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部分空間でつぶしてから見る〜商空間と準同型定理

を 軸で割ると、残るのは高さだけである。 と は同じものと見なされ、 という 1 本の横線に化ける[1]。

横線の全体が新しい空間になる。線どうしを足す規則を入れれば、それがまたベクトル空間になっている。

つぶす方向を部分空間で指定し、残りを空間として扱う。これが商空間である。

剰余類は部分空間の平行移動

をベクトル空間、 をその部分空間とする。 に対して、次の集合を剰余類と呼ぶ[1]。

を だけずらしたもの。 自身は原点を通るが、 は を通る。 なら部分空間にならない。

が 軸なら、 は の高さにある横線である。高さが同じ は、どれも同じ剰余類を作る。

同値関係になる

のとき と書く。これは同値関係である[1]。

反射律は 。対称律は なら 。推移律は 。

どれも部分空間が和とスカラー倍で閉じていることから出る。 の同値類がちょうど になる。

同値関係なので、2 つの剰余類は完全に一致するか、まったく交わらないかのどちらかである[1]。 全体が剰余類たちに分割される。

とくに となるのは のときだけ。 自身が、新しい空間での零ベクトルの役をする。

演算を入れる

剰余類全体の集合を と書き、和とスカラー倍を代表元で定める[1]。

ここで確かめることがある。代表元の選び方によらないか、という点である。同じ剰余類は無数の で書けるので、どれを使っても答えが同じでなければならない。

かつ とする。定義から 、 である。

が和で閉じているので、差が に入る。よって で、和は代表元によらない。

スカラー倍も同じ形になる。 はスカラー倍で閉じていることから出る。

この 2 つが通るので、 はベクトル空間になる。零元は 自身、 の逆元は である。

次元の公式

有限次元なら、次元は引き算で出る[2,3]。

証明は基底の延長による[2]。 の基底 をとり、 の基底 へ延長する。

このとき が の基底になると主張する。本数は である。

張ることは簡単である。 と書いて剰余類に移すと、 なので の項が全部消える。

一次独立も見る。 とすると で、これを たちの一次結合として書ける。

移項すると の基底についての一次関係になる。基底なので係数は全部 、とくに である[2]。

例:直線で割る

、 を 軸とする。剰余類 は高さ の横線で、 は結果に効かない[1]。

高さと剰余類が 1 対 1 に対応するので、 は と同型になる。次元は で合う。

、 を 平面にとると、剰余類は高さ の水平面である。 で、次元は 。

つぶした方向のぶんだけ次元が落ちる、という読み方ができる。

自然な射影

から への写像を、剰余類をとる操作で定める。

線形で全射である。核を計算すると、 となる の全体、つまり そのもの。

の元をちょうど零へ落とす写像になっている。「つぶす」という言い方が、この核に対応する。

補空間をとる

の を選ぶ。選び方は 1 通りでなく、どれを選ぶかで座標が変わる

商をとる

を作る。選ぶものがなく、 だけで決まる

補空間 は と同型になるが、その同型は の選び方に依存する。商のほうは選択なしで定まる[3]。

準同型定理

線形写像 に対して、次が成り立つ[2]。

対応は で与える。まず代表元によらないことを見る。

なら なので、。定まっている[2]。

線形性は の線形性から直ちに出る。全射なのは の元がすべて の形だからである。

単射も短い。 なら で、 は零元。

次元をとれば次元定理になる。 で、階数と退化次数の関係そのものである[2]。

例:具体的な写像で確かめる

を とする。

核は かつ を満たす点で、 という直線である。次元は 。

像は 全体になる。 に対して だからである。

次元も で合う。もとの から、核の方向 1 つぶんが消えている。

例:多項式の空間で割る

実係数多項式の空間 から への写像を とする。定数項をとり出す操作である。

核は を満たす多項式、つまり で割り切れるもの全体。像は 全体である。

になる。 の倍数の違いを無視すると、残るのは定数項だけ。

写像 をとる

核で割ってつぶす

残ったものが像と同型

商が便利なところ

商空間は、要らない自由度を落とす道具として使う。補空間を選ばずに済むのが利点である[3]。

同じことを補空間でやろうとすると、まず を 1 つ選ぶ必要がある。選び方は無数にあり、結果の見え方が変わる。

商なら を決めた時点で空間が決まる。あとから別の人が同じ構成をしても、同じものができる。

剰余類 は の部分集合であって、 の点ではない。

の元は集合である。それを 1 つの点として扱う、という切り替えがこの構成の要になっている。

、 のとき、 はいくらですか。

__RESULT__

です。 の基底を の基底へ延長したとき、足した 本が作る剰余類が商空間の基底になります。

代表元の話も確かめる。

で和を と定めるとき、何を確かめる必要がありますか。

  • が有限次元であること
  • 代表元の選び方によらないこと
  • と が直交すること
__RESULT__

のときも同じ答えになるかを見ます。差 が に入るので通りますが、 が部分空間でないとこの議論が崩れます。

補足

商の構成は線形代数だけのものではない。群を正規部分群で割る、環をイデアルで割る、いずれも同じ形をしている。

共通しているのは、割る対象が「零に落としてよい部分」だという点である。線形空間では部分空間、群では正規部分群、環ではイデアルがその役をになう。

位相の商もある。円周を として作るのがその例で、整数だけずれた点を同一視している。

つぶす方向を部分空間で指定し、残りを空間として扱う。その残りの正体を言い当てるのが準同型定理である。

参考文献

Christopher Heil. *Quotient Spaces*. Functional Analysis Lecture Notes, Georgia Institute of Technology.
Dan Collins. *Isomorphism Theorems*. Math 4310 Handout, Cornell University.
Andreas Gathmann. *Quotientenräume und Dimensionsformeln*. Grundlagen der Mathematik, RPTU Kaiserslautern.
$\mathbb{R}^2$ を $x$ 軸で割ると、$(3, 2)$ も $(-5, 2)$ も同じ横線に化けます。残るのは高さだけ。横線の全体に和とスカラー倍を入れたものが商空間で、$W$ 自身が零ベクトルの役をする。演算を代表元で定めるので、選び方によらないことを先に確かめます。差が $W$ に入る、というそれだけの計算。$W$ の基底を延長すると $\dim(V/W) = \dim V - \dim W$ が出て、$V/\ker f \cong \operatorname{Im} f$ の次元をとれば次元定理そのものになる。補空間なら選ぶ必要があるものを、商は選ばずに済ませます。