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準同型の基本md 3cd4e6a
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準同型じゅんどうけいhomomorphism基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_3c1f28998382611f90145e3b03a52f40description準同型を、演算を保存する写像として群・環を横断して説明し、核・像・同型への接続を整理する。prerequisites群[準[同型/どうけい]/じゅんどうけい]と[同型/どうけい] / 環の基[本/ほん] / イデアルと[[商/しょう]環/しょうかん] / [整域/せいいき]・[[零/れい]因子/れいいんし]・[[多項[式/しき]/たこうしき]環/たこうしきかん]type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/group-homomorphisms-and-isomorphisms.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/ring-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/ideals-and-quotient-rings.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/integral-domains-zero-divisors-and-polynomial-rings.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/homomorphism-theorems-overview.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/homomorphisms-and-isomorphisms.exercise.n.md
mathabstract-algebrahomomorphismlecture

準同型じゅんどうけいhomomorphismは、演算えんざんoperationたも写像しゃぞうmapである。抽象代数ちゅうしょうだいすうabstract algebraでは、対象たいしょうそのものよりも、対象たいしょうどうしを構造こうぞうstructureこわさずにうつ写像しゃぞうmap重要じゅうようになる。

線型代数せんけいだいすう線型せんけい写像しゃぞうlinear map加法かほうadditionとスカラーばいたもつように、抽象代数ちゅうしょうだいすうabstract algebra準同型じゅんどうけいhomomorphismぐんgroupかんring演算えんざんoperationたもつ。

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

この類推るいすい見通みとおしであり、このページの定義ていぎ証明しょうめいでは、まえ導入どうにゅうしたぐんかん写像しゃぞうだけを使つかう。

Basics of homomorphisms準同型じゅんどうけい

A homomorphism準同型じゅんどうけい is a map that preserves operations. In abstract algebra抽象代数ちゅうしょうだいすう, not only the objects themselves but also the maps that move between objects without breaking structure are important.

Just as a linear map線型写像せんけいしゃぞう in linear algebra preserves addition and scalar multiplication, a homomorphism準同型じゅんどうけい in abstract algebra抽象代数ちゅうしょうだいすう preserves the operations of groups or rings.

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

This analogy is only a preview. The definitions and proofs on this page use only groups, rings, and maps introduced earlier.

1群準同型ぐんじゅんどうけいgroup homomorphism

ぐんgroup G,Hあいだ写像しゃぞうmap φ:GH群準同型ぐんじゅんどうけいgroup homomorphismであるとは、

φ(ab)=φ(a)φ(b)

任意にんいa,bG についてたすことである。

この条件じょうけんから、単位元たんいげんidentity element逆元ぎゃくげん保存ほぞんされる。実際じっさい

φ(eG)=φ(eGeG)=φ(eG)2

両辺りょうへんφ(eG)-1けると φ(eG)=eH である。また、

eH=φ(eG)=φ(aa-1)=φ(a)φ(a-1)

なので、φ(a-1)=φ(a)-1 である。

1Group homomorphisms準同型じゅんどうけい

A map φ:GH between groups G,H is a group homomorphism群準同型ぐんじゅんどうけい if, for all a,bG, it satisfies

φ(ab)=φ(a)φ(b)

Identity elements and inverses follow from this condition. Indeed,

φ(eG)=φ(eGeG)=φ(eG)2,

and multiplying by φ(eG)-1 gives φ(eG)=eH. Moreover,

eH=φ(eG)=φ(aa-1)=φ(a)φ(a-1),

so φ(a-1)=φ(a)-1.

2環準同型かんじゅんどうけいring homomorphism

かんring R,Sあいだ写像しゃぞうmap φ:RS環準同型かんじゅんどうけいring homomorphismであるとは、

φ(a+b)=φ(a)+φ(b)
φ(ab)=φ(a)φ(b)

任意にんいa,bR についてたし、さらに

φ(1R)=1S

たすことである。この教材きょうざいではかん単位元たんいげんつため、環準同型かんじゅんどうけいring homomorphism単位元たんいげんたもつものを標準ひょうじゅんとする。

加法かほう条件じょうけんから φ(0R)=0Sφ(-a)=-φ(a)したがう。なぜなら、

φ(0R)=φ(0R+0R)=φ(0R)+φ(0R)

より φ(0R)=0S であり、

0S=φ(0R)=φ(a+(-a))=φ(a)+φ(-a)

より φ(-a)=-φ(a) だからである。

2Ring homomorphisms準同型じゅんどうけい

A map φ:RS between rings R,S is a ring homomorphism環準同型かんじゅんどうけい if, for all a,bR, it satisfies

φ(a+b)=φ(a)+φ(b)
φ(ab)=φ(a)φ(b)

and also

φ(1R)=1S

In this material, rings have identity elements, and ring homomorphisms preserve them by default.

The additive condition also implies φ(0R)=0S and φ(-a)=-φ(a). Indeed,

φ(0R)=φ(0R+0R)=φ(0R)+φ(0R)

gives φ(0R)=0S, while

0S=φ(0R)=φ(a+(-a))=φ(a)+φ(-a)

gives φ(-a)=-φ(a).

3かくkernelぞうimage

準同型じゅんどうけいhomomorphismかくkernelは、単位元たんいげんidentity elementまたは 0 につぶれる部分ぶぶんである。

群準同型ぐんじゅんどうけいgroup homomorphismでは

kerφ={gGφ(g)=eH}

環準同型かんじゅんどうけいring homomorphismでは

kerφ={rRφ(r)=0S}

である。

写像しゃぞうmap φ:ABぞうimageは、実際じっさい到達とうたつする Bげん全体ぜんたいである。

Imφ={φ(x)xA}B

3Kernel and imageぞう

The kernelかく of a homomorphism準同型じゅんどうけい is the part collapsed to the identity element単位元たんいげん or to 0.

For a group homomorphism群準同型ぐんじゅんどうけい,

kerφ={gGφ(g)=eH}

For a ring homomorphism環準同型かんじゅんどうけい,

kerφ={rRφ(r)=0S}

For a map φ:AB, the imageぞう is the set of all elements of B actually reached:

Imφ={φ(x)xA}B.

4なにえ、なに保存ほぞんするか

準同型じゅんどうけいhomomorphismでは、げん名前なまえ表示ひょうじわる。しかし、演算えんざんoperationしてからうつすことと、うつしてから演算えんざんoperationすることが一致いっちする。この意味いみで、準同型じゅんどうけいhomomorphism構造こうぞうstructureたも写像しゃぞうmapである。

同型どうけいisomorphismは、可逆かぎゃく準同型じゅんどうけいhomomorphismである。同型どうけいisomorphismなら、構造こうぞうstructure完全かんぜん保存ほぞんされる。

とくに、全単射ぜんたんしゃ環準同型かんじゅんどうけい環同型かんどうけいring isomorphismという。逆写像ぎゃくしゃぞう加法かほう乗法じょうほう単位元たんいげんたもつ。実際じっさいy=φ(a)z=φ(b)けば、

φ-1(y+z)=φ-1(φ(a+b))=a+b=φ-1(y)+φ-1(z),
φ-1(yz)=φ-1(φ(ab))=ab=φ-1(y)φ-1(z),

かつ φ-1(1S)=φ-1(φ(1R))=1R である。

4What changes and what is preserved

In a homomorphism準同型じゅんどうけい, the names or representations of elements may change. However, operating first and then mapping gives the same result as mapping first and then operating. In this sense, a homomorphism準同型じゅんどうけい is a structure-preserving map.

An isomorphism同型どうけい is an invertible homomorphism準同型じゅんどうけい. When an isomorphism同型どうけい exists, the structure is completely preserved.

In particular, a bijective ring homomorphism is called a ring isomorphism環同型かんどうけい. Its inverse also preserves addition, multiplication, and the identity. Indeed, writing y=φ(a) and z=φ(b) gives

φ-1(y+z)=φ-1(φ(a+b))=a+b=φ-1(y)+φ-1(z),
φ-1(yz)=φ-1(φ(ab))=ab=φ-1(y)φ-1(z),

and φ-1(1S)=φ-1(φ(1R))=1R.

5れい評価写像ひょうかしゃぞうevaluation map環準同型かんじゅんどうけいring homomorphism

たいfield FcFたいして、多項式環たこうしきかんpolynomial ring F[x] から F への写像しゃぞうmap

evc:F[x]F,f(x)f(c)

評価写像ひょうかしゃぞうevaluation mapという。これは環準同型かんじゅんどうけいring homomorphismである。なぜなら

evc(f+g)=f(c)+g(c)

かつ

evc(fg)=f(c)g(c)

くわえて evc(1)=1成立せいりつするからである。

この写像しゃぞうmapかくkernelは、cこん多項式たこうしき全体ぜんたいである。つまり

ker(evc)={f(x)F[x]f(c)=0}

である。かくkernelイデアルidealになることは、準同型じゅんどうけいhomomorphism商環しょうかんquotient ringむすびつく基本例きほんれいである。

5Example: evaluation map評価写像ひょうかしゃぞうs are ring homomorphisms環準同型かんじゅんどうけい

For a fieldたい F and cF, the map from the polynomial ring多項式環たこうしきかん F[x] to F defined by

evc:F[x]F,f(x)f(c)

is called the evaluation map評価写像ひょうかしゃぞう. It is a ring homomorphism環準同型かんじゅんどうけい because

evc(f+g)=f(c)+g(c)

and

evc(fg)=f(c)g(c)

hold, and evc(1)=1.

The kernelかく of this map is the set of all polynomials that have c as a root:

ker(evc)={f(x)F[x]f(c)=0}

The fact that this kernelかく is an idealイデアル is a basic example connecting homomorphisms準同型じゅんどうけい with quotient rings商環しょうかん.

6証明しょうめい補足ほそく環準同型かんじゅんどうけいかくはイデアルである

φ:RS環準同型かんじゅんどうけいring homomorphismとする。かく

kerφ={rRφ(r)=0}

定義ていぎする。まず φ(0R)=0S なので、0Rkerφ であり、かくからではない。a,bkerφ なら、

φ(a-b)=φ(a)-φ(b)=0-0=0

なので a-bkerφ である。また rRakerφ なら、

φ(ra)=φ(r)φ(a)=φ(r)0=0,φ(ar)=φ(a)φ(r)=0φ(r)=0

なので ra,arkerφ である。したがって環準同型かんじゅんどうけいかくイデアルidealである。

ぞうについても閉性へいせいたしかめる。x=φ(a)y=φ(b)Imφげんとすると、

x+y=φ(a+b),-x=φ(-a),xy=φ(ab)

であり、0S=φ(0R)1S=φ(1R)ぞうぞくする。したがってぞう加法かほう加法逆元かほうぎゃくげん乗法じょうほうについてじ、零元れいげん乗法単位元じょうほうたんいげんふくむ。加法かほう乗法じょうほう結合法則けつごうほうそく加法かほう交換法則こうかんほうそく分配法則ぶんぱいほうそくS演算えんざんぞう制限せいげんすればそのまま継承けいしょうされる。このように、S演算えんざんをそのまま使つかってかんになり、S乗法単位元じょうほうたんいげん共有きょうゆうする部分集合ぶぶんしゅうごうを、ここでは S部分環ぶぶんかんとよぶ。したがって ImφS部分環ぶぶんかんである。

6Proof supplement: the kernelかく of a ring homomorphism環準同型かんじゅんどうけい is an idealイデアル

Let φ:RS be a ring homomorphism環準同型かんじゅんどうけい. Define its kernelかく by

kerφ={rRφ(r)=0}.

First, φ(0R)=0S, so 0Rkerφ; hence the kernel is nonempty. If a,bkerφ, then

φ(a-b)=φ(a)-φ(b)=0-0=0,

so a-bkerφ. Also, if rR and akerφ, then

φ(ra)=φ(r)φ(a)=φ(r)0=0,φ(ar)=φ(a)φ(r)=0φ(r)=0,

so ra,arkerφ. Therefore the kernelかく of a ring homomorphism環準同型かんじゅんどうけい is an idealイデアル.

We also verify closure of the imageぞう. Let x=φ(a) and y=φ(b) lie in Imφ. Then

x+y=φ(a+b),-x=φ(-a),xy=φ(ab),

and both 0S=φ(0R) and 1S=φ(1R) lie in the image. Thus the image is closed under addition, additive inverses, and multiplication and contains the zero and multiplicative identity. Associativity of addition and multiplication, commutativity of addition, and the distributive laws are inherited by restricting the operations of S. Here, a subset that is a ring under the operations inherited from S and shares the multiplicative identity of S is called a subring of S. Therefore Imφ is a subring of S.

8まとめ

準同型じゅんどうけいhomomorphismは、演算えんざんoperation保存ほぞんする写像しゃぞうmapである。群準同型ぐんじゅんどうけいgroup homomorphismぐんせきたもち、環準同型かんじゅんどうけいring homomorphism加法かほう乗法じょうほう乗法単位元じょうほうたんいげんたもつ。かくkernel単位元たんいげんまたは 0 にうつ部分ぶぶんぞうimage実際じっさい到達とうたつする部分ぶぶんである。評価写像ひょうかしゃぞう多項式環たこうしきかん具体例ぐたいれいであり、環準同型かんじゅんどうけいかくはイデアルになる。これらが商構造しょうこうぞう第一同型定理だいいちどうけいていりへの入口いりぐちになる。

8Summary

A homomorphism準同型じゅんどうけい is a map that preserves operations. A group homomorphism preserves the group product, while a ring homomorphism preserves addition, multiplication, and the multiplicative identity. The kernelかく is the part mapped to an identity element or to 0, and the imageぞう is the part actually reached. Evaluation maps provide concrete polynomial examples, and the kernel of a ring homomorphism is an ideal. These ideas lead to quotient structures and the first isomorphism theorem.

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