部分群とその具体例

この記事では部分群の基礎を紹介します。

そもそも群とは何だ?という人は 群の定義といろいろな具体例 をご覧ください。

部分群の定義

定義

群 (G,⋅)(G,\cdot) の部分集合 HH が GG の演算 ⋅\cdot で群となるとき,HH を 部分群 という。

部分群である必要十分条件

先ほど紹介した部分群の定義はややわかりにくいので,もっとわかりやすい必要十分条件を紹介します。

GG の部分集合 HH が部分群かどうか調べるときは,HH の中で

  1. 単位元の存在
  2. 積閉性
  3. 逆元の存在

を確認すればよいです。

部分群の判定法

群 GG の部分集合 HH について,

HH が GG の部分群   ⟺  \iff 以下の1~3をすべて満たす

  1. GG の単位元 1G1_G は HH の元
  2. x,y∈Hx,y \in H なら xy∈Hxy \in H
  3. x∈Hx \in H なら x−1∈Hx^{-1} \in H
証明
  • HH が部分群であるとき (1)~(3) が成立すること

HH は群を成すため単位元 1H1_H を持つ。単位元の性質より 1H⋅1H=1H1_H \cdot 1_H = 1_H である。1H∈G1_H \in G でもあるため,GG の元として辺々に 1H−1{1_H}^{-1} を掛けると 1H=1G1_H = 1_G となる。よって 1G=1H∈H1_G = 1_H \in H となり (1) を得る。

HH は GG の演算 ⋅\cdot で群を成すため,x,y∈Hx,y \in H に対して x⋅y∈Hx \cdot y \in H である。よって (2) が従う。

x∈Hx \in H に対して,HH における逆元を yy とすると,xy=yx=1H=1Gxy = yx = 1_H = 1_G である。これは yy が xx の GG における逆元であることを意味する。よって x−1=y∈Hx^{-1} = y \in H となり (3) が従う。

  • (1)~(3) が成立するとき,HH の部分群であること

1G∈H1_G \in H より HH は空集合ではない。

GG の演算によって H×H→HH \times H \to H,(x,y)↦x⋅y(x,y) \mapsto x \cdot y を定めることができる。

GG の演算は結合律を満たすため,HH は上の積について結合律を満たす。

任意の x∈Hx \in H に対して xx を GG の元と見なせば 1G⋅x=x⋅1G=x1_G \cdot x = x \cdot 1_G = x であるため,1G1_G は HH の単位元である。

さらに x−1x^{-1} は HH の元になるが,xx−1=x−1x=1G=1Hx x^{-1} = x^{-1} x = 1_G = 1_H であるため,x−1x^{-1} は HH における xx の逆元となる。

こうして HH は ⋅\cdot において群をなし,GG の部分群であることがわかる。

部分群の例

自明な部分群

群 GG の単位元 1G1_G のみからなる集合 {1G}\{ 1_G \} は部分群になります。

これを自明な部分群といいます。

整数の成す群 Z\mathbb{Z} と部分群

Z\mathbb{Z} は和について群になります。

nn の倍数の集合 nZn \mathbb{Z} は部分群になります。

行列の群

GLn(R)\mathrm{GL}_n (\mathbb{R}) は n×nn \times n の行列で,det⁡M≠0\det M \neq 0 となるものから成る集合でした。

通常の行列の積で GLn(R)\mathrm{GL}_n (\mathbb{R}) は群になります。

  1. det⁡(MN)=det⁡Mdet⁡N\det (MN) = \det M \det Nであるため,積について閉じています。

  2. 単位行列 InI_n は積についての単位元になります。

  3. det⁡M≠0\det M \neq 0 より MM には逆行列があります。

SLn(R)={M∈GLn(R)∣det⁡M=1}\mathrm{SL}_n (\mathbb{R}) = \{ M \in \mathrm{GL}_n (\mathbb{R}) \mid \det M = 1 \} とすると,これは GLn(R)\mathrm{GL}_n (\mathbb{R}) の部分群になります。

対称群/置換群

  • Sn\mathfrak{S}_n で nn 個の元の置換全体の集合とします。これは群になります。これを nn 次の対称群もしくは置換群と呼びます。(S\mathfrak{S} はフラクトゥールの S です。)
    → 置換の基礎(互換・偶置換・奇置換・符号の意味)

  • Sn\mathfrak{S}_n のうち特定の元 nn を動かさない元全体のなす集合は部分群となります。これは n−1n-1 次の置換群 Sn−1\mathfrak{S}_{n-1} と同一視できます。

  • 置換には符号 sgn\mathrm{sgn} というものがあるのでした。Sn\mathfrak{S}_n の元のうち,符号が 11 になる元,つまり sgn (σ)=1\mathrm{sgn}\ (\sigma) = 1 となる元全体の集合は部分群を成します。これを交代群といい,An\mathfrak{A}_n と書きます(A\mathfrak{A} はフラクトゥールの A です)。偶置換全体の集合とも言えます。

2つの部分群に関する話題

部分群の共通部分

命題

H1H_1 と H2H_2 が GG の部分群であるとき,H1∩H2H_1 \cap H_2 も GG の部分群である。

証明

先ほどの必要十分条件を用いる。

  1. H1H_1,H2H_2 は GG の部分群であるため,1G∈H11_G \in H_1,1G∈H21_G \in H_2 である。よって 1G∈H1∩H21_G \in H_1 \cap H_2 を得る。

  2. h,h′∈H1∩H2h , h' \in H_1 \cap H_2 を任意に取る。このとき h,h′∈H1h , h' \in H_1 であるため hh′∈H1hh' \in H_1 である。同じく hh′∈H2hh' \in H_2 である。よって hh′∈H1∩H2hh' \in H_1 \cap H_2 を得る。

  3. 2 と同じく示すことができる。

例

On(R)\mathrm{O}_n (\mathbb{R}) で n×nn \times n の各成分が実数の直交行列の集合を表します。これを 直交群 といいます。 → 直交行列の5つの定義と性質の証明

On(R)\mathrm{O}_n (\mathbb{R}) は GLn(R)\mathrm{GL}_n (\mathrm{R}) の部分群となります。

特殊直交群 SOn(R)\mathrm{SO}_n (\mathbb{R}) を SOn(R)=On(R)∩SLn(R) \mathrm{SO}_n (\mathbb{R}) = \mathrm{O}_n (\mathbb{R}) \cap \mathrm{SL}_n (\mathbb{R}) と定義します。

SOn(R)\mathrm{SO}_n (\mathbb{R}) は GLn(R)\mathrm{GL}_n (\mathbb{R}) の部分群の共通部分であるため,SOn(R)\mathrm{SO}_n (\mathbb{R}) も GLn(R)\mathrm{GL}_n (\mathbb{R}) の部分群です。

部分群の積

GG の部分群 H,KH,K を考えます。

この2つの積 HKHK を集合 HK={hk∣h∈H,k∈K} HK = \{ hk \mid h \in H , k \in K \} と定めます。

これが群になる条件を説明します。

条件

GG の部分集合として HK=KHHK = KH であるとき,HKHK は GG の部分群となる。

証明
  1. H,KH,K は部分群であるため,1G∈H1_G \in H,1G∈K1_G \in K である。よって 1G⋅1G=1G∈HK1_G \cdot 1_G = 1_G \in HK である。

  2. g,g′∈HKg,g' \in HK を任意に取る。このとき h,h′∈Hh,h' \in H,k,k′∈Kk,k' \in K があって g=hk,g′=h′k′g = hk , g'=h'k' となる。 gg′=hkh′k′ gg' = hkh'k' 条件より kh′∈HKkh' \in HK であるため hkh′k′∈hHKk′⊂HKhkh'k' \in hHKk' \subset HK である。

  3. g∈HKg \in HK を任意に取る。このとき h∈Hh \in H,k∈Kk \in K があって g=hkg = hk となる。 g−1=(hk)−1=k−1h−1 g^{-1} = (hk)^{-1} = k^{-1} h^{-1} であるため g−1∈KHg^{-1} \in KH である。KH=HKKH = HK であったため g−1∈HKg^{-1} \in HK を得る。

いろいろな部分群を探してみましょう。