正規部分群と群から,剰余類を集めた集合が群になります.これを商群と呼びます.とても大事な群です.
群 と,その正規部分群 を考えます. の, における剰余類を全て集めた集合 (つまり の元のひとつひとつは の剰余類)において,二つの剰余類の間に,次のような二項演算を定義します.
この演算が確かに一意的だという証明に, が正規部分群だという点が効いてきます. に属する任意の元 と, に属する任意の元 の間には,次の演算が成り立つことが示せるでしょう.途中で,積の順番を自由に入れ替えているのは, が正規部分群だからです.
ここで,定義より ですから,これに を掛けた も の元です( は部分群なので,演算について閉じているはずだからです).従って,全体で は に属していると言えます.確かに, 式の二項演算が定義されることが分かりました.
群 の一つの正規部分群を とします.このとき, の に対する商集合(つまり, による剰余類全体の作る集合.商集合については, 完全代表系と商集合 を復習して下さい.)を 商群 ,もしくは 因子群 , 剰余群 などと呼びます.記号は商集合と同じで のように書きます.
一般の商集合は群にはなりませんが, が正規部分群ならば が群になるという点が大事です.前節で示したのは, の元同士の演算が閉じている,ということだったのです.単位元( )や,逆元( に対して )もありますから,確かに は群です.
[*] | 商群の単位元は だという点に注意してください. |
[†] | 商群の各元は のような形をしています. 準同型写像 を勉強すると『群から群の写像 で,元が のように移される』というような表現がたくさん出てきます.元の形には は関係ありません.混乱しないためにも,ここできっちり商群に慣れておきましょう. |
有限群 の商群 は, の剰余類の集合です. の元の個数より剰余類の種類が多いことは無いので,位数について明らかに次の関係が成り立ちます.
さらに, ラグランジェの定理 より次の関係も言えるでしょう.
商群の位数は,常に群の位数の約数になっているということです.商群という名前は,式 があたかも割り算のように見えることから来ているのでしょう.
練習問題として整数の加群 を考えてみます. に対し,ある整数 を選びます. は, 倍数全体を表わす群で, の部分群になります.
いま, は の剰余で類別できます.剰余類は のように表わします.例えば とあるのは『 で割ったときに余りが3になる数の集合』という意味です.
商群は,この剰余類を元とする集合 ですから,商群の元の間になりたつ演算を考えるには,これら剰余類同士の合成(この場合は加法)を考えれば良いことになります.
例えば, の剰余類を考えているとき, と を足すと, となります.一般に,剰余類同士の加法には,次の関係がなりたつことが言えそうです.
この演算規則は, 次の巡回群に成り立つものと全く同じものです( 有限巡回群 参照).よって, Zの商群はn次の有限巡回群に同型である と言えるのです.