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群の基本md d972835
lecture/math/abstract-algebra/group-basics.lecture.n.md
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ぐんgroup基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_0294ec810be4c8c384442be16b84108edescription群を、演算を繰り返しても閉じ、単位元と逆元によって戻せる構造として定義し、整数・剰余類・置換・可逆行列の例を説明する。prerequisites[半群/はんぐん]・モノイド・[群/ぐん]への[入口/いりぐち] / [合同式/ごうどうしき]と mod [演算/えんざん]type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/semigroups-monoids-and-groups.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/congruences-and-modular-arithmetic.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/inverse-matrix-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/groups-and-subgroups.exercise.n.md
mathabstract-algebragroup-theorylecture

ぐんは、操作そうさ合成ごうせいし、必要ひつようならげんもどせる構造こうぞうである。整数せいすうざん剰余類じょうよるいざん図形ずけい回転かいてん可逆行列かぎゃくぎょうれつせきちがう。しかし、どれも閉包性へいほうせいふく二項演算にこうえんざんと、結合法則けつごうほうそく単位元たんいげん逆元ぎゃくげんつ。

1ぐん定義ていぎ

集合しゅうごう G二項演算にこうえんざん [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]:G×GGくみ (G,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")])ぐんであるとは、つぎたすことである。[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]二項演算にこうえんざんであることに閉包性へいほうせいはすでにふくまれる。

a,b,cG,(a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]b)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]c=a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")](b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]c)
eGsuchthataG,e[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a=a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]e=a

この eたいして、

aG,a-1Gsuchthata[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a-1=a-1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a=e

最初さいしょ等式とうしき任意にんいa,b,cGたいする結合法則けつごうほうそくつづふたつは単位元たんいげんと、そのおな単位元たんいげんたいする各元かくげん逆元ぎゃくげん存在そんざいあらわす。

2何故なぜこれらの条件じょうけん

閉包性へいほうせいは、演算えんざん結果けっかおな世界せかいのこることを保証ほしょうする。結合法則けつごうほうそくは、操作そうさなにかいつづけるときに括弧かっこ位置いちにしなくてよいことを保証ほしょうする。単位元たんいげんなにもしない操作そうさであり、逆元ぎゃくげん操作そうさ操作そうさである。

これらの条件じょうけんがあると、方程式ほうていしき

a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]x=b

x=a-1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]b

一意いちいける。実際じっさいひだりから a-1演算えんざんすると

a-1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")](a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]x)=(a-1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]x=e[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]x=x

となり、x=a-1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]bる。つまり任意にんいかいはこのあたいひとしいので一意いちいである。ぎゃくにこのあたい代入だいにゅうすれば a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")](a-1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]b)=(a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a-1)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]b=e[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]b=b であり、実際じっさいかいになる。非可換群ひかかんぐんではけるがわ重要じゅうようであり、x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a=bかいx=b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a-1 となる。

3可換群かかんぐん

すべての a,bG について

a[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]b=b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a

成立せいりつするぐん可換群かかんぐんabelian groupという。整数せいすうざん可換かかんである。一方いっぽう置換ちかん合成ごうせい行列積ぎょうれつせき一般いっぱん可換かかんでない。

data/lecture/math/linear-algebra/meaning-of-matrix-multiplication.lecture.n.md

ここでは、置換ちかん集合しゅうごうげんえる操作そうさ行列積ぎょうれつせき非可換ひかかん演算えんざんれいとしてだけ使つかう。

4基本きほんれい

ぐん演算えんざん単位元たんいげん逆元ぎゃくげん
(Z,+)加法かほう0-a
(Z/nZ,+)剰余類じょうよるい加法かほう[0][-a]
(R×,·)乗法じょうほう11/a
Sn置換ちかん合成ごうせい恒等置換こうとうちかん逆置換ぎゃくちかん
GLn(R)行列積ぎょうれつせき単位行列たんいぎょうれつ逆行列ぎゃくぎょうれつ

R× は 0 でない実数じっすう全体ぜんたいである。0 をのぞくのは、0 に乗法逆元じょうほうぎゃくげんがないからである。

Sn{1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],n} から自分自身じぶんじしんへの全単射ぜんたんしゃ、つまり置換ちかん全体ぜんたいである。GLn(R)せきかんして逆元ぎゃくげんn×n じつ行列ぎょうれつ全体ぜんたいである。行列ぎょうれつくわしい計算けいさんは、このページの証明しょうめい前提ぜんていにはしない。

Sn では、全単射ぜんたんしゃ合成ごうせい全単射ぜんたんしゃであり、写像しゃぞう合成ごうせい結合的けつごうてきである。恒等写像こうとうしゃぞう単位元たんいげんで、全単射ぜんたんしゃには逆写像ぎゃくしゃぞうがある。GLn(R) では、A,B可逆かぎゃくなら (AB)-1=B-1A-1 なのでせき可逆かぎゃくである。行列積ぎょうれつせき結合法則けつごうほうそく単位行列たんいぎょうれつ逆行列ぎゃくぎょうれつわせてぐん条件じょうけんそろう。

5なにえてなに保存ほぞんするか

ぐんとしてると、げん具体的ぐたいてき姿すがた重要じゅうようでなくなる。整数せいすう置換ちかん行列ぎょうれつ別物べつものである。しかし、演算えんざんかえせること、単位元たんいげんがあること、逆元ぎゃくげんもどせることは共通きょうつうしている。この共通構造きょうつうこうぞう保存ほぞんして議論ぎろんするのが群論ぐんろんである。

6証明しょうめい補足ほそく単位元たんいげん逆元ぎゃくげん消去法則しょうきょほうそく

ぐんgroup では、単位元たんいげん一意いちいである。ee がどちらも単位元たんいげんだとする。e単位元たんいげんなので ee=e であり、e単位元たんいげんなので ee=e である。したがって e=e である。

逆元ぎゃくげん一意いちいである。bc がどちらも a逆元ぎゃくげんだとする。つまり ab=eca=e である。このとき

b=eb=(ca)b=c(ab)=ce=c

である。ここで結合法則けつごうほうそく使つかっている。

さらに、ぐんでは消去法則しょうきょほうそくcancellation law成立せいりつする。

ab=acb=c

および

ba=cab=c

である。最初さいしょしきは、ひだりから a-1けると

a-1(ab)=a-1(ac)

である。結合法則けつごうほうそくより (a-1a)b=(a-1a)c、つまり eb=ec となる。したがって b=c である。ふたみぎから a-1ければ同様どうようしたがう。

この証明しょうめいは、ぐんで「ぎゃくもどせる」ことが、方程式ほうていしきちからになっていることをしめしている。

8まとめ

ぐんは、結合法則けつごうほうそくたす二項演算にこうえんざんと、単位元たんいげん各元かくげん逆元ぎゃくげん代数的構造だいすうてきこうぞうである。ぐんまな理由りゆうは、かず置換ちかん行列ぎょうれつ対称性たいしょうせいおな言葉ことばあつかうためである。

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