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剰余類・正規部分群・商群 基本演習md 65754ed
exercise/math/abstract-algebra/cosets-normal-subgroups-and-quotient-groups.exercise.n.md

剰余類じょうよるいcoset正規部分群せいきぶぶんぐんnormal subgroup商群しょうぐんquotient group 基本きほん演習えんしゅう

date2026-06-06document_iddoc_7eb1feff44ad9372b330673a4dd12546description群の剰余類、ラグランジュの定理、正規部分群、商群を確認する基本演習。prerequisites[剰余類/じょうよるい]とラグランジュの[定理/ていり] / [正規部分群/せいきぶぶんぐん]と[商群/しょうぐん]type[問題/もんだい][演習/えんしゅう]content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/cosets-and-lagrange-theorem.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/normal-subgroups-and-quotient-groups.lecture.n.md
mathabstract-algebragroup-theoryexercise

2順序じゅんじょ

剰余類じょうよるいとラグランジュの定理ていり」のあと問題もんだい1・2・4と、剰余類じょうよるいによる分割ぶんかつ証明演習しょうめいえんしゅうめる。「正規部分群せいきぶぶんぐん商群しょうぐん」のあと問題もんだい3へすすむ。このページの prerequisites は全問題ぜんもんだいむための最終到達点さいしゅうとうたつてんあらわす。

4問題もんだい1:剰余類じょうよるいcosetもとめる

(Z/6Z,+)部分群ぶぶんぐんsubgroup H={[0],[3]} について、[1]+Hもとめよ。

4.1解答かいとう

[1]+H={[1]+[0],[1]+[3]}={[1],[4]}

である。

4.2解説かいせつ

剰余類じょうよるいcosetは、部分群ぶぶんぐんsubgroup全体ぜんたいひとつのげんelementでずらした集合しゅうごうsetである。

5問題もんだい2:ラグランジュの定理ていりLagrange's theorem使つか

位数いすうorder 12 の有限群ゆうげんぐんfinite groupに、位数いすうorder 5 の部分群ぶぶんぐんsubgroup存在そんざいしうるか。

5.1解答かいとう

存在そんざいしない。ラグランジュの定理ていりLagrange's theoremにより、部分群ぶぶんぐんsubgroup位数いすうorderぐんgroup位数いすうorder必要ひつようがある。しかし 5 は 12 をらない。

5.2解説かいせつ

ラグランジュの定理ていりLagrange's theorem存在そんざい可能性かのうせいしぼ定理ていりである。ることは必要ひつよう条件じょうけんnecessary conditionであり、十分じゅうぶん条件じょうけんsufficient conditionではない。

6問題もんだい3:商群しょうぐんquotient groupつくれる条件じょうけん

部分群ぶぶんぐんsubgroup N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G について、剰余類じょうよるいcosetせき (aN)(bN)=abN代表元だいひょうげんによらずさだまるための必要十分条件ひつようじゅうぶんじょうけんべ、両方向りょうほうこう証明しょうめいせよ。

6.1解答かいとう

N正規部分群せいきぶぶんぐんnormal subgroupであることが必要十分ひつようじゅうぶんである。

まず N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"trianglelefteq\")")]G とし、aN=aNbN=bN とする。ある n1,n2N によって a=an1b=bn2けるので、

ab=an1bn2=ab(b-1n1b)n2

である。正規性せいきせいより (b-1n1b)n2N だから、abN=abN である。

ぎゃくせき代表元だいひょうげんによらずさだまるとする。任意にんいgGnN について (gn)N=gN なので、g-1Nけた結果けっかひとしく、

gng-1N=((gn)N)(g-1N)=(gN)(g-1N)=N

である。したがって gng-1N であり、N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"trianglelefteq\")")]G である。

6.2解説かいせつ

正規性せいきせいせき代表元だいひょうげんによらずさだまることを保証ほしょうし、ぎゃくにその代表元独立性だいひょうげんどくりつせいから共役きょうやく gng-1Nのこることをみちびける。

7証明しょうめい演習えんしゅう剰余類じょうよるいcosetによる分割ぶんかつ

7.1問題もんだい

H[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Gひだり剰余類じょうよるいcosetG分割ぶんかつすることを証明しょうめいせよ。

7.2解答かいとう

単位元たんいげん eH なので、任意にんいgGg=gegH であり、ひだり剰余類じょうよるいcoset合併がっぺいGおおわれる。もし aHbH[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] なら、ある x について x=ah1=bh2 である。すると b-1a=h2h1-1H である。任意にんいahaH について

ah=b(b-1a)hbH

なので aHbH である。おな議論ぎろんbHaHしたがい、aH=bH となる。よってまじわるふたつのるい一致いっちする。

7.3解説かいせつ

剰余類じょうよるいcoset集合しゅうごうsetとしてはいつも分割ぶんかつつくるが、せきれてぐんgroupにするには正規性せいきせい必要ひつようである。

8問題もんだい4:ラグランジュの定理ていりからげん位数いすう

有限群ゆうげんぐん Gげん g について、g位数いすう|G|ることを証明しょうめいせよ。さらに、|G|=p素数そすうなら G巡回群じゅんかいぐんであることをしめせ。

8.1解答かいとう

g生成せいせいする gG部分群ぶぶんぐんであり、g位数いすう|g| である。ラグランジュの定理ていりをこの部分群ぶぶんぐん適用てきようすると、

|g||G|

る。

|G|=p素数そすうなら、単位元たんいげんでない gGる。g位数いすうは 1 ではなく pるので、p である。したがって |g|=|G| であり、g=G となる。よって G巡回群じゅんかいぐんである。

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