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群準同型と同型md 413f4e3
lecture/math/abstract-algebra/group-homomorphisms-and-isomorphisms.lecture.n.md
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群準同型ぐんじゅんどうけいgroup homomorphism同型どうけいisomorphism

date2026-07-14document_iddoc_56e7c273d30060a1591234a6ff558442description群準同型を、演算を保つ写像として定義し、核・像・同型が何を保存するかを説明する。prerequisites[群/ぐん]の[基本/きほん] / [正規部分群/せいきぶぶんぐん]と[商群/しょうぐん] / [写像/しゃぞう]の[基本/きほん]type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/group-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/map-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/normal-subgroups-and-quotient-groups.lecture.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/homomorphisms-and-isomorphisms.exercise.n.md
mathabstract-algebragroup-theorylecture

ぐんどうしをくらべるとき、げん名前なまえ一致いっちする必要ひつようはない。重要じゅうようなのは、演算えんざん構造こうぞうたもたれることである。この「演算えんざんたも写像しゃぞう」が群準同型ぐんじゅんどうけいである。

1群準同型ぐんじゅんどうけい

ぐん G,Hたいして、写像しゃぞう φ:GH群準同型ぐんじゅんどうけいであるとは、任意にんいa,bG について

φ(ab)=φ(a)φ(b)

成立せいりつすることである。

ここで左辺さへんせきG演算えんざんであり、右辺うへんせきH演算えんざんである。記号きごうおなじでも、どのぐん演算えんざんかを区別くべつする必要ひつようがある。

2準同型じゅんどうけい自動的じどうてきたもつもの

群準同型ぐんじゅんどうけい φ:GH単位元たんいげん単位元たんいげんおくる。

φ(eG)=eH

また、逆元ぎゃくげん逆元ぎゃくげんおくる。

φ(a-1)=φ(a)-1

これらは定義ていぎ直接ちょくせつかれていないが、演算えんざんたもつことからみちびかれる。

3かくぞう

群準同型ぐんじゅんどうけい φ:GHかくkernel

kerφ={gGφ(g)=eH}

定義ていぎする。かくは、写像しゃぞうによって単位元たんいげんつぶれる部分ぶぶんである。

ぞうimage

Imφ={φ(g)gG}

である。ぞうは、実際じっさい到達とうたつするげん全体ぜんたいであり、H部分群ぶぶんぐんになる。eH=φ(eG) なのでぞうからでない。実際じっさいx=φ(a)y=φ(b)ぞうぞくするなら

xy-1=φ(a)φ(b)-1=φ(ab-1)

ぞうぞくするので、部分群判定法ぶぶんぐんはんていほう使つかえる。

4同型どうけい

群準同型ぐんじゅんどうけい φ:GH全単射ぜんたんしゃであるとき、ぐん同型どうけいという。このとき GHぐんとしておな構造こうぞうつ。

GH

く。

同型どうけいでは、げん名前なまえわる。演算表えんざんひょう文字通もじどおおなならびで保存ほぞんするのではなく、ぎょうれつ見出みだしと各成分かくせいぶんφ対応たいおうするげんえると、ふたつの演算表えんざんひょう一致いっちする。これは φ(ab)=φ(a)φ(b) そのものである。

その結果けっか単位元たんいげん逆元ぎゃくげん部分群ぶぶんぐん包含関係ほうがんかんけいぐん位数いすう、および各元かくげん位数いすうなどの群論的性質ぐんろんてきせいしつ保存ほぞんされる。

これらをたしかめる。K[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G なら φ(K)からでなく、a,bKたいして

φ(a)φ(b)-1=φ(ab-1)φ(K)

なので、部分群判定法ぶぶんぐんはんていほうより φ(K)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]H である。ぎゃくL[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]H なら、逆像ぎゃくぞう

φ-1(L)={gGφ(g)L}

おな判定法はんていほうG部分群ぶぶんぐんになる。φ全単射ぜんたんしゃなので、Kφ(K)Lφ-1(L)たがいにぎゃくであり、

K1K2φ(K1)φ(K2)

である。したがって部分群ぶぶんぐん包含関係ほうがんかんけい保存ほぞんされる。

また、全単射ぜんたんしゃGHげん一対一いちたいいち対応たいおうさせるので、|G|=|H| である。m[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 については、m=0 のときの φ(eG)=eH出発点しゅっぱつてんとし、

φ(gm+1)=φ(gmg)=φ(gm)φ(g)

使つか帰納法きのうほうにより φ(gm)=φ(g)m である。m=-n<0 なら、逆元ぎゃくげん保存ほぞんから

φ(g-n)=φ((g-1)n)=φ(g-1)n=φ(g)-n

となる。したがって任意にんいmZ について φ(gm)=φ(g)m であり、単射性たんしゃせいから

gm=eGφ(g)m=eH

となる。よって gφ(g) は、有限位数ゆうげんいすうならおな最小さいしょうせい指数しすうち、そのような指数しすうがなければどちらも無限位数むげんいすうである。

5具体例ぐたいれい

φ:ZZ/nZ

φ(k)=[k]

さだめる。これは群準同型ぐんじゅんどうけいである。

φ(a+b)=[a+b]=[a]+[b]

だからである。この写像しゃぞうかく

kerφ=nZ

である。

6証明しょうめい補足ほそく準同型じゅんどうけい保存ほぞんするもの

φ:GH群準同型ぐんじゅんどうけいgroup homomorphism とする。このとき

φ(eG)=eH,φ(g-1)=φ(g)-1

である。

まず φ(eG)=φ(eGeG)=φ(eG)φ(eG) である。ひだりから φ(eG)-1けると eH=φ(eG) である。つぎに

eH=φ(eG)=φ(gg-1)=φ(g)φ(g-1)

なので、φ(g-1)φ(g)逆元ぎゃくげんである。よって φ(g-1)=φ(g)-1 である。

さらに、かくkernel kerφG正規部分群せいきぶぶんぐんである。a,bkerφ なら

φ(ab-1)=φ(a)φ(b)-1=eHeH-1=eH

なので ab-1kerφ であり、部分群判定法ぶぶんぐんはんていほうから部分群ぶぶんぐんである。また gGakerφ について

φ(gag-1)=φ(g)φ(a)φ(g)-1=φ(g)eHφ(g)-1=eH

なので gag-1kerφ である。したがってかく正規せいきである。

最後さいごに、φ単射たんしゃであることと kerφ={eG}同値どうちである。φ単射たんしゃなら、φ(g)=eH=φ(eG) から g=eG である。ぎゃくkerφ={eG} とし、φ(g1)=φ(g2) とする。すると

φ(g1g2-1)=eH

なので g1g2-1kerφ、したがって g1g2-1=eG である。よって g1=g2 であり、φ単射たんしゃである。

8まとめ

群準同型ぐんじゅんどうけい演算えんざんたも写像しゃぞうである。かくつぶれる部分ぶぶんぞう到達とうたつする部分ぶぶんである。同型どうけい構造こうぞう完全かんぜん保存ほぞんする準同型じゅんどうけいであり、抽象代数ちゅうしょうだいすうで「本質的ほんしつてきおなじ」をあらわす。

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