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代数的構造:群の特徴(位数、部分群、傍系(剰余類))

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群には様々な概念と特徴が存在する。

位数

群G(集合G、二項演算μの組が群になっている場合、単純に群Gと省略できる)

の元が何個あるかを位数という。無限にある場合もよくある。

部分群

群G(集合G、二項演算μ)について、集合Gの部分集合Hを考える。集合H、二項演算μの組み合わせが、閉じていて(演算の結果も集合Hの元になっている)、かつ、

集合Hのどの元に対しても、その逆元が集合Hの元であるときは、部分集合HをGの部分群という。

逆元とは、集合や二項演算の種類によって定義が様々になるが、簡単に言えば、二項演算に組み込んだ時に、単位元ができあがるものである。例えば、集合が実数、二項演算が掛け算の場合、単位元eは1なので、元aの逆元は1/aとなる(a*1/a=1=eだから)。1/aも集合の元である。

ちなみに、この集合Hは空集合(元を持たないからっぽの集合)でないものとする。

傍系(剰余類)

上記の部分群H(集合Hと二項演算μの組(H,μ))と

群G(集合Gと二項演算μの組(G,μ))を考える。

定義として、hをHの元、gをGの元とする。

gHを、Gの元gと、Hの「任意の元(あらゆる元と言い換えても良い)」とを二項演算μに適用して得られた「量」を元にもつ集合とする。例えば、Hの位数(元の数)が100個あれば、100個の「量」が得られるので、gHは、新たな位数100の「集合」である。

ちなみに、二項演算には順序があるので、gHがHgと一致しないケースもある。

ここで、Hの元についてはあらゆる元であるが、Gの元gは、何か一つを選ぶので、例えば、g1,g2,g3,g4などと数字をふってもいいし、アポストロフィをすけてgとg’などと区別しても良い。いずれにせよ、g1Hやg2H、g’Hなどは、

「新たな集合gH(表現によって別にg1Hでもg’Hでも良いが)は、集合Hを「法」とする、元gの属する集合Gの「左」傍系である」ということができる。

なお、「新たな集合Hgは、集合Hを法とする、元gの属する集合Gの「右」傍系である。」といえる。

この、左傍系と右傍系が完全に一致する例があって、それが、Hが「正規部分群」(別記)であるときである。

集合Gの傍系とは、Gの何らかの部分群Hによる、左あるいは右傍系の総称である。

ここでg(g−1Hg)を考える。二項演算のルールとして、左から順に行う(でないと交換法則などを考える意味が無い)。カッコは先に行う。

しかし、群については、結合法則があらゆる元について成立しているので、

g(g−1Hg)=(gg−1)(Hg)=eHg=Hgである。だからどうしたとう話であるが、

すなわち、部分群Hを法とする右傍系Hgとは、

部分群Hと共役な部分群g−1Hgを法とする左傍系g(g−1Hg)と、

同じものを指しているのである。すなわち、傍系の左右と、「共役」という考え(別記)が密接に関連しているのである。

集合をかける、とは、例えば元gに対して集合{1,2,3,4}を左からかけると(この場合右からでも同じだが)、得られるのは、それぞれの二項演算の結果得られた量の「集合」{1g,2g,3g,4g}であって、「量」が得られるわけではない。