C.H. Random

群論入門その1

群の定義

群論入門その1
目次
  1. 始めに
  2. 集合・写像
  3. 群の定義
  4. その他の用語
  5. 部分群の定義
  6. 命題 部分群の判定
  7. 証明

始めに

 皆さんは代数学を勉強したことがありますか?特に群論は他の数学の分野だけでなく、 その対称性を利用して物理、化学の分野でも応用されており大学の講義でも学ぶことができます。 しかし、抽象的な議論が多く証明を追うだけでもそれなりに難しいです。 この記事では大学数学を学び始めの方向けに、群論のイメージを掴み比較的簡単な有限群の分類の証明ができるようになっていただくことが目標です。 あくまで入門であり、難しい定理・命題の証明などを省いています。
(全4本の予定)

集合・写像

 集合・写像は代数学の理論を構築していく上で重要な道具です。

集合の定義

 ものの集まり.元(要素)は数や写像, 集合であってもよい.

写像の定義

 与えられた2つの集合に対し一方の集合の元を他方の集合のただ1つ元に対応付ける規則. 特にSSを集合として,
f:S×S→Sf:S×S\to S
という写像ffを2項演算という.

群の定義

 空でない集合GGがGGについて閉じている2項演算・・が与えられ,以下の3条件を満たすとき GGを群という.

(G1) 結合律

 ∀a, b, c∈G, a⋅(b⋅c)=(a⋅b)⋅c^\forall a,\ b,\ c\in G,\ a\cdot(b\cdot c)=(a\cdot b)\cdot c

(G2) 単位元の存在

 ∃e∈G,∀a∈G, e⋅a=a⋅e=a^\exists e\in G,^\forall a\in G,\ e\cdot a=a\cdot e=a
このときeeを単位元という. 群を構成する台集合と演算が与えられたとき, 単位元は一つに定まる. 以降特に断りがない限りeeを単位元とする.

(G3) 逆元の存在

 ∀a∈G, ∃b∈G, a⋅b=b⋅a=e^\forall a\in G,\ ^\exists b\in G,\ a\cdot b=b\cdot a=e
このときbbをaaの逆元といい, これはGGの元に対して1対1に対応するためa−1a^{-1}と書くことができる.

その他の用語

  • 位数 群Gの元の数
  • 有限群 位数が有限である群
  • 無限群 位数が無限である群
  • 可換群 交換律を満たす群

部分群の定義

 群GGの空でない部分集合HHがGGの2項演算について群となるとき, HHを部分群という.
例えば 整数の集合N\mathbb{N}は加法に関して有理数の集合Q\mathbb{Q}の部分群である. 部分群の構造を考える事は元の群の構造を明らかにする上で重要である.

命題 部分群の判定

群Gの空でない部分集合HHに対して以下の2条件は同値である.
(1)HHはGGの部分集合である.
(2)a, b∈H⇒a−1b∈Ha,\ b\in H\Rightarrow a^{-1}b\in H

証明

(1)⇒(2)(1)\Rightarrow (2)は仮定から自明. (2)⇒(1)(2)\Rightarrow (1)を示す.
HHは空集合ではないから,a∈Ha\in Hに対して
e=a−1a∈He=a^{-1}a\in H(単位元の存在)
a−1=a−1e∈Ha^{-1}=a^{-1}e\in H(逆元の存在)
a, b∈Ha,\ b\in Hに対してa−1, b∈Ha^{-1},\ b\in Hが存在し,
ab=(a−1)−1b∈Hab=(a^{-1})^{-1}b\in H(演算の閉性)
よって命題が示された.

演習問題

H1, H2H_1,\ H_2が群GGの部分集合であるときH1∩H2H_1\cap H_2も部分集合であることを示せ. 次回->