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第一同型定理の見取り図md 60c7a21
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第一同型定理だいいちどうけいていりfirst isomorphism theorem見取みと

date2026-07-14document_iddoc_edd98787520485d3ad7c38d2f3ad0509description第一同型定理を、核で潰して像を得るという直感から説明し、群版と環版を証明して共通構造を整理する。prerequisites[準[同型/どうけい]/じゅんどうけい]の基[本/ほん] / [[正規/せいき][部分群/ぶぶんぐん]/せいきぶぶんぐん]と[[商/しょう]群/しょうぐん] / イデアルと[[商/しょう]環/しょうかん]type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/homomorphism-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/normal-subgroups-and-quotient-groups.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/ideals-and-quotient-rings.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/homomorphisms-and-isomorphisms.exercise.n.md
mathabstract-algebrahomomorphismlecture

第一同型定理だいいちどうけいていり中心ちゅうしんにあるかんがえは単純たんじゅんである。準同型じゅんどうけいおなあたいつぶれるげんさき同一視どういつしすると、のこった構造こうぞうぞうおなじになる。「第一準同型定理だいいちじゅんどうけいていり」とよぶ流儀りゅうぎもあるが、この教材きょうざいでは第一同型定理だいいちどうけいていり統一とういつする。

この見方みかたは、ぐんかん線型代数せんけいだいすう共通きょうつうしている。

data/lecture/math/linear-algebra/rank-basics.lecture.n.md

線型代数せんけいだいすう類似るいじしめすための接続せつぞくであり、このページの証明しょうめいではぐんかん導入どうにゅうしたかくぞうしょうだけを使つかう。

1第一同型定理だいいちどうけいていりかたち

群準同型ぐんじゅんどうけい φ:GHたいして、

G/kerφImφ

成立せいりつする。

環準同型かんじゅんどうけい φ:RSたいしても、

R/kerφImφ

成立せいりつする。

しきおなかたちである。ちがうのは、ぐんではかく正規部分群せいきぶぶんぐんであり、かんではかくがイデアルであるてんである。

2何故なぜそうなるか

群準同型ぐんじゅんどうけい φ:GH では、

φ(g)=φ(g)g-1gkerφ

である。したがって、ふたつのげんおなぞうつことと、おな左剰余類ひだりじょうよるい gkerφぞくすることは同値どうちである。そこで、

gkerφ

という剰余類じょうよるいを、

φ(g)

おく写像しゃぞうは、代表元だいひょうげんえらかたによらずさだまる。

環準同型かんじゅんどうけい φ:RS でも、

φ(r)=φ(r)r-rkerφ

である。したがって、ふたつのげんおなぞうつことと、おな加法剰余類かほうじょうよるい r+kerφぞくすることは同値どうちである。よって r+kerφφ(r)代表元だいひょうげんによらずさだまる。

3線型代数せんけいだいすうとの対応たいおう

線型せんけい写像しゃぞう T:VW では、かく

kerT={vVT(v)=0}

であり、ぞう

ImT={T(v)vV}

である。かく方向ほうこうつぶすと、のこ自由度じゆうどぞうになる。この直感ちょっかんは、階数かいすう退化たいか商空間しょうくうかん理解りかいにつながる。

data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md

この対応たいおう見通みとおしであり、線型せんけい写像しゃぞう定理ていり使つかって第一同型定理だいいちどうけいていり証明しょうめいしているわけではない。

4なにわり、なに保存ほぞんされるか

第一同型定理だいいちどうけいていりでは、かくなかちがいをつぶす。わるのはげん識別しきべつこまかさである。保存ほぞんされるのは、準同型じゅんどうけいによって実際じっさい観測かんそくできる構造こうぞう、つまりぞうである。

5証明しょうめい補足ほそく第一同型定理だいいちどうけいていり証明しょうめい

φ:GH群準同型ぐんじゅんどうけいとする。第一同型定理だいいちどうけいていりfirst isomorphism theorem

G/kerφImφ

主張しゅちょうする。

まずぐん場合ばあい証明しょうめいし、そのあとかん場合ばあい証明しょうめいする。

群準同型ぐんじゅんどうけいかく正規部分群せいきぶぶんぐんなので、G/kerφ商群しょうぐんとして定義ていぎできる。

写像しゃぞう

Φ:G/kerφImφ,gkerφφ(g)

定義ていぎする。まず、このあたい剰余類じょうよるい代表元だいひょうげんかたによらないこと(well-defined)をしめす。gkerφ=gkerφ なら g-1gkerφ である。したがって

φ(g-1g)=e

であり、φ(g)-1φ(g)=e だから φ(g)=φ(g) である。

つぎに Φ準同型じゅんどうけいである。

Φ((gkerφ)(hkerφ))=Φ(ghkerφ)=φ(gh)=φ(g)φ(h)

である。全射ぜんしゃぞう定義ていぎからしたがう。単射たんしゃは、まえしめした「かく単位元たんいげんだけなら単射たんしゃ」という判定法はんていほうΦ使つかえばよい。実際じっさいΦ(gkerφ)=e なら φ(g)=e、つまり gkerφ なので gkerφ=kerφ となる。

よって Φ同型どうけいであり、G/kerφImφ である。

つぎに、φ:RS環準同型かんじゅんどうけいとする。環準同型かんじゅんどうけいかくR のイデアルなので、R/kerφ商環しょうかんとして定義ていぎできる。写像しゃぞう

Ψ:R/kerφImφ,r+kerφφ(r)

かんがえる。r+kerφ=r+kerφ なら r-rkerφ なので、

φ(r)-φ(r)=φ(r-r)=0

であり、Ψ は well-defined である。剰余類じょうよるいせき定義ていぎから、

Ψ((r+kerφ)+(t+kerφ))=φ(r)+φ(t)=Ψ(r+kerφ)+Ψ(t+kerφ),
Ψ((r+kerφ)(t+kerφ))=φ(r)φ(t)=Ψ(r+kerφ)Ψ(t+kerφ),Ψ(1R+kerφ)=1S

なので、Ψ環準同型かんじゅんどうけいである。全射ぜんしゃぞう定義ていぎからしたがう。また、Ψ(r+kerφ)=Ψ(r+kerφ) なら φ(r-r)=0、すなわち r-rkerφ なので、r+kerφ=r+kerφ である。したがって Ψ単射たんしゃでもあり、

R/kerφImφ

る。どちらの証明しょうめいも、かくつぶしてからうつすと、ちょうどぞうだけがのこるというおな構造こうぞうあらわしている。

7まとめ

第一同型定理だいいちどうけいていりは、「かくるとぞうになる」という定理ていりである。ぐんかん線型せんけい写像しゃぞうおなかたちあらわれるため、抽象代数ちゅうしょうだいすう線型代数せんけいだいすうむす重要じゅうよう見取みとになる。

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