5証明補足:第一同型定理の証明
\varphi:G\to H を群準同型とする。第一同型定理 は
G/\ker\varphi\cong \operatorname{Im}\varphi
を主張する。
まず群の場合を証明し、その後に環の場合を証明する。
群準同型の核は正規部分群なので、G/\ker\varphi は商群として定義できる。
写像
\Phi:G/\ker\varphi\to \operatorname{Im}\varphi,
\qquad
g\ker\varphi\mapsto \varphi(g)
を定義する。まず、この値が剰余類の代表元の取り方によらないこと(well-defined)を示す。g\ker\varphi=g'\ker\varphi なら g^{-1}g'\in\ker\varphi である。したがって
\varphi(g^{-1}g')=e
であり、\varphi(g)^{-1}\varphi(g')=e だから \varphi(g)=\varphi(g') である。
つぎに \Phi は準同型である。
\Phi((g\ker\varphi)(h\ker\varphi))
=\Phi(gh\ker\varphi)
=\varphi(gh)
=\varphi(g)\varphi(h)
である。全射は像の定義から従う。単射は、前に示した「核が単位元だけなら単射」という判定法を \Phi に使えばよい。実際、\Phi(g\ker\varphi)=e なら \varphi(g)=e、つまり g\in\ker\varphi なので g\ker\varphi=\ker\varphi となる。
よって \Phi は同型であり、G/\ker\varphi\cong\operatorname{Im}\varphi である。
次に、\varphi:R\to S を環準同型とする。環準同型の核は R のイデアルなので、R/\ker\varphi は商環として定義できる。写像
\Psi:R/\ker\varphi\to\operatorname{Im}\varphi,
\qquad
r+\ker\varphi\mapsto\varphi(r)
を考える。r+\ker\varphi=r'+\ker\varphi なら r-r'\in\ker\varphi なので、
\varphi(r)-\varphi(r')=\varphi(r-r')=0
であり、\Psi は well-defined である。剰余類の和と積の定義から、
\Psi((r+\ker\varphi)+(t+\ker\varphi))=\varphi(r)+\varphi(t)=\Psi(r+\ker\varphi)+\Psi(t+\ker\varphi),
\Psi((r+\ker\varphi)(t+\ker\varphi))=\varphi(r)\varphi(t)=\Psi(r+\ker\varphi)\Psi(t+\ker\varphi),
\qquad
\Psi(1_R+\ker\varphi)=1_S
なので、\Psi は環準同型である。全射は像の定義から従う。また、\Psi(r+\ker\varphi)=\Psi(r'+\ker\varphi) なら \varphi(r-r')=0、すなわち r-r'\in\ker\varphi なので、r+\ker\varphi=r'+\ker\varphi である。したがって \Psi は単射でもあり、
R/\ker\varphi\cong\operatorname{Im}\varphi
を得る。どちらの証明も、核で潰してから写すと、ちょうど像だけが残るという同じ構造を表している。