1 外部半直積の構成
群N,Hと群準同型
α:H⟶Aut(N),h⟼αh
を固定する。
定義 1.1. 集合N×H上の積を
(n,h)(m,k)=(nαh(m),hk)と定める。この積を備えた集合を
N⋊αHと書き、α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を用いて第一成分が一致することを示す。次にαeH=idNから(eN,eH)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)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⋊αHは群である。単位元と逆元は
(eN,eH),(n,h)−1=(αh−1(n−1),h−1)である。
証明. 積はN×Hの元を与えるから閉じている。(n,h),(m,k),(ℓ,r)∈N×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).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).αは群準同型であるからαhk=αh∘αk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=idN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)である。
u=αh−1(n−1)と置く。αh∘αh−1=idNから
(n,h)(u,h−1)=(nαh(u),eH)=(eN,eH)である。また、
(u,h−1)(n,h)=(uαh−1(n),eH)=(αh−1(n−1)αh−1(n),eH)=(eN,eH).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),
jH:H→N⋊αH,jH(h)=(eN,h),
pH:N⋊αH→H,pH(n,h)=h
を考える。
命題 2.1.iNとjHは単射準同型であり、pHは全射準同型である。さらに、
kerpH=iN(N)であるから、
1⟶NiNN⋊αHpHH⟶1は短完全列である。写像jHはこの列の切断である。また、
jH(h)iN(n)jH(h)−1=iN(αh(n))が成り立つ。さらに、
iN(N)⊴N⋊αH,iN(N)∩jH(H)={(eN,eH)},iN(N)jH(H)=N⋊αHが成り立つ。
証明.n,m∈Nに対し、
iN(n)iN(m)=(n,eH)(m,eH)=(nm,eH)=iN(nm)である。(n,eH)=(eN,eH)ならばn=eNであるから、iNは単射である。h,k∈Hに対し、
jH(h)jH(k)=(eN,h)(eN,k)=(eN,hk)=jH(hk)であり、同じくjHは単射である。
pH((n,h)(m,k))=hk=pH(n,h)pH(m,k)であるからpHは準同型であり、pH(eN,h)=hであるから全射である。また、
pH(n,h)=eH⟺(n,h)=(n,eH)∈iN(N)である。よってkerpH=iN(N)であり、短完全性が従う。
pH∘jH=idHであるから、jHは切断である。
最後に、jH(h)−1=jH(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)).iN(N)=kerpHであるから、§E7.7 定理 1.3により
iN(N)⊴N⋊αHである。(n,eH)=(eN,h)ならばn=eNかつh=eHであるから、
iN(N)∩jH(H)={(eN,eH)}となる。また、任意の(n,h)∈N⋊αHは
(n,h)=(n,eH)(eN,h)=iN(n)jH(h)と表されるため、
iN(N)jH(H)=N⋊αHである。▨
3 内部半直積
定義 3.1.N⊴Gとする。部分群H≤Gが
N∩H={eG},NH=Gを満たすとき、HをNの補群 (complement) と呼び、GはNとHの内部半直積 (internal semidirect product) であるという。
標準半直積では、jH(H)はiN(N)の補群である。
証明では、まずN⊴Gにより各h∈Hの共役がN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)を構成する。次にΦ(n,h)=nhを定め、半直積の積に現れるαh(m)=hmh−1を用いて準同型性を示す。NH=Gから全射性を得て、二つの像の等式をN∩H={eG}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Gの部分群N,Hが
N⊴G,N∩H={eG},NH=Gを満たすとする。
αh(n)=hnh−1と定めると、
α:H⟶Aut(N)は群準同型である。さらに、
Φ:N⋊αH⟶G,Φ(n,h)=nhは群同型である。
証明.N⊴Gであるから、各h∈Hによる共役はNを保つ。共役写像の逆写像はh−1による共役であるため、αh∈Aut(N)である。h,k∈H、n∈Nに対し、
αhk(n)=(hk)n(hk)−1=h(knk−1)h−1=(αh∘αk)(n)であるから、αは群準同型である。
(n,h),(m,k)∈N⋊αHに対し、
Φ((n,h)(m,k))=Φ(nαh(m),hk)=n(hmh−1)hk=nhmk=Φ(n,h)Φ(m,k).したがってΦは準同型である。NH=GからΦは全射である。Φ(n,h)=Φ(m,k)ならば
nh=mk,m−1n=kh−1∈N∩Hである。したがってm−1n=kh−1=eGとなり、n=mかつh=kである。よってΦは単射である。したがってΦは群同型である。▨
内部直積の判定と異なり、H⊴Gは仮定しない。Hが正規でない場合には、作用αが非自明になり得る。
4 分裂拡大と半直積
拡大
1⟶NιEπQ⟶1
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sによる共役からα:Q→Aut(N)を構成し、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)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の全射性と単射性を証明し、Φ∘iN=ι、π∘Φ=pQ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jQ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が、ιは単射、πは全射、imι=kerπを満たす短完全列
1⟶NιEπQ⟶1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)について、この拡大が標準半直積拡大
1⟶NiNN⋊αQpQQ⟶1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),pQ:N⋊αQ⟶Q,pQ(n,q)=qである。
切断s:Q→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),Φ:N⋊αQ⟶E,Φ(n,q)=ι(n)s(q)で与えられる。さらに、
Φ∘iN=ι,π∘Φ=pQが成り立つ。
証明. まず拡大が分裂し、切断s:Q→Eが与えられているとする。ι(N)=kerπ⊴Eであるから、
s(q)ι(n)s(q)−1∈ι(N)となり、αq(n)は一意に定まる。共役写像であるから各αqは自己同型である。q,r∈Q、n∈Nに対し、s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)).ιは単射であるからαqr=αq∘αrであり、αは群準同型である。
Φは各組(n,q)に対してEの元を与えるため、写像として定まる。(n,q),(m,r)∈N⋊αQ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).したがってΦは準同型である。
e∈Eを取ってq=π(e)と置く。
π(es(q)−1)=qq−1=eQであるから、あるn∈Nが存在して
es(q)−1=ι(n)となる。よってe=ι(n)s(q)=Φ(n,q)であり、Φは全射である。
Φ(n,q)=Φ(m,r)とする。両辺へπを適用すると
q=π(ι(n)s(q))=π(ι(m)s(r))=rである。右からs(q)−1=s(r)−1を掛けるとι(n)=ι(m)となり、ιの単射性からn=mである。したがってΦは単射である。
さらに、n∈N、q∈Qに対し、
(Φ∘iN)(n)=Φ(n,eQ)=ι(n)s(eQ)=ι(n),(π∘Φ)(n,q)=π(ι(n)s(q))=q=pQ(n,q)である。よってΦ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と拡大の同型
Φ:N⋊αQ⟶Eが与えられているとする。標準切断jQ(q)=(eN,q)を用いて
s=Φ∘jQ:Q⟶Eと置く。写像sは準同型である。また、拡大の同型がπ∘Φ=pQを満たすため、
π∘s=π∘Φ∘jQ=pQ∘jQ=idQである。したがってsは切断であり、元の拡大は分裂する。▨
切断から得たαをAut(N)→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=idNがすべてのh∈Hについて成り立つならば、
N⋊αH=N×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)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S3).n≥3とし、
Cn=⟨a∣an=e⟩,C2=⟨b∣b2=e⟩とする。bのCnへの作用を
αb(a)=a−1と定める。反転ai↦a−iはCn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)を定める。この作用について、
Φ:Cn⋊αC2⟶D2n,Φ(ai,bε)=risεと定める。ここで、r,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⟩である。
0≤i,j<n、ε,δ∈{0,1}とする。半直積の積は
(ai,bε)(aj,bδ)=(ai+(−1)εj,bε+δ)である。一方、srs=r−1とs2=eからsrj=r−jsが成り立つため、
risεrjsδ=ri+(−1)εjsε+δである。二つの積の公式が一致するので、Φは準同型である。Φ(a,e)=r、Φ(e,b)=sであり、r,sはD2nを生成するため、Φ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})はD2nの互いに異なる2n個の元である。したがってΦ(ai,bε)=Φ(aj,bδ)ならばi=jかつε=δであり、Φは単射である。よって
Cn⋊αC2≅D2nである。
とくにn=3ではD6の位数は6であり、
D6≅S3である。実際、r↦(123)、s↦(12)とすると、
(123)3=(12)2=e,(12)(123)(12)=(123)−1であるから、二面体群の表示により準同型D6→S3が定まる。(123)と(12)はS3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6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≥1とする。GLn(R)は加法群RnにA⋅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)である。(v,A)をアフィン変換
x⟼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
Affn(R)=Rn⋊GLn(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)⟼(A0v1)(2)によってGLn+1(R)に埋め込まれる。実際、右辺の行列式はdetA=0であり、
(A0v1)(B0w1)=(AB0v+Aw1)なので積が保たれる。また、右辺の行列からAとv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)と特殊直交群SO(n)に作用を制限すると、
E(n)=Rn⋊O(n),SE(n)=Rn⋊SO(n)を得る。E(n)はRnのユークリッド等長変換全体の群であり、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→Rnに対し、v=f(0)、g(x)=f(x)−vと置く。g(0)=0であり、分極公式から
⟨g(x),g(y)⟩=2∥g(x)∥2+∥g(y)∥2−∥g(x)−g(y)∥2=⟨x,y⟩を得る。任意のx,y,z∈Rnに対して
⟨g(x+y)−g(x)−g(y),g(z)⟩=0であり、gは全射なのでg(x+y)=g(x)+g(y)となる。また、任意のt∈Rとx,z∈Rnに対して
⟨g(tx)−tg(x),g(z)⟩=⟨tx,z⟩−t⟨x,z⟩=0である。再びgの全射性を用いるとg(tx)=tg(x)となる。したがってgは直交線形写像であり、f(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⟩をZに
s⋅m=−mによって作用させる。この半直積を
D∞=Z⋊C2と書く。ε,δ∈{0,1}に対し、積は
(m,sε)(k,sδ)=(m+(−1)εk,sε+δ)である。
各元を実直線の等長変換
Φ(m,sε)(x)=m+(−1)εx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となるため、Φは準同型である。Φ(m,e)(0)=mであり、Φ(m,s)(0)=mかつΦ(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は単射であり、D∞は整数平行移動x↦x+1と鏡映x↦−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 (C4による非分裂拡大)の外部作用はAut(C2)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.
- 半直積の逆元
(n,h)−1=(αh−1(n−1),h−1)
を左右から掛けて確認せよ。
- 標準半直積でiN(N)⊴N⋊αHとなることを、共役を直接計算して示せ。
- 分裂拡大の証明で、各e∈Eの表示e=ι(n)s(q)が一意であることを示せ。
- C3⋊C2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).
- u=αh−1(n−1)と置くと、
(n,h)(u,h−1)=(nαh(αh−1(n−1)),eH)=(eN,eH)
である。また、
(u,h−1)(n,h)=(αh−1(n−1)αh−1(n),eH)=(eN,eH)
であるから、表示された元は両側逆元である。
- (n,h)∈N⋊αH、m∈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).
したがってiN(N)⊴N⋊αHである。
- ι(n)s(q)=ι(m)s(r)とする。両辺へπを適用するとq=rである。右からs(q)−1=s(r)−1を掛けるとι(n)=ι(m)となり、ιの単射性からn=mを得る。したがって表示e=ι(n)s(q)は一意である。
- C3=⟨a⟩、C2=⟨b⟩とする。反転作用では
(e,b)(a,e)=(a−1,b),(a,e)(e,b)=(a,b)
であり、a−1=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×C2はアーベル群である。
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