この記事は、「森田『代数概論』第Ⅱ章 例4.2を理解しよう」シリーズの第4回(最終回)となります。
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という命題の証明が『代数概論』(森田康夫 著)に載っており、その証明を読み解くことが目標でした。証明の全文は第1回の記事を参照して下さい。
ということが示されました。今回はいよいよ、第三段落を読んでいきます。
半直積の定義を再掲します。
以下、
さてこのとき、
演算についておさらいしましょう。
を満たす
とすれば、積を(
このように、積を計算する際に「ひねり」が入るのでした。この「ひねり」によって、
というのは
と同じことです。したがって、「ひねり」について知るということは、各
の3つである。
と言えます。
さらに言い換えていきます。
です。ここで、
上で得た写像
任意に
であるから、
というわけで、改めて言うと
の3つである。
となります。
与えられた群
二面体群
が成り立つ。したがって、
となる。これらのデータにより、
つまり例えば、ある群
なお、一般には半直積としての表し方は一意ではないので、データが異なるからといって同型でないとは限りません。
この節のみ、群の演算を加法的に表します。
後で必要になるので、
任意の整数
で定める。これは well-defined かつ準同型であることが確かめられる(詳細略)。また、
となるから、
任意の整数
より、
となるので、
となる。
特に、素数
それでは準備が整ったので、『代数概論』の例の第三段落を見ていきます。
第二段落までの状況をまとめると、
こんな感じでした。ここから
まずは全体を表示します。
だから、 は に内部自己同型写像で作用している。ところが であるから、 は位数 の群である。したがって、 が を割り切らないなら、 の部分群で の準同型像となり得るのは のみである。したがって、 なら は の上に自明に( として)作用し、 の元と の元は可換となる。よって、 なら は位数 のアーベル群となる。
細かく見ていきます。
だから、 は に内部自己同型写像で作用している。
先ほど述べた話です。これにより、準同型
ところが
であるから、 は位数 の群である。
これも先ほど見ましたね。
つまり準同型
したがって、
が を割り切らないなら、 の部分群で の準同型像となり得るのは のみである。
これでデータが揃いました。すなわち、
です。これらを用いて、
まず、
さらに言い換えれば、任意の
となるので、
となります。したがって、
したがって、
なら は の上に自明に( として)作用し、 の元と の元は可換となる。
よって、
なら は位数 のアーベル群となる。
となります。
以上で『代数概論』第Ⅱ章 例4.2をすべて読み終わりました!お疲れ様でした!
第一、第二段落が自然な発想で得られるということは前回までで見ましたが、第三段落も半直積の構造を調べる際のセオリーに沿って進めているに過ぎませんでした。ということで、この証明は最初から最後まで基本的な考え方に沿ったものであった、と言えるのです。
証明で使われた考え方や手法をおさらいすると、
まずシロー部分群をとる。
半直積の構造を持つかどうかを調べる。そのために。シロー部分群が正規部分群かどうかを調べる。
シロー部分群が正規部分群かどうかを調べるために、正規化群の性質やシローの定理を用いて共役な部分群の個数を絞り込む。
半直積の構造を持つことが分かったら、上で述べた3つのデータについて調べる。
といったところです。これらはいずれも、有限群の構造を調べる際の常套手段ですので、有限群に興味のある方は覚えておくと良いでしょう。なお、有限群の構造を調べる手段はこれらだけではありません(有名なのだと「類等式」とか)。奥が深いですね。
群
改めて振り替えると、今回のシリーズで一番伝えたかったのはそういうことかもしれません。上手く書けているかは分かりませんが。
何にせよ、このシリーズが少しでも誰かの学びの助けになっていれば幸いです。
ではまた。