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)
设 φ:G→H 为群同态,则
G/kerφ≅imφ
具体地,映射 φ:G/kerφ→imφ,φ(gkerφ)=φ(g) 是良定义的同构。
第二同构定理(子群乘积定理)
设 H⩽G,N⊴G,则:
- HN={hn∣h∈H,n∈N}⩽G
- H∩N⊴H
- H/(H∩N)≅HN/N
第三同构定理(商群的商群)
设 N⊴G,M⊴G,且 N⊆M,则:
- M/N⊴G/N
- (G/N)/(M/N)≅G/M
对应定理(格同构定理)
设 N⊴G,则存在双射:
{包含 N 的子群 H∣N⊆H⩽G}⟷{商群 G/N 的子群}
H⟷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 或 Zn:
- 无限循环群 ≅Z(ker={0})
- n 阶循环群 ≅Zn(ker=nZ)
2. 线性群
- GLn(R)/SLn(R)≅R∗(由行列式同态)
- O(n)/SO(n)≅{±1}
3. 对称群与交错群
Sn/An≅{±1}≅Z2
定理之间的逻辑关系
| 定理 | 核心结论 |
|---|
| 第一同构定理 | G/kerφ≅imφ |
| 第二同构定理 | H/(H∩N)≅HN/N |
| 第三同构定理 | (G/N)/(M/N)≅G/M |
| 对应定理 | 商群的子群结构 = 包含核的子群结构 |