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§1.4 群同态基本定理

学习目标

  1. 理解群同态的定义和基本性质,认识同态如何"保持群结构"。
  2. 掌握核(kernel)和像(image)的概念,理解"核是正规子群"和"单射判据"。
  3. 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。
  4. 了解第二、第三同构定理的陈述和应用场景。
  5. 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

§1.2§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:

  1. 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。
  2. 简化群:同态的核告诉我们哪些元素被"压缩"到单位元——商群 G/kerφ 就是简化后的群。
  3. 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

定义 群同态

(G,)(H,) 为群。映射 φ:GH 称为群同态,如果对所有 a,bG

φ(ab)=φ(a)φ(b)

φ 还是双射,则称 φ群同构,记为 GH

定义 群同构

若群同态 φ:GH 还是双射,则称 φ群同构(group isomorphism),记为 GH 。若存在群同构 GH ,则称 GH同构

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 Grp 中的态射。同构是范畴等价—— GH 意味着 GH 作为群没有本质区别。

同态的典型例子
  1. 符号同态sgn:Sn{1,1}Z/2Z 。偶置换映到 1 ,奇置换映到 1 。验证: sgn(στ)=sgn(σ)sgn(τ)ker(sgn)=An (交错群)。由第一同构定理, Sn/AnZ/2Z

  2. 行列式det:GLn(R)Rdet(AB)=det(A)det(B)ker(det)=SLn(R) (特殊线性群)。由第一同构定理, GLn(R)/SLn(R)R

  3. 幂同态φ:ZZ/nZkk 。这是自然投射, kerφ=nZ 。由第一同构定理, Z/nZZ/nZ (平凡但重要!)。更一般地, Z 的每个商群都同构于某个 Z/nZZ 本身。

  4. 交换化映射ab:GG/[G,G]gg[G,G][G,G]G 的换位子群。 G/[G,G]G 的最大交换商群(abelianization)。 Sn 的换位子群 [Sn,Sn]=Ann5 ),所以 SnabZ/2Z

  5. 嵌入ι:HGHG )。包含映射总是单同态, kerι={e}

  6. 平凡同态φ:GHφ(g)=eH 对所有 gkerφ=Gimφ={eH}

同态的基本性质

引理 同态的基本性质

φ:GH 为群同态。则:

  1. φ(eG)=eH
  2. φ(a1)=φ(a)1
  3. aG 的阶为 n< ,则 |φ(a)| 整除 n
  4. KG ,则 φ(K)H
  5. LH ,则 φ1(L)G
证明

(1)φ(eG)=φ(eGeG)=φ(eG)φ(eG) 。由 [引理]H 中的消去律), φ(eG)=eH

(2)φ(a)φ(a1)=φ(aa1)=φ(eG)=eH 。由 [引理]φ(a1)=φ(a)1

(3)φ(a)n=φ(an)=φ(eG)=eH 。由 [引理](1), |φ(a)|n

(4)φ(a),φ(b)φ(K)φ(a)φ(b)1=φ(ab1)φ(K) (因 ab1K )。由 [引理](2), φ(K)H

(5)a,bφ1(L)φ(ab1)=φ(a)φ(b)1L (因 φ(a),φ(b)L )。故 ab1φ1(L)

误区:"同态是满射"

不一定! 同态不一定满射。例如包含映射 ι:ZQ (加法群)是同态但不是满射。 imι=ZQ

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 G/kerφH (而不是 imφ )。

性质 (3) 的精确化

注意 [引理](3) 说 |φ(a)|整除|a| ,而不是等于。例如 φ:Z/6ZZ/3Zφ(k)=k2Z/6Z 的阶是 3,但 φ(2)=2Z/3Z 的阶也是 3(整除关系中恰好相等)。 3Z/6Z 的阶是 2,但 φ(3)=0 的阶是 1(严格整除)。

核与像

定义 核与像

φ:GH 为群同态。

  1. φkerφ={gG:φ(g)=eH}
  2. φimφ=φ(G)={φ(g):gG}
核与像的计算
  1. sgn:Sn{±1}ker(sgn)=Anim(sgn)={±1}n2 )。

  2. det:GL2(R)Rker(det)=SL2(R)im(det)=Rdet 是满射)。

  3. φ:ZZ/5Znnkerφ=5Zimφ=Z/5Z (满射)。

  4. φ:S3S3σ(123)σ(123)1 (共轭作用)。这是一个自同构(内自同构)。 kerφ={e}imφ=S3

  5. φ:ZZn2nkerφ={0}imφ=2Z (不是满射—— 12Z )。

命题 核是正规子群

φ:GH 为群同态。则 kerφG

证明

[引理](5), kerφ=φ1({eH})G

正规性:对 kkerφgG

φ(gkg1)=φ(g)φ(k)φ(g)1=φ(g)eHφ(g)1=eH

gkg1kerφ 。由 [引理](2), kerφG

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 NG 都是某个同态的核——自然投射 π:GG/N 的核就是 N

因此:正规子群 = 同态的核。这是群论中一个深刻的基本对应。

引理 单射判据

群同态 φ:GH 是单射当且仅当 kerφ={eG}

证明

( ) 若 φ 单射, φ(k)=eH=φ(eG) 推出 k=eG

( ) 若 φ(a)=φ(b) ,则 φ(ab1)=φ(a)φ(b)1=eH ,故 ab1kerφ={eG} ,即 a=b

单射判据的实用价值

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 ι:HG 是单射,只需观察 kerι={e} (显然)。

域论 中,域同态 φ:KL 总是单射,因为 kerφK 的理想,而域的理想只有 (0)K 本身(如果 φ0 ,则 kerφ=(0) )。

群同态基本定理

定理 群同态基本定理(第一同构定理)

φ:GH 为群同态。则

G/kerφimφ

具体地,映射 φ:G/kerφimφφ(gkerφ)=φ(g) 是良定义的群同构。

证明

K=kerφ

良定义性:设 gK=gK ,即 g1gK 。则 φ(g1g)=eH ,即 φ(g)1φ(g)=eH ,故 φ(g)=φ(g) 。✓

同态性φ(gKgK)=φ(ggK)=φ(gg)=φ(g)φ(g)=φ(gK)φ(gK) 。✓

满射:对 himφ ,存在 gG 使 φ(g)=h ,故 φ(gK)=h 。✓

单射:若 φ(gK)=eH ,则 φ(g)=eHgKgK=KG/K 的单位元)。由 [引理](应用于 φ ), φ 单射。✓

应用第一同构定理

例 1.sgn:Sn{±1}ker(sgn)=An 。由第一同构定理, Sn/An{±1}Z/2Z 。所以 [Sn:An]=2|An|=n!/2

例 2.φ:ZZ/nZkerφ=nZ 。由第一同构定理, Z/nZZ/nZ (验证了自然投射的正确性)。更深刻的应用: Z每个商群都同构于某个 Z/nZn0 )。

例 3. 计算 (Z/12Z) (模 12 的单位群)。 φ:Z/12ZZ/2Z×Z/2Z (通过 CRT)。 kerφ={0}(Z/12Z)Z/2Z×Z/2Z (Klein 四元群)。这不是第一同构定理的直接应用,但展示了同态如何简化群的结构分析。

例 4.φ:Z/6ZS3φ(1)=(123) 。则 φ(k)=(123)kimφ=(123)Z/3Zkerφ={0,3}=2Z/6ZZ/2Z 。由第一同构定理, (Z/6Z)/(2Z/6Z)Z/3Z

直觉 这个定理为什么重要?

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 φ:GH ,核 kerφ 精确地度量了损失了多少信息。
  • 商群 G/kerφ "压缩掉"被 φ 破坏的结构,剩余部分和 imφ 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

定理 第二同构定理(钻石同构定理)

HGNG 。则 HN={hn:hH,nN}GHNH ,且

H/(HN)HN/N
证明

HNG:对 h1n1,h2n2HN(h1n1)(h2n2)1=h1n1n21h21 。由 N 正规, h21N=Nh21 ,故 n1n21h21=h21n 对某 nN 。故原式 =h1h21nHN 。由 [引理](2), HNG

HNH:对 hHkHNhkh1H (因 h,kH )且 hkh1N (因 NG )。故 hkh1HN

同构:定义 φ:HHN/Nφ(h)=hNφ 是同态( φ(h1h2)=h1h2N=(h1N)(h2N) )。 φ 满射( HN 中元素为 hnhnN=hN=φ(h) )。 kerφ={hH:hN=N}={hH:hN}=HN 。由 [定理]H/(HN)HN/N

第二同构定理的应用

S4 中,设 H=(1234)Z/4ZN=V4={e,(12)(34),(13)(24),(14)(23)} (Klein 四元群, NS4 )。

  • HN={e,(13)(24)}=(13)(24)Z/2Z
  • HN|H||N|/|HN|=44/2=8 个元素, HND4 (二面体群)。
  • 由第二同构定理, H/(HN)HN/NH/(HN)Z/4Z/(Z/2Z)Z/2Z
  • 所以 HN/NZ/2Z|HN/N|=2
定理 第三同构定理

NGKGNK 。则 K/NG/N ,且

(G/N)/(K/N)G/K
证明

定义 φ:G/NG/Kφ(gN)=gK 。这是良定义的( gN=gNg1gNKgK=gK ),是满同态, kerφ={gN:gK}=K/N 。由 [定理](G/N)/(K/N)G/K

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 N ,再"压缩"掉 K/N (其中 NK ),最终效果等价于一步压缩掉 K

这个定理在 Galois 理论中的应用:如果 KLM 是域扩张塔, Gal(M/L)Gal(M/K) ,则 Gal(L/K)Gal(M/K)/Gal(M/L)

第三同构定理的应用

G=ZN=12ZK=4Z 。则 NKK/N=4Z/12ZZ/3Z

由第三同构定理: (Z/12Z)/(4Z/12Z)Z/4Z

验证: Z/12Z={0,1,,11}4Z/12Z={0,4,8} 。商群有 4 个陪集: {0,4,8},{1,5,9},{2,6,10},{3,7,11} ,确实同构于 Z/4Z

对应定理

定理 子群对应定理

NGπ:GG/N 为自然投射。则映射

HH/N

建立了 {HG:NH}{HG/N} 之间的一一对应。此对应保持包含关系、正规性,且指数 [G:H]=[G/N:H/N]

证明

π 诱导的子群对应(子群的原像和像互为逆映射)是标准的集合论事实。保持包含关系由原像/像的单调性得到。保持正规性: HG 当且仅当 gHg1=H 对所有 g ,这等价于 (gN)(H/N)(gN)1=H/N 对所有 gN 。指数: [G:H]GH 的陪集数,等于 G/NH/N 的陪集数 [G/N:H/N]

对应定理的具体应用

例 1.G=S4N=V4 (Klein 四元群)。 S4/V4S3|S4|/|V4|=24/4=6=|S3| )。 S4 中包含 V4 的子群对应 S3 的子群。 S3 有 6 个子群( {e} ,三个 2 阶子群,一个 3 阶子群, S3 自身),所以 S4 有 6 个包含 V4 的子群。

例 2.G=ZN=6ZZ/6Z 的子群: {0}2={0,2,4}3={0,3}Z/6Z 。对应 Z 中包含 6Z 的子群: 6Z2Z3ZZ

例 3. 在 Galois 理论中:设 L/K 是 Galois 扩张, N=Gal(L/L)={e} 。则对应定理给出了 Gal(L/K)所有子群与 L/K所有中间域之间的一一对应。这就是 §8 Galois 对应 的核心内容。

对应定理是 Galois 对应的直接原型。在 §8 Galois 对应 中, G=Gal(L/K)N=Gal(L/L) = {e} 时,子群对应恰好给出中间域与子群之间的反序一一对应。更一般地,无穷 Galois 理论中的 Krull 拓扑 ([定义]) 将这个对应推广到无穷 Galois 群。

常见误区

误区一:"同态基本定理要求 φ 满射"

不需要! 第一同构定理对任何同态都成立。如果 φ 不满射,定理给出 G/kerφimφ (而不是 H )。只有当 φ 是满同态时,才有 G/kerφH

误区二:" HN 是直积"

不一定!HN={hn:hH,nN} 不一定同构于 H×NHNH×N 当且仅当 HN={e}H,N 都是正规的。一般情况下 |HN|=|H||N|/|HN|

误区三:"第三同构定理中 N 必须是 K 的正规子群"

NG 的正规子群( NG ), K 也是 G 的正规子群( KG ),并且 NK 。条件是关于 G 的正规性,不是关于 K 的。但由 NG 可以推出 NK

误区四:"对应定理说 G 的所有子群与 G/N 的所有子群一一对应"

不对! 只有 G包含 N 的子群才与 G/N 的子群一一对应。不包含 N 的子群不出现在对应中。

例如 G=S3N=A3S3 中包含 A3 的子群只有 A3S3 自身。 S3/A3Z/2Z 只有两个子群( {0}Z/2Z ),一一对应。但 S3 的其他子群(三个 2 阶子群 (12) 等)不包含 A3 ,不出现在对应中。

自测问题

习题 自测
  1. 核的计算:计算以下同态的核和像:

    • (a) φ:Z/8ZZ/4Zφ(n)=n
    • (b) φ:S4S3 (通过 S4/V4S3 的复合)
    • (c) φ:D4Z/2Zφ(risj)=jr 为旋转, s 为反射)
  2. 第一同构定理的应用:设 φ:GH 是满同态, |G|=60|H|=12kerφ 的阶是多少? G/kerφ 同构于什么?

  3. 第二同构定理:在 S3 中,设 H=(12)N=A3HN 是什么? HN 是什么? H/(HN)HN/N 同构于什么?

  4. 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
  1. (a) kerφ={0,4}=4Z/2Zimφ=Z/4Z (满射)。验证: (Z/8Z)/4Z/4Z 。(b) ker=V4im=S3 。(c) ker=rZ/4Zim=Z/2Z

  2. |kerφ|=|G|/|H|=60/12=5G/kerφH (由第一同构定理,因为 φ 满射)。

  3. HN={e}H={e,(12)}A3={e,(123),(132)} ,只有 e 在两个集合中)。 HN=S3|HN|=23/1=6 )。 H/{e}HZ/2ZHN/N=S3/A3Z/2Z 。✓

  4. 域同态 φ:KL 的核 kerφK 的理想(因为 φ 是环同态)。但域 K 的理想只有 (0)K 本身。如果 φ0 (即 φ(1)=10 ),则 kerφ=(0)φ 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G/kerφ 是商群
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

  1. 群同态的核总是正规子群;单射等价于核平凡。
  2. 群同态基本定理G/kerφimφ ——这是同态理论的核心。
  3. 第二同构定理: H/(HN)HN/N ,描述子群和正规子群的"交与积"。
  4. 第三同构定理: (G/N)/(K/N)G/K ,商群的商群仍是商群。
  5. 子群对应定理: G 中包含 N 的子群与 G/N 的子群一一对应——这是 Galois 对应的原型。

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