§1.4 群同态基本定理
学习目标
- 理解群同态的定义和基本性质,认识同态如何"保持群结构"。
- 掌握核(kernel)和像(image)的概念,理解"核是正规子群"和"单射判据"。
- 掌握第一同构定理(群同态基本定理),能熟练应用于具体群的同态。
- 了解第二、第三同构定理的陈述和应用场景。
- 理解子群对应定理,认识它作为 Galois 对应原型的意义。
为什么要研究同态?
动机
在 §1.2 和 §1.3 中,我们研究了群的"内部结构"——子群、正规子群、商群。现在我们转向"群之间的关系"——同态。
同态是"保持群运算的映射"。 它们的重要性在于:
- 比较群的结构:两个群是否有"相同的结构"?通过同态(特别是同构),我们可以精确地回答这个问题。
- 简化群:同态的核告诉我们哪些元素被"压缩"到单位元——商群
就是简化后的群。 - Galois 理论的基础:域扩张的 Galois 群本身就是自同构的集合,而同态定理是分析这些群的基本工具。
群同态
设
若
若群同态
同态是保持群运算的映射。在范畴论语言中,群同态是群范畴
符号同态
。偶置换映到 ,奇置换映到 。验证: 。 (交错群)。由第一同构定理, 。行列式
。 。 (特殊线性群)。由第一同构定理, 。幂同态
, 。这是自然投射, 。由第一同构定理, (平凡但重要!)。更一般地, 的每个商群都同构于某个 或 本身。交换化映射
, 。 是 的换位子群。 是 的最大交换商群(abelianization)。 的换位子群 ( ),所以 。嵌入
( )。包含映射总是单同态, 。平凡同态
, 对所有 。 , 。
同态的基本性质
设
。 。- 若
的阶为 ,则 整除 。 - 若
,则 。 - 若
,则 。
误区:"同态是满射"
不一定! 同态不一定满射。例如包含映射
满同态(epimorphism)是满射的同态。只有满同态的第一同构定理形式才是
注意 [引理](3) 说
核与像
设
的核 。 的像 。
: , ( )。 : , ( 是满射)。 , : , (满射)。 , (共轭作用)。这是一个自同构(内自同构)。 , 。 , 。 , (不是满射—— )。
设
核是正规子群——这意味着什么?
这个结论比表面看起来更有力量:它给了我们构造正规子群的系统方法。
反过来,§1.3 告诉我们每个正规子群
因此:正规子群 = 同态的核。这是群论中一个深刻的基本对应。
群同态
单射判据是验证同态是否为单射的最方便方法:只需计算核。例如,要验证包含映射
在 域论 中,域同态
群同态基本定理
设
具体地,映射
例 1.
例 2.
例 3. 计算
例 4. 设
这个定理是整个 Galois 理论的原型模式:同态的像同构于定义域模去核。
具体地:
- 每当我们有一个"信息损失"的映射
,核 精确地度量了损失了多少信息。 - 商群
"压缩掉"被 破坏的结构,剩余部分和 完全相同。
在域论中,域同态总是单射(因为域没有非平凡理想),所以群同态基本定理将在 环同态基本定理 中找到更精确的类比,而 Galois 对应本身就是将群论同态基本定理反复应用于域的自同构群。
第二和第三同构定理
设
在
。 有 个元素, (二面体群)。- 由第二同构定理,
。 。 - 所以
, 。
设
第三同构定理的直觉
第三同构定理说:商群的商群还是商群。如果你先"压缩"掉
这个定理在 Galois 理论中的应用:如果
设
由第三同构定理:
验证:
对应定理
设
建立了
例 1.
例 2.
例 3. 在 Galois 理论中:设
对应定理是 Galois 对应的直接原型。在 §8 Galois 对应 中,
常见误区
误区一:"同态基本定理要求
不需要! 第一同构定理对任何同态都成立。如果
误区二:"
不一定!
误区三:"第三同构定理中
误区四:"对应定理说
不对! 只有
例如
自测问题
核的计算:计算以下同态的核和像:
- (a)
, - (b)
(通过 的复合) - (c)
, ( 为旋转, 为反射)
- (a)
第一同构定理的应用:设
是满同态, , 。 的阶是多少? 同构于什么?第二同构定理:在
中,设 , 。 是什么? 是什么? 同构于什么?概念辨析:为什么域同态总是单射?用核和理想的语言解释。
答案
(a)
, (满射)。验证: 。(b) , 。(c) , 。 。 (由第一同构定理,因为 满射)。 ( , ,只有 在两个集合中)。 ( )。 , 。✓域同态
的核 是 的理想(因为 是环同态)。但域 的理想只有 和 本身。如果 (即 ),则 , 单射。
交叉引用
| 本节概念 | 关联章节 | 关联内容 |
|---|---|---|
| 同态的核 | §1.3 正规子群 | 正规子群 = 同态的核 |
| 商群 | §1.3 商群 | |
| 第一同构定理 | §2.2 理想 | 环同态基本定理 |
| 对应定理 | §8.1 基本定理 | Galois 对应 |
| 域同态的单射性 | §3.1 域的定义 | 域没有非平凡理想 |
| 交换化 | §9.1 可解群 | 可解群的交换化序列 |
本节要点
- 群同态的核总是正规子群;单射等价于核平凡。
- 群同态基本定理:
——这是同态理论的核心。 - 第二同构定理:
,描述子群和正规子群的"交与积"。 - 第三同构定理:
,商群的商群仍是商群。 - 子群对应定理:
中包含 的子群与 的子群一一对应——这是 Galois 对应的原型。
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