中学理科1631220 views
MathPython498072 views
高校倫理1440914 views
高校生物551985 views
小学理科720199 views
中学英語812035 views
いろは3013586 views
世界の国564972 views
高校物理160543 views
りんご211690 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsLinux CommandsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalUniversity Entrance Exam MathColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesUniversity Entrance Exam Physics解析力学Quantum MechanicsStatistical MechanicsRelativityCelestial MechanicsAstrophysicsCosmologyElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

ラテン方陣でも群とは限らない - 群の定義と 3 つの条件

群の定義に出てくる条件は 3 つだけです[1]。結合律、単位元の存在、逆元の存在。

条件が少ないぶん、そこから引き出せることも限られます。ところが実際には、この 3 つだけで乗積表の形まで決まってしまう。

定義

集合 と、その上の演算 の組を考えます。演算の行き先が の中にあることは、写像として定めた時点で込みになっています。

次の 3 つを満たすとき、 を群といいます[1]

すべての が成り立つ。
ある があって、すべての かつ になる。
すべての に対し、 かつ となる がある。

がつねに成り立つとき、 を可換群、またはアーベル群といいます[1]

の元の個数を位数といい と書きます。有限とは限りません。

単位元も逆元も 1 つしかない

定義は「ある」としか言っていませんが、実際には一意です[1]

単位元から見ます。 がどちらも条件 2 を満たすとします。 が単位元だから が単位元だから 。よって です。

逆元も同じ形で決まります。 がどちらも の逆元だとすると

途中で結合律を使いました。単位元の一意性は結合律なしで出ますが、逆元のほうは結合律が要ります[1]

片側だけで足りる

定義では単位元も逆元も両側で条件を書きました。実は左側だけ仮定すれば、右側は自動的に付いてきます。

仮定を次に弱めます。演算は結合的で、 をすべての で満たす があり、各 となる がある。

まず を示します。 に対しても仮定が使えるので、 となる がとれる。

次に が出ます。

左単位元と左逆元だけで、両側の条件がそろいました。定義に書く条件は、この意味で余分を含んでいます。

消去律と乗積表

なら、両辺に左から を掛けて です。右からでも同じ。これを消去律といいます。

有限群で乗積表を書くと、消去律が形になって現れます。 の行に同じ元が 2 回出ることは かつ を意味するので、起こりません。

各行は の元をちょうど 1 回ずつ並べた列になる。列についても同じです。

ラテン方陣なら群、ではない

各行各列に全部の元が 1 回ずつ並ぶ表をラテン方陣といいます。群の乗積表はラテン方陣です。逆は成り立ちません。

位数 で反例を作ります。

どの行にもどの列にも から が 1 回ずつ並びます。 は両側の単位元で、対角に が並ぶので全部の元が自分自身の逆元です。

3 つの条件のうち、単位元と逆元は満たしている。それでも群ではありません。

結合律が崩れました。位数 の群は巡回群だけで、そこでは単位元以外の元の位数が です。この表では全部が位数 なので、群になりようがない。

3 つの条件のうち、実際に働いているのは結合律だということが見えます。

元の位数

について となる正整数 があるとき、その最小のものを の位数といいます。なければ位数は無限です。

有限群では全部の元の位数が有限になります。 が有限個の中に収まるので、)となる場所があり、消去律から が出るためです。

位数が の元が生成する部分群は で、大きさは 。Lagrange の定理から、元の位数は群の位数を割ります。

位数の小さい群

位数が素数 の群は巡回群だけです。単位元でない元 をとると、 の大きさは より大きく を割るので 。つまり になります。

位数 を見ます。位数 の元があれば巡回群 です。なければ、単位元以外の元の位数はすべて

このとき群は可換になります。 から で、 を開くと 、つまり です。

可換で全部の元が位数 なら 。位数 の群は 2 つだけになります。

位数 も決まります。Cauchy の定理から位数 の元 と位数 の元 がとれる。 は指数 なので正規です。

は位数 に入るので、 のどちらかになります。 なら は可換で なら二面体群の関係式そのもので、 です。

0 3 6 9 12 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 1 1 2 1 2 1 5 2 2 1 5 1 2 1 14 位数ごとの群の個数

位数が素数のところは必ず です。 のべきのところで急に増える。位数 個、位数 になると 個になります。

非可換の最小は位数 6

位数 以下の群はすべて可換です。位数 は素数か自明で巡回群、位数 は上で見た 2 つでどちらも可換。

位数 で初めて非可換が出ます。 がそれで、乗積表を見ると が違う元になっている。

3 つの条件から可換性は出てきません。可換であることは、群であることとは別の追加条件です。

群の条件から出ること

単位元と逆元の一意性、消去律、乗積表がラテン方陣になること

群の条件から出ないこと

可換性、元の位数がそろうこと、部分群の個数

どこから来た定義か

いまの形に落ち着くまでには時間がかかりました[2]

Galois は 1832 年の書き込みで、 が入っていれば も入る、と閉じていることだけを述べています[2]。置換を相手にしているかぎり、ほかの条件は自動で満たされるためです。

Cayley が 1854 年に抽象的な定義を初めて試みました[2]。閉性、結合律、単位元を挙げています。

Kronecker が 1870 年に、可換性と結合律と消去律を仮定する形を出します[2]。有限集合が前提でした。

Weber は 1882 年に似た定義を与えたあと、1895 年の教科書で、この形は有限群にしか通用せず、無限群では逆元を別に要求しなければならないと注意しています[2]

Burnside は 1897 年に閉性と結合律と逆元を要求し、単位元を公理から外しました[2]。他から導けるためです。

有限性を外し、逆元を明示する。この 2 点が決まって、いまの定義になりました。

位数 の集合に演算を入れ、乗積表がラテン方陣で、単位元があり、すべての元に逆元があったとします。この集合は必ず群ですか。

  • 必ず群になる
  • 結合律が崩れることがあるので、群とは限らない
  • 位数が素数なので必ず巡回群になる
__RESULT__

ラテン方陣であることは消去律に対応するだけで、結合律とは別の条件です。実際、記事で挙げた表では に対して となり、結合律が崩れます。群の 3 条件のうち、表の形だけからは読めないのが結合律です。

条件を 3 つに絞ったことが、この定義の効き目になっています。閉性と結合律と逆元さえあれば、対称性を扱う道具がそろう。可換性を入れなかったぶんだけ、置換も行列も同じ枠に収まりました。

参考

Gaëtan Chenevier, *Généralités sur les groupes*, cours ALG1
*The abstract group concept*, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews
群の定義に出てくる条件は、結合律と単位元と逆元の 3 つだけです。単位元も逆元もそれぞれ 1 つしかないこと、左単位元と左逆元だけを仮定すれば右側は自動的に付いてくることを、証明つきで扱いました。消去律から乗積表はラテン方陣になりますが、逆は成り立ちません。位数 5 で、単位元も逆元もそろっているのに結合律だけが崩れる表を作って確かめます。位数 4 の群が 2 つ、位数 6 が 2 つに決まる議論、非可換の最小が位数 6 であること、Galois の書き込みから Weber の注意までたどった定義の変遷まで。