前回(本シリーズ (28))では『集合 』と『群 』を説明しました。ここでは『部分集合 』と『部分群 』について解説していきます。
前回、3次置換全体の集合 S 3 = { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } S_3=\{id, \rho_2, \rho_3, \tau_1, \tau_2, \tau_3\} S 3 = { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } は、置換の積(合成)という演算に関して群となることを解説しました。この集合 S 3 S_3 S 3 を『3次対称群 』といいます。
(再掲)3次対称群の要素
➀ ( α β γ α β γ ) = I = i d ( = ρ 1 ) ➁ ( α β γ γ α β ) = ( α γ β ) = ρ 2 ➂ ( α β γ β γ α ) = ( α β γ ) = ρ 3 } 偶置換 ➃ ( α β γ α γ β ) = ( β γ ) = τ 1 ➄ ( α β γ γ β α ) = ( α γ ) = τ 2 ➅ ( α β γ β α γ ) = ( α β ) = τ 3 } 奇置換 \begin{align*}
&\begin{rcases}
➀\hspace{6pt}
\begin{pmatrix}
\alpha & \beta & \gamma\\
\alpha & \beta & \gamma
\end{pmatrix}
=I=id(=\rho_1)\\
\\
➁\hspace{6pt}
\begin{pmatrix}
\alpha & \beta & \gamma\\
\gamma & \alpha & \beta
\end{pmatrix}
=(\alpha \gamma \beta)
=\rho_2\\
\\
➂\hspace{6pt}
\begin{pmatrix}
\alpha & \beta & \gamma\\
\beta & \gamma & \alpha
\end{pmatrix}
=(\alpha \beta \gamma)
=\rho_3
\end{rcases}偶置換\\
\\
&\begin{rcases}
➃\hspace{6pt}
\begin{pmatrix}
\alpha & \beta & \gamma\\
\alpha & \gamma & \beta
\end{pmatrix}
=\begin{pmatrix}
\beta & \gamma
\end{pmatrix}=\tau_1\\
\\
➄\hspace{6pt}
\begin{pmatrix}
\alpha & \beta & \gamma\\
\gamma & \beta & \alpha
\end{pmatrix}
=\begin{pmatrix}
\alpha & \gamma
\end{pmatrix}=\tau_2\\
\\
➅\hspace{6pt}
\begin{pmatrix}
\alpha & \beta & \gamma\\
\beta & \alpha & \gamma
\end{pmatrix}
=\begin{pmatrix}
\alpha & \beta
\end{pmatrix}=\tau_3
\end{rcases}奇置換
\end{align*} ➀ ( α α β β γ γ ) = I = i d ( = ρ 1 ) ➁ ( α γ β α γ β ) = ( α γ β ) = ρ 2 ➂ ( α β β γ γ α ) = ( α β γ ) = ρ 3 ⎭ ⎬ ⎫ 偶置換 ➃ ( α α β γ γ β ) = ( β γ ) = τ 1 ➄ ( α γ β β γ α ) = ( α γ ) = τ 2 ➅ ( α β β α γ γ ) = ( α β ) = τ 3 ⎭ ⎬ ⎫ 奇置換
これらを三角形の図形の移動でとらえると
①~③は回転、④~➅は反転と、2つに分けることができます。 ここからは『部分集合 』、『部分群 』について解説していきます。
部分集合について 例えば、2つの集合 P = { 2 , 4 } \text{P}=\{2, 4\} P = { 2 , 4 } Q = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } \text{Q}=\{1, 2, 3, 4, 5\} Q = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } では、どの P \text{P} P の要素もまた Q \text{Q} Q の要素になっています。つまり P \text{P} P の要素 2 2 2 は Q \text{Q} Q の要素になっている。 P \text{P} P の要素 4 4 4 は Q \text{Q} Q の要素になっている。 この2つの集合の関係を図で描くと、次のようになります。
このように、集合が表す範囲を視覚的に表したものを『ベン図 』といいます。 一般に、2つの集合 A \text{A} A 、B \text{B} B において、A \text{A} A のどの要素もまた B \text{B} B の要素であるとき、すなわち
x ∈ A ならば x ∈ B \begin{align*}
x \in\text{A} ならば x \in\text{B}
\end{align*} x ∈ A ならば x ∈ B
が成り立つとき、A は B に含まれる 、または B は A を含む といいます。
また、A \text{A} A が B \text{B} B に含まれることを、記号で次のように書きます。
A ⊂ B または B ⊃ A \begin{align*}
\text{A}\subset\text{B} または \text{B}\supset\text{A}
\end{align*} A ⊂ B または B ⊃ A
このとき、A \text{A} A は B \text{B} B の『部分集合 』といいます。大きい方に開いていると覚えます。2つの集合の一方が他方の部分集合であるとき、この2つの集合の間に包含関係がある といいます。
先ほどの集合 P = { 2 , 4 } \text{P}=\{2, 4\} P = { 2 , 4 } Q = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } \text{Q}=\{1, 2, 3, 4, 5\} Q = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } の例でいえば、P は Q に含まれる ので
P ⊂ Q または Q ⊃ P \begin{align*}
\text{P}\subset\text{Q} または \text{Q}\supset\text{P}
\end{align*} P ⊂ Q または Q ⊃ P
が成り立ちます。
(再掲)
なお、同じ集合 A \text{A} A に対して
x ∈ A ならば x ∈ A \begin{align*}
x \in\text{A} ならば x \in\text{A}
\end{align*} x ∈ A ならば x ∈ A
が成り立つので、A \text{A} A 自身も A \text{A} A の部分集合、つまり
A ⊂ A または A ⊃ A \begin{align*}
\text{A}\subset\text{A} または \text{A}\supset\text{A}
\end{align*} A ⊂ A または A ⊃ A
となります。また、A ⊂ B \text{A}\subset\text{B} A ⊂ B かつ B ⊂ A \text{B}\subset\text{A} B ⊂ A ならば、A \text{A} A と B \text{B} B はその要素がまったく一致して
A = B \begin{align*}
\text{A}=\text{B}
\end{align*} A = B
となります。
さて、整数全体の集合 Z \mathbb{Z} Z を要素を並べて書くと、次のようになります。
Z = { ⋯ , − 3. − 2. − 1 , 0 , 1 , 2 , 3 , ⋯ } \begin{align*}
\mathbb{Z}=\{\cdots, -3. -2. -1, 0, 1, 2, 3, \cdots\}
\end{align*} Z = { ⋯ , − 3. − 2. − 1 , 0 , 1 , 2 , 3 , ⋯ }
ここで、自然数全体の集合を N \mathbb{N} N を考えます。要素を並べて書くと次のようになります。
N = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , ⋯ } \begin{align*}
\mathbb{N}=\{1, 2, 3, 4, 5, \cdots\}
\end{align*} N = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , ⋯ }
記号 N \mathbb{N} N は、Natural number(自然数)の頭文字からきています。 すると、集合 N \mathbb{N} N は、集合 Z \mathbb{Z} Z に含まれていることがわかります。つまり
N ⊂ Z \begin{align*}
\mathbb{N}\subset\mathbb{Z}
\end{align*} N ⊂ Z
ベン図で表すと次のようになります。
つまり、集合 N \mathbb{N} N は、集合 Z \mathbb{Z} Z の部分集合です。集合 N \mathbb{N} N は、集合 Z \mathbb{Z} Z に含まれるという包含関係があります。
集合 {1, 2, 3} のすべての部分集合 ここで、集合 { 1 , 2 , 3 } \{1, 2, 3\} { 1 , 2 , 3 } のすべての部分集合を考えてみましょう。以下の集合が { 1 , 2 , 3 } \{1, 2, 3\} { 1 , 2 , 3 } の部分集合になります。 ϕ \phi ϕ 、{ 1 } \{1\} { 1 } 、{ 2 } \{2\} { 2 } 、{ 3 } \{3\} { 3 } 、 { 1 , 2 } \{1, 2\} { 1 , 2 } 、{ 1 , 3 } \{1, 3\} { 1 , 3 } 、{ 2 , 3 } \{2, 3\} { 2 , 3 } 、{ 1 , 2 , 3 } \{1, 2, 3\} { 1 , 2 , 3 } ϕ \phi ϕ (ファイ)は空集合を表します。空集合は要素をまったくもたない集合です。空集合 ϕ \phi ϕ は、どのような集合の部分集合にもなっていると考えます。また、自分自身も部分集合となるので、{ 1 , 2 , 3 } \{1, 2, 3\} { 1 , 2 , 3 } も部分集合です。
さて、整数全体の集合 Z \mathbb{Z} Z は、たし算に関して群となることは前回示しました。では、その部分集合である N \mathbb{N} N も、たし算に関して群になるでしょうか? 前回述べた群の定義 (1)~(4) を満たすかどうかで確認していきます。 まずは。前回やった群の定義の復習です。
群の定義(復習) 空でない集合 G G G の任意の要素 a , b , c a, b, c a , b , c の間に1つの演算 ∗ * ∗ が規定されているとする。 この集合 G G G の任意の要素 a , b , c a, b, c a , b , c が、その演算 ∗ * ∗ に関して次の条件を満たすとき、G G G は演算 ∗ * ∗ に関して群 であるという。 (1) a ∗ b a*b a ∗ b は G G G の要素である。 (2) 交換法則 ( a ∗ b ) ∗ c = a ∗ ( b ∗ c ) (a*b)*c=a*(b*c) ( a ∗ b ) ∗ c = a ∗ ( b ∗ c ) が成り立つ。 (3) a ∗ e = e ∗ a = a a*e=e*a=a a ∗ e = e ∗ a = a となる単位元 e e e が G G G に存在する。 (4) a ∗ x = x ∗ a = e a*x=x*a=e a ∗ x = x ∗ a = e となる逆元 x x x が G G G に存在する。
***
(1) を満たすことを、集合 G \bm G G は演算 ∗ \bm * ∗ について閉じている といいます。演算の結果、集合 G G G からはみ出さないことを意味します。 (2) は、カッコを気にしないで、どこから演算を施してもよいことを保証します。 (3) は、左右どちらから演算を施しても変化しない要素の存在です。その要素を単位元 といいます。 (4) は、左右両方から演算を施すと単位元になる要素の存在です。その要素を逆元 といいます。
要するに群とは、イメージとして (1) 全部そろっている (2) どこからでもつなげることができる (3) 変えないことができる (4) 元に戻すことができる の4つの条件が成り立つ要素の集まり(集合)です。
部分群とは ある群 G G G の空でない部分集合 H H H が同じ演算で群になるとき、その部分集合 H H H を、 G G G の『部分群 』といいます。 ここで重要なのは、あくまでも「同じ演算で 」ということです。もとの群がたし算に関して群となる場合、その部分群もたし算に関して群となります。
たし算に関してℕはℤの部分群か? さて、整数全体の集合
Z = { ⋯ , − 3. − 2. − 1 , 0 , 1 , 2 , 3 , ⋯ } \begin{align*}
\mathbb{Z}=\{\cdots, -3. -2. -1, 0, 1, 2, 3, \cdots\}
\end{align*} Z = { ⋯ , − 3. − 2. − 1 , 0 , 1 , 2 , 3 , ⋯ }
は、たし算に関して群となることは前回示しました。では、その部分集合である自然数の集合
N = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , ⋯ } \begin{align*}
\mathbb{N}=\{1, 2, 3, 4, 5, \cdots\}
\end{align*} N = { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , ⋯ }
は部分群になるでしょうか。もちろん部分群は「同じ演算」で考えるので、考える演算はたし算です。 では、群の定義 (1)~(4) を順に確認していきます。
(1) 自然数同士を足しても自然数である。 2 + 3 = 5 2+3=5 2 + 3 = 5 (自然数) 自然数はたし算について閉じています。 (2) 結合法則は成り立つ。 例 ( 2 + 3 ) + 5 = 2 + ( 3 + 5 ) (2+3)+5=2+(3+5) ( 2 + 3 ) + 5 = 2 + ( 3 + 5 ) 結合法則は常になりたちます。
しかし・・・
(3) 単位元は存在しない。 足しても変化しないのが単位元です。例えば 1 + e = e + 1 = 1 1+e=e+1=1 1 + e = e + 1 = 1 を考えます。1 1 1 に足しても変化しないもの、これ満たす e e e が単位元となりますが、それは自然数の集合には存在しません。計算上では e = 0 e=0 e = 0 とすれば成り立ちますが、0 0 0 は自然数ではないので、(3) は満たさないことが分かります。 よって (3) を満たさない(つまり、(1)~(4) のすべてを満たさない)ので、N \mathbb{N} N はたし算に関して Z Z Z の部分群にならないことが示されました。
たし算に関して {-1, 0, 1} はℤの部分群か? 一方、 Z \mathbb{Z} Z の部分集合として S = { − 1 , 0 , 1 } S=\{-1, 0, 1\} S = { − 1 , 0 , 1 } をとったとき、この集合 S S S はたし算に関して群になるでしょうか。群の定義 (1)~(4) を順に確認していきます。
(1) S S S の任意の要素同士を足しても S S S の要素になる。 すべての要素について確認します。 − 1 + 0 = − 1 ∈ S -1+0=-1 \in S − 1 + 0 = − 1 ∈ S 0 + ( − 1 ) = − 1 ∈ S 0+(-1)=-1 \in S 0 + ( − 1 ) = − 1 ∈ S − 1 + 1 = 0 ∈ S -1+1=0 \in S − 1 + 1 = 0 ∈ S 1 + ( − 1 ) = 0 ∈ S 1+(-1)=0 \in S 1 + ( − 1 ) = 0 ∈ S 0 + 1 = 1 ∈ S 0+1=1 \in S 0 + 1 = 1 ∈ S 1 + 0 = 1 ∈ S 1+0=1 \in S 1 + 0 = 1 ∈ S より、足したものはすべて S S S の要素になります。S S S はたし算について閉じています。
(2) 結合法則は成り立つ。 例 ( − 1 + 0 ) + 1 = − 1 + ( 0 + 1 ) (-1+0)+1=-1+(0+1) ( − 1 + 0 ) + 1 = − 1 + ( 0 + 1 ) 結合法則は常に成り立ちます。
(3) 単位元は存在する。 足しても変化しないのが単位元です。 − 1 + 0 ‾ = 0 ‾ + ( − 1 ) = − 1 -1+\underline{0}=\underline{0}+(-1)=-1 − 1 + 0 = 0 + ( − 1 ) = − 1 (変化しない) 0 + 0 ‾ = 0 ‾ + 0 = 0 \hspace{8pt}0+\underline{0}=\underline{0}+0=0 0 + 0 = 0 + 0 = 0 (変化しない) 1 + 0 ‾ = 0 ‾ + 1 = 1 \hspace{8pt}1+\underline{0}=\underline{0}+1=1 1 + 0 = 0 + 1 = 1 (変化しない) より、下線部の 0 0 0 が単位元となります。よって、単位元は S S S に存在します。
(4) 逆元は存在する。 たして単位元 0 0 0 になるのが逆元です。 − 1 + 1 ‾ = 1 ‾ + ( − 1 ) = 0 -1+\underline{1}=\underline{1}+(-1)=0 − 1 + 1 = 1 + ( − 1 ) = 0 (単位元) より、− 1 -1 − 1 の逆元は 1 1 1 0 + 0 ‾ = 0 ‾ + 0 = 0 0+\underline{0}=\underline{0}+0=0 0 + 0 = 0 + 0 = 0 (単位元) より、0 0 0 の逆元は 0 0 0 1 + ( − 1 ‾ ) = − 1 ‾ + 1 = 0 1+(\underline{-1})=\underline{-1}+1=0 1 + ( − 1 ) = − 1 + 1 = 0 (単位元) より、1 1 1 の逆元は − 1 -1 − 1 下線部が各々の逆元です。よって、すべての要素に対して逆元は S S S に存在します。
以上により、群の条件 (1)~(4) をすべて満たしているので S = { − 1 , 0 1 } S=\{-1, 0 1\} S = { − 1 , 0 1 } は、たし算に関して Z Z Z の部分群となります。 N N N も S S S も Z Z Z の部分集合ではありますが、たし算に関して、N N N は部分群ではなく S S S は部分群となります。
部分集合であっても、部分群となる場合もあれば、ならない場合もあります。 ここで部分群について補足です。 ある群 G G G の部分群のうち、最大のものは自分自身 G G G です。また、最小のものは単位元 e e e だけからなる群 { e } \{e\} { e } です(注1) 。この2つは『自明な部分群 』といいます。どんな群にも、この自明な部分群は必ず存在します。自明な部分群以外の部分群を『真部分群 』といいます。真部分群があるかないかは群によります。
3次交代群について さて、3次対称群 S 3 = { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } S_3=\{id, \rho_2, \rho_3, \tau_1, \tau_2, \tau_3\} S 3 = { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } は置換の積に関して群となりますが、その偶置換だけを集めた部分集合 A 3 = { i d , ρ 2 , ρ 3 } A_3=\{id, \rho_2, \rho_3\} A 3 = { i d , ρ 2 , ρ 3 } は、S 3 S_3 S 3 の部分群となるでしょうか。結論からいうと、A 3 A_3 A 3 は S 3 S_3 S 3 の部分群となります。この A 3 A_3 A 3 を『3次交代群 』といいます。
では、この偶置換だけを集めた3次交代群 A 3 A_3 A 3 が、置換の積に関して群の定義 (1)~(4) を満たしていることを確認していきます。
偶置換の集合が部分群になることの証明 (1) 偶置換同士の積は偶置換である。 A 3 A_3 A 3 の任意の2つの要素の積は A 3 A_3 A 3 の要素になります。 A 3 A_3 A 3 の要素は全部で 3 3 3 通りあるので、その置換の積は全部で 3 × 3 = 9 3\times3=9 3 × 3 = 9 通りありますが、そのすべてが A 3 A_3 A 3 の要素になること、つまり A 3 A_3 A 3 からはみ出さないことを具体的に示していきます。 前回 S 3 S_3 S 3 に対して行ったのと同じ方法なので、ここでは簡潔に書いていきます。
(a) 先に i d id i d を作用させると、結果は次のようになります。i d id i d は恒等置換なので、いずれも変化しません。 (a1) i d i d = i d idid=id i d i d = i d (a2) i d ρ 2 = ρ 2 id\rho_2=\rho_2 i d ρ 2 = ρ 2 (a3) i d ρ 3 = ρ 3 id\rho_3=\rho_3 i d ρ 3 = ρ 3
(a1)~(a3) は、すべて A 3 A_3 A 3 の要素になります。 この結果を表にまとめると、次のようになります。先に作用させる置換を縦に、後に作用させる置換を横に並べています。
後 先 i d ρ 2 ρ 3 i d i d ρ 2 ρ 3 ← (a) \def\arraystretch{1.5}
\hspace{0pt}後\\
\raisebox{-10pt}{先}
\hspace{4pt}
\begin{array}{c||c|c|c}
& id & \rho_2 & \rho_3\\ \hline\hline
id & id & \rho_2 & \rho_3
\end{array}
\begin{array}{c}
\\
← \text{(a)}
\end{array} 後 先 i d i d i d ρ 2 ρ 2 ρ 3 ρ 3 ← (a)
(b) 先に ρ 2 \rho_2 ρ 2 を作用させると、結果は次のようになります。 (b1) ρ 2 i d = ρ 2 \rho_2id=\rho_2 ρ 2 i d = ρ 2 (b2) ρ 2 ρ 2 = ρ 3 \rho_2\rho_2=\rho_3 ρ 2 ρ 2 = ρ 3 (b3) ρ 2 ρ 3 = i d \rho_2\rho_3=id ρ 2 ρ 3 = i d
(b1)~(b3) は、すべて A 3 A_3 A 3 の要素になります。 これまでの結果を表にまとめると、次のようになります。先に作用させる置換を縦に、後に作用させる置換を横に並べています。
後 先 i d ρ 2 ρ 3 i d i d ρ 2 ρ 3 ρ 2 ρ 2 ρ 3 i d ← (a) ← (b) \def\arraystretch{1.5}
\hspace{0pt}後\\
\raisebox{-10pt}{先}
\hspace{4pt}
\begin{array}{c||c|c|c}
& id & \rho_2 & \rho_3\\ \hline\hline
id & id & \rho_2 & \rho_3\\ \hline
\rho_2 & \rho_2 & \rho_3 & id
\end{array}
\begin{array}{c}
\\
← \text{(a)}\\
← \text{(b)}
\end{array} 後 先 i d ρ 2 i d i d ρ 2 ρ 2 ρ 2 ρ 3 ρ 3 ρ 3 i d ← (a) ← (b)
(c) 先に ρ 3 \rho_3 ρ 3 を作用し、次に3次対称群のすべての要素を作用させると、結果は次のようになります。 (c1) ρ 3 i d = ρ 3 \rho_3id=\rho_3 ρ 3 i d = ρ 3 (c2) ρ 3 ρ 2 = i d \rho_3\rho_2=id ρ 3 ρ 2 = i d (c3) ρ 3 ρ 3 = ρ 2 \rho_3\rho_3=\rho_2 ρ 3 ρ 3 = ρ 2
(c1)~(c3) は、すべて A 3 A_3 A 3 の要素になります。 これまで結果を表にまとめると、次のようになります。先に作用させる置換を縦に、後に作用させる置換を横に並べています。
後 先 i d ρ 2 ρ 3 i d i d ρ 2 ρ 3 ρ 2 ρ 2 ρ 3 i d ρ 3 ρ 3 i d ρ 2 ← ( a ) ← ( b ) ← ( c ) \def\arraystretch{1.5}
\hspace{-10pt}後\\
\raisebox{-10pt}{先}
\hspace{4pt}
\begin{array}{c||c|c|c}
& id & \rho_2 & \rho_3\\ \hline\hline
id & id & \rho_2 & \rho_3\\ \hline
\rho_2 & \rho_2 & \rho_3 & id\\ \hline
\rho_3 & \rho_3 & id & \rho_2
\end{array}
\begin{array}{c}
\\
\leftarrow (a)\\
\leftarrow (b)\\
\leftarrow (c)
\end{array} 後 先 i d ρ 2 ρ 3 i d i d ρ 2 ρ 3 ρ 2 ρ 2 ρ 3 i d ρ 3 ρ 3 i d ρ 2 ← ( a ) ← ( b ) ← ( c )
以上により、3 × 3 = 9 3\times3=9 3 × 3 = 9 通りのすべてが A 3 A_3 A 3 の要素に含まれることが分かりました。A 3 A_3 A 3 は置換の積について閉じています。
(2) 結合法則は成り立つ。 例 ( ρ 2 i d ) ρ 3 = ρ 2 ( i d ρ 3 ) (\rho_2id)\rho_3=\rho_2(id\rho_3) ( ρ 2 i d ) ρ 3 = ρ 2 ( i d ρ 3 ) ( ρ 2 i d ) ρ 2 = ρ 2 ( i d ρ 2 ) (\rho_2id)\rho_2=\rho_2(id\rho_2) ( ρ 2 i d ) ρ 2 = ρ 2 ( i d ρ 2 ) 任意の要素に対して成り立つので、同じ要素があっても構いません。 結合法則は常に成り立ちます。
(3) 単位元は存在する。 置換の積で、変化しないのが単位元です。 i d i d ‾ = i d ‾ i d = i d id\underline{id}=\underline{id}id=id i d i d = i d i d = i d (変化しない) ρ 2 i d ‾ = i d ‾ ρ 2 = ρ 2 \rho_2\underline{id}=\underline{id}\rho_2=\rho_2 ρ 2 i d = i d ρ 2 = ρ 2 (変化しない) ρ 3 i d ‾ = i d ‾ ρ 3 = ρ 3 \rho_3\underline{id}=\underline{id}\rho_3=\rho_3 ρ 3 i d = i d ρ 3 = ρ 3 (変化しない) より、下線部の i d id i d が単位元となります。よって、単位元は A 3 A_3 A 3 に存在します。
(4) 逆元は存在する。 置換の積で、単位元 i d id i d になるのが逆元です。 i d id i d については i d i d ‾ = i d ‾ i d = i d id\underline{id}=\underline{id}id=id i d i d = i d i d = i d (単位元) より、i d id i d が逆元となります。 ρ 2 \rho_2 ρ 2 については ρ 2 ρ 3 ‾ = ρ 3 ‾ ρ 2 = i d \rho_2\underline{\rho_3}=\underline{\rho_3}\rho_2=id ρ 2 ρ 3 = ρ 3 ρ 2 = i d (単位元) より、ρ 3 \rho_3 ρ 3 が逆元となります。 ρ 3 \rho_3 ρ 3 については ρ 3 ρ 2 ‾ = ρ 2 ‾ ρ 3 = i d \rho_3\underline{\rho_2}=\underline{\rho_2}\rho_3=id ρ 3 ρ 2 = ρ 2 ρ 3 = i d (単位元) より、ρ 2 \rho_2 ρ 2 が逆元となります。 下線部が各々の逆元です。よって、すべての要素に対して逆元は A 3 A_3 A 3 に存在します。 置換を回転とみなすと、ρ 2 \rho_2 ρ 2 は 120 ∘ 120^\circ 12 0 ∘ 回転、ρ 3 \rho_3 ρ 3 は 240 ∘ 240^\circ 24 0 ∘ 回転なので、それらを連続して回転させると 360 ∘ 360^\circ 36 0 ∘ になり、元に戻る(i d id i d になる)というイメージです。
以上により、群の定義 (1)~(4) をすべて満たしているので、A 3 A_3 A 3 は置換の積に関して群となります。そしてそれは S 3 S_3 S 3 の部分集合であることから、A 3 A_3 A 3 は S 3 S_3 S 3 の部分群となることが示されました。
3次対称群のすべての部分群 先ほど示したのも含めて、置換の積に関して S 3 = { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } S_3=\{id, \rho_2, \rho_3, \tau_1, \tau_2, \tau_3\} S 3 = { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } の部分群になるものには、全部で以下の6通りがあります。 { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } = S 3 \{id, \rho_2, \rho_3, \tau_1, \tau_2, \tau_3\}=S_3 { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } = S 3 { i d , ρ 2 , ρ 3 } = A 3 \{id, \rho_2, \rho_3\}=A_3 { i d , ρ 2 , ρ 3 } = A 3 { i d , τ 1 } \{id, \tau_1\} { i d , τ 1 } { i d , τ 2 } \{id, \tau_2\} { i d , τ 2 } { i d , τ 3 } \{id, \tau_3\} { i d , τ 3 } { i d } \{id\} { i d }
なお、自分自身 S 3 S_3 S 3 や、要素が単位元だけからなる集合 { i d } \{id\} { i d } は『自明な部分群 』となります。また、自明な部分群以外の部分群は『真部分群 』となります。 { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } \{id, \rho_2, \rho_3, \tau_1, \tau_2, \tau_3\} { i d , ρ 2 , ρ 3 , τ 1 , τ 2 , τ 3 } (自明な部分群) { i d , ρ 2 , ρ 3 } \{id, \rho_2, \rho_3\} { i d , ρ 2 , ρ 3 } (真部分群) { i d , τ 1 } \{id, \tau_1\} { i d , τ 1 } (真部分群) { i d , τ 2 } \{id, \tau_2\} { i d , τ 2 } (真部分群) { i d , τ 3 } \{id, \tau_3\} { i d , τ 3 } (真部分群) { i d } \{id\} { i d } (自明な部分群)
群の定義 (3) より、単位元があることは群の条件に必要なので、どの部分群にも単位元 i d id i d が含まれます。 ここでは { i d , τ 1 } \{id, \tau_1\} { i d , τ 1 } について、群の定義 (1)~(4) をすべて満たすことを確認していきます。
(1) { i d , τ 1 } \{id, \tau_1\} { i d , τ 1 } の要素の積は { i d , τ 1 } \{id, \tau_1\} { i d , τ 1 } に含まれる。 i d i d = i d idid=id i d i d = i d i d τ 1 = τ 1 id\tau_1=\tau_1 i d τ 1 = τ 1 τ 1 i d = τ 1 \tau_1id=\tau_1 τ 1 i d = τ 1 τ 1 τ 1 = i d \tau_1\tau_1=id τ 1 τ 1 = i d より、置換の積はすべて { i d , τ 1 } \{id, \tau_1\} { i d , τ 1 } に含まれます。{ i d , τ 1 } \{id, \tau_1\} { i d , τ 1 } は置換の積について閉じています。
(2) 結合法則は成り立つ。 例 ( τ 1 i d ) τ 1 = τ 1 ( i d τ 1 ) (\tau_1id)\tau_1=\tau_1(id\tau_1) ( τ 1 i d ) τ 1 = τ 1 ( i d τ 1 ) 任意の要素に対して成り立つので、同じ要素があっても構いません。 結合法則は常に成り立ちます。
(3) 単位元は存在する。 i d i d ‾ = i d ‾ i d = i d id\underline{id}=\underline{id}id=id i d i d = i d i d = i d (変化しない) τ 1 i d ‾ = i d ‾ τ 1 = τ 1 \tau_1\underline{id}=\underline{id}\tau_1=\tau_1 τ 1 i d = i d τ 1 = τ 1 (変化しない) より、下線部の i d id i d が単位元となります。
(4) 逆元は存在する。 i d i d ‾ = i d ‾ i d = i d id\underline{id}=\underline{id}id=id i d i d = i d i d = i d (単位元) より、i d id i d の逆元は i d id i d です。 τ 1 τ 1 ‾ = τ 1 ‾ τ 1 = i d \tau_1\underline{\tau_1}=\underline{\tau_1}\tau_1=id τ 1 τ 1 = τ 1 τ 1 = i d より、τ 1 \tau_1 τ 1 の逆元は τ 1 \tau_1 τ 1 です。 下線部が各々の逆元となります。
以上により、群の定義 (1)~(4) をすべて満たしているので、{ i d , τ 1 } \{id, \tau_1\} { i d , τ 1 } は部分群となります。他の部分群に対しても、同様にして群であることが証明されます。
まとめ ここでは『部分群 』の解説をしましたが、いよいよ次は、ガロアの証明の核となる『正規部分群 』の解説に入ります。部分群のうち、特別な性質をもつ『正規部分群 』が、解の公式が存在するかどうかのカギを握ります。次回はそれを解説する予定していきます。
(注1){id} が群になることの証明。 恒等置換のみの集合 { i d } \{id\} { i d } が、置換の積に関して群の定義 (1)~(4) をすべて満たすことを確認していきます。 (1) i d i d idid i d i d は { i d } \{id\} { i d } の要素である。 i d i d = i d idid=id i d i d = i d より、{ i d } \{id\} { i d } の要素となります。
(2) 結合法則は成り立つ。 例 ( i d i d ) i d = i d ( i d i d ) (idid)id=id(idid) ( i d i d ) i d = i d ( i d i d ) より、結合法則は成り立ちます。
(3) 単位元は存在する。 i d i d ‾ = i d ‾ i d = i d id\underline{id}=\underline{id}id=id i d i d = i d i d = i d (変化しない) より、下線部の i d id i d が単位元となります。
(4) 逆元は存在する。 i d i d ‾ = i d ‾ i d = i d id\underline{id}=\underline{id}id=id i d i d = i d i d = i d (単位元) より、i d id i d の逆元は下線部の i d id i d です。
以上により、群の定義 (1)~(4) をすべて満たしているので、恒等置換だけからなる集合 { i d } \{id\} { i d } は、置換の積に関して群となります。i d id i d は単位元なので、{ i d } \{id\} { i d } は単位元だけからなる群です。一般に、単位元だけからなる群は、すべての群の部分群となります。
(参考)各章の内容 (1)「2次方程式の解の公式」を式変形で導出 ・平方完成 (2)「3次方程式の解の公式」を導出するための準備 ・1 1 1 の3乗根 ω \omega ω (3)「3次方程式の解の公式」を式変形で導出 ・チルンハウス変換 (4)「解と係数の関係」と「対称式」の解説 (5)「対称式」を用いた「2次方程式の解の公式」の導出 (6)「解の置換」と「ラグランジュ・リゾルベント」の解説 (7)「ラグランジュ・リゾルベント」による「3次方程式の解の公式」の導出 (8)「偶置換」と「奇置換」の解説(ここから「アーベルの証明 」の準備) (9)「差積の2乗」が対称式となること、及び「差積」と平方根を結ぶ等式の証明。 (10)「平方根」「3乗根」と次々と累乗根を加えていくアイデア (11)「アーベルの証明 」のアイデアを用いて、なぜ「2次方程式の解の公式が存在するのか」を解説(添加する式について加筆予定) (12)「アーベルの証明 」のアイデアを用いて、なぜ「3次方程式の解の公式が存在するのか」を解説(前編)。「差積の2乗の平方根」を用いて対称性を保つ置換を「偶置換」にまで絞り込む(対称性の破壊)。 (13)「アーベルの証明 」のアイデアを用いて、なぜ「3次方程式の解の公式が存在するのか」を解説(後編)。「ラグランジュ・リゾルベント」を用いて対称性を保つ置換を「恒等置換」にまで絞り込む(対称性の破壊)。⟶ \longrightarrow ⟶ 3次方程式の解の公式の完成 (14)「アーベルの証明 」の解説①。5次方程式の解の差積(または差積の2乗の平方根)を添加して、加減乗除ができる式の範囲を拡大。その結果、構成可能な式の対称性が5次置換(対称式)から偶置換シンメトリーへと破壊されることを解説。 (15)「アーベルの証明 」の解説②。すべての置換は互換で表せることから、5次置換をすべて互換の積で表して、偶置換と奇置換に分類する。 (16)「アーベルの証明 」の解説➂。「すべての偶置換は3次巡回置換の積で表される」ことの解説。 (17)「アーベルの証明 」の解説➃(最後)。「任意の3次巡回置換が5次巡回置換の積で表せる」ことによって、5次方程式には解の公式が存在しないことが証明されることの解説。 (18)もっと分かりやすくシリーズ①「累乗根の添加 」について重点解説。 (19)もっと分かりやすくシリーズ②「対称性の破壊 」について重点解説。 (20)もっと分かりやすくシリーズ③「対称性を恒等置換まで破壊 」することについて重点解説。 (21)もっと分かりやすくシリーズ➃ 何次方程式でも「最初に解の差積を添加して対称性を破壊すること 」は常套手段。 (22)もっと分かりやすくシリーズ➄「解の和と差の連立」 による2次方程式の解の公式の導出について。 (23)もっと分かりやすくシリーズ➅「対称式ではない解の公式を基本対称式で表す 」ことのついて。 (24)もっと分かりやすくシリーズ➆「定数 ω \bm{\omega} ω 」について復習 (25)もっと分かりやすくシリーズ➇ 3次方程式の解の公式の導出方法「カルダノの方法 」を復習 (26)もっと分かりやすくシリーズ➈「カルダノの方法 」と「対称性の破壊 」の関連について (27)もっと分かりやすくシリーズ⑩ そもそもなぜ解の公式が存在しないかを『巡回置換 』から紐解く (28)中学でも分かるガロアの証明① ガロアの発見した「群 」について簡単に解説