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同态基本定理

同态基本定理(也称第一同构定理)连接了同态的核、像与商群,是群论中最核心的结构定理。

第一同构定理(同态基本定理)

φ:GH\varphi: G \to H 为群同态,则

G/kerφimφG / \ker \varphi \cong \operatorname{im} \varphi

具体地,映射 φ:G/kerφimφ\overline{\varphi}: G/\ker\varphi \to \operatorname{im}\varphiφ(gkerφ)=φ(g)\overline{\varphi}(g\ker\varphi) = \varphi(g) 是良定义的同构。

第二同构定理(子群乘积定理)

HGH \leqslant GNGN \trianglelefteq G,则:

  1. HN={hnhH,nN}GHN = \{hn \mid h \in H, n \in N\} \leqslant G
  2. HNHH \cap N \trianglelefteq H
  3. H/(HN)HN/NH / (H \cap N) \cong HN / N

第三同构定理(商群的商群)

NGN \trianglelefteq GMGM \trianglelefteq G,且 NMN \subseteq M,则:

  1. M/NG/NM/N \trianglelefteq G/N
  2. (G/N)/(M/N)G/M(G/N) / (M/N) \cong G/M

对应定理(格同构定理)

NGN \trianglelefteq G,则存在双射:

{包含 N 的子群 HNHG}{商群 G/N 的子群}\{\text{包含 }N\text{ 的子群 }H \mid N \subseteq H \leqslant G\} \longleftrightarrow \{\text{商群 }G/N\text{ 的子群}\}

HH/NH \longleftrightarrow H/N

且此对应保持包含关系、正规性、指数。

重要应用

1. 循环群的分类

由第一同构定理,任何循环群同构于 Z\mathbb{Z}Zn\mathbb{Z}_n

  • 无限循环群 Z\cong \mathbb{Z}ker={0}\ker = \{0\}
  • nn 阶循环群 Zn\cong \mathbb{Z}_nker=nZ\ker = n\mathbb{Z}

2. 线性群

  • GLn(R)/SLn(R)RGL_n(\mathbb{R}) / SL_n(\mathbb{R}) \cong \mathbb{R}^*(由行列式同态)
  • O(n)/SO(n){±1}O(n) / SO(n) \cong \{\pm 1\}

3. 对称群与交错群

Sn/An{±1}Z2S_n / A_n \cong \{\pm 1\} \cong \mathbb{Z}_2

定理之间的逻辑关系

定理核心结论
第一同构定理G/kerφimφG/\ker\varphi \cong \operatorname{im}\varphi
第二同构定理H/(HN)HN/NH/(H\cap N) \cong HN/N
第三同构定理(G/N)/(M/N)G/M(G/N)/(M/N) \cong G/M
对应定理商群的子群结构 = 包含核的子群结构