

                = hxi, temos que

                4 3 2 −

                KC 5 = α 1 ) + α 3 (x ) ; α 1 , α 3 (x − x − x ∈ K e assim o Teorema 2.4.1 caracteriza apenas os elementos Cayley unit´arios de KC tais

                5

                que α = 0 ou α = 0. C´alculos computacionais nos permitem concluir, conforme

                1 3 4 3 2

                visto no Exemplo 2.4.6, que existe o inverso de 1 + α ) + α (x ) em

                1 3

                (x − x − x KC para todo α , α para

                5 1 3 [k]

                ∈ K e ainda nos d˜ao o elemento Cayley unit´ario u

                4 3 2

                k = α ) + α (x ). Ou seja, caracterizamos completamente o conjunto

                1 3 C (x − x − x

                (KC ).

                5

                Un C´alculos semelhantes podem ser feitos para C

                7

                = hxi e obtemos uma express˜ao

                6 3 4 5 2

                geral para o inverso de 1 + α ) + α (x ) + α (x ) em KC em fun¸c˜ao

                1 3 5 7

                (x − x − x − x de parˆametros α , α , α

                1 3 5

                ∈ K. Isto sugere que em geral para C p

                = hxi, com p primo ´ımpar, temos que

                3 2 p−1 p−3 p−2

                1 + α ) + α (x (x )

                1 3

                (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x ´e invert´ıvel em KC . E assim, o elemento Cayley unit´ario u pode ser constru´ıdo p

                [k]

                para

                3 2 p−1 p−3 p−2

                k = α ) + α (x (x ).

                1 3

                (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x

                56

                ´ E importante salientar que, embora os Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 tenham sido enun- ciados e provados no caso em que K ´e uma extens˜ao real de

                Q, eles s˜ao verdadeiros

                2 n n

                para qualquer corpo K tal que G n + α G ) seja diferente de

              • 1 n−1 − α (1 + (−1)

                zero para todo n > 2 e α ∈ K. Em particular, se G ´e um grupo finito de ordem

                2 n n

                m > 2, basta observar se G n +1 + α G ) ´e diferente de zero para

                n−1 − α (1 + (−1)

                todo α ∈ K e para todo n tal que 2 < n ≤ m e n divide m.

                Por exemplo, se G ´e um grupo de ordem 20, ent˜ao, conforme veremos a seguir, os Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 s˜ao verdadeiros tamb´em para a extens˜ao n˜ao real de Q

                √ dada por Q(i d), onde d > 1 ´e um inteiro positivo livre de quadrados. Exemplo

                Seja G um grupo de ordem m = 20. Ent˜ao os divisores de m maiores que 2 s˜ao 4, 5, 10 e 20. Agora, n n

                2

                n G n + α G )

              • 1 n−1 − α (1 + (−1) 2

                4 1 + 4α

                2 4

                5 1 + 5α + 5α

                2 4 2

                10 (1 + 5α + 5α )

                2 2 4 2 2 4 2

                20 (1 + 4α )(1 + 3α + α ) (1 + 5α + 5α )

                2 2 4

                Consideremos, ent˜ao, os polinˆomios na vari´avel α dados por 1+4α , 1+5α +5α

                2 4

                e 1 + 3α + α . Temos: Polinˆomio Ra´ızes em i C

                2

                1 + 4α ±

                2

                q √

                1 2 4

                1 + 5α + 5α 5) ±i (5 ±

                10

                q √

                1 2 4

                1 + 3α + α 5) ±i (3 ±

                2

                √ Assim, se K = Q(i d) onde d > 1 ´e um inteiro positivo livre de quadrados, n n

                2

                segue que G n + α G

              • 1 n−1 − α (1 + (−1) ) ´e diferente de zero para todo α ∈ K e

                para todo n tal que 2 < n ≤ 20 e n divide 20. Logo, valem os Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 para tal grupo G e tal corpo K.

                57 Antes de finalizar, observemos que, na Se¸c˜ao 1 do Cap´ıtulo 3, vimos trˆes exemplos de isomorfismos de an´eis de matrizes com involu¸c˜ao. Em todos eles consideramos

                −

                uma involu¸c˜ao em um anel de divis˜ao D e duas involu¸c˜oes em M n (D), a saber ∗ = Int(U) ◦ τ e σ = Int(V ) ◦ τ, τ onde U ´e uma matriz invert´ıvel em M n (D) tal que U

                = ±U e • No Exemplo 3.1.2, V ´e a matriz identidade • No Exemplo 3.1.3, V ´e uma matriz C diagonal invert´ıvel cujas entradas s˜ao

                −

                fixadas pela involu¸c˜ao I , onde I ´e a identidade em

                • No Exemplo 3.1.4, V ´e a matriz S =

                −I

                M ( C).

                2

                Al´em disso, o isomorfismo considerado era sempre um automorfismo interno τ

                −1

                Int(P ), onde P ´e uma matriz invert´ıvel em M n (D) tal que P U = V (P ) .

                Embora possa parecer que as involu¸c˜oes ∗ e σ e os isomorfismos de an´eis de matrizes com involu¸c˜ao definidos como acima s˜ao um tanto quanto particulares, eles na verdade d˜ao conta de toda a caracteriza¸c˜ao feita no Teorema 3.2.1. n (D),

                De fato, conforme podemos verificar em [3], dada uma involu¸c˜ao ∗ em M n (D) e uma involu¸c˜ao − existe uma matriz invert´ıvel U ∈ M induzida por ∗ em D tal que τ τ ∗ = Int(U) ◦ τ e U = ±U,

                −

                sendo que a alternativa U = −U ´e considerada apenas no caso em que n ´e par,

                ´e a identidade e D ´e um corpo.

                Ainda, o isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao que nos permite caracterizar ∗ ´e na verdade um automorfismo interno Int(P ), onde P ´e uma matriz invert´ıvel em M n (D) tal que τ τ

                −1

                = U : P U = C(P ) para alguma matriz C diagonal • No caso em que U

                −

                invert´ıvel cujas entradas s˜ao fixadas pela involu¸c˜ao τ

                − ´e a identidade, D ´e um corpo e U

                • No caso em que n = 2m, τ I = −U:

                −1

                P U = S(P ) com S = , onde I ´e a identidade em M m (D).

                −I

                58 Referˆ encias Bibliogr´ aficas

              1 I − A − AH = [(I + U ) − (I − U)H]

                2

                −

                com ´e invert´ıvel em R, ent˜ao (I + U ) − (I − U)H ´e invert´ıvel. Assim, como H ∈ R I + H invert´ıvel em R e U ∈ Un(R), segue da Proposi¸c˜ao 1.3.7 que U ´e um produto de dois elementos Cayley unit´arios de R.

                Trataremos agora do caso em que ∗ induz a identidade em D e portanto D ´e um corpo K. n (K), Primeiramente notemos que se K ´e um corpo e ∗ ´e uma involu¸c˜ao em M n (K)) ∼ = K, ent˜ao desde que Z(M ∗ induz a identidade em K se, e somente se, ∗ ´e do primeiro tipo.

                A fim de provarmos a pr´oxima proposi¸c˜ao, consideremos o seguinte lema. Lema 3.3.3 Sejam K um corpo e ϕ um automorfismo de M n (K) que fixa os ele-

                mentos de K. Ent˜ao ϕ ´e um automorfismo interno.

              Demonstra¸c˜ao: Segue dos coment´arios feitos na primeira se¸c˜ao do Cap´ıtulo 1 que

              n

                K pode ser visto como um M n (K)-m´odulo com o produto induzido tanto pela identidade (que ´e um automorfismo de M n (K)), como por ϕ. Em ambos os ca- sos conclu´ımos do Exemplo 1.1.4 que o respectivo M (K)-m´odulo ´e simples. Pela n Proposi¸c˜ao 1.1.8, esses dois M n (K)-m´odulos s˜ao isomorfos e, assim, existe um iso- n n morfismo de M n (K)-m´odulos f : K tal que

                → K n n (K). f (A · v) = ϕ(A) · f(v), para todo v ∈ K e A ∈ M Agora, como ϕ fixa os elementos de K e ϕ(I) = I, ent˜ao f (αv) = f ((αI) · v) = ϕ(αI) · f(v) = αϕ(I) · f(v) = αI · f(v) = αf(v), n

                . para todo α ∈ K e v ∈ K

                51 Assim, f ´e uma transforma¸c˜ao linear bijetiva e, portanto, existe uma matriz C n . Logo, invert´ıvel tal que f (v) = C · v, para todo v ∈ K n C · (A · v) = ϕ(A) · (C · v), n para todo v ∈ K e A ∈ M (K), o que implica que C · A = ϕ(A) · C, para toda n (K). Portanto, matriz A ∈ M

                −1

                , n (K), isto ´e, ϕ = Int(C). ϕ(A) = C · A · C para toda matriz A ∈ M Na pr´oxima proposi¸c˜ao e nos dois corol´arios subseq¨ uentes, estaremos considerando

                R o anel de matrizes M n (K) sobre um corpo K munido de uma involu¸c˜ao ∗ do primeiro tipo.

                ∗

                Proposi¸c˜ = det A. ao 3.3.4 ([2], Lema 4) Para todo A ∈ R temos que det A t

                

              Demonstra¸c˜ao: Sejam A a transposta da matriz A em R e ϕ a aplica¸c˜ao de R em

              t

                R tal que ϕ(A) = (A ) . Se A, B ∈ R ent˜ao, como ∗ e t s˜ao involu¸c˜oes em R, temos que ϕ ´e uma bije¸c˜ao com ϕ(A + B) = ϕ(A) + ϕ(B). Ainda, t t t t

                

              ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

                ϕ(AB) = ((AB) ) = (B A ) = (A ) (B ) = ϕ(A)ϕ(B). Logo ϕ ´e um automorfismo de R. Al´em disso, como ∗ e t s˜ao do primeiro tipo, ent˜ao ϕ deixa os elementos centrais de R fixados. Desta forma, ϕ ´e um automorfismo de R que fixa os elementos de K e, portanto, pelo lema anterior, existe uma matriz

                −1

                , isto ´e, invert´ıvel C ∈ R tal que, para todo A ∈ R, ϕ(A) = CAC t

                

              ∗ −1

              t t t (A ) = CAC .

                ∗ −1

                Assim, A = (C ) A C e, portanto, t t t t

                ∗ −1

                det A = (det C ) (det A )(det C ) = det A = det A.

                Corol´ ario 3.3.5 ([2], Corol´ ario 1) Se U ∈ Un(R) ent˜ao det U = ±1.

                ∗

                = 1, ent˜ao segue da proposi¸c˜ao

                Demonstra¸c˜ao: Seja U ∈ Un(R). Como UU 2 ∗

                anterior que (det U ) = (det U )(det U ) = 1 e portanto det U = ±1.

                52 Corol´ ario 3.3.6 ([2], Corol´ ario 2) Se U ∈ R ´e um produto de elementos Cayley

                unit´arios ent˜ao det U = 1. C −1

                Demonstra¸c˜ao: Suponhamos que V ∈ Un (R), digamos V = (I − H)(I + H) −

                ∗

                , usando a para algum H ∈ R com I + H invert´ıvel em R. Desde que H = −H Proposi¸c˜ao 3.3.4, obtemos

                −1 ∗ −1

                det V ]

                = [det(I − H)][det(I + H)] = [det(I − H)][det(I − H)

                −1

                = 1. = [det(I − H)][det(I − H)]

                Assim, todo elemento Cayley unit´ario de R possui determinante 1. Se U = U r ,

                1 C

                · · · U com U i ∈ Un (R) para i = 1, · · · , r, ent˜ao det U = (det U 1 r ) = 1.

                ) · · · (det U O corol´ario anterior nos permite concluir que se ∗ ´e uma involu¸c˜ao do primeiro tipo em M n (K), ent˜ao apenas as matrizes unit´arias de determinante 1 podem ser expressas como um produto de elementos Cayley unit´arios. O pr´oximo exemplo mostra que nem toda matriz unit´aria de determinante 1 pode ser assim expressa. Exemplo 3.3.7 Matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao pode ser expressa como

                um produto de elementos Cayley unit´arios

                (K) com uma

                2

                Sejam K = {−1, 0, 1} um corpo com trˆes elementos e R = M involu¸c˜ao ∗ definida por

                ∗

                a b a −c

                = . c d d

                −b α Os elementos anti-sim´etricos de R s˜ao todos da forma α , onde α ∈ K. Logo 0 0 0 1

                −1

                −

                R = , , · 0 0 1 0

                −1

                −

                O ´ unico elemento de R com a propriedade de ser invert´ıvel quando somado `a

                1

                identidade ´e . Logo, ´e o ´ unico elemento Cayley unit´ario de R.

                1 −1

                Agora, ∈ Un(R) n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios de

                −1

                R, embora tenha determinante 1.

                53 Na verdade, este ´e o ´ unico exemplo de matriz unit´aria de determinante 1 que n˜ao ´e um produto de elementos Cayley unit´arios, conforme garante o seguinte resultado de C. Chuang e P. Lee.

                Teorema 3.3.8 ([2], Teorema 2) Seja K um corpo de caracter´ıstica diferente de

                2. Suponhamos que R = M n (K) tenha uma involu¸c˜ao do primeiro tipo. Ent˜ao

                

              qualquer elemento unit´ario de R com determinante 1 ´e um produto de dois elementos

              Cayley unit´arios, exceto quando K ´e um corpo com trˆes elementos, n = 2 e ´e a

              a b a ∗ −c involu¸c˜ao dada por = . c d d

                −b

                Exemplo 3.3.9 Elementos Cayley unit´arios de M (K)

                2

                Sejam K um corpo de caracter´ıstica diferente de 2 e ∗ a involu¸c˜ao transposta em R = M 2 (K), isto ´e,

                ∗

                a b a c =

                · c d b d Ent˜ao

                α

                −

                R = ,

                1 2

                ; α ∈ K e Un(R) = A ∪ A −α 0 onde a b a b

                2 2 2 2

                = ; a + b = 1 = ; a + b

                1 2

                A e A = −1 · −b a b −a

                2

                Seja α ∈ K tal que 1 + α 6= 0. O elemento Cayley unit´ario obtido a partir de α H = ´e

                −α −1

                1 0 α 1 0 α

              • U =

                [H]

                − 0 1 0 1 −α 0 −α 0

                

              −1

                1 1 α 1 −α 1 −α 1 −α

                = =

                2

                α 1 α 1 α 1 1 + α −α 1

                2

                1 1 − α −2α =

                

              2 ·

                2

                2α 1 + α 1 − α

                Logo

                

              2

              C

                1

                2

                1 − α −2α (R) = ; 1 + α

                Un 2 6= 0 ·

                2

                2α 1 + α 1 − α

                Segue do Corol´ario 3.3.6 que os elementos de Un(R) que s˜ao produtos de Cayley e do Teorema 3.3.8 conclu´ımos que, na verdade,

                1

                unit´arios est˜ao todos contidos em A s˜ao produtos de dois elementos Cayley unit´arios.

                1

                todos os elementos de A

                54 a b

                Se A = 1 , ent˜ao A = U [H] U [H ] , com a ∈ A

                −b

                 a

                1 −

                

                ′ 1−b

                 H = e H = , a se b 6= 1    −1 0

                1−b a

                   0 −1 1+b

                ′

                 H = e H = ,

                 a se b 6= −1.

                1 −

                1+b

                De fato, se b 6= 1, ent˜ao

                2 2

                1 0 −1 (1 − b) − a 2a(1 − b) U = e U =

                [H] [H ] 2 2 ·

              2 2

                1

              • a
              • a

                −2a(1 − b) (1 − b) (1 − b)

                2 2 2 2 2 2

                Como a + b

              • a = 1, ent˜ao (1 − b) − a = −2b(1 − b) e (1 − b) = 2(1 − b). Logo a
              • −b U = e, portanto,

                  [H ] −a −b

                  a a b 0 −1 −b U U = = = A.

                  [H] [H ]

                  1 −a −b −b a

                  Analogamente temos o caso em que b 6= −1.

                  55 Considera¸c˜ oes Finais

                  Considerando K uma extens˜ao real de Q, α ∈ K e x um elemento de ordem finita de um grupo G, o Teorema 2.4.1 nos permite caracterizar todos os elementos Cayley unit´arios da ´algebra de grupo KG, munida da involu¸c˜ao canˆonica, obtidos a partir

                  −1

                  ). Assim, quando G ´e um grupo tal de um elemento anti-sim´etrico da forma α(x−x

                  −

                  que o K-m´odulo KG possui um ´ unico gerador, podemos utilizar este teorema para C (KG). Essencialmente fizemos isto para K = Q caracterizar todo o conjunto Un nos Exemplos 2.4.2, 2.4.3 e 2.4.4, quando G = C , S e C , respectivamente.

                  3 3 4

                  Agora, para G = C

                  5

                  = hxi, temos que

                  4 3 2 −

                  KC 5 = α 1 ) + α 3 (x ) ; α 1 , α 3 (x − x − x ∈ K e assim o Teorema 2.4.1 caracteriza apenas os elementos Cayley unit´arios de KC tais

                  5

                  que α = 0 ou α = 0. C´alculos computacionais nos permitem concluir, conforme

                  1 3 4 3 2

                  visto no Exemplo 2.4.6, que existe o inverso de 1 + α ) + α (x ) em

                  1 3

                  (x − x − x KC para todo α , α para

                  5 1 3 [k]

                  ∈ K e ainda nos d˜ao o elemento Cayley unit´ario u

                  4 3 2

                  k = α ) + α (x ). Ou seja, caracterizamos completamente o conjunto

                  1 3 C (x − x − x

                  (KC ).

                  5

                  Un C´alculos semelhantes podem ser feitos para C

                  7

                  = hxi e obtemos uma express˜ao

                  6 3 4 5 2

                  geral para o inverso de 1 + α ) + α (x ) + α (x ) em KC em fun¸c˜ao

                  1 3 5 7

                  (x − x − x − x de parˆametros α , α , α

                  1 3 5

                  ∈ K. Isto sugere que em geral para C p

                  = hxi, com p primo ´ımpar, temos que

                  3 2 p−1 p−3 p−2

                  1 + α ) + α (x (x )

                  1 3

                  (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x ´e invert´ıvel em KC . E assim, o elemento Cayley unit´ario u pode ser constru´ıdo p

                  [k]

                  para

                  3 2 p−1 p−3 p−2

                  k = α ) + α (x (x ).

                  1 3

                  (x − x − x ) + · · · + α p−2 − x

                  56

                  ´ E importante salientar que, embora os Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 tenham sido enun- ciados e provados no caso em que K ´e uma extens˜ao real de

                  Q, eles s˜ao verdadeiros

                  2 n n

                  para qualquer corpo K tal que G n + α G ) seja diferente de

                • 1 n−1 − α (1 + (−1)

                  zero para todo n > 2 e α ∈ K. Em particular, se G ´e um grupo finito de ordem

                  2 n n

                  m > 2, basta observar se G n +1 + α G ) ´e diferente de zero para

                  n−1 − α (1 + (−1)

                  todo α ∈ K e para todo n tal que 2 < n ≤ m e n divide m.

                  Por exemplo, se G ´e um grupo de ordem 20, ent˜ao, conforme veremos a seguir, os Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 s˜ao verdadeiros tamb´em para a extens˜ao n˜ao real de Q

                  √ dada por Q(i d), onde d > 1 ´e um inteiro positivo livre de quadrados. Exemplo

                  Seja G um grupo de ordem m = 20. Ent˜ao os divisores de m maiores que 2 s˜ao 4, 5, 10 e 20. Agora, n n

                  2

                  n G n + α G )

                • 1 n−1 − α (1 + (−1) 2

                  4 1 + 4α

                  2 4

                  5 1 + 5α + 5α

                  2 4 2

                  10 (1 + 5α + 5α )

                  2 2 4 2 2 4 2

                  20 (1 + 4α )(1 + 3α + α ) (1 + 5α + 5α )

                  2 2 4

                  Consideremos, ent˜ao, os polinˆomios na vari´avel α dados por 1+4α , 1+5α +5α

                  2 4

                  e 1 + 3α + α . Temos: Polinˆomio Ra´ızes em i C

                  2

                  1 + 4α ±

                  2

                  q √

                  1 2 4

                  1 + 5α + 5α 5) ±i (5 ±

                  10

                  q √

                  1 2 4

                  1 + 3α + α 5) ±i (3 ±

                  2

                  √ Assim, se K = Q(i d) onde d > 1 ´e um inteiro positivo livre de quadrados, n n

                  2

                  segue que G n + α G

                • 1 n−1 − α (1 + (−1) ) ´e diferente de zero para todo α ∈ K e

                  para todo n tal que 2 < n ≤ 20 e n divide 20. Logo, valem os Teoremas 2.3.1 e 2.4.1 para tal grupo G e tal corpo K.

                  57 Antes de finalizar, observemos que, na Se¸c˜ao 1 do Cap´ıtulo 3, vimos trˆes exemplos de isomorfismos de an´eis de matrizes com involu¸c˜ao. Em todos eles consideramos

                  −

                  uma involu¸c˜ao em um anel de divis˜ao D e duas involu¸c˜oes em M n (D), a saber ∗ = Int(U) ◦ τ e σ = Int(V ) ◦ τ, τ onde U ´e uma matriz invert´ıvel em M n (D) tal que U

                  = ±U e • No Exemplo 3.1.2, V ´e a matriz identidade • No Exemplo 3.1.3, V ´e uma matriz C diagonal invert´ıvel cujas entradas s˜ao

                  −

                  fixadas pela involu¸c˜ao I , onde I ´e a identidade em

                  • No Exemplo 3.1.4, V ´e a matriz S =

                  −I

                  M ( C).

                  2

                  Al´em disso, o isomorfismo considerado era sempre um automorfismo interno τ

                  −1

                  Int(P ), onde P ´e uma matriz invert´ıvel em M n (D) tal que P U = V (P ) .

                  Embora possa parecer que as involu¸c˜oes ∗ e σ e os isomorfismos de an´eis de matrizes com involu¸c˜ao definidos como acima s˜ao um tanto quanto particulares, eles na verdade d˜ao conta de toda a caracteriza¸c˜ao feita no Teorema 3.2.1. n (D),

                  De fato, conforme podemos verificar em [3], dada uma involu¸c˜ao ∗ em M n (D) e uma involu¸c˜ao − existe uma matriz invert´ıvel U ∈ M induzida por ∗ em D tal que τ τ ∗ = Int(U) ◦ τ e U = ±U,

                  −

                  sendo que a alternativa U = −U ´e considerada apenas no caso em que n ´e par,

                  ´e a identidade e D ´e um corpo.

                  Ainda, o isomorfismo de an´eis com involu¸c˜ao que nos permite caracterizar ∗ ´e na verdade um automorfismo interno Int(P ), onde P ´e uma matriz invert´ıvel em M n (D) tal que τ τ

                  −1

                  = U : P U = C(P ) para alguma matriz C diagonal • No caso em que U

                  −

                  invert´ıvel cujas entradas s˜ao fixadas pela involu¸c˜ao τ

                  − ´e a identidade, D ´e um corpo e U

                  • No caso em que n = 2m, τ I = −U:

                  −1

                  P U = S(P ) com S = , onde I ´e a identidade em M m (D).

                  −I

                  58 Referˆ encias Bibliogr´ aficas

                  [1] Albert. A. Involutorial simple algebras and real Riemann matrices. Ann. of Math., 36 (1935), 886 - 964.

                  [2] Chuang, C. L. e Lee, P. H. Unitary elements in simple artinian rings. Journal of Algebra, 176 (1995), 449 - 459. [3] Ferreira, V. O. Notas: Involu¸c˜oes em an´eis artinianos simples, IME-USP

                  (2004). [4] Ferreira, V. O., Gon¸calves, J. Z. e Mandel, A. Free symmetric and unitary pairs

                  in division ring with involution. A aparecer em International Journal of Algebra

                  and Computation, Vol. 5, 1 (2005). [5] Gon¸calves, J. Z. e Passman, D. S. Unitary units in group algebras. Israel Journal of Mathematics, 125 (2001), 131 - 155.

                  [6] Herstein, I. N. Rings with involution. Lectures in Math. (1976). [7] Jacobson, N. Basic Algebra I. W. H. Freeman and Company (1974). [8] Knus, M. A., Merkurjev, A., Rost, M. e Tignol, J. P. The book of involutions.

                  Colloquium Publications, Vol.44, Amer. Math. Society (1998). [9] Lam, T. Y. A First Course in Noncommutative Rings. Springer-Verlag (1991). [10] Milies, C. P. e Sehgal, S. K. An introduction to group rings. Kluwer Academic

                  Publishers (2002). [11] Wilf, H. S. Generatingfunctionology. Academic Press, 2 a edi¸c˜ao (1994).

                  59

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