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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。

Basics of groupsぐん

A groupぐん is a structure in which operations can be composed and, when necessary, undone. Addition of integers, addition of residue classes, rotations of figures, and products of invertible matrices look different. However, each has a binary operation, which includes closure, together with associativity, an identity, and inverses.

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。

1Definition of a group

A pair (G,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]) consisting of a set G and a binary operation [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]:G×GG is a group if it satisfies the following conditions. Closure is already included in the statement that [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")] is a binary operation on G.

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

For this same e,

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

The first equality is the associative law for every a,b,cG; the next two statements assert the existence of an identity and of an inverse for every element relative to that same identity.

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。

2Why these conditions?

Closure guarantees that the result of an operation stays in the same world. Associativity guarantees that when operations are repeated, the position of parentheses does not matter. The identity element単位元たんいげん is the operation that does nothing, and an inverse is an operation that cancels another operation.

With these conditions, the equation

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

has the unique solution

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

Indeed, operating on the left by a-1 gives

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,

so x=a-1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]b. Thus every solution is forced to have this value and is unique. Conversely, substituting the value gives 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, so it really is a solution. In a noncommutative group, the side matters: the solution of x[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a=b is x=b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ast\")")]a-1.

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。

3Abelian groups

A groupぐん in which

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

holds for all a,bG is called an abelian group可換群かかんぐん. Addition of integers is commutative. In contrast, composition of permutations and matrix multiplication are generally not commutative.

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

Here a permutation is used only as an operation that rearranges elements of a set, and matrix multiplication is used only as an example of a noncommutative operation.

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。

4Basic examples

groupぐんOperationIdentity elementInverse
(Z,+)Addition0-a
(Z/nZ,+)Addition of residue classes[0][-a]
(R×,·)Multiplication11/a
SnComposition of permutationsIdentity permutationInverse permutation
GLn(R)Matrix multiplicationIdentity matrixInverse matrix

Here R× is the set of all nonzero real numbers. The element 0 is excluded because it has no multiplicative inverse.

The group Sn is the set of all bijections from {1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],n} to itself, that is, all permutations. The group GLn(R) is the set of all n×n real matrices that have inverses under multiplication. Detailed matrix calculations are not used as a prerequisite for the proofs on this page.

In Sn, a composition of bijections is a bijection, composition of maps is associative, the identity map is the identity element, and every bijection has an inverse map. In GLn(R), if A and B are invertible, then (AB)-1=B-1A-1, so the product remains invertible. Associativity of matrix multiplication, the identity matrix, and inverse matrices provide the other group conditions.

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。

5What changes and what is preserved

When objects are viewed as groups, the concrete appearance of the elements becomes less important. Integers, permutations, and matrices are different kinds of objects. However, the ability to repeat the operation, the existence of an identity element単位元たんいげん, and the ability to return by an inverse are shared. Group theory studies arguments while preserving this common structure.

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。

6Proof supplement: identity elements, inverses, and cancellation

In a groupぐん, the identity element単位元たんいげん is unique. Suppose e and e are both identity elements. Since e is an identity element単位元たんいげん, ee=e. Since e is an identity element単位元たんいげん, ee=e. Therefore e=e.

Inverses are also unique. Suppose b and c are both inverses of a. That means ab=e and ca=e. Then

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

Here the associative law結合法則けつごうほうそく is used.

Furthermore, the cancellation law消去法則しょうきょほうそく holds in a group:

ab=acb=c

and

ba=cab=c.

For the first implication, multiplying by a-1 from the left gives

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

By associativity, (a-1a)b=(a-1a)c, so eb=ec. Therefore b=c. The second implication follows similarly by multiplying by a-1 on the right.

This proof証明しょうめい shows that in a group, the ability to undo operations is what gives us the power to solve equations.

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。

8Summary

A groupぐん is an algebraic structure代数的構造だいすうてきこうぞう with an associative binary operation, an identity element単位元たんいげん, and an inverse for every element. The reason to study groups is to handle numbers, permutations, matrices, and symmetries in the same language.

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