§E7.16半直積と分裂拡大

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直積では二つの因子の元が可換する。半直積では、一方の群が他方の群へ自己同型として作用し、その作用を積へ組み込む。分裂拡大は、切断から得られる作用による半直積として記述することができる。

1 外部半直積の構成

群N,HN,Hと群準同型

α ⁣:H⟶Aut⁡(N),h⟼αh \alpha\colon H\longrightarrow\operatorname{Aut}(N), \qquad h\longmapsto\alpha_h

を固定する。

定義 1.1. 集合N×HN\times H上の積を

(n,h)(m,k)=(nαh(m),hk) (n,h)(m,k) =\bigl(n\alpha_h(m),hk\bigr)

と定める。この積を備えた集合を

N⋊αH N\rtimes_\alpha H

と書き、α\alphaによる外部半直積 (external semidirect product) と呼ぶ。

証明では、三つの元を二通りに結合し、αhk=αh∘αk\alpha_{hk}=\alpha_h\circ\alpha_kを用いて第一成分が一致することを示す。次にαeH=id⁡N\alpha_{e_H}=\operatorname{id}_Nから(eN,eH)(e_N,e_H)が両側単位元であることを確認する。最後に候補(αh−1(n−1),h−1)(\alpha_{h^{-1}}(n^{-1}),h^{-1})を左右から掛け、両方の積が単位元になることを直接計算する。

定理 1.2.N⋊αHN\rtimes_\alpha Hは群である。単位元と逆元は

(eN,eH),(n,h)−1=(αh−1(n−1),h−1) (e_N,e_H),\qquad (n,h)^{-1} =\bigl(\alpha_{h^{-1}}(n^{-1}),h^{-1}\bigr)

である。

証明. 積はN×HN\times Hの元を与えるから閉じている。(n,h),(m,k),(ℓ,r)∈N×H(n,h),(m,k),(\ell,r)\in N\times Hとする。左側から結合すると、

((n,h)(m,k))(ℓ,r)=(nαh(m),hk)(ℓ,r)=(nαh(m)αhk(ℓ),hkr).\begin{aligned} \bigl((n,h)(m,k)\bigr)(\ell,r) &=\bigl(n\alpha_h(m),hk\bigr)(\ell,r)\\ &=\bigl(n\alpha_h(m)\alpha_{hk}(\ell),hkr\bigr). \end{aligned}

一方、右側から結合すると、

(n,h)((m,k)(ℓ,r))=(n,h)(mαk(ℓ),kr)=(nαh(mαk(ℓ)),hkr)=(nαh(m)(αh∘αk)(ℓ),hkr).\begin{aligned} (n,h)\bigl((m,k)(\ell,r)\bigr) &=(n,h)\bigl(m\alpha_k(\ell),kr\bigr)\\ &=\bigl(n\alpha_h(m\alpha_k(\ell)),hkr\bigr)\\ &=\bigl(n\alpha_h(m)(\alpha_h\circ\alpha_k)(\ell),hkr\bigr). \end{aligned}

α\alphaは群準同型であるからαhk=αh∘αk\alpha_{hk}=\alpha_h\circ\alpha_kであり、二つの結果は等しい。したがって結合律が成り立つ。

αeH=id⁡N\alpha_{e_H}=\operatorname{id}_Nであり、各自己同型は単位元を保つため、

(eN,eH)(n,h)=(n,h)=(n,h)(eN,eH) (e_N,e_H)(n,h)=(n,h) =(n,h)(e_N,e_H)

である。

u=αh−1(n−1)u=\alpha_{h^{-1}}(n^{-1})と置く。αh∘αh−1=id⁡N\alpha_h\circ\alpha_{h^{-1}}=\operatorname{id}_Nから

(n,h)(u,h−1)=(nαh(u),eH)=(eN,eH) (n,h)(u,h^{-1}) =\bigl(n\alpha_h(u),e_H\bigr) =(e_N,e_H)

である。また、

(u,h−1)(n,h)=(uαh−1(n),eH)=(αh−1(n−1)αh−1(n),eH)=(eN,eH).\begin{aligned} (u,h^{-1})(n,h) &=\bigl(u\alpha_{h^{-1}}(n),e_H\bigr)\\ &=\bigl(\alpha_{h^{-1}}(n^{-1}) \alpha_{h^{-1}}(n),e_H\bigr)\\ &=(e_N,e_H). \end{aligned}

したがって表示した元は両側逆元であり、群の公理がすべて成り立つ。▨

2 標準部分群と短完全列

写像

iN ⁣:N→N⋊αH,iN(n)=(n,eH), i_N\colon N\to N\rtimes_\alpha H,\quad i_N(n)=(n,e_H), jH ⁣:H→N⋊αH,jH(h)=(eN,h), j_H\colon H\to N\rtimes_\alpha H,\quad j_H(h)=(e_N,h), pH ⁣:N⋊αH→H,pH(n,h)=h p_H\colon N\rtimes_\alpha H\to H,\quad p_H(n,h)=h

を考える。

命題 2.1.iNi_NとjHj_Hは単射準同型であり、pHp_Hは全射準同型である。さらに、

ker⁡pH=iN(N) \ker p_H=i_N(N)

であるから、

1⟶N→iNN⋊αH→pHH⟶1 1\longrightarrow N \xrightarrow{i_N}N\rtimes_\alpha H \xrightarrow{p_H}H \longrightarrow1

は短完全列である。写像jHj_Hはこの列の切断である。また、

jH(h)iN(n)jH(h)−1=iN(αh(n)) j_H(h)i_N(n)j_H(h)^{-1} =i_N\bigl(\alpha_h(n)\bigr)

が成り立つ。さらに、

iN(N)⊴N⋊αH, i_N(N)\trianglelefteq N\rtimes_\alpha H,iN(N)∩jH(H)={(eN,eH)},iN(N)jH(H)=N⋊αH i_N(N)\cap j_H(H)=\{(e_N,e_H)\},\qquad i_N(N)j_H(H)=N\rtimes_\alpha H

が成り立つ。

証明.n,m∈Nn,m\in Nに対し、

iN(n)iN(m)=(n,eH)(m,eH)=(nm,eH)=iN(nm) i_N(n)i_N(m) =(n,e_H)(m,e_H)=(nm,e_H)=i_N(nm)

である。(n,eH)=(eN,eH)(n,e_H)=(e_N,e_H)ならばn=eNn=e_Nであるから、iNi_Nは単射である。h,k∈Hh,k\in Hに対し、

jH(h)jH(k)=(eN,h)(eN,k)=(eN,hk)=jH(hk) j_H(h)j_H(k) =(e_N,h)(e_N,k)=(e_N,hk)=j_H(hk)

であり、同じくjHj_Hは単射である。

pH((n,h)(m,k))=hk=pH(n,h)pH(m,k) p_H\bigl((n,h)(m,k)\bigr)=hk=p_H(n,h)p_H(m,k)

であるからpHp_Hは準同型であり、pH(eN,h)=hp_H(e_N,h)=hであるから全射である。また、

pH(n,h)=eH⟺(n,h)=(n,eH)∈iN(N) p_H(n,h)=e_H \quad\Longleftrightarrow\quad (n,h)=(n,e_H)\in i_N(N)

である。よってker⁡pH=iN(N)\ker p_H=i_N(N)であり、短完全性が従う。

pH∘jH=id⁡H p_H\circ j_H=\operatorname{id}_H

であるから、jHj_Hは切断である。

最後に、jH(h)−1=jH(h−1)j_H(h)^{-1}=j_H(h^{-1})を用いると、

jH(h)iN(n)jH(h)−1=(eN,h)(n,eH)(eN,h−1)=(αh(n),h)(eN,h−1)=(αh(n),eH)=iN(αh(n)).\begin{aligned} j_H(h)i_N(n)j_H(h)^{-1} &=(e_N,h)(n,e_H)(e_N,h^{-1})\\ &=(\alpha_h(n),h)(e_N,h^{-1})\\ &=(\alpha_h(n),e_H)\\ &=i_N(\alpha_h(n)). \end{aligned}

iN(N)=ker⁡pHi_N(N)=\ker p_Hであるから、§E7.7 定理 1.3により

iN(N)⊴N⋊αH i_N(N)\trianglelefteq N\rtimes_\alpha H

である。(n,eH)=(eN,h)(n,e_H)=(e_N,h)ならばn=eNn=e_Nかつh=eHh=e_Hであるから、

iN(N)∩jH(H)={(eN,eH)} i_N(N)\cap j_H(H)=\{(e_N,e_H)\}

となる。また、任意の(n,h)∈N⋊αH(n,h)\in N\rtimes_\alpha Hは

(n,h)=(n,eH)(eN,h)=iN(n)jH(h) (n,h)=(n,e_H)(e_N,h)=i_N(n)j_H(h)

と表されるため、

iN(N)jH(H)=N⋊αH i_N(N)j_H(H)=N\rtimes_\alpha H

である。▨

3 内部半直積

定義 3.1.N⊴GN\trianglelefteq Gとする。部分群H≤GH\leq Gが

N∩H={eG},NH=G N\cap H=\{e_G\},\qquad NH=G

を満たすとき、HHをNNの補群 (complement) と呼び、GGはNNとHHの内部半直積 (internal semidirect product) であるという。

標準半直積では、jH(H)j_H(H)はiN(N)i_N(N)の補群である。

証明では、まずN⊴GN\trianglelefteq Gにより各h∈Hh\in Hの共役がNNの自己同型を定めることを確認し、共役の合成から作用α ⁣:H→Aut⁡(N)\alpha\colon H\to\operatorname{Aut}(N)を構成する。次にΦ(n,h)=nh\Phi(n,h)=nhを定め、半直積の積に現れるαh(m)=hmh−1\alpha_h(m)=hmh^{-1}を用いて準同型性を示す。NH=GNH=Gから全射性を得て、二つの像の等式をN∩H={eG}N\cap H=\{e_G\}へ帰着させて単射性を示す。最後に全単射準同型であることから群同型を結論する。

定理 3.2. 群GGの部分群N,HN,Hが

N⊴G,N∩H={eG},NH=G N\trianglelefteq G,\qquad N\cap H=\{e_G\},\qquad NH=G

を満たすとする。

αh(n)=hnh−1 \alpha_h(n)=hnh^{-1}

と定めると、

α ⁣:H⟶Aut⁡(N) \alpha\colon H\longrightarrow\operatorname{Aut}(N)

は群準同型である。さらに、

Φ ⁣:N⋊αH⟶G,Φ(n,h)=nh \Phi\colon N\rtimes_\alpha H\longrightarrow G,\qquad \Phi(n,h)=nh

は群同型である。

証明.N⊴GN\trianglelefteq Gであるから、各h∈Hh\in Hによる共役はNNを保つ。共役写像の逆写像はh−1h^{-1}による共役であるため、αh∈Aut⁡(N)\alpha_h\in\operatorname{Aut}(N)である。h,k∈Hh,k\in H、n∈Nn\in Nに対し、

αhk(n)=(hk)n(hk)−1=h(knk−1)h−1=(αh∘αk)(n) \alpha_{hk}(n) =(hk)n(hk)^{-1} =h(knk^{-1})h^{-1} =(\alpha_h\circ\alpha_k)(n)

であるから、α\alphaは群準同型である。

(n,h),(m,k)∈N⋊αH(n,h),(m,k)\in N\rtimes_\alpha Hに対し、

Φ((n,h)(m,k))=Φ(nαh(m),hk)=n(hmh−1)hk=nhmk=Φ(n,h)Φ(m,k).\begin{aligned} \Phi\bigl((n,h)(m,k)\bigr) &=\Phi(n\alpha_h(m),hk)\\ &=n(hmh^{-1})hk\\ &=nhmk\\ &=\Phi(n,h)\Phi(m,k). \end{aligned}

したがってΦ\Phiは準同型である。NH=GNH=GからΦ\Phiは全射である。Φ(n,h)=Φ(m,k)\Phi(n,h)=\Phi(m,k)ならば

nh=mk,m−1n=kh−1∈N∩H nh=mk,\qquad m^{-1}n=kh^{-1}\in N\cap H

である。したがってm−1n=kh−1=eGm^{-1}n=kh^{-1}=e_Gとなり、n=mn=mかつh=kh=kである。よってΦ\Phiは単射である。したがってΦ\Phiは群同型である。▨

内部直積の判定と異なり、H⊴GH\trianglelefteq Gは仮定しない。HHが正規でない場合には、作用α\alphaが非自明になり得る。

4 分裂拡大と半直積

拡大

1⟶N→ιE→πQ⟶1 1\longrightarrow N \xrightarrow{\iota}E \xrightarrow{\pi}Q \longrightarrow1

を固定する。§E7.15 定義 1.1と§E7.15 定義 1.4の定義を用いる。

証明では、まず切断ssによる共役からα ⁣:Q→Aut⁡(N)\alpha\colon Q\to\operatorname{Aut}(N)を構成し、s(qr)=s(q)s(r)s(qr)=s(q)s(r)を用いて準同型性を示す。次にΦ(n,q)=ι(n)s(q)\Phi(n,q)=\iota(n)s(q)を定め、共役の式から準同型性を確認する。短完全性と切断条件を用いてΦ\Phiの全射性と単射性を証明し、Φ∘iN=ι\Phi\circ i_N=\iota、π∘Φ=pQ\pi\circ\Phi=p_Qにより拡大の同型を得る。逆向きでは、拡大の同型と標準切断jQj_Qを合成して元の拡大の切断を構成する。

定理 4.1. 群準同型

ι ⁣:N⟶E,π ⁣:E⟶Q \iota\colon N\longrightarrow E,\qquad \pi\colon E\longrightarrow Q

が、ι\iotaは単射、π\piは全射、im⁡ι=ker⁡π\operatorname{im}\iota=\ker\piを満たす短完全列

1⟶N→ιE→πQ⟶1 1\longrightarrow N\xrightarrow{\iota}E\xrightarrow{\pi}Q\longrightarrow1

をなすとする。この拡大が分裂することと、ある群準同型

α ⁣:Q⟶Aut⁡(N) \alpha\colon Q\longrightarrow\operatorname{Aut}(N)

について、この拡大が標準半直積拡大

1⟶N→iNN⋊αQ→pQQ⟶1 1\longrightarrow N \xrightarrow{i_N}N\rtimes_\alpha Q \xrightarrow{p_Q}Q \longrightarrow1

と拡大として同型であることとは同値である。ここで、標準写像は

iN ⁣:N⟶N⋊αQ,iN(n)=(n,eQ), i_N\colon N\longrightarrow N\rtimes_\alpha Q,\qquad i_N(n)=(n,e_Q),pQ ⁣:N⋊αQ⟶Q,pQ(n,q)=q p_Q\colon N\rtimes_\alpha Q\longrightarrow Q,\qquad p_Q(n,q)=q

である。

切断s ⁣:Q→Es\colon Q\to Eが与えられたとき、作用と同型は

αq(n)=ι−1(s(q)ι(n)s(q)−1), \alpha_q(n) =\iota^{-1}\bigl(s(q)\iota(n)s(q)^{-1}\bigr),Φ ⁣:N⋊αQ⟶E,Φ(n,q)=ι(n)s(q) \Phi\colon N\rtimes_\alpha Q\longrightarrow E,\qquad \Phi(n,q)=\iota(n)s(q)

で与えられる。さらに、

Φ∘iN=ι,π∘Φ=pQ \Phi\circ i_N=\iota,\qquad \pi\circ\Phi=p_Q

が成り立つ。

証明. まず拡大が分裂し、切断s ⁣:Q→Es\colon Q\to Eが与えられているとする。ι(N)=ker⁡π⊴E\iota(N)=\ker\pi\trianglelefteq Eであるから、

s(q)ι(n)s(q)−1∈ι(N) s(q)\iota(n)s(q)^{-1}\in\iota(N)

となり、αq(n)\alpha_q(n)は一意に定まる。共役写像であるから各αq\alpha_qは自己同型である。q,r∈Qq,r\in Q、n∈Nn\in Nに対し、ssが準同型であることを用いると、

ι(αqr(n))=s(qr)ι(n)s(qr)−1=s(q)s(r)ι(n)s(r)−1s(q)−1=ι((αq∘αr)(n)).\begin{aligned} \iota\bigl(\alpha_{qr}(n)\bigr) &=s(qr)\iota(n)s(qr)^{-1}\\ &=s(q)s(r)\iota(n)s(r)^{-1}s(q)^{-1}\\ &=\iota\bigl((\alpha_q\circ\alpha_r)(n)\bigr). \end{aligned}

ι\iotaは単射であるからαqr=αq∘αr\alpha_{qr}=\alpha_q\circ\alpha_rであり、α\alphaは群準同型である。

Φ\Phiは各組(n,q)(n,q)に対してEEの元を与えるため、写像として定まる。(n,q),(m,r)∈N⋊αQ(n,q),(m,r)\in N\rtimes_\alpha Qに対し、

Φ((n,q)(m,r))=Φ(nαq(m),qr)=ι(n)ι(αq(m))s(qr)=ι(n)s(q)ι(m)s(q)−1s(q)s(r)=ι(n)s(q)ι(m)s(r)=Φ(n,q)Φ(m,r).\begin{aligned} \Phi\bigl((n,q)(m,r)\bigr) &=\Phi(n\alpha_q(m),qr)\\ &=\iota(n)\iota(\alpha_q(m))s(qr)\\ &=\iota(n)s(q)\iota(m)s(q)^{-1}s(q)s(r)\\ &=\iota(n)s(q)\iota(m)s(r)\\ &=\Phi(n,q)\Phi(m,r). \end{aligned}

したがってΦ\Phiは準同型である。

e∈Ee\in Eを取ってq=π(e)q=\pi(e)と置く。

π(es(q)−1)=qq−1=eQ \pi\bigl(es(q)^{-1}\bigr)=qq^{-1}=e_Q

であるから、あるn∈Nn\in Nが存在して

es(q)−1=ι(n) es(q)^{-1}=\iota(n)

となる。よってe=ι(n)s(q)=Φ(n,q)e=\iota(n)s(q)=\Phi(n,q)であり、Φ\Phiは全射である。

Φ(n,q)=Φ(m,r)\Phi(n,q)=\Phi(m,r)とする。両辺へπ\piを適用すると

q=π(ι(n)s(q))=π(ι(m)s(r))=r q=\pi(\iota(n)s(q)) =\pi(\iota(m)s(r))=r

である。右からs(q)−1=s(r)−1s(q)^{-1}=s(r)^{-1}を掛けるとι(n)=ι(m)\iota(n)=\iota(m)となり、ι\iotaの単射性からn=mn=mである。したがってΦ\Phiは単射である。

さらに、n∈Nn\in N、q∈Qq\in Qに対し、

(Φ∘iN)(n)=Φ(n,eQ)=ι(n)s(eQ)=ι(n), (\Phi\circ i_N)(n)=\Phi(n,e_Q)=\iota(n)s(e_Q)=\iota(n),(π∘Φ)(n,q)=π(ι(n)s(q))=q=pQ(n,q) (\pi\circ\Phi)(n,q) =\pi(\iota(n)s(q))=q=p_Q(n,q)

である。よってΦ\Phiは両端の恒等写像と可換する拡大の同型である。

逆に、あるα\alphaと拡大の同型

Φ ⁣:N⋊αQ⟶E \Phi\colon N\rtimes_\alpha Q\longrightarrow E

が与えられているとする。標準切断jQ(q)=(eN,q)j_Q(q)=(e_N,q)を用いて

s=Φ∘jQ ⁣:Q⟶E s=\Phi\circ j_Q\colon Q\longrightarrow E

と置く。写像ssは準同型である。また、拡大の同型がπ∘Φ=pQ\pi\circ\Phi=p_Qを満たすため、

π∘s=π∘Φ∘jQ=pQ∘jQ=id⁡Q \pi\circ s =\pi\circ\Phi\circ j_Q =p_Q\circ j_Q =\operatorname{id}_Q

である。したがってssは切断であり、元の拡大は分裂する。▨

切断から得たα\alphaをAut⁡(N)→Out⁡(N)\operatorname{Aut}(N)\to\operatorname{Out}(N)と合成すると、§E7.15 定理 2.1になる。

5 自明な作用と二面体群

命題 5.1.αh=id⁡N\alpha_h=\operatorname{id}_Nがすべてのh∈Hh\in Hについて成り立つならば、

N⋊αH=N×H N\rtimes_\alpha H=N\times H

が群の積まで含めて成り立つ。

証明. 自明な作用のもとでは、

(n,h)(m,k)=(nαh(m),hk)=(nm,hk) (n,h)(m,k) =(n\alpha_h(m),hk) =(nm,hk)

であり、この積は§E7.13 定義 1.1の積そのものである。▨

例 5.2 (二面体群とS3S_3).n≥3n\geq3とし、

Cn=⟨a∣an=e⟩,C2=⟨b∣b2=e⟩ C_n=\langle a\mid a^n=e\rangle,\qquad C_2=\langle b\mid b^2=e\rangle

とする。bbのCnC_nへの作用を

αb(a)=a−1 \alpha_b(a)=a^{-1}

と定める。反転ai↦a−ia^i\mapsto a^{-i}はCnC_nの自己同型であり、その二乗は恒等写像である。したがって、この式は準同型C2→Aut⁡(Cn)C_2\to\operatorname{Aut}(C_n)を定める。この作用について、

Φ ⁣:Cn⋊αC2⟶D2n,Φ(ai,bε)=risε \Phi\colon C_n\rtimes_\alpha C_2\longrightarrow D_{2n}, \qquad \Phi(a^i,b^\varepsilon)=r^i s^\varepsilon

と定める。ここで、r,sr,sは§E7.9 補題 5.1で定めた置換である。§E7.9 定理 5.2により、

D2n≅⟨r,s∣rn=s2=e, srs=r−1⟩ D_{2n} \cong \langle r,s\mid r^n=s^2=e,\ srs=r^{-1}\rangle

である。

0≤i,j<n0\leq i,j<n、ε,δ∈{0,1}\varepsilon,\delta\in\{0,1\}とする。半直積の積は

(ai,bε)(aj,bδ)=(ai+(−1)εj,bε+δ) (a^i,b^\varepsilon)(a^j,b^\delta) = \bigl(a^{i+(-1)^\varepsilon j},b^{\varepsilon+\delta}\bigr)

である。一方、srs=r−1srs=r^{-1}とs2=es^2=eからsrj=r−jssr^j=r^{-j}sが成り立つため、

risεrjsδ=ri+(−1)εjsε+δ r^i s^\varepsilon r^j s^\delta = r^{i+(-1)^\varepsilon j}s^{\varepsilon+\delta}

である。二つの積の公式が一致するので、Φ\Phiは準同型である。Φ(a,e)=r\Phi(a,e)=r、Φ(e,b)=s\Phi(e,b)=sであり、r,sr,sはD2nD_{2n}を生成するため、Φ\Phiは全射である。さらに、§E7.9 補題 5.1によれば、

risε(0≤i<n, ε∈{0,1}) r^i s^\varepsilon \qquad(0\leq i<n,\ \varepsilon\in\{0,1\})

はD2nD_{2n}の互いに異なる2n2n個の元である。したがってΦ(ai,bε)=Φ(aj,bδ)\Phi(a^i,b^\varepsilon)=\Phi(a^j,b^\delta)ならばi=ji=jかつε=δ\varepsilon=\deltaであり、Φ\Phiは単射である。よって

Cn⋊αC2≅D2n C_n\rtimes_\alpha C_2\cong D_{2n}

である。

とくにn=3n=3ではD6D_6の位数は66であり、

D6≅S3 D_6\cong S_3

である。実際、r↦(123)r\mapsto(123)、s↦(12)s\mapsto(12)とすると、

(123)3=(12)2=e,(12)(123)(12)=(123)−1 (123)^3=(12)^2=e,\qquad (12)(123)(12)=(123)^{-1}

であるから、二面体群の表示により準同型D6→S3D_6\to S_3が定まる。(123)(123)と(12)(12)はS3S_3を生成するため、この準同型は全射である。両群の位数はともに66であるから、この準同型は同型である。

6 無限群の幾何学的な例

例 6.1 (アフィン群とユークリッド群).n≥1n\geq1とする。GL⁡n(R)\operatorname{GL}_n(\mathbb R)は加法群Rn\mathbb R^nにA⋅v=AvA\cdot v=Avによって作用する。この作用による半直積の積は

(v,A)(w,B)=(v+Aw,AB)(1) (v,A)(w,B)=(v+Aw,AB) \tag{1}

である。(v,A)(v,A)をアフィン変換

x⟼Ax+v x\longmapsto Ax+v

に対応させると、二つのアフィン変換の合成は式 (1) と一致する。したがって

Aff⁡n(R)=Rn⋊GL⁡n(R) \operatorname{Aff}_n(\mathbb R) =\mathbb R^n\rtimes\operatorname{GL}_n(\mathbb R)

と同一視することができる。

同次座標を用いると、この半直積は

(v,A)⟼(Av01)(2) (v,A)\longmapsto \begin{pmatrix} A&v\\ 0&1 \end{pmatrix} \tag{2}

によってGL⁡n+1(R)\operatorname{GL}_{n+1}(\mathbb R)に埋め込まれる。実際、右辺の行列式はdet⁡A≠0\det A\neq0であり、

(Av01)(Bw01)=(ABv+Aw01) \begin{pmatrix}A&v\\0&1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}B&w\\0&1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}AB&v+Aw\\0&1\end{pmatrix}

なので積が保たれる。また、右辺の行列からAAとvvを読み取ることができるため、この準同型は単射である。

直交群O⁡(n)\operatorname O(n)と特殊直交群SO⁡(n)\operatorname{SO}(n)に作用を制限すると、

E⁡(n)=Rn⋊O⁡(n),SE⁡(n)=Rn⋊SO⁡(n) \operatorname E(n)=\mathbb R^n\rtimes\operatorname O(n), \qquad \operatorname{SE}(n)=\mathbb R^n\rtimes\operatorname{SO}(n)

を得る。E⁡(n)\operatorname E(n)はRn\mathbb R^nのユークリッド等長変換全体の群であり、SE⁡(n)\operatorname{SE}(n)は向きを保つユークリッド等長変換全体の群である。

この同一視の逆向きも距離から確認することができる。全射等長写像f ⁣:Rn→Rnf\colon\mathbb R^n\to\mathbb R^nに対し、v=f(0)v=f(0)、g(x)=f(x)−vg(x)=f(x)-vと置く。g(0)=0g(0)=0であり、分極公式から

⟨g(x),g(y)⟩=∥g(x)∥2+∥g(y)∥2−∥g(x)−g(y)∥22=⟨x,y⟩ \langle g(x),g(y)\rangle =\frac{\lVert g(x)\rVert^2+\lVert g(y)\rVert^2-\lVert g(x)-g(y)\rVert^2}{2} =\langle x,y\rangle

を得る。任意のx,y,z∈Rnx,y,z\in\mathbb R^nに対して

⟨g(x+y)−g(x)−g(y),g(z)⟩=0 \langle g(x+y)-g(x)-g(y),g(z)\rangle=0

であり、ggは全射なのでg(x+y)=g(x)+g(y)g(x+y)=g(x)+g(y)となる。また、任意のt∈Rt\in\mathbb Rとx,z∈Rnx,z\in\mathbb R^nに対して

⟨g(tx)−tg(x),g(z)⟩=⟨tx,z⟩−t⟨x,z⟩=0 \langle g(tx)-tg(x),g(z)\rangle =\langle tx,z\rangle-t\langle x,z\rangle=0

である。再びggの全射性を用いるとg(tx)=tg(x)g(tx)=tg(x)となる。したがってggは直交線形写像であり、f(x)=g(x)+vf(x)=g(x)+vは上の形である。

例 6.2 (実直線上の無限二面体群).C2=⟨s∣s2=e⟩C_2=\langle s\mid s^2=e\rangleをZ\mathbb Zに

s⋅m=−m s\cdot m=-m

によって作用させる。この半直積を

D∞=Z⋊C2 D_\infty=\mathbb Z\rtimes C_2

と書く。ε,δ∈{0,1}\varepsilon,\delta\in\{0,1\}に対し、積は

(m,sε)(k,sδ)=(m+(−1)εk,sε+δ) (m,s^\varepsilon)(k,s^\delta) =\bigl(m+(-1)^\varepsilon k,s^{\varepsilon+\delta}\bigr)

である。

各元を実直線の等長変換

Φ(m,sε)(x)=m+(−1)εx \Phi(m,s^\varepsilon)(x)=m+(-1)^\varepsilon x

に対応させる。合成を計算すると

Φ(m,sε)(Φ(k,sδ)(x))=m+(−1)εk+(−1)ε+δx \Phi(m,s^\varepsilon)\bigl(\Phi(k,s^\delta)(x)\bigr) =m+(-1)^\varepsilon k+(-1)^{\varepsilon+\delta}x

となるため、Φ\Phiは準同型である。Φ(m,e)(0)=m\Phi(m,e)(0)=mであり、Φ(m,s)(0)=m\Phi(m,s)(0)=mかつΦ(m,s)(1)=m−1\Phi(m,s)(1)=m-1であるから、異なる対は異なる等長変換を与える。したがってΦ\Phiは単射であり、D∞D_\inftyは整数平行移動x↦x+1x\mapsto x+1と鏡映x↦−xx\mapsto-xが生成する実直線の等長変換群と同型である。

例 6.3 (外部作用の持上げだけでは半直積にならない).§E7.15 例 4.1 (C4C_4による非分裂拡大)の外部作用はAut⁡(C2)\operatorname{Aut}(C_2)へ持ち上がるが、この拡大は分裂しない。したがって、分裂拡大と半直積の同値により、この短完全列は両端を保つ半直積の標準短完全列と同型ではない。外部作用が持ち上がるという条件だけでは、半直積分解を結論することができない。

7 演習

問題 7.1.

  1. 半直積の逆元 (n,h)−1=(αh−1(n−1),h−1)(n,h)^{-1}=(\alpha_{h^{-1}}(n^{-1}),h^{-1}) を左右から掛けて確認せよ。
  2. 標準半直積でiN(N)⊴N⋊αHi_N(N)\trianglelefteq N\rtimes_\alpha Hとなることを、共役を直接計算して示せ。
  3. 分裂拡大の証明で、各e∈Ee\in Eの表示e=ι(n)s(q)e=\iota(n)s(q)が一意であることを示せ。
  4. C3⋊C2C_3\rtimes C_2で反転作用を用いた場合と自明な作用を用いた場合について、得られる二群がそれぞれ非可換群とアーベル群になることを確かめよ。
解答 (演習の要点).
  1. u=αh−1(n−1)u=\alpha_{h^{-1}}(n^{-1})と置くと、 (n,h)(u,h−1)=(nαh(αh−1(n−1)),eH)=(eN,eH)(n,h)(u,h^{-1}) =\bigl(n\alpha_h(\alpha_{h^{-1}}(n^{-1})),e_H\bigr) =(e_N,e_H) である。また、 (u,h−1)(n,h)=(αh−1(n−1)αh−1(n),eH)=(eN,eH)(u,h^{-1})(n,h) =\bigl(\alpha_{h^{-1}}(n^{-1})\alpha_{h^{-1}}(n),e_H\bigr) =(e_N,e_H) であるから、表示された元は両側逆元である。
  2. (n,h)∈N⋊αH(n,h)\in N\rtimes_\alpha H、m∈Nm\in Nとする。逆元の公式を用いると、 (n,h)(m,eH)(n,h)−1=(nαh(m),h)(αh−1(n−1),h−1)=(nαh(m)n−1,eH)∈iN(N).\begin{aligned} (n,h)(m,e_H)(n,h)^{-1} &=(n\alpha_h(m),h) (\alpha_{h^{-1}}(n^{-1}),h^{-1})\\ &=(n\alpha_h(m)n^{-1},e_H)\in i_N(N). \end{aligned} したがってiN(N)⊴N⋊αHi_N(N)\trianglelefteq N\rtimes_\alpha Hである。
  3. ι(n)s(q)=ι(m)s(r)\iota(n)s(q)=\iota(m)s(r)とする。両辺へπ\piを適用するとq=rq=rである。右からs(q)−1=s(r)−1s(q)^{-1}=s(r)^{-1}を掛けるとι(n)=ι(m)\iota(n)=\iota(m)となり、ι\iotaの単射性からn=mn=mを得る。したがって表示e=ι(n)s(q)e=\iota(n)s(q)は一意である。
  4. C3=⟨a⟩C_3=\langle a\rangle、C2=⟨b⟩C_2=\langle b\rangleとする。反転作用では (e,b)(a,e)=(a−1,b),(a,e)(e,b)=(a,b)(e,b)(a,e)=(a^{-1},b),\qquad (a,e)(e,b)=(a,b) であり、a−1≠aa^{-1}\neq aなので群は非可換である。自明な作用では積が成分ごとの積となり、C3⋊C2=C3×C2C_3\rtimes C_2=C_3\times C_2はアーベル群である。

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参考文献

  1. David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004.半直積と分裂拡大の扱いを参考にした。
  2. Derek J. S. Robinson, A Course in the Theory of Groups, 2nd ed., Graduate Texts in Mathematics, Springer, 1996.分裂拡大と半直積の扱いを参考にした。

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