1 正規部分群
定義 1.1. 群Gの部分群N≤Gが 正規部分群 (normal subgroup) であるとは、任意のg∈Gに対して
gNg−1=Nが成り立つことをいう。この関係をN⊴Gと表す。
可換群ではgng−1=nが成り立つため、すべての部分群が正規部分群である。非可換群では、正規性は部分群であることとは独立の条件である。
命題 1.2. 群Gと部分群N≤Gに対して、次の条件は同値である。
- N⊴Gである。
- 任意のg∈Gに対してgN=Ngが成り立つ。
- 任意のg∈Gに対してgNg−1⊆Nが成り立つ。
- 任意のg∈Gとn∈Nに対してgng−1∈Nが成り立つ。
証明.(1)を仮定する。gNg−1=Nの両辺に右からgを掛けるとgN=Ngを得る。したがって(1)⇒(2)が従う。
(2)⇒(3)を示す。(2)を仮定する。gN=Ngの両辺に右からg−1を掛けるとgNg−1=Nとなるため、(3)が従う。
(3)⇔(4)は、部分集合の包含関係を元ごとに書いた同じ条件である。
(3)⇒(1)を示す。最後に(3)を仮定する。g−1に(3)を適用すると
g−1Ng⊆Nを得る。この包含関係の両側をgとg−1で共役するとN⊆gNg−1となる。一方、gに対する(3)からgNg−1⊆Nである。したがってgNg−1=Nが任意のg∈Gに対して成り立ち、(1)を得る。▨
準同型の核は、正規部分群の基本的な供給源である。次の定理では、核の定義から正規性を直接証明する。
証明では、準同型の核が部分群であることを既知の結果から確認する。次に、核の元を任意の群の元で共役し、その像を準同型性によって計算する。像が終域の単位元になることから共役後の元も核に属する。最後に、共役による正規性の特徴づけへ帰着させる。
定理 1.3. 群準同型φ:G→Hに対して
kerφ={g∈G∣φ(g)=eH}はGの正規部分群である。
証明.§E7.3 命題 2.2によりkerφ≤Gである。g∈Gとk∈kerφを任意に取る。準同型の性質から
φ(gkg−1)=φ(g)φ(k)φ(g)−1=φ(g)eHφ(g)−1=eHとなる。したがってgkg−1∈kerφである。命題 1.2 (4)によりkerφ⊴Gが従う。▨
2 商群の構成
N≤Gとする。左剰余類の集合
G/N={gN∣g∈G}
に対して、候補となる積は
(gN)(hN)=ghN(1)
である。同じ剰余類には複数の代表元があるため、右辺が代表元の選択に依存しないことを先に証明する必要がある。
証明では、候補となる積(gN)(hN)=ghNから始める。十分性では二つの代表元を変更し、共役で生じる元を正規性によってNへ戻す。必要性ではNの二つの代表元を比較し、共役による正規性を回収する。演算の代表元独立性を確立した後、結合律、単位元、逆元の検証へ帰着させる。
定理 2.1. 群Gと部分群N≤Gに対して、式 (1) がG/N上の演算として代表元によらず定まるための必要十分条件はN⊴Gである。
N⊴Gのとき、式 (1) を積とするG/Nは群である。単位元はN=eGNであり、gNの逆元はg−1Nである。
証明. 初めにN⊴Gを仮定する。gN=g′NおよびhN=h′Nとする。§E7.6 命題 1.2により、あるn,m∈Nが存在してg′=gnおよびh′=hmと書くことができる。このとき
g′h′=gnhm=gh(h−1nh)mである。正規性からh−1nh∈Nであり、(h−1nh)m∈Nとなる。したがってg′h′∈ghNであるから、再び剰余類の一致条件により
g′h′N=ghNを得る。ゆえに式 (1) は二つの代表元の選択に依存しない。
逆に、式 (1) が代表元によらず定まると仮定する。g∈Gとn∈Nを任意に取る。N=eGN=nNであるから、第一因子の代表元としてeGとnを選ぶことにより
gN=(eGN)(gN)=(nN)(gN)=ngNを得る。左剰余類の一致条件からg−1ng∈Nである。ここでgをg−1に置き換えるとgng−1∈Nとなる。命題 1.2によりN⊴Gである。
以下ではN⊴Gとする。g,h,k∈Gに対して
((gN)(hN))(kN)=(ghN)(kN)=(gh)kN=g(hk)N=(gN)(hkN)=(gN)((hN)(kN))であるため、結合律が成り立つ。また
(eGN)(gN)=gN=(gN)(eGN)であるからN=eGNは単位元である。さらに
(gN)(g−1N)=N=(g−1N)(gN)であるから、g−1NはgNの逆元である。
逆元の表示も代表元に依存しない。実際、gN=g′Nならばg′=gnを満たすn∈Nが存在し、
g′−1=n−1g−1=g−1(gn−1g−1)∈g−1Nとなるため、g′−1N=g−1Nである。以上によりG/Nは群である。▨
証明では、元g∈Gを剰余類gN∈G/Nへ送る標準射影qN:G→G/Nから始める。商群の積の定義を用いて、この写像が積を保つことを確認する。各剰余類が代表元をもつことから全射性を得る。最後に、単位剰余類へ移る元を調べ、核がNであることへ帰着させる。
定理 2.2.N⊴Gとする。写像
qN:G⟶G/N,g⟼gNは全射群準同型であり、その核はNである。
証明.g,h∈Gに対して
qN(gh)=ghN=(gN)(hN)=qN(g)qN(h)であるから、qNは群準同型である。G/Nの任意の元は定義によりgN=qN(g)と表されるため、qNは全射である。また
kerqN={g∈G∣gN=N}=Nである。最後の等号は、gN=Nとg∈Nが同値であることから従う。▨
標準射影は、Nのすべての元を単位元へ移す準同型のうちで普遍的である。
証明では、剰余類gNをf(g)へ送る候補写像から始める。N⊆kerfを用いて、代表元を変更しても値が変わらないことを示す。次に準同型性とf=f∘qNを確認する。最後に、標準射影の全射性によって候補以外の写像も同じ値を取ることへ帰着させる。
定理 2.3.N⊴Gとし、群準同型f:G→HがN⊆kerfを満たすとする。このとき、図式
f=f∘qNを満たす群準同型f:G/N→Hがただ一つ存在する。具体的には
f(gN)=f(g)(2)である。
証明. 最初に式 (2) が代表元によらないことを示す。gN=g′Nならばg′=gnを満たすn∈Nが存在する。仮定N⊆kerfからf(n)=eHであるため
f(g′)=f(g)f(n)=f(g)となる。したがって式 (2) は写像f:G/N→Hを定める。
g,h∈Gに対して
f((gN)(hN))=f(ghN)=f(gh)=f(g)f(h)=f(gN)f(hN)であるから、fは群準同型である。また(f∘qN)(g)=f(gN)=f(g)であり、f=f∘qNが成り立つ。
別の群準同型u:G/N→Hがf=u∘qNを満たすとする。任意のgN∈G/Nに対して
u(gN)=u(qN(g))=f(g)=f(gN)である。したがってu=fであり、一意性が示された。▨
3 正規部分群の例と反例
命題 3.1. 群Gの部分群H≤Gが[G:H]=2を満たすならばH⊴Gである。
証明. 左剰余類はHともう一つの剰余類からなり、右剰余類も同様である。g∈HならばgH=H=Hgである。g∈/HならばgHとHgはいずれもHと異なる剰余類である。左剰余類と右剰余類はそれぞれGを分割するため、いずれも集合G∖Hに等しい。したがって任意のg∈Gに対してgH=Hgが成り立つ。命題 1.2によりH⊴Gである。▨
定義 3.2.Kを可換体、nを正の整数とし、K×=K∖{0}と書く。一般線形群の非零スカラー行列からなる部分集合 (set of nonzero scalar matrices) を
Zn(K)={λIn∣λ∈K×}⊆GLn(K)と書く。また、一般線形群の中心 (center of the general linear group) を
Z(GLn(K))={A∈GLn(K)∣AB=BA がすべての B∈GLn(K) について成り立つ}と書く。
命題 3.3.Zn(K)はGLn(K)の中心に等しい。特に、Zn(K)はGLn(K)の正規部分群である。
証明.In=1In∈Zn(K)である。また、λ,μ∈K×に対して
(λIn)(μIn)−1=λμ−1In∈Zn(K)である。したがって§E7.2 命題 1.2によりZn(K)≤GLn(K)である。スカラー行列はすべての行列と可換であるから、Zn(K)はGLn(K)の中心に含まれる。
逆に、A=(akℓ)をGLn(K)の中心の元とする。n=1の場合にはAは非零スカラー行列である。n≥2とし、i=jとする。(i,j)成分だけが1である行列単位をEijと書く。Eij2=0であるからIn+Eijは逆行列In−Eijをもち、Aの中心性から
A(In+Eij)=(In+Eij)A,AEij=EijAを得る。両辺の(k,ℓ)成分はそれぞれ
(AEij)kℓ=akiδjℓ,(EijA)kℓ=δkiajℓである。ℓ=jとしてk=iを選ぶとaki=0である。したがってAは対角行列である。また、k=i、ℓ=jとするとaii=ajjを得る。i=jは任意であるから、すべての対角成分は等しい。ゆえに、あるλ∈K×によってA=λInと書くことができる。
以上からZn(K)=Z(GLn(K))である。さらに、任意のB∈GLn(K)とA∈Zn(K)に対してBAB−1=Aであるから、BZn(K)B−1=Zn(K)である。ゆえにZn(K)⊴GLn(K)である。▨
定義 3.4.Kを可換体、nを正の整数とする。商群
PGLn(K)=GLn(K)/Zn(K)=GLn(K)/Z(GLn(K))を 射影一般線形群 (projective general linear group) という。
例 3.5 (整数群の商). 加法群Zの部分群nZは正規部分群である。商群Z/nZの積に相当する演算は
(a+nZ)+(b+nZ)=(a+b)+nZであり、標準射影はqnZ(a)=a+nZである。
例 3.6 (正規でない部分群).S3の部分群
H=⟨(12)⟩={e,(12)}は正規部分群ではない。実際、
(13)(12)(13)−1=(23)∈/Hである。このため、S3/H上で(gH)(hH)=ghHと定めても、積は代表元の選択に依存する。
4 演習
問題 4.1.
- 群準同型φ:G→Hと正規部分群M⊴Hに対して、φ−1(M)⊴Gを証明せよ。
- N⊴Gとし、商群の標準射影をqNとする。部分群K≤GがN⊆Kを満たすならばqN−1(qN(K))=Kを証明せよ。
- N⊴Gと群準同型f:G→Hに対して、fがG/Nを経由するための必要十分条件がN⊆kerfであることを証明せよ。
解答 (演習の解答).
- φ−1(M)は準同型による部分群の逆像であるから部分群である。g∈Gとx∈φ−1(M)に対してφ(gxg−1)=φ(g)φ(x)φ(g)−1∈Mである。したがってgxg−1∈φ−1(M)であり、共役による特徴づけからφ−1(M)⊴Gである。
- k∈KならばqN(k)∈qN(K)であるからK⊆qN−1(qN(K))である。逆にg∈qN−1(qN(K))ならば、あるk∈Kに対してgN=kNである。よってk−1g∈N⊆Kであり、g∈Kとなる。
- f=f∘qNならば、n∈Nに対してf(n)=f(N)=eHであるからN⊆kerfである。逆は定理 2.3から従う。
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