关于同构关系的一些证明(1)

  • Post author:
  • Post category:其他


定义一种集合乘法



X

Y

=

{

x

y

x

X

,

y

Y

}

XY=\{xy|x\in X,y\in Y\}






X


Y




=








{



x


y





x













X


,




y













Y


}





.

那么我们可以看见若



H

G

H\leqslant G






H













G





,则



H

H

=

{

h

h

h

,

h

H

}

=

{

h

h

H

}

=

H

HH=\{hh'|h,h'\in H\}=\{h|h\in H\}=H






H


H




=








{



h



h

























h


,





h

































H


}




=








{



h





h













H


}




=








H





.

特别的,若集合中只有一个元素,那么可以这么写



{

a

}

H

=

a

H

=

{

a

h

h

H

}

\{a\}H=aH=\{ah|h\in H\}






{



a


}


H




=








a


H




=








{



a


h





h













H


}





.

现在我们可以用这种乘法书写了.




Theorem 1 

\text{Theorem 1 }







Theorem 1









H

G

H\triangleleft G






H













G





,当且仅当



g

H

=

H

g

gH=Hg






g


H




=








H


g





.

证明:



H

=

g

1

H

g

H=g^{-1}Hg






H




=









g














1










H


g





,显然正规子群的共轭仍然是原来的正规子群.




Lemma 

\text{Lemma }







Lemma










H

G

H\triangleleft G






H













G





,那么任意集合在集合乘法中与



H

H






H





可交换.




Definition 

G

/

H

=

{

a

H

a

G

}

,

H

G

.

\text{Definition }定义G/H=\{aH|a\in G\},其中H\triangleleft G.







Definition









G


/


H




=








{



a


H





a













G


}


,










H













G


.









Theorem 2 

G

/

H

\text{Theorem 2 }G/H







Theorem 2



G


/


H





是群,称作商群.




H

H






H









G

/

H

G/H






G


/


H





的幺元,



a

H

aH






a


H





的逆元是



a

1

H

a^{-1}H







a














1










H





,若



a

H

,

b

H

G

/

H

,

aH,bH\in G/H,






a


H


,




b


H













G


/


H


,





那么



a

H

b

H

=

a

b

H

H

=

(

a

b

)

H

G

/

H

aHbH=abHH=(ab)H\in G/H






a


H


b


H




=








a


b


H


H




=








(


a


b


)


H













G


/


H





,也容易验证结合律,从而



G

/

K

G/K






G


/


K





是群.

显然



G

/

H

G/H






G


/


H





的每一个元素都是群



G

G






G





的一个陪集,由拉格朗日定理商群的阶



[

G

:

H

]

=

G

H

\displaystyle [G:H]=\frac{|G|}{|H|}






[


G




:








H


]




=






















H




















G


























.




Example 

\text{Example }







Example









Z

/

<

m

>

=

Z

m

Z/\left<m\right>=Z_m






Z


/








m








=









Z










m





















.




Theorem 3 

\text{Theorem 3 }







Theorem 3






正规子群与某个群同态的核一一对应.

证明:设正规子群



K

G

K\triangleleft G






K













G





,定义自然映射





π

:

G

G

/

K

g

g

K

\pi:\begin{array}{ccc} G&\to&G/K\\ g&\mapsto&gK \end{array}






π




:




















G








g




































































G


/


K








g


K


























显然



ker

π

=

{

π

(

g

)

=

g

K

=

K

}

=

K

\ker \pi=\{\pi(g)=gK=K\}=K






ker




π




=








{



π


(


g


)




=








g


K




=








K


}




=








K





,下面定理给出必要性.




Theorem 4 (First Isomorphism Theorem,群同构第一定理)

\text{Theorem 4 (First Isomorphism Theorem,群同构第一定理)}







Theorem 4 (First Isomorphism Theorem,


群同构第一定理


)







如果



f

:

G

H

f:G\to H






f




:








G













H





是一个群同态,那么



ker

f

G

\ker f\triangleleft G






ker




f













G










G

/

ker

f

i

m

f

G/\ker f\cong \mathrm{im} f






G


/




ker




f














i


m



f






.

证明:由



ker

f

\ker f






ker




f





的性质,若



g

ker

f

g\in\ker f






g













ker




f





,则



f

(

g

)

=

e

f(g)=e






f


(


g


)




=








e





,于是



f

(

h

1

g

h

)

=

f

1

(

h

)

e

f

(

h

)

=

e

f(h^{-1}gh)=f^{-1}(h)ef(h)=e






f


(



h














1










g


h


)




=









f














1










(


h


)


e


f


(


h


)




=








e





,从而



ker

f

G

\ker f\triangleleft G






ker




f













G





.




i

m

f

\mathrm{im}f







i


m



f





显然是一个群,群同构第一定理现在在说这样一件事,



f

f






f





是同态,那么



f

=

f

π

=

π

f

f=f^*\circ\pi =\pi f^*






f




=









f































π




=








π



f























,即把



f

f






f





分解为核的商群和一个新映射,则这个映射是同构.




Theorem 5 (Second Isomorphism Theorem,群同构第二定理)

\text{Theorem 5 (Second Isomorphism Theorem,群同构第二定理)}







Theorem 5 (Second Isomorphism Theorem,


群同构第二定理


)







如果



K

G

K\triangleleft G






K













G





,则任意一个



H

G

H\leqslant G






H













G









H

K

G

,

H

K

G

HK\leqslant G,H\cap K\triangleleft G






H


K













G


,




H













K













G





,此时有





H

/

(

H

K

)

H

K

/

K

H/(H\cap K)\cong HK/K






H


/


(


H













K


)













H


K


/


K







证明:显然



H

K

K

H\cap K\leqslant K






H













K













K





,再有正规子群的子群仍然是正规子群.而



K

H

K

K\triangleleft HK






K













H


K





的证明的平凡的.

我们发现



H

K

/

K

HK/K






H


K


/


K





其实上就是



{

h

K

h

H

}

\{hK|h\in H\}






{



h


K





h













H


}





.

由定理三,存在一个自然同态



π

\pi






π





的核是



K

K






K





,对核做在



H

H






H





集合上的限制得到一个新的自然映射



π

:

H

H

/

(

H

K

)

\pi':H\to H/(H\cap K)







π
























:








H













H


/


(


H













K


)





,那么



i

m

π

=

H

K

/

K

\mathrm{im} \pi'=HK/K







i


m




π
























=








H


K


/


K





,从而由群同构第一定理



H

/

(

H

K

)

H

K

/

K

H/(H\cap K)\cong HK/K






H


/


(


H













K


)













H


K


/


K





.

限制这个名词比较奇妙,思考一会我们可以观察到群同构第二定理和第一定理之间的关系.

群同构第一定理的特例是



G

/

K

=

{

x

K

x

G

}

=

G

/

K

G/K=\{xK|x\in G\}=G/K






G


/


K




=








{



x


K





x













G


}




=








G


/


K





,

而群同构第二定理是



(

G

H

)

/

(

K

H

)

=

H

/

(

H

K

)

=

{

x

K

x

G

H

}

=

{

x

K

x

H

}

=

H

K

/

K

(G\cap H) /(K\cap H)=H/(H\cap K)=\{xK|x\in G\cap H\}=\{xK|x\in H\}=HK/K






(


G













H


)


/


(


K













H


)




=








H


/


(


H













K


)




=








{



x


K





x













G













H


}




=








{



x


K





x













H


}




=








H


K


/


K





,恰是



G

G






G





上的一个商群导出了



H

G

H\leqslant G






H













G





上的一个商群.




Lemma 

\text{Lemma }







Lemma






两侧由拉格朗日定理可以得到一个很有用的公式



[

H

:

H

K

]

=

[

H

K

:

K

]

,

H

K

=

H

K

H

K

[H:H\cap K]=[HK:K],|H||K|=|HK||H\cap K|






[


H




:








H













K


]




=








[


H


K




:








K


]


,







H








K







=











H


K








H













K








.




Theorem 6.1 (Correspondence Theorem,群同构第三定理)

\text{Theorem 6.1 (Correspondence Theorem,群同构第三定理)}







Theorem 6.1 (Correspondence Theorem,


群同构第三定理


)










K

G

K\triangleleft G






K













G





,那么设



S

u

b

(

G

;

K

)

=

{

X

K

X

G

}

\mathrm{Sub}(G;K)=\{X|K\subset X\leqslant G\}







S


u


b



(


G


;




K


)




=








{



X





K













X













G


}





,则所有这样的子群和



G

/

K

G/K






G


/


K





的子群有一个一一对应的关系.

证明:定义一个显然的映射:





Φ

:

S

u

b

(

G

;

K

)

S

u

b

(

G

/

K

;

)

S

S

/

K

\Phi:\begin{array}{ccc} \mathrm{Sub}(G;K)&\to&\mathrm{Sub}(G/K;\varnothing)\\ S&\mapsto&S/K \end{array}






Φ




:





















S


u


b



(


G


;




K


)








S





































































S


u


b



(


G


/


K


;







)








S


/


K


























首先



Φ

\Phi






Φ





是一个单射,如果



K

S

G

K\leqslant S\leqslant G






K













S













G





,那么



(

π

1

π

)

(

S

)

=

S

(\pi^{-1}\circ \pi)(S)=S






(



π














1





















π


)


(


S


)




=








S





.

首先对于每一个



s

S

s\in S






s













S





,



π

(

s

)

=

s

K

S

/

K

\pi (s)=sK\in S/K






π


(


s


)




=








s


K













S


/


K





,显然



s

π

1

(

s

K

)

s\in \pi^{-1}(sK)






s














π














1










(


s


K


)





,从而



S

(

π

1

π

)

(

S

)

S\subset(\pi^{-1}\circ\pi)(S)






S













(



π














1





















π


)


(


S


)





.

其次对于每一个



a

π

1

π

S

a\in \pi^{-1}\pi S






a














π














1










π


S





,有



π

(

a

)

=

s

K

\pi(a)=sK






π


(


a


)




=








s


K





,对于某一个



s

S

s\in S






s













S





,从而有某一个



k

K

k\in K






k













K





,



s

k

=

a

sk=a






s


k




=








a





,但因为



K

S

G

K\leqslant S\leqslant G






K













S













G





,于是



a

S

a\in S






a













S





.

所以如果



π

(

S

)

=

π

(

T

)

\pi(S)=\pi(T)






π


(


S


)




=








π


(


T


)





.那么



S

=

T

S=T






S




=








T





,从而



Φ

\Phi






Φ





是单射(



Φ

\Phi






Φ





也是一个自然映射的集合形式).

其次



Φ

\Phi






Φ





是一个满射,如果



K

S

G

K\leqslant S\leqslant G






K













S













G





,那么



(

π

π

1

)

(

S

/

K

)

=

S

/

K

(\pi \circ \pi^{-1})(S/K)=S/K






(


π














π














1










)


(


S


/


K


)




=








S


/


K





.

首先对于每一个



s

S

,

s

K

S

/

K

,

s

π

1

(

s

K

)

,

π

(

s

)

=

s

K

S

/

K

s\in S,有sK\in S/K,s\in\pi^{-1}(sK),\pi(s)=sK\in S/K






s













S


,







s


K













S


/


K


,




s














π














1










(


s


K


)


,




π


(


s


)




=








s


K













S


/


K





,从而



S

/

K

(

π

π

1

)

(

S

/

K

)

S/K\subset (\pi \circ \pi^{-1})(S/K)






S


/


K













(


π














π














1










)


(


S


/


K


)





.

其次对于每一个



a

K

π

π

1

S

/

K

aK\in \pi\pi^{-1} S/K






a


K













π



π














1










S


/


K





,有



A

=

A

1

A

2

=

π

1

(

a

K

)

A=A_1\cup A_2=\pi^{-1}(aK)






A




=









A










1






























A










2




















=









π














1










(


a


K


)





,其中



A

1

S

A_1\subset S







A










1





























S





,



A

2

S

=

A_2\cap S=\varnothing







A










2





























S




=














.容易证明



A

2

=

A_2=\varnothing







A










2




















=














,从而显然



π

π

1

S

/

K

S

/

K

\pi\pi^{-1} S/K\subset S/K






π



π














1










S


/


K













S


/


K





.

从而



Φ

\Phi






Φ





是满射.

由上,所有的子群和



G

/

K

G/K






G


/


K





的子群有一个一一对应的关系.




Theorem 6.2 

\text{Theorem 6.2 }







Theorem 6.2









K

S

T

G

K\leqslant S\leqslant T\leqslant G






K













S













T













G





,当且仅当



S

/

K

T

/

K

S/K\leqslant T/K






S


/


K













T


/


K





,此时



[

S

:

T

]

=

[

S

/

K

:

T

/

K

]

[S:T]=[S/K:T/K]






[


S




:








T


]




=








[


S


/


K




:








T


/


K


]





.




K

S

T

G

K\triangleleft S\triangleleft T\triangleleft G






K













S













T













G





,当且仅当



S

/

K

T

/

K

S/K\triangleleft T/K






S


/


K













T


/


K





,此时



S

/

T

(

S

/

K

)

/

(

T

/

K

)

S/T\cong (S/K)/(T/K)






S


/


T













(


S


/


K


)


/


(


T


/


K


)





.

证明:略.



版权声明:本文为Myriad_Dreamin原创文章,遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议,转载请附上原文出处链接和本声明。