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二面体群が直積にならない理由(群の直積と半直積)

二面体群 は、位数 の回転と位数 の鏡映から組み立てられます。ところが直積 ではありません。可換になってしまうためです。

足りないのは、片方がもう片方に作用するという情報でした[1]。それを組み込んだものが半直積です。

外部直積

群 と に対し、集合 に成分ごとの積を入れます。

単位元は 、逆元は です。位数は になります。

と はどちらも正規部分群で、共通部分は単位元だけ。異なる成分の元は可換です。

内部から見分ける

逆に、群 が直積に分かれているかどうかは、部分群の条件で判定できます[1]。

が次の 3 つを満たすとします。

、つまりどの元も の形に書ける。
である。
すべての と で が成り立つ。

このとき 、 は同型です[1]。

準同型であることは条件 3 から出ます。

途中で と を入れ替えました。単射は核を見ればよく、 なら 。全射は条件 1 そのものです。

さらに と の核がそれぞれ と なので、両方とも正規部分群になります[1]。

3 番目の条件を外す

判定条件のうち、1 と 2 は満たすのに 3 が崩れる例はいくらでもあります[1]。

、つまり ()の全体をとります。平行移動の全体 と、原点を固定する拡大の全体 を考えると、 で 。

それでも と の元は可換ではありません。拡大してから平行移動するのと、平行移動してから拡大するのは違う写像です。

このとき は直積になりません。代わりに、 が に作用しているという情報を持たせます。

外部半直積

群 、 と準同型 を与えます。集合 に次の積を入れたものが半直積 です[1]。

は を抽象化したものです。 と が最初から同じ群の中にないので、共役の代わりに作用を使う[1]。

群になることを確かめます。単位元は です。

準同型は単位元を保つので 、 になります。

逆元も解けます。 から 、そして 、つまり 。両辺に を当てて

が出ます[1]。 と が同じ群の中にあるときの と同じ形です。

作用が自明、つまり なら積は になり、直積に戻ります[1]。

内部から見分ける

半直積のほうにも判定条件があります[1]。 が次を満たすとします。

である。
である。
が の正規部分群である。

と置くと が定まり、、 が同型になります[1]。

準同型であることを計算で見ます。

直積の判定と比べると、3 番目が「可換」から「片方が正規」に弱まっています。その弱めたぶんが作用 に入る、という構造です。

直積の判定

、、そして 2 つの部分群の元どうしが可換

半直積の判定

、、そして だけが正規

具体例

で を互換とすると です[1]。 は指数 で正規、共通部分は単位元だけ。

も同じ形です[1]。作用は 、つまり が反転になります。

で、 です[1]。 は加法群、 は乗法群として扱います。

が に加法の自己同型として作用するので、 も作れます[1]。無限二面体群です。

半直積にならない群

すべての群が半直積に分かれるわけではありません[2]。

四元数群 をとります。中心は で、商 は です。

もし が になるとします。 は自明群なので、作用は自明しかありえず、半直積は直積 になる。

この群には位数 の元が 個あります。ところが の位数 の元は ただ 1 つ。同型になりません[2]。

正規部分群と商が分かっていても、もとの群は決まらない。半直積はその「決まらなさ」のうち、いちばん扱いやすい場合を切り出したものです。

同じものになる条件

作用 を替えても、半直積が同型になることがあります[1]。

を自己同型とすると、 です[1]。作用を 側で読み替えただけなので、群としては変わりません。

だから半直積を数えるときは、 そのものではなく、 で移り合うものをまとめて数えます。

位数 の群

素数 について、位数 の群を全部決められます[1]。

Sylow の第 3 定理から かつ なので、 は か 。 なら となり、 に反します。よって で、位数 の Sylow 部分群 は正規です。

のほうは かつ なので、 か です。

のときは が使えないので 。 も正規になり、 から元どうしが可換になります。位数 の元と位数 の元の積は位数 なので、 は巡回群です[1]。

のときは の場合が残ります。このとき は巡回群ではありません。 と から で、判定条件から になる[1]。

は位数 の巡回群で、 だから位数 の部分群をちょうど 1 つ持ちます。自明でない準同型 の像はその部分群になり、 通りある。どれも の自己同型で移り合うので、上の補題から同型な半直積を与えます[1]。

したがって位数 の群は、 なら巡回群 1 つ、 なら巡回群と非可換なもので 2 つです[1]。

をとると、奇素数 はつねに を満たします[1]。だから位数 の群は必ず 2 つあり、巡回群 と二面体群 です。

位数 で と の 2 つ、位数 で と の 2 つ。冒頭の が直積にならない理由は、ここに収まっています。

位数 の群はいくつありますか。

  • 2 個。巡回群と非可換なもの
  • 1 個。巡回群だけ
  • 3 個
__RESULT__

で 、 です。 を で割ると 余るので が成り立ちません。したがって Sylow 部分群がどちらも正規になり、元どうしが可換で群は巡回群だけです。位数 なら を で割って 余るので、非可換なものが 1 つ増えます。

直積は 2 つの群を並べるだけ、半直積は片方がもう片方に作用する形です。判定条件の違いは 1 行、可換か、正規かの差しかありません。その 1 行の差に、 と の違いが入っています。

参考

Keith Conrad, *Semidirect Products*, University of Connecticut
Keith Conrad, *Splitting of Short Exact Sequences for Groups*, University of Connecticut
二面体群は位数 $n$ の回転と位数 2 の鏡映からできますが、直積ではありません。直積にすると可換になってしまうためです。足りないのは片方がもう片方に作用するという情報で、それを組み込んだものが半直積になります。直積の判定は、$G = HK$、共通部分が単位元だけ、2 つの部分群の元どうしが可換、の 3 つ。半直積では最後が「$H$ が正規」に弱まり、その差がちょうど作用に入ります。外部半直積を定義して群になることを逆元まで確かめ、四元数群が半直積に分かれない理由も見ました。位数 $pq$ の群が、$q$ を $p$ で割った余りだけで 1 つか 2 つに決まるところまで。