1 準同型と同型
準同型の定義では、写像の定義域、終域、積を保つ量化条件を同時に指定する。
定義 1.1. 群G,Hに対し、写像φ:G→Hが群準同型 (group homomorphism) であるとは、任意のa,b∈Gに対して
φ(ab)=φ(a)φ(b)が成り立つことをいう。全単射な群準同型を群同型 (group isomorphism) という。群同型G→Hが存在するとき、G≅Hと書く。
積を保つという一つの条件から、単位元と逆元の保存が従う。
命題 1.2. 群準同型φ:G→Hと任意のg∈Gに対して
φ(eG)=eH,φ(g−1)=φ(g)−1が成り立つ。
証明. 準同型性から
φ(eG)=φ(eGeG)=φ(eG)φ(eG)を得る。この等式の左からφ(eG)−1を掛けるとeH=φ(eG)を得る。次に
eH=φ(eG)=φ(gg−1)=φ(g)φ(g−1)である。同じ計算によってφ(g−1)φ(g)=φ(g−1g)=eHも成り立つ。φ(g)の逆元の一意性からφ(g−1)=φ(g)−1が従う。▨
整数冪も準同型によって保存される。
命題 1.3. 群準同型φ:G→H、元g∈G、整数mに対して
φ(gm)=φ(g)mが成り立つ。
証明.m=0の場合は、単位元の保存からφ(g0)=φ(eG)=eH=φ(g)0である。m>0の場合は、mに関する帰納法を用いる。mで等式が成り立つならば
φ(gm+1)=φ(gmg)=φ(gm)φ(g)=φ(g)m+1である。m<0の場合、m=−kを満たす正の整数kを取る。逆元の保存と正の整数の場合から
φ(gm)=φ((g−1)k)=φ(g−1)k=φ(g)−k=φ(g)mを得る。▨
群の間の準同型は合成することができる。
命題 1.4. 群準同型φ:G→Hとψ:H→Kに対して、ψ∘φ:G→Kは群準同型である。
証明. 任意のa,b∈Gに対して
(ψ∘φ)(ab)=ψ(φ(ab))=ψ(φ(a)φ(b))=ψ(φ(a))ψ(φ(b))が成り立つ。右辺は(ψ∘φ)(a)(ψ∘φ)(b)に等しいため、ψ∘φは群準同型である。▨
同型は群の演算を双方向に保存する。
命題 1.5. 群同型φ:G→Hの逆写像φ−1:H→Gは群同型である。
証明. 任意のx,y∈Hを取る。φは全射であるから、x=φ(a)、y=φ(b)を満たすa,b∈Gが存在する。準同型性から
φ−1(xy)=φ−1(φ(a)φ(b))=φ−1(φ(ab))=ab=φ−1(x)φ−1(y)である。したがってφ−1は群準同型である。また、全単射の逆写像は全単射であるから、φ−1は群同型である。▨
2 核と像
準同型が単位元へ送る元と、準同型によって実際に得られる元を定義する。
定義 2.1. 群準同型φ:G→Hの核 (kernel) と像 (image) を
kerφ={g∈G∣φ(g)=eH},imφ={φ(g)∣g∈G}によって定める。
核と像は、それぞれ定義域と終域の部分群である。核が正規部分群であることは、本記事では用いない。
命題 2.2. 群準同型φ:G→Hに対して、kerφ≤Gかつimφ≤Hである。さらに、次の二条件は同値である。
- φは単射である。
- kerφ={eG}である。
証明.§E7.2 命題 1.2を用いる。単位元の保存からeG∈kerφである。a,b∈kerφに対して
φ(ab−1)=φ(a)φ(b−1)=φ(a)φ(b)−1=eHであるから、ab−1∈kerφである。したがってkerφ≤Gである。
eH=φ(eG)であるから、imφは空でない。x,y∈imφに対し、x=φ(a)、y=φ(b)を満たすa,b∈Gが存在する。このとき
xy−1=φ(a)φ(b)−1=φ(ab−1)∈imφである。したがってimφ≤Hである。
(1)⇒(2)を示す。φが単射であると仮定する。g∈kerφならばφ(g)=eH=φ(eG)であるから、g=eGである。ゆえにkerφ={eG}である。
(2)⇒(1)を示す。逆にkerφ={eG}と仮定する。φ(a)=φ(b)ならば
φ(ab−1)=φ(a)φ(b)−1=eHである。したがってab−1∈kerφであり、ab−1=eGとなる。右からbを掛けるとa=bを得る。ゆえにφは単射である。▨
3 例と非例
先行する二つの記事で構成した群から、核と像を直接計算することができる。
定義 3.1.Kを可換体、nを正の整数とする。群Gから一般線形群GLn(K)への群準同型
ρ:G⟶GLn(K)を、GのK上の n次元行列表示 (n-dimensional matrix representation) という。ρが単射であるとき、この行列表示は忠実 (faithful representation) であるという。
命題 3.2. 写像
ι:(R,+)⟶GL2(R),t⟼U(t)=(10t1)は忠実な行列表示である。
証明. 任意のs,t∈Rに対して
U(s)U(t)=(10s+t1)=U(s+t),U(t)−1=U(−t)が成り立つ。したがって各U(t)は可逆であり、ιは群準同型である。U(t)=Iならば(1,2)成分の比較からt=0を得るため、kerι={0}である。命題 2.2によってιは単射であり、この行列表示は忠実である。▨
命題 3.3.nを正の整数とし、e1,…,enをRnの標準基底とする。各σ∈Snに対して
Pσej=eσ(j)(1≤j≤n)を満たす行列Pσを定める。このとき
ρ:Sn⟶GLn(R),σ⟼Pσは忠実な行列表示である。
証明.Pσ−1Pσej=ejがすべての標準基底ベクトルについて成り立つため、Pσは可逆であり、Pσ−1=Pσ−1である。また、任意のσ,τ∈Snに対して
PσPτej=Pσeτ(j)=eσ(τ(j))=Pστejである。したがってPσPτ=Pστであり、ρは群準同型である。Pσ=Iならば、各jに対してeσ(j)=Pσej=ejであるからσ(j)=jである。ゆえにσは恒等置換であり、kerρは自明である。命題 2.2によってρは単射である。▨
例 3.4 (剰余類への標準準同型).nを正の整数とする。写像
qn:(Z,+)⟶(Z/nZ,+),a⟼[a]nは
qn(a+b)=[a+b]n=[a]n+[b]nを満たす準同型である。任意の剰余類[r]nはqn(r)に等しいため、qnは全射である。また、qn(a)=[0]nであることとn∣aであることは同値である。したがって、その核と像は
kerqn=nZ,imqn=Z/nZである。
例 3.5 (単射だが全射でない準同型). 写像
d:(Z,+)⟶(Z,+),d(k)=2kはd(k+ℓ)=2k+2ℓ=d(k)+d(ℓ)を満たすため群準同型である。kerd={0}であるから命題 2.2によって単射である。一方、1は像に属さないため、dは全射ではない。
積を保たない写像は、全単射であっても群同型ではない。
例 3.6 (準同型でない全単射). 写像t:Z→Zをt(k)=k+1と定める。tは集合の写像として全単射である。しかし
t(0)=1=0であり、群準同型が単位元を保つという必要条件を満たさない。したがってtは(Z,+)の群準同型ではない。
4 演習
問題 4.1.
- 群準同型φ:G→Hと部分群L≤Hに対して、逆像φ−1(L)がGの部分群であることを証明せよ。
- 群準同型φ:G→Hと部分群K≤Gに対して、φ(K)がHの部分群であることを証明せよ。
- 群準同型φ:G→Hが全単射であるとする。φ−1が積を保つことを、Hの元をGの元の像として表す方法を用いずに証明せよ。
解答 (演習の解答).
- φ(eG)=eH∈Lであるから、φ−1(L)は空でない。a,b∈φ−1(L)ならば
φ(ab−1)=φ(a)φ(b)−1∈L
である。したがって一段階部分群判定によってφ−1(L)≤Gである。
- eH=φ(eG)∈φ(K)であるから、φ(K)は空でない。x,y∈φ(K)に対して、x=φ(a)およびy=φ(b)を満たすa,b∈Kを取る。このとき
xy−1=φ(ab−1)∈φ(K)
であるから、一段階部分群判定によってφ(K)≤Hである。
- 任意のx,y∈Hに対して
φ(φ−1(xy))=xy
である。一方、φが準同型であることから
φ(φ−1(x)φ−1(y))=φ(φ−1(x))φ(φ−1(y))=xy
である。φは単射であるから、φ−1(xy)=φ−1(x)φ−1(y)が従う。したがってφ−1は積を保つ。
▨