Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

Samankaltaiset tiedostot
jonka laskutoimitus on matriisien kertolasku. Vastaavasti saadaan K-kertoiminen erityinen lineaarinen ryhmä

ALGEBRA KEVÄT 2013 JOUNI PARKKONEN

[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko

kaikille a R. 1 (R, +) on kommutatiivinen ryhmä, 2 a(b + c) = ab + ac ja (b + c)a = ba + ca kaikilla a, b, c R, ja

{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja

Esko Turunen MAT Algebra1(s)

MAT Algebra 1(s)

renkaissa. 0 R x + x =(0 R +1 R )x =1 R x = x

MAT Algebra I (s) periodeilla IV ja V/2009. Esko Turunen

H = H(12) = {id, (12)},

MAT Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen

Algebra 1. Jouni Parkkonen Luentoja Jyväskylän yliopistossa talvella 2019

ALGEBRA KEVÄT 2011 JOUNI PARKKONEN

(xa) = (x) (a) = (x)0 = 0

(x + I) + (y + I) = (x + y)+i. (x + I)(y + I) =xy + I. kaikille x, y R.

6. Tekijäryhmät ja aliryhmät

Algebra kl Tapani Kuusalo

H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.

ja jäännösluokkien joukkoa

Ideaalit ja tekijärenkaat Ryhmähomomorfismin φ : G G ydin on ryhmän G normaali aliryhmä. Esko Turunen Luku 7. Ideaalit ja tekijärenkaat

802355A Algebralliset rakenteet Luentorunko Syksy Markku Niemenmaa Kari Myllylä Topi Törmä Marko Leinonen

{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

Algebra I, harjoitus 5,

Algebra 1, harjoitus 9, h = xkx 1 xhx 1. a) Käytetään molemmissa tapauksissa isomorfialausetta. Tarkastellaan kuvauksia

a b 1 c b n c n

Kvasiryhmistä ja niiden sovelluksista

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Algebra II. Syksy 2004 Pentti Haukkanen

Bijektio. Voidaan päätellä, että kuvaus on bijektio, jos ja vain jos maalin jokaiselle alkiolle kuvautuu tasan yksi lähdön alkio.

g : R R, g(a) = g i a i. Alkio g(a) R on polynomin arvo pisteessä a. Jos g(a) = 0, niin a on polynomin g(x) nollakohta.

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

Kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen

Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Eräitä ratkeavuustarkasteluja

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /310

k=1 b kx k K-kertoimisia polynomeja, P (X)+Q(X) = (a k + b k )X k n+m a i b j X k. i+j=k k=0

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

Algebra I, harjoitus 8,

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

Liite 2. Ryhmien ja kuntien perusteet

Jäännösluokat. Alkupala Aiemmin on tullut sana jäännösluokka vastaan. Tarkastellaan

Algebra I, Harjoitus 6, , Ratkaisut

802354A Lukuteoria ja ryhmät Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä, Antti Torvikoski, Topi Törmä

(ψ + ζ)φ(a) = ψφ(a) + ζφ(a) = (ψφ + ζφ)(a), φ(ψ + ζ)(a) = φ(ψ(a) + ζ(a)) = φψ(a) + φζ(a) = (φψ + φζ)(a).

koska 2 toteuttaa rationaalikertoimisen yhtälön x 2 2 = 0. Laajennuskunnan

Laitos/Institution Department Matematiikan ja tilastotieteen laitos. Aika/Datum Month and year Huhtikuu 2014

802355A Renkaat, kunnat ja polynomit Luentorunko Syksy 2013

802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä

R : renkaan R kääntyvien alkioiden joukko; R kertolaskulla varustettuna on

Ryhmäteoriaa. 2. Ryhmän toiminta

Luonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen

rm + sn = d. Siispä Proposition 9.5(4) nojalla e d.

802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 (7 sivua)

Fermat n pieni lause. Heikki Pitkänen. Matematiikan kandidaatintutkielma

Dihedraalinen ryhmä Pro gradu Elisa Sonntag Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2013

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita

Abstraktin algebran rakenteista sekä näiden välisistä morfismeista

Algebra I. Jokke Häsä ja Johanna Rämö. Matematiikan ja tilastotieteen laitos Helsingin yliopisto

(a, 0) + (c, 0) = (a + c, 0)

on Abelin ryhmä kertolaskun suhteen. Tämän joukon alkioiden lukumäärää merkitään

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

Algebran perusteet. 44 ϕ(105) = (105). Näin ollen

Äärellisesti generoitujen Abelin ryhmien peruslause

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

Lineaariset ryhmät Pro gradu -tutkielma Miia Lillstrang Matematiikan yksikkö Oulun yliopisto 2016

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Johdanto 2. 2 Osamääräkunnan muodostaminen 7. 3 Osamääräkunnan isomorfismit 16. Lähdeluettelo 20

Syklinen ryhmä Pro Gradu -tutkielma Taava Kuha Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2016

Mitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty! < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + a = kaikilla kokonaisluvuilla a.

Kuvausten hajottaminen

3 Ryhmäteorian peruskäsitteet ja pienet ryhmät, C 2

3. Kongruenssit. 3.1 Jakojäännös ja kongruenssi

Salausmenetelmät LUKUTEORIAA JA ALGORITMEJA. Veikko Keränen, Jouko Teeriaho (RAMK, 2006) 3. Kongruenssit. à 3.4 Kongruenssien laskusääntöjä

a 2 ba = a a + ( b) a = (a + ( b))a = (a b)a, joten yhtälö pätee mielivaltaiselle renkaalle.

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto

Hänessä kaikki viisauden ja tiedon aarteet ovat kätkettyinä. Vrt. Paavalin kirje kolossalaisille 2:2-3.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 6 (8 sivua) OT. 1. a) Määritä seuraavat summat:

Salausmenetelmät. Veikko Keränen, Jouko Teeriaho (RAMK, 2006)

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) OT

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

1 Algebralliset perusteet

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

a ord 13 (a)

Luupit Pro gradu Anni Keränen Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2014

sitä vastaava Cliffordin algebran kannan alkio. Merkitään I = e 1 e 2 e n

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

Esimerkki A1. Jaetaan ryhmä G = Z 17 H = 4 = {1, 4, 4 2 = 16 = 1, 4 3 = 4 = 13, 4 4 = 16 = 1}.

JOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 3, MALLIRATKAISUT

4. Ryhmien sisäinen rakenne

Insinöörimatematiikka D

ei ole muita välikuntia.

Avaruuden R n aliavaruus

2017 = = = = = = 26 1

KOMBINATORIIKKA JOUKOT JA RELAATIOT

Transkriptio:

3. Ryhmät Monoidia rikkaampi algebrallinen struktuuri on ryhmä: Määritelmä (3.1) Olkoon joukon G laskutoimitus. Joukko G varustettuna tällä laskutoimituksella on ryhmä, jos laskutoimitus on assosiatiivinen, joukossa G on neutraalialkio, ja jokaisella g G on käänteisalkio.

Esimerkki (3.2) (a) Aikaisemmista esimerkeistämme ryhmiä ovat (ainakin) (Z, +), (Q, +),(Q, ) ja (Z p, +). Tässä Z p on kongruenssia (modulo p) a b b = a + kp jollain k Z, b a on jaollinen luvulla p vastaava tekijäjoukko, ja + on yhteenlaskua vastaava tekijälaskutoimitus. Osoitamme (Z p, +):n ryhmäksi:

Esimerkki (3.2) (a) Aikaisemmista esimerkeistämme ryhmiä ovat (ainakin) (Z, +), (Q, +),(Q, ) ja (Z p, +). Tässä Z p on kongruenssia (modulo p) a b b = a + kp jollain k Z, b a on jaollinen luvulla p vastaava tekijäjoukko, ja + on yhteenlaskua vastaava tekijälaskutoimitus. Osoitamme (Z p, +):n ryhmäksi: Laskutoimitus + on Proposition 2.1 ja Lemman 1.12 mukaan assosiatiivinen.

Esimerkki (3.2) (a) Aikaisemmista esimerkeistämme ryhmiä ovat (ainakin) (Z, +), (Q, +),(Q, ) ja (Z p, +). Tässä Z p on kongruenssia (modulo p) a b b = a + kp jollain k Z, b a on jaollinen luvulla p vastaava tekijäjoukko, ja + on yhteenlaskua vastaava tekijälaskutoimitus. Osoitamme (Z p, +):n ryhmäksi: Laskutoimitus + on Proposition 2.1 ja Lemman 1.12 mukaan assosiatiivinen. Alkio [0] on neutraalialkio, koska luonnollinen kuvaus on surjektiivinen homomorfismi, katso Esimerkki 1.14(1).

Esimerkki (3.2) (a) Aikaisemmista esimerkeistämme ryhmiä ovat (ainakin) (Z, +), (Q, +),(Q, ) ja (Z p, +). Tässä Z p on kongruenssia (modulo p) a b b = a + kp jollain k Z, b a on jaollinen luvulla p vastaava tekijäjoukko, ja + on yhteenlaskua vastaava tekijälaskutoimitus. Osoitamme (Z p, +):n ryhmäksi: Laskutoimitus + on Proposition 2.1 ja Lemman 1.12 mukaan assosiatiivinen. Alkio [0] on neutraalialkio, koska luonnollinen kuvaus on surjektiivinen homomorfismi, katso Esimerkki 1.14(1). Alkion [k] Z p käänteisalkio on [ k]: [k] + [ k] = [k k] = [0] = [ k] + [k].

Esimerkki (3.2) (a) Aikaisemmista esimerkeistämme ryhmiä ovat (ainakin) (Z, +), (Q, +),(Q, ) ja (Z p, +). Tässä Z p on kongruenssia (modulo p) a b b = a + kp jollain k Z, b a on jaollinen luvulla p vastaava tekijäjoukko, ja + on yhteenlaskua vastaava tekijälaskutoimitus. Osoitamme (Z p, +):n ryhmäksi: Laskutoimitus + on Proposition 2.1 ja Lemman 1.12 mukaan assosiatiivinen. Alkio [0] on neutraalialkio, koska luonnollinen kuvaus on surjektiivinen homomorfismi, katso Esimerkki 1.14(1). Alkion [k] Z p käänteisalkio on [ k]: [k] + [ k] = [k k] = [0] = [ k] + [k]. Esimerkiksi Z 4 muodostuu jakojäännöksistä neljällä jaettaessa eli Z 4 = {[0], [1], [2], [3]} ja vaikkapa [2] + [2] = [0] (kirjoita auki yhteenlaskutaulu!)

Esimerkki (3.2 jatkoa) (b) Olkoot M n R ja M n Z sellaisten n n-matriisien joukot, n N, n 2, joiden kertoimet ovat reaalilukuja ja kokonaislukuja. Harjoitustehtävässä 19 osoitetaan dimensiossa n = 2, että R kertoiminen erityinen lineaarinen ryhmä SL 2 R = {A M 2 R : det A = 1} on ryhmä, kun laskutoimituksena on matriisien kertolasku.

Esimerkki (3.2 jatkoa) (b) Olkoot M n R ja M n Z sellaisten n n-matriisien joukot, n N, n 2, joiden kertoimet ovat reaalilukuja ja kokonaislukuja. Harjoitustehtävässä 19 osoitetaan dimensiossa n = 2, että R kertoiminen erityinen lineaarinen ryhmä SL 2 R = {A M 2 R : det A = 1} on ryhmä, kun laskutoimituksena on matriisien kertolasku. Vastaavasti myös Z-kertoiminen erityinen lineaarinen ryhmä SL n Z = {A M n Z : det A = 1} ja yleinen lineaarinen ryhmä GL n R = {A M n R : det A 0} ovat ryhmiä, kuten myös molempien tapausten Q- ja C-kertoimiset versiot.

Propositio (3.3) Olkoon G ryhmä. Tällöin 1 Neutraalialkio e on yksikäsitteinen. 2 Jokaisen alkion a käänteisalkio a 1 on yksikäsitteinen. 3 Jos āa = e, niin ā alkion a käänteisalkio.

Propositio (3.3) Olkoon G ryhmä. Tällöin 1 Neutraalialkio e on yksikäsitteinen. 2 Jokaisen alkion a käänteisalkio a 1 on yksikäsitteinen. 3 Jos āa = e, niin ā alkion a käänteisalkio. 4 (a 1 ) 1 = a kaikilla a G.

Propositio (3.3) Olkoon G ryhmä. Tällöin 1 Neutraalialkio e on yksikäsitteinen. 2 Jokaisen alkion a käänteisalkio a 1 on yksikäsitteinen. 3 Jos āa = e, niin ā alkion a käänteisalkio. 4 (a 1 ) 1 = a kaikilla a G. 5 Supistussäännöt pätevät kaikilla a, b, c G: (i) jos ab = ac, niin b = c. (ii) jos ab = cb, niin a = c.

Propositio (3.3) Olkoon G ryhmä. Tällöin 1 Neutraalialkio e on yksikäsitteinen. 2 Jokaisen alkion a käänteisalkio a 1 on yksikäsitteinen. 3 Jos āa = e, niin ā alkion a käänteisalkio. 4 (a 1 ) 1 = a kaikilla a G. 5 Supistussäännöt pätevät kaikilla a, b, c G: (i) jos ab = ac, niin b = c. (ii) jos ab = cb, niin a = c. 6 (ab) 1 = b 1 a 1.

Propositio (3.3) Olkoon G ryhmä. Tällöin 1 Neutraalialkio e on yksikäsitteinen. 2 Jokaisen alkion a käänteisalkio a 1 on yksikäsitteinen. 3 Jos āa = e, niin ā alkion a käänteisalkio. 4 (a 1 ) 1 = a kaikilla a G. 5 Supistussäännöt pätevät kaikilla a, b, c G: (i) jos ab = ac, niin b = c. (ii) jos ab = cb, niin a = c. 6 (ab) 1 = b 1 a 1. 7 Olkoot a, b G. Yhtälöillä ax = b ja ya = b on ratkaisu ryhmässä G.

Todistus. Kohdat (1), (2), (3) seuraavat Lauseesta 1.6.

Todistus. Kohdat (1), (2), (3) seuraavat Lauseesta 1.6. (4): Koska aa 1 = e, niin kohdan (3) nojalla a = (a 1 ) 1.

Todistus. Kohdat (1), (2), (3) seuraavat Lauseesta 1.6. (4): Koska aa 1 = e, niin kohdan (3) nojalla a = (a 1 ) 1. (6): (b 1 a 1 )(ab) = b 1 (a 1 a)b = b 1 b = e.

Todistus. Kohdat (1), (2), (3) seuraavat Lauseesta 1.6. (4): Koska aa 1 = e, niin kohdan (3) nojalla a = (a 1 ) 1. (6): (b 1 a 1 )(ab) = b 1 (a 1 a)b = b 1 b = e. Loput väiteet todistetaan harjoitustehtävinä 24 ja 25.

Todistus. Kohdat (1), (2), (3) seuraavat Lauseesta 1.6. (4): Koska aa 1 = e, niin kohdan (3) nojalla a = (a 1 ) 1. (6): (b 1 a 1 )(ab) = b 1 (a 1 a)b = b 1 b = e. Loput väiteet todistetaan harjoitustehtävinä 24 ja 25. Huomaa: Jos A on joukko, jossa on assosiatiivinen laskutoimitus, jolla on neutraalialkio, niin Proposition 3.3 kohdan (7) ominaisuudesta seuraa, että A on ryhmä. Supistussäännöt (5) ovat voimassa monissa muissakin rakenteissa, esimerkiksi luonnollisissa luvuissa.

Jos A on joukko, jossa on assosiatiivinen laskutoimitus, jota merkitään kuin kertolaskua, voidaan jokaiselle alkiolle a A määritellä positiiviset potenssit: Asetamme a 1 = a, ja kaikille n N, n 1 asetamme a n+1 = aa n. Jos joukossa A on neutraalialkio e, asetamme a 0 = e, ja jos alkiolla a A on käänteisalkio, määrittelemme sen 1. potenssiksi käänteisalkion a 1 (tai 1 a ), ja kaikille n Z, n 2 asetamme an = (a 1 ) n (eli a n = ( 1 a ) n ).

Jos A on joukko, jossa on assosiatiivinen laskutoimitus, jota merkitään kuin kertolaskua, voidaan jokaiselle alkiolle a A määritellä positiiviset potenssit: Asetamme a 1 = a, ja kaikille n N, n 1 asetamme a n+1 = aa n. Jos joukossa A on neutraalialkio e, asetamme a 0 = e, ja jos alkiolla a A on käänteisalkio, määrittelemme sen 1. potenssiksi käänteisalkion a 1 (tai 1 a ), ja kaikille n Z, n 2 asetamme an = (a 1 ) n (eli a n = ( 1 a ) n ). Jos A:n laskutoimitusta merkitään kuten yhteenlaskua (jolloin neutraalialkiota merkitään 0), määrittelemme vastaavasti a:n positiiviset monikerrat asettamalla 1a = a ja (n + 1)a = na + a kaikille n Z, n 1. Lisäksi 0a = 0 A, 1a = a ja negatiivisille n Z asetamme na = ( n)( a).

Jos A on joukko, jossa on assosiatiivinen laskutoimitus, jota merkitään kuin kertolaskua, voidaan jokaiselle alkiolle a A määritellä positiiviset potenssit: Asetamme a 1 = a, ja kaikille n N, n 1 asetamme a n+1 = aa n. Jos joukossa A on neutraalialkio e, asetamme a 0 = e, ja jos alkiolla a A on käänteisalkio, määrittelemme sen 1. potenssiksi käänteisalkion a 1 (tai 1 a ), ja kaikille n Z, n 2 asetamme an = (a 1 ) n (eli a n = ( 1 a ) n ). Jos A:n laskutoimitusta merkitään kuten yhteenlaskua (jolloin neutraalialkiota merkitään 0), määrittelemme vastaavasti a:n positiiviset monikerrat asettamalla 1a = a ja (n + 1)a = na + a kaikille n Z, n 1. Lisäksi 0a = 0 A, 1a = a ja negatiivisille n Z asetamme na = ( n)( a). Ole erityisen tarkkana symbolien 0, 1, 0, 1 kanssa!

Tavanomaiset laskulait pätevät potensseille ja monikerroille: Lemma (3.4) Olkoon G ryhmä. Jos laskutoimitusta merkitään kertolaskulla, niin 1 (a n ) m = a nm kaikilla a G, n, m Z. 2 a n a m = a n+m kaikilla a G, n, m Z. Jos laskutoimitusta merkitään yhteenlaskulla, niin 3 na + ma = (n + m)a kaikilla a G, n, m Z. 4 n(ma) = (nm)a kaikilla a G, n, m Z. Todistus. Harjoitustehtävä 26.

Luvussa 1 määriteltyjen konstruktioiden avulla voimme muodostaa uusia ryhmiä tunnetuista ryhmistä lähtien. Propositio (3.5) Olkoot G 1 ja G 2 ryhmiä. Niiden tulo G 1 G 2 on ryhmä (varustettuna laskutoimitusten tulolla). Todistus. Laskutoimituksen assosiatiivisuus on selvää. Jos e 1 ja e 2 ovat ryhmien G 1 ja G 2 neutraalialkiot, niin (e 1, e 2 ) on neutraalialkio joukossa G 1 G 2. Alkion (g 1, g 2 ) G 1 G 2 käänteisalkio on alkio (g1 1, g 2 1 ).

Luvussa 1 määriteltyjen konstruktioiden avulla voimme muodostaa uusia ryhmiä tunnetuista ryhmistä lähtien. Propositio (3.5) Olkoot G 1 ja G 2 ryhmiä. Niiden tulo G 1 G 2 on ryhmä (varustettuna laskutoimitusten tulolla). Todistus. Laskutoimituksen assosiatiivisuus on selvää. Jos e 1 ja e 2 ovat ryhmien G 1 ja G 2 neutraalialkiot, niin (e 1, e 2 ) on neutraalialkio joukossa G 1 G 2. Alkion (g 1, g 2 ) G 1 G 2 käänteisalkio on alkio (g1 1, g 2 1 ). Esimerkki (3.6) Joukot R n ja Z n varustettuna vektorien komponenteittaisella yhteenlaskulla, eli yhteenlaskun n kertaisella tulolla, ovat ryhmiä.

Propositio (3.7) Olkoon G ryhmä, ja olkoon sen laskutoimituksen kanssa yhteensopiva ekvivalenssirelaatio. Tällöin G/ varustettuna tekijälaskutoimituksella on ryhmä.

Propositio (3.7) Olkoon G ryhmä, ja olkoon sen laskutoimituksen kanssa yhteensopiva ekvivalenssirelaatio. Tällöin G/ varustettuna tekijälaskutoimituksella on ryhmä. Todistus. Laskutoimituksen assosiatiivisuus osoitettiin Lemmassa 1.12.

Propositio (3.7) Olkoon G ryhmä, ja olkoon sen laskutoimituksen kanssa yhteensopiva ekvivalenssirelaatio. Tällöin G/ varustettuna tekijälaskutoimituksella on ryhmä. Todistus. Laskutoimituksen assosiatiivisuus osoitettiin Lemmassa 1.12. Olkoon e ryhmän G neutraalialkio. Koska kaikille [a] G/ pätee [e] [a] = [ea] = [a] = [ae] = [a] [e], niin [e] on neutraalialkio.

Propositio (3.7) Olkoon G ryhmä, ja olkoon sen laskutoimituksen kanssa yhteensopiva ekvivalenssirelaatio. Tällöin G/ varustettuna tekijälaskutoimituksella on ryhmä. Todistus. Laskutoimituksen assosiatiivisuus osoitettiin Lemmassa 1.12. Olkoon e ryhmän G neutraalialkio. Koska kaikille [a] G/ pätee [e] [a] = [ea] = [a] = [ae] = [a] [e], niin [e] on neutraalialkio. Samoin luokan [a] käänteisalkio on luokka [ a 1 ] : [ a 1 ] [a] = [ a 1 a ] = [e] = [ aa 1] = [a] [ a 1]

Ryhmää G/ kutsutaan ekvivalenssirelaatiota vastaavaksi ryhmän G tekijäryhmäksi. Esimerkiksi ryhmä Z p, jota tarkasteltiin esimerkin 3.2 kohdassa (a), on kongruenssia (mod p) a b joss b = a + kp jollain k Z, vastaava kokonaislukujen ryhmän tekijäryhmä. Osajoukolle indusoituva laskutoimitus antaa myös ryhmiä, jos osajoukko on laskutoimituksen kanssa yhteensopiva. Tarkastelemme tätä jatkossa lähemmin, seuraava esimerkki antaa kuitenkin esimakua.

Esimerkki (3.8) Olkoon X epätyhjä joukko. Joukkoa S(X ), joka koostuu kaikista bijektioista joukolta X itselleen kutsutaan joukon X permutaatioryhmäksi, kun laskutoimituksena käytetään kuvausten yhdistämistä. Monet joukon S(X ) osajoukot varustettuina indusoidulla laskutoimituksella (siis kuvausten yhdistämisellä o) ovat ryhmiä.

Esimerkki (3.8) Olkoon X epätyhjä joukko. Joukkoa S(X ), joka koostuu kaikista bijektioista joukolta X itselleen kutsutaan joukon X permutaatioryhmäksi, kun laskutoimituksena käytetään kuvausten yhdistämistä. Monet joukon S(X ) osajoukot varustettuina indusoidulla laskutoimituksella (siis kuvausten yhdistämisellä o) ovat ryhmiä. Olkoon X = R n. Kuvaus L : R n R n on lineaarikuvaus, jos kaikilla x, y R n ja a R pätee L(x + y) = L(x) + L(y) ja L(ax) = al(x). Lineaariset bijektiot muodostavat ryhmän, jossa kuvausten yhdistäminen on laskutoimituksena: Identtinen kuvaus on lineaarikuvaus, ja lineaarisen bijektion käänteiskuvaus on lineaarinen bijektio. Laskutoimituksen assosiatiivisuutta ei tarvitse tarkastaa, koska se on ryhmän S(R n ) laskutoimituksen indusoima.

Määritelmä (3.9) Ryhmä G on kommutatiivinen, jos sen laskutoimitus on kommutatiivinen. Ryhmä G on äärellinen, jos joukko G on äärellinen. Esimerkki (3.10) (1) Ryhmät Z, Z p, Z n ovat kommutatiivisia. Erityinen lineaarinen ryhmä SL n R ei ole kommutatiivinen, tämä osoitettiin Harjoitustehtävässä 6. (2) Ryhmät Z p ja Z p Z q, p, q N, ovat äärellisiä ryhmiä. (3) Funktiot id, f, g, h : R R, f (x) = x, g(x) = 1/x, h(x) = 1/x, muodostavat äärellisen ryhmän K S(R ) laskutoimituksena kuvausten yhdistäminen.

Tapaus (3): On helppo nähdä, että laskutoimitus on hyvin määritelty ja assosiatiivinen. Joukon K alkioille f, g, h pätee f f = g g = h h = id, joten jokainen alkio on itsensä käänteisalkio, ja K on siis ryhmä.

Tapaus (3): On helppo nähdä, että laskutoimitus on hyvin määritelty ja assosiatiivinen. Joukon K alkioille f, g, h pätee f f = g g = h h = id, joten jokainen alkio on itsensä käänteisalkio, ja K on siis ryhmä. Lisäksi pätee: f g = g f = h, g h = h g = f ja h f = f h = g, joten K on kommutatiivinen.

Tapaus (3): On helppo nähdä, että laskutoimitus on hyvin määritelty ja assosiatiivinen. Joukon K alkioille f, g, h pätee f f = g g = h h = id, joten jokainen alkio on itsensä käänteisalkio, ja K on siis ryhmä. Lisäksi pätee: f g = g f = h, g h = h g = f ja h f = f h = g, joten K on kommutatiivinen. Itse asiassa K on ryhmäteorian kannalta sama ryhmä kuin (Z 2 Z 2, +). Täsmällisemmin ilmaistuna: kuvaus φ : Z 2 Z 2 K, φ([0], [0]) = id, φ([0], [1]) = f, φ([1], [0]) = g, φ([1], [1]) = h, on isomorfismi.

Tapaus (3): On helppo nähdä, että laskutoimitus on hyvin määritelty ja assosiatiivinen. Joukon K alkioille f, g, h pätee f f = g g = h h = id, joten jokainen alkio on itsensä käänteisalkio, ja K on siis ryhmä. Lisäksi pätee: f g = g f = h, g h = h g = f ja h f = f h = g, joten K on kommutatiivinen. Itse asiassa K on ryhmäteorian kannalta sama ryhmä kuin (Z 2 Z 2, +). Täsmällisemmin ilmaistuna: kuvaus φ : Z 2 Z 2 K, φ([0], [0]) = id, φ([0], [1]) = f, φ([1], [0]) = g, φ([1], [1]) = h, on isomorfismi. Kuvaus on selvästi bijektio, ja homomorfisuuden voi tarkastaa, ks. Esimerkki 3.12 (4), esimerkiksi ([1], [0]) + ([0], [1]) = ([0], [1]) + ([1], [0]) = ([1], [1]), joka vastaa yhtälöitä f g = g f = h.

Jos G ja G ovat ryhmiä, niin homomorfismia φ : G G kutsutaan ryhmähomomorfismiksi. Huomaa, että isomorfismin, eli bijektiivisen homomorfismin, käänteiskuvaus on myös isomorfismi (mieti!). Ryhmiä, joiden välillä on isomorfismi sanotaan isomorfisiksi. Jos G ja G ovat isomorfisia ryhmiä, merkitään G = G.

Jos G ja G ovat ryhmiä, niin homomorfismia φ : G G kutsutaan ryhmähomomorfismiksi. Huomaa, että isomorfismin, eli bijektiivisen homomorfismin, käänteiskuvaus on myös isomorfismi (mieti!). Ryhmiä, joiden välillä on isomorfismi sanotaan isomorfisiksi. Jos G ja G ovat isomorfisia ryhmiä, merkitään G = G. Propositio (3.11) Ryhmähomomorfismi φ : G G kuvaa ryhmän G neutraalialkion ryhmän G neutraalialkioksi, ja φ(g 1 ) = φ(g) 1 pätee jokaiselle g G.

Jos G ja G ovat ryhmiä, niin homomorfismia φ : G G kutsutaan ryhmähomomorfismiksi. Huomaa, että isomorfismin, eli bijektiivisen homomorfismin, käänteiskuvaus on myös isomorfismi (mieti!). Ryhmiä, joiden välillä on isomorfismi sanotaan isomorfisiksi. Jos G ja G ovat isomorfisia ryhmiä, merkitään G = G. Propositio (3.11) Ryhmähomomorfismi φ : G G kuvaa ryhmän G neutraalialkion ryhmän G neutraalialkioksi, ja φ(g 1 ) = φ(g) 1 pätee jokaiselle g G. Todistus. Neutraalialkiota koskeva väite todistetaan Harjoituksena 22.

Jos G ja G ovat ryhmiä, niin homomorfismia φ : G G kutsutaan ryhmähomomorfismiksi. Huomaa, että isomorfismin, eli bijektiivisen homomorfismin, käänteiskuvaus on myös isomorfismi (mieti!). Ryhmiä, joiden välillä on isomorfismi sanotaan isomorfisiksi. Jos G ja G ovat isomorfisia ryhmiä, merkitään G = G. Propositio (3.11) Ryhmähomomorfismi φ : G G kuvaa ryhmän G neutraalialkion ryhmän G neutraalialkioksi, ja φ(g 1 ) = φ(g) 1 pätee jokaiselle g G. Todistus. Neutraalialkiota koskeva väite todistetaan Harjoituksena 22. Olkoon e ryhmän G neutraalialkio. Olkoon g G. Tällöin φ(g 1 )φ(g) = φ(g 1 g) = φ(e). Ensimmäisen väitteen mukaan φ(e) on ryhmän G neutraalialkio. Väite seuraa Proposition 3.3 kohdasta (3).

Esimerkki (3.12. (1)) Olkoon R + positiivisten reaalilukujen joukko. Varustetaan R + kertolaskulla ja R yhteenlaskulla. Tällöin (R +, ) ja (R, +) ovat ryhmiä.

Esimerkki (3.12. (1)) Olkoon R + positiivisten reaalilukujen joukko. Varustetaan R + kertolaskulla ja R yhteenlaskulla. Tällöin (R +, ) ja (R, +) ovat ryhmiä. Nyt logaritmifunktio log: R + R on ryhmäisomorfismi: Tunnetusti log(xy) = log(x) + log(y) kaikilla x, y > 0. Logaritmin käänteiskuvaus on eksponenttifunktio exp : R R +, jolle pätee exp(x + y) = e x+y = e x e y = exp(x)exp(y).

Esimerkki (3.12. (2)) Vektoriavaruuden R n lineaaristen bijektioiden ryhmä (katso Esimerkki 3.8.) on isomorfinen yleisen lineaarisen ryhmän GL n R kanssa: Olkoon K = {v 1, v 2,..., v n } vektoriavaruuden R n kanta, ja olkoon (Lv i ) K R n vektorin Lv i koordinaattivektori kannassa K. Lineaarialgebrasta tiedetään, että kuvaus on isomorfismi. L ((Lv 1 ) K, (Lv 2 ) K,..., (Lv n ) K )

Esimerkki (3.12. (3)) Olkoon G ryhmä, ja olkoon a G. Kuvaus φ : G G, φ(g) = aga 1 on eräs ryhmän G automorfismi: Todellakin, se on homomorfismi, sillä: φ(g)φ(g ) = (aga 1 )(ag a 1 ) = (ag)(a 1 a)(g a 1 ) = (ag)e(g a 1 ) = (ag)(g a 1 ) = a(gg )a 1 = φ(gg ).

Esimerkki (3.12. (3)) Olkoon G ryhmä, ja olkoon a G. Kuvaus φ : G G, φ(g) = aga 1 on eräs ryhmän G automorfismi: Todellakin, se on homomorfismi, sillä: φ(g)φ(g ) = (aga 1 )(ag a 1 ) = (ag)(a 1 a)(g a 1 ) = (ag)e(g a 1 ) = (ag)(g a 1 ) = a(gg )a 1 = φ(gg ). Se on myös bijektio, koska sillä on käänteiskuvaus φ 1 : G G : φ 1 (g) = a 1 ga.

Esimerkki (3.12. (3)) Olkoon G ryhmä, ja olkoon a G. Kuvaus φ : G G, φ(g) = aga 1 on eräs ryhmän G automorfismi: Todellakin, se on homomorfismi, sillä: φ(g)φ(g ) = (aga 1 )(ag a 1 ) = (ag)(a 1 a)(g a 1 ) = (ag)e(g a 1 ) = (ag)(g a 1 ) = a(gg )a 1 = φ(gg ). Se on myös bijektio, koska sillä on käänteiskuvaus φ 1 : G G : φ 1 (g) = a 1 ga. Kuvausta φ kutsutaan myös ryhmän G sisäiseksi automorfismiksi.

Esimerkki (3.12. (3) jatkoa) Esimerkiksi erityisessä lineaarisessa ryhmässä SL 2 R = {A M 2 R : det A = 1} ( ) 0 1 matriisia A = vastaa sisäinen automorfismi 1 0 φ A : B ABA 1. Jos siis ( ) a b B =, c d kuvaus on φ A (B) = ( 0 1 1 0 ) ( a b c d ) ( 0 1 1 0 ) ( d c = b a ).

Esimerkki (3.12. (4)) Pieniä äärellisiä ryhmiä voi myös tarkastella laskutaulujen avulla: Muodostetaan ryhmän alkioilla indeksoitu taulukko, jossa paikalla (g, h) on alkio gh. Esimerkiksi neljän alkion ryhmien Z 4, Z 2 Z 2 ja K laskutaulut ovat vastaavassa järjestyksessä + 0 1 2 3 0 0 1 2 3 1 1 2 3 0 2 2 3 0 1 3 3 0 1 2, + (0,0) (0,1) (1,0) (1,1) (0,0) (0,0) (0,1) (1,0) (1,1) (0,1) (0,1) (0,0) (1,1) (1,0) (1,0) (1,0) (1,1) (0,0) (0,1) (1,1) (1,1) (1,0) (0,1) (0,0) missä ekvivalenssiluokan [k] merkintänä käytämme k:ta.

Esimerkki (3.12.(4) jatkoa) ja id f g h id id f g h f f id h g g g h id f h h g f id Ryhmän laskutaulussa (tai kertotaulussa, kuten sitä usein kutsutaan) jokaisella rivillä ja jokaisessa sarakkeessa esiintyvät kaikki ryhmän alkiot (Harjoitustehtävä 33). Ryhmien Z 2 Z 2 ja K isomorfisuus on nyt helppo todeta vertaamalla laskutauluja.