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正規部分群と商群md afc9f5e
lecture/math/abstract-algebra/normal-subgroups-and-quotient-groups.lecture.n.md
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正規部分群せいきぶぶんぐんnormal subgroup商群しょうぐんquotient group

date2026-07-14document_iddoc_439dabe4b5d3745363a37869e69b53a5description正規部分群を、剰余類の集合に群構造を入れるための条件として説明し、商群の意味を整理する。prerequisites[剰余類/じょうよるい]とラグランジュの[定理/ていり]type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/cosets-and-lagrange-theorem.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/group-homomorphisms-and-isomorphisms.lecture.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/cosets-normal-subgroups-and-quotient-groups.exercise.n.md
mathabstract-algebragroup-theorylecture

剰余類じょうよるい集合しゅうごうつくるだけなら、任意にんい部分群ぶぶんぐんでよい。しかし、剰余類じょうよるいどうしをけてふたた剰余類じょうよるいにしたいなら、代表元だいひょうげんえらかた依存いぞんしない必要ひつようがある。この条件じょうけんたす部分群ぶぶんぐん正規部分群せいきぶぶんぐんである。

normal subgroups正規部分群せいきぶぶんぐん and quotient groups商群しょうぐん

To merely form the set of cosets剰余類じょうよるい, any subgroup部分群ぶぶんぐん is enough. But if we want to multiply cosets剰余類じょうよるい and obtain cosets剰余類じょうよるい again, the result must not depend on the choice of representatives. A subgroup部分群ぶぶんぐん satisfying this condition is a normal subgroup正規部分群せいきぶぶんぐん.

1正規部分群せいきぶぶんぐん定義ていぎ

部分群ぶぶんぐん N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G正規部分群せいきぶぶんぐんであるとは、任意にんいgG について

gN=Ng

成立せいりつすることである。このとき

N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"trianglelefteq\")")]G

く。

gng-1ng による共役きょうやくconjugateという。どうあたい条件じょうけんとして、任意にんいgGnN について

gng-1N

成立せいりつすることでもよい。

ふたつの条件じょうけん同値どうちであることを確認かくにんする。gN=Ng なら、gngN=Ng なので gn=ng となる nN があり、gng-1=nN である。ぎゃく共役きょうやく条件じょうけん仮定かていすると、gn=(gng-1)gNg なので gNNg である。また g-1ngN より ng=g(g-1ng)gN なので NggN であり、gN=Ng となる。

1Definition of a normal subgroup正規部分群せいきぶぶんぐん

A subgroup部分群ぶぶんぐん N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G is a normal subgroup正規部分群せいきぶぶんぐん if for every gG,

gN=Ng

holds. In this case we write

N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"trianglelefteq\")")]G

The element gng-1 is called the conjugate共役きょうやく of n by g. An equivalent condition is that for every gG and nN,

gng-1N

holds.

To verify equivalence, first suppose gN=Ng. Since gngN=Ng, there is nN with gn=ng, so gng-1=nN. Conversely, assume the conjugation condition. Then gn=(gng-1)gNg, giving gNNg. Applying the condition with g-1 gives g-1ngN and hence ng=g(g-1ng)gN, so NggN. Thus gN=Ng.

2何故なぜ正規性せいきせい必要ひつよう

剰余類じょうよるいせき

(gN)(hN)=(gh)N

定義ていぎしたい。この定義ていぎ代表元だいひょうげんによらないためには、ghおな剰余類じょうよるいべつげんえても、結果けっかおな剰余類じょうよるいになる必要ひつようがある。

正規性せいきせいは、この代表元独立性だいひょうげんどくりつせい(well-definedness)を保証ほしょうする条件じょうけんである。

2Why normality is necessary

We want to define the product of cosets剰余類じょうよるい by

(gN)(hN)=(gh)N

For this definition定義ていぎ to be independent of representatives, replacing g or h by another element in the same coset剰余類じょうよるい must produce the same resulting coset剰余類じょうよるい.

Normality is the condition that guarantees this well-definedness.

3商群しょうぐん

N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"trianglelefteq\")")]G のとき、剰余類じょうよるい全体ぜんたい

G/N={gNgG}

は、せき

(gN)(hN)=(gh)N

によってぐんになる。代表元独立性だいひょうげんどくりつせいあと証明しょうめいする。ぐん公理こうり

((aN)(bN))(cN)=((ab)c)N=(a(bc))N=(aN)((bN)(cN)),
N(gN)=(gN)N=gN,(gN)(g-1N)=(g-1N)(gN)=N

確認かくにんできる。したがって単位元たんいげんN=eNgN逆元ぎゃくげんg-1N である。これを商群しょうぐんという。

商群しょうぐんでは、Nぞくするちがいを 0 のようにつぶしてる。つまり、Nなかうご無視むしして、のこった構造こうぞうだけを調しらべる。

3Quotient groups

When N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"trianglelefteq\")")]G, the set of all cosets剰余類じょうよるい

G/N={gNgG}

becomes a groupぐん under the product

(gN)(hN)=(gh)N

Well-definedness is proved below. The group axioms follow from

((aN)(bN))(cN)=((ab)c)N=(a(bc))N=(aN)((bN)(cN)),
N(gN)=(gN)N=gN,(gN)(g-1N)=(g-1N)(gN)=N.

Thus the identity is N=eN and the inverse of gN is g-1N. This group is called a quotient group.

In a quotient group商群しょうぐん, differences lying inside N are collapsed as if they were 0. In other words, we ignore movement inside N and study the remaining structure.

4具体例ぐたいれい整数せいすう商群しょうぐん

n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]1 とする。(Z,+) において、nZ正規部分群せいきぶぶんぐんである。何故なぜなら Z可換群かかんぐんだから、すべての部分群ぶぶんぐん正規せいきである。

商群しょうぐん

Z/nZ

は、整数せいすうnったあまりで分類ぶんるいしたぐんである。

4Concrete example: quotient groups商群しょうぐん of integers

Let n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]1. In (Z,+), the subgroup部分群ぶぶんぐん nZ is normal because Z is an abelian group, and every subgroup of an abelian group is normal.

The quotient group商群しょうぐん

Z/nZ

is the group obtained by classifying integers by their remainders modulo n.

5なにえてなに保存ほぞんするか

商群しょうぐんでは、Nなかちがいをない。わるのはげん粒度りゅうどであり、個々ここげんではなく剰余類じょうよるいげんとしてあつかう。一方いっぽうで、ぐん演算えんざん構造こうぞう代表元だいひょうげんによらずさだまるかたち保存ほぞんされる。

5What changes and what is preserved

In a quotient group商群しょうぐん, differences inside N are no longer distinguished. What changes is the granularity of elements: the elements are cosets剰余類じょうよるい rather than individual elements. What is preserved is the group operation structure in a well-defined form.

6証明しょうめい補足ほそく商群しょうぐん演算えんざん代表元だいひょうげんによらずさだまる条件じょうけん

N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G とする。剰余類じょうよるいどうしのせき

(aN)(bN)=(ab)N

定義ていぎしたい。この定義ていぎ代表元だいひょうげんえらかた依存いぞんしないためには、N正規部分群せいきぶぶんぐんnormal subgroup であることが必要ひつようである。

まず N正規せいきだとする。aN=aNbN=bN とする。このとき a=an1b=bn2 となる n1,n2N存在そんざいする。すると

ab=an1bn2=ab(b-1n1b)n2

である。N正規せいきなので b-1n1bN であり、したがって (b-1n1b)n2N である。よって abN=abN である。つまりせき代表元だいひょうげん依存いぞんしない。

ぎゃくに、このせきつね代表元だいひょうげんによらずさだまるとする。任意にんいgGnNる。ひだり剰余類じょうよるいとして (gn)N=gN なので、第一だいいち因子いんし代表元だいひょうげんg から gnえても、g-1N とのせきおなじでなければならない。したがって

(gN)(g-1N)=N,((gn)N)(g-1N)=gng-1N

おな剰余類じょうよるいになる。よって gng-1N=N、すなわち gng-1N である。任意にんいg,n について成立せいりつするので、N正規せいきである。

つまり、正規性せいきせいは「剰余類じょうよるい要素ようそとしてけても矛盾むじゅんしない」ことを保証ほしょうする条件じょうけんである。

6Proof supplement: the condition for quotient-group operations to be well-defined

Let N[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]G. We want to define multiplication of cosets剰余類じょうよるい by

(aN)(bN)=(ab)N

For this definition定義ていぎ to be independent of the chosen representatives, N must be a normal subgroup正規部分群せいきぶぶんぐん.

First suppose N is normal. Let aN=aN and bN=bN. Then there exist n1,n2N such that a=an1 and b=bn2. Hence

ab=an1bn2=ab(b-1n1b)n2

Since N is normal, b-1n1bN, and therefore (b-1n1b)n2N. Thus abN=abN. The product is independent of representatives.

Conversely, suppose this product is always well-defined. Take any gG and nN. As left cosets剰余類じょうよるい, (gn)N=gN, so changing the representative of the first factor from g to gn must give the same product with g-1N. Therefore

(gN)(g-1N)=N,((gn)N)(g-1N)=gng-1N

must be the same coset剰余類じょうよるい. Hence gng-1N=N, so gng-1N. Since this holds for every g,n, the subgroup N is normal.

Thus normality is precisely the condition that makes it consistent to multiply cosets剰余類じょうよるい as elements.

8反例はんれい:すべての部分群ぶぶんぐん正規せいきとはかぎらない

対称群たいしょうぐん S3 で、H={e,(12)}かんがえる。これは部分群ぶぶんぐんである。しかし g=(13) とすると、

gH={(13),(13)(12)}

であり、

Hg={(13),(12)(13)}

である。ここで (13)(12)(12)(13)ことなる置換ちかんである。したがって gHHg であり、H正規部分群せいきぶぶんぐんではない。

このれいでは剰余類じょうよるい集合しゅうごうつくれるが、剰余類じょうよるいどうしのせき代表元だいひょうげんによらず定義ていぎできない。実際じっさいH=eH=(12)H だが、H·gH代表元だいひょうげん e計算けいさんすると gH(12)計算けいさんすると (12)gH となる。もし両者りょうしゃひとしければ g-1(12)g=(23)H となるが、これは H={e,(12)}矛盾むじゅんする。つまり、非可換ひかかんぐんでは正規性せいきせい確認かくにん本質的ほんしつてきである。

8Counterexample: not every subgroup部分群ぶぶんぐん is normal

In the symmetric group S3, consider H={e,(12)}. This is a subgroup部分群ぶぶんぐん. However, if g=(13), then

gH={(13),(13)(12)}

while

Hg={(13),(12)(13)}

Here (13)(12) and (12)(13) are different permutations. Therefore gHHg, so H is not a normal subgroup正規部分群せいきぶぶんぐん.

In this example, the set of cosets can be formed, but their multiplication depends on representatives. Indeed, H=eH=(12)H. Computing H·gH with representative e gives gH, while representative (12) gives (12)gH. If these cosets were equal, then g-1(12)g=(23) would lie in H={e,(12)}, a contradiction. Thus in noncommutative groups, checking normality is essential.

9まとめ

部分群ぶぶんぐん N正規せいきであることは、剰余類じょうよるいせき代表元だいひょうげんによらずさだめ、剰余類じょうよるい集合しゅうごうぐん構造こうぞうれるための必要十分条件ひつようじゅうぶんじょうけんである。商群しょうぐんは、正規部分群せいきぶぶんぐんなかちがいをつぶしてのこ構造こうぞう方法ほうほうである。

9Summary

Normality is the necessary and sufficient condition for defining multiplication of cosets independently of representatives and hence for putting a group structure on their set. A quotient group is the structure that remains after collapsing differences inside a normal subgroup.

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