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剰余類とラグランジュの定理md b26d378
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剰余類じょうよるいcosetとラグランジュの定理ていり

date2026-07-14document_iddoc_323cb9ec267a59419dd81186f193cca7description群における剰余類を導入し、有限群の位数と部分群の位数を結ぶラグランジュの定理を説明する。prerequisites[部分群/ぶぶんぐん]と[生成/せいせい]type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/subgroups-and-generators.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/normal-subgroups-and-quotient-groups.lecture.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/cosets-normal-subgroups-and-quotient-groups.exercise.n.md
mathabstract-algebragroup-theorylecture

整数せいすう剰余類じょうよるいは、整数せいすうあまりで分類ぶんるいするものだった。ぐんでも、部分群ぶぶんぐん基準きじゅんにしてげん分類ぶんるいできる。その分類ぶんるいぐん剰余類じょうよるいである。

cosets剰余類じょうよるい and Lagrange's theorem

Residue classes of integers classify integers by remainders. In a groupぐん, elements can also be classified using a subgroup部分群ぶぶんぐん as the standard. This classification is the group-theoretic notion of a coset剰余類じょうよるい.

1左剰余類ひだりじょうよるい

ぐん G部分群ぶぶんぐん Hげん gGたいして、

gH={ghhH}

H左剰余類ひだりじょうよるいleft cosetという。

みぎからける

Hg={hghH}

右剰余類みぎじょうよるいright cosetという。

ぐん可換かかんなら左剰余類ひだりじょうよるい右剰余類みぎじょうよるい一致いっちする。しかし一般いっぱんぐんでは一致いっちするとはかぎらない。

1Left cosets剰余類じょうよるい

For a subgroup部分群ぶぶんぐん H of a group G and an element gG,

gH={ghhH}

is called the left coset左剰余類ひだりじょうよるい of H by g.

The set obtained by multiplying from the right,

Hg={hghH}

is called the right coset右剰余類みぎじょうよるい.

If the group is commutative, left cosets剰余類じょうよるい and right cosets剰余類じょうよるい coincide. In a general group, however, they need not coincide.

2剰余類じょうよるいぐん分割ぶんかつする

左剰余類ひだりじょうよるいどうしは、ひとしいかまじわらないかのどちらかである。また、すべての左剰余類ひだりじょうよるいあつめると G 全体ぜんたいおおう。

これは、剰余類じょうよるいGおなおおきさのはこけることを意味いみする。

2Cosets partition a group

Any two left cosets剰余類じょうよるい are either equal or disjoint. Also, the collection of all left cosets剰余類じょうよるい covers all of G.

This means that cosets剰余類じょうよるい divide G into boxes of the same size.

3ラグランジュの定理ていり

有限群ゆうげんぐん G部分群ぶぶんぐん Hたいして、

|G|=[G:H]|H|

成立せいりつする。ここで [G:H]H左剰余類ひだりじょうよるい個数こすうである。

したがって、

|H||G|

である。これがラグランジュの定理ていりLagrange's theoremである。

3Lagrange's theorem

For a finite group G and a subgroup部分群ぶぶんぐん H,

|G|=[G:H]|H|

holds. Here [G:H] is the number of left cosets剰余類じょうよるい of H.

Therefore,

|H||G|

This is Lagrange's theoremラグランジュの定理ていり.

4具体例ぐたいれい

G=Z/6ZH={[0],[3]} とする。H位数いすうは 2 である。剰余類じょうよるい

[0]+H={[0],[3]}
[1]+H={[1],[4]}
[2]+H={[2],[5]}

みっつである。したがって |G|=6=3·2 である。

4Concrete example

Let G=Z/6Z and H={[0],[3]}. The order位数いすう of H is 2. The cosets剰余類じょうよるい are

[0]+H={[0],[3]}
[1]+H={[1],[4]}
[2]+H={[2],[5]}

There are three such cosets剰余類じょうよるい, so |G|=6=3·2.

5なに保存ほぞんされるか

剰余類じょうよるいけると、個々ここげんではなく、部分群ぶぶんぐんだけずれたものをおなはことしてる。部分群ぶぶんぐんおおきさはかくはこ保存ほぞんされる。これにより、有限群ゆうげんぐん位数いすう部分群ぶぶんぐん位数いすうれることがかる。

5What is preserved

When a group is divided into cosets剰余類じょうよるい, we no longer look at individual elements, but at boxes consisting of elements shifted by a subgroup部分群ぶぶんぐん. The size of the subgroup部分群ぶぶんぐん is preserved in every box. This shows that, in a finite group, the order位数いすう of a subgroup部分群ぶぶんぐん divides the order位数いすう of the group.

6商群しょうぐんへの注意ちゅうい

剰余類じょうよるい集合しゅうごうはいつでもつくれる。しかし、剰余類じょうよるいどうしのせきぐんつくれるとはかぎらない。商群しょうぐんつくるには、部分群ぶぶんぐん正規部分群せいきぶぶんぐんである必要ひつようがある。

data/lecture/math/abstract-algebra/normal-subgroups-and-quotient-groups.lecture.n.md

6Warning about quotient groups商群しょうぐん

The set of cosets剰余類じょうよるい can always be formed. However, it is not always possible to make that set into a group by multiplying cosets剰余類じょうよるい. To build a quotient group商群しょうぐん, the subgroup部分群ぶぶんぐん must be a normal subgroup正規部分群せいきぶぶんぐん.

data/lecture/math/abstract-algebra/normal-subgroups-and-quotient-groups.lecture.n.md

7証明しょうめい補足ほそく剰余類じょうよるい分割ぶんかつとラグランジュの定理ていり

H[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G とする。ひだり剰余類じょうよるい aHbH は、まじわらないか、完全かんぜん一致いっちする。

まず左剰余類ひだりじょうよるい全体ぜんたいGおおうことを確認かくにんする。任意にんいgG について、単位元たんいげん eH だから g=gegH である。

証明しょうめいする。aHbH[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")] とし、xaHbHる。すると x=ah1=bh2 となる h1,h2H存在そんざいする。ここから

b-1a=h2h1-1H

である。任意にんいahaH について、

ah=b(b-1a)h

であり、(b-1a)hH だから ahbH である。よって aHbH である。おな議論ぎろんbHaHしたがうので aH=bH である。

また、写像しゃぞう

HaH,hah

全単射ぜんたんしゃである。全射ぜんしゃaH定義ていぎからしたがう。単射たんしゃは、ah1=ah2 ならひだりから a-1けて h1=h2 となることからしたがう。ここでは a-1存在そんざいすること、つまり Gぐんであることを使つかっている。

したがって、有限群ゆうげんぐん G では、Gおなおおきさのひだり剰余類じょうよるい分割ぶんかつされる。ひだり剰余類じょうよるい個数こすう[G:H] とすれば

|G|=[G:H]|H|

である。これがラグランジュの定理ていりLagrange's theorem である。

7Proof supplement: coset剰余類じょうよるい partitions and Lagrange's theorem

Let H[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G. Two left cosets剰余類じょうよるい aH and bH are either disjoint or exactly equal.

First verify that the left cosets cover G. For every gG, the identity e lies in H, so g=gegH.

Proof. Suppose aHbH[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")], and take xaHbH. Then there exist h1,h2H such that x=ah1=bh2. From this,

b-1a=h2h1-1H

For any ahaH,

ah=b(b-1a)h

and since (b-1a)hH, we have ahbH. Thus aHbH. The same argument gives bHaH, so aH=bH.

Also, the map

HaH,hah

is a bijection. Surjectivity follows from the definition定義ていぎ of aH. Injectivity follows because if ah1=ah2, then multiplying by a-1 from the left gives h1=h2. This uses the existence of a-1, that is, it uses that G is a group.

Therefore, in a finite group G, the group is partitioned into left cosets剰余類じょうよるい of equal size. If the number of left cosets剰余類じょうよるい is [G:H], then

|G|=[G:H]|H|

This is Lagrange's theoremラグランジュの定理ていり.

8けいげん位数いすうぐん位数いすう

げん g位数いすうorderを、巡回部分群じゅんかいぶぶんぐん gげん個数こすう |g|さだめる。有限群ゆうげんぐん Gげん g について、ラグランジュの定理ていりより、

|g||G|

である。|g|g位数いすうなので、有限群ゆうげんぐんではかくげん位数いすうぐん位数いすうる。

とくに、|G|=p素数そすうなら、単位元たんいげんでないげん 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、位数いすう素数そすうぐん巡回群じゅんかいぐんである。

8Corollary: the order位数いすう of an element divides the order位数いすう of the group

Define the order位数いすう of an element g to be the number |g| of elements in the cyclic subgroup it generates. For an element g of a finite group G, Lagrange's theorem gives

|g||G|

The number |g| is the order位数いすう of g, so in a finite group, the order位数いすう of every element divides the order位数いすう of the group.

In particular, if |G|=p is prime and g is not the identity, then the order位数いすう of g is not 1 and must divide p, so it is p. Hence G=g, and every group of prime order位数いすう is cyclic.

10まとめ

ぐん剰余類じょうよるいは、部分群ぶぶんぐん基準きじゅんぐんおなおおきさのはこける方法ほうほうである。有限群ゆうげんぐんでは、部分群ぶぶんぐん位数いすう各元かくげん位数いすうぐん位数いすうり、素数位数そすういすうぐん巡回群じゅんかいぐんになる。商群しょうぐんつくるには、さらに正規性せいきせい必要ひつようである。

10Summary

A group coset剰余類じょうよるい divides a group into equally sized parts using a subgroup. In a finite group, the orders of subgroups and individual elements divide the order of the group, and every group of prime order is cyclic. Constructing a quotient group additionally requires normality.

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