同型定理

数学、特に抽象代数学において同型定理(ネーターの同型定理とも呼ばれる)は、準同型部分対象間の関係を記述する定理です。ベクトル空間加群リー代数、その他の代数構造に対する定理のバージョンが存在します普遍代数学では、同型定理は代数と合同式の文脈に一般化できます

歴史

同型定理は、エミー・ネーターが1927年にMathematische Annalen誌に掲載した論文「代数学の数と関数体における理想理論の抽象的構築」において、加群の準同型に対してある程度の一般性をもって定式化しました。これらの定理のより一般性が低いバージョンは、リヒャルト・デデキントの著作やネーターの以前の論文に見られます。 [要出典]

3年後、B・L・ファン・デル・ヴェルデンは影響力のある『現代代数学』を出版しました。これは、群--アプローチを採用した最初の抽象代数学の教科書です。ファン・デル・ヴェルデンは、ノイマンによる群論の講義エミール・アルティンによる代数学の講義、そしてアルティン、ヴィルヘルム・ブラシュケオットー・シュライアー、そしてファン・デル・ヴェルデン自身が行ったイデアルに関するセミナーを主要な参考文献として挙げています。準同型定理と呼ばれる3つの同型定理と、群に適用された場合の2つの同型法則が明示的に示されています。

まず、群の同型定理を提示します

定理A(群)

準同型に関する基本定理の図

群とし、を準同型とする。このとき、

  1. 正規部分群である
  2. 部分群であり
  3. の像は商群同型である

特に、射影的であれば、 はと同型である

この定理は通常、第一同型定理と呼ばれます。

定理B(群)

定理B4の図。2つの商群(点線)は同型である。

を群とする。の部分群としを の正規部分群とする。このとき、以下が成り立つ。

  1. の部分群である
  2. 部分群は の正規部分群である
  3. の正規部分群であり
  4. 商群と は同型です。

技術的には、 がにおける正規化群の部分群である限り、 が正規部分群である必要はありません。この場合、は の正規部分群ではありませんが、積 の正規部分群であることに変わりはありません

この定理は、第二同型定理[1] ダイヤモンド定理[2]、または平行四辺形定理[3 ] と呼ばれることもあります。

第二同型定理の応用により、射影線型群が識別されます。例えば、複素射影直線上の群は 、可逆な2×2複素行列の群は行列式1の行列の部分群はスカラー行列の正規部分群は と設定することで始まります。すると、は単位行列、 となります。そして、第二同型定理は次のことを述べています

定理C(群)

を群とし、正規部分群とする。すると

  1. がの部分群であって となるならば、 は と同型な部分群を持つ
  2. のすべての部分群は、なる のある部分群に対しての形をとる
  3. の正規部分群で となる場合、 は と同型の正規部分群を持つ
  4. のすべての正規部分群は、なる正規部分群に対して の形をとる
  5. がの正規部分群で となる場合、商群はと同型である

最後の命題は、第三同型定理と呼ばれることもある。最初の4つの命題は、しばしば以下の定理Dに包含され、格子定理対応定理、または第四同型定理と呼ばれる

定理D(群)

を群とし、の正規部分群とする。標準射影準同型性は、を含むの部分群の集合と の(すべての)部分群の集合との間の全単射対応を定義する。この対応の下では、正規部分群は正規部分群に対応する

この定理は、対応定理格子定理第四同型定理と呼ばれることもあります。

ザッセンハウスの補題バタフライ補題とも呼ばれる)は、第四同型定理と呼ばれることもあります。[4]

議論

最初の同型定理は、群のカテゴリが (正規エピ、モノ) 因数分解可能であるとカテゴリ理論の言葉で表現できます。言い換えると、正規エピモーフィズムとモノモーフィズムは、カテゴリ因数分解システムを形成します。これは、射 から存在を演繹できるオブジェクト射 を示す、欄外の可換図に示されています。この図は、群のカテゴリのすべての射 がカテゴリ理論的な意味で核を持つことを示しています。任意の射fは に因数分解されます。ここで、ιはモノモーフィズムでπはエピモーフィズムです (共正規カテゴリでは、すべてのエピモーフィズムは正規です)。これは、図ではオブジェクトとモノモーフィズム(核は常にモノモーフィズムです) で表され、これにより、図の左下から右上に向かう短い完全列が完成します。完全列規則を使用すると、からおよびへのゼロ射を描く必要がなくなります

列が右分割されている場合(つまり、自身のπ-逆像に写像する射σが存在する場合)、 Gは正規部分群と部分群の半直積です。左分割されている場合(つまり、となるものが存在する場合)、右分割でもあり、G直積分解です。一般に、右分割の存在は左分割の存在を意味しません。しかし、アーベル圏(アーベル群の圏など)では、分割補題により左分割と右分割は同値であり、右分割は直和分解を生成するのに十分です。アーベル圏では、すべての単射も正規であり、図は2番目の短完全列によって拡張できます

2番目の同型定理において、積SNはG部分群の格子におけるSN結合であり、交差S  ∩  N交わりです

第三同型定理は、9つの補題によってアーベル圏とより一般的なオブジェクト間の写像に一般化される

番号と名称に関する注記

以下に、A、B、C、Dとラベル付けされた4つの定理を示す。これらはしばしば「第一同型定理」、「第二…」のように番号が付けられるが、番号付けについては普遍的な合意はない。ここでは、文献における群同型定理の例をいくつか示す。これらの定理には、環と加群に類似するものがあることに注意されたい。

群同型定理の名称の比較
コメント著者定理A定理B定理C
「第三」の定理はないジェイコブソン[5]準同型写像の基本定理第二同型定理「しばしば第一同型定理と呼ばれる」
ファン・デル・ワールデン[6]ダービン[8]準同型写像の基本定理第一同型定理第二同型定理
ナップ[9]名前なし第二同型定理第一同型定理
グリエ[10]準同型定理第二同型定理第一同型定理
3つの番号付き定理グリエによるその他の慣例第一同型定理第三同型定理第二同型定理
ロットマン[11]第一同型定理第二同型定理第三同型定理
フレイリー[12]準同型写像の基本定理または第一同型定理第二同型定理第三同型定理
ダミット&フット[13]第一同型定理第二またはダイヤモンド同型定理第三同型定理
番号なしミルン[1]準同型定理同型定理対応定理
スコット[14]準同型定理同型定理フレッシュマン定理

通常、格子定理または対応定理として知られる定理Dを同型定理の1つに含めることはあまり一般的ではありませんが、含める場合は最後の定理になります。

の定理の記述は同様ですが、正規部分群の概念がイデアルの概念に置き換えられています。

定理A(環)

環とし、を環準同型とする。すると、

  1. のイデアルであり
  2. 部分環であり
  3. の像は商環同型です

特に、が射影的であれば、は と同型です[15]

定理B(環)

を環とします。の部分環としを のイデアルとします。すると、

  1. 和は 部分環であり
  2. 積はのイデアルであり
  3. 商環と は同型です。

定理C(環)

R を環とし、IRのイデアルとする。すると

  1. がの部分環で となる場合、 はの部分環となる
  2. のすべての部分環はとなる のある部分環に対して形をとる
  3. のイデアルで となる場合、 はのイデアルとなる
  4. のすべてのイデアルは となる のあるイデアルに対して のをとる
  5. が のイデアルで となる場合、商環はと同型である

定理 D (環)

を のイデアルとする対応は、を含む部分環の集合と の部分環の集合との間の包含保存一対一である。さらに、( を含む部分環) が のイデアルとなる場合、かつが のイデアルとなる場合のみである[16]

加群

加群の同型定理の記述は特に単純です。なぜなら、任意の部分加群から商加群を形成できるからです。ベクトル空間上の加群)とアーベル群( 上の加群)の同型定理は、これらの特別な場合です。有限次元ベクトル空間の場合、これらの定理はすべて階数零定理から従います。

以下では、「加群」とは、ある固定された環Rに対する「 R加群」を意味します。

定理A(加群)

加群とし、 を加群準同型とします。このとき、

  1. の部分加群であり
  2. の部分加群であり
  3. の像は商加群同型である

特に、が射影的であれば、はと同型である

定理B(加群)

を加群とし、とをの部分加群とする。すると、

  1. 和はの部分加群であり
  2. 積はの部分加群であり
  3. 商加群と は同型である。

定理C(加群)

M を加群、T をMの部分加群とする

  1. がの部分加群であって となる場合、 はの部分加群である
  2. のすべての部分加群は、となる のある部分加群に対しての形をとる
  3. がの部分加群であって となる場合、商加群はと同型である

定理D(加群)

を加群、の部分加群とする。を含むの部分加群と の部分加群の間には一対一の関係がある。対応はすべてのに対して で与えられる。この対応は、和と積を取る処理と可換である(すなわち、 はの部分加群の格子と を含むの部分加群の格子の間に格子同型である)。[ 17]

普遍代数

これを普遍代数に一般化するには、正規部分群を合同関係に置き換える必要がある

代数上の合同とは を成分ごとの演算を持つ代数として考えると、 の部分代数を形成する同値関係である。代表を介して演算を定義することで、同値類の集合を同じ型の代数にすることができる。は の部分代数であるため、これは明確に定義される。結果として得られる構造は商代数である。

定理A(普遍代数)

を代数準同型とする。すると、の像はの部分代数となり、 (つまり)によって与えられる関係は上の合同となり、代数と は同型となる。(群の場合、は等しい。したがって、この場合、群論で使用される核の概念が再現される。)

定理B(普遍代数)

代数の部分代数 、および上の合同式が与えられたとき、 における の跡と と交わる同値類の集合を としますすると

  1. 上の合同式であり
  2. は の部分代数であり
  3. 代数は代数 と同型です

定理C(普遍代数)

を代数とし、 がの2つの合同関係であって となるものとしよう。すると は上の合同であり、 は と同型である。

定理D(普遍代数)

を代数とし、 上のすべての合同性の集合を と表記するこの集合は包含関係によって順序付けられた完全格子である。 [18]が合同であり、を含むすべての合同性の集合を と表記する(すなわち、は のフィルタであり、さらに部分格子である) 場合、写像は 格子同型である。[19] [20]

  1. ^ ab Milne (2013)、第1章、準同型に関する定理
  2. ^ I. Martin Isaacs (1994). Algebra: A Graduate Course . American Mathematical Soc. p. 33. ISBN 978-0-8218-4799-2.
  3. ^ Paul Moritz Cohn (2000). Classic Algebra . Wiley. p. 245. ISBN 978-0-471-87731-8.
  4. ^ Wilson, Robert A. (2009). The Finite Simple Groups . Graduate Texts in Mathematics 251. Vol. 251. Springer-Verlag London. p. 7. doi :10.1007/978-1-84800-988-2. ISBN 978-1-4471-2527-3.
  5. ^ Jacobson (2009), sec 1.10
  6. ^ van der Waerden, Algebra (1994).
  7. ^ Durbin (2009), sec. 54
  8. ^ [名前は] [van der Waerden 1994] [7]と基本的に同じです
  9. ^ Knapp (2016), sec IV 2
  10. ^ Grillet (2007), sec. I 5
  11. ^ Rotman (2003)、2.6節
  12. ^ Fraleigh (2003)、14章、34節
  13. ^ Dummit, David Steven (2004).抽象代数. Richard M. Foote (第3版). ホーボーケン、ニュージャージー州: John Wiley and Sons, Inc. pp.  97– 98. ISBN 0-471-43334-9. OCLC  52559229.
  14. ^ Scott (1964)、2.2節と2.3節
  15. ^ Moy, Samuel (2022). 「体拡大理論入門」(PDF) .シカゴ大学数学科. 2022年12月20日閲覧
  16. ^ ダミット、デイビッド・S.、フット、リチャード・M. (2004).抽象代数. ホーボーケン、ニュージャージー州: Wiley. p. 246. ISBN  978-0-471-43334-7.
  17. ^ Dummit and Foote (2004), p. 349
  18. ^ Burris and Sankappanavar (2012), p. 37
  19. ^ Burris and Sankappanavar (2012), p. 49
  20. ^ Sun, William. 「対応定理の一般形は存在するか?」Mathematics StackExchange . 2019年7月20日閲覧

参考文献

  • エミー・ネーター著代数学における数と関数体のイデアル理論の構築』数学年報 96 (1927) 26–61ページ
  • マクラーティ、コリン、「エミー・ネーターの『集合論的』位相:デデキントから関手の台頭まで」『現代数学の建築:歴史と哲学のエッセイ』 (ジェレミー・グレイとホセ・フェレイロス編)、オックスフォード大学出版局 (2006) 211–35ページ
  • ネイサン・ジェイコブソン(2009)『基礎代数』、第1巻(第2版)、ドーバー、ISBN 9780486471891
  • ポール・M・コーン著『普遍代数』、第II章3、57ページ
  • ミルン、ジェームズ・S. (2013)、『群論』、3.13
  • ファン・デル・ヴェルデン、B.I. (1994)、『代数学』、第1巻(第9版)、シュプリンガー出版社
  • ダミット、デビッド・S.、フット、リチャード・M. (2004)、『抽象代数学』、ホーボーケン、ニュージャージー州:ワイリー、ISBN  978-0-471-43334-7.
  • バリス、スタンリー、サンカッパナバー、HP (2012)、『普遍代数学講座』(PDF)。S. バリスとH.P. サンカッパナバー。ISBN  978-0-9880552-0-9.
  • スコット、WR (1964)、『群論』、プレンティス・ホール
  • ダービン、ジョン・R. (2009)、『現代代数学:入門』(第6版)、ワイリー、ISBN 978-0-470-38443-5.
  • ナップ、アンソニー・W.(2016年)『基礎代数』(デジタル版第2版)
  • ピエール・アントワーヌ・グリエ(2007年)、抽象代数学(第2版)、シュプリンガー
  • ジョセフ・J・ロットマン(2003年)、高度現代代数学(第2版)、プレンティス・ホール、ISBN 0130878685
  • トーマス・W・ハンガーフォード(1980年)、代数学(数学大学院テキスト、73)、シュプリンガー、ISBN 0387905189
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