「準同型」の版間の差分

m
編集の要約なし
m
'''準同型'''(じゅんどうけい、''homomorphic'')とは、複数の対象(おもに[[代数的構造|代数系]])に対して、それらの特定の[[構造 (数学)|数学的構造]]に関する類似性を表す概念で、構造を保つ[[写像]]である'''準同型写像'''(じゅんどうけいしゃぞう、''homomorphism'', ''morphism'') を持つことを意味する。構造がまったく同じであることを表すときは、準同型・準同型写像の代わりに'''同型'''(どうけい、''isomorphic'')および'''同型写像'''(どうけいしゃぞう、''isomorphism'')という用語を用いる。しばしば、準同型写像・同型写像のことを指して単に準同型・同型と呼ぶ。
'''準同型'''(じゅんどうけい)あるいは'''準同型写像'''(じゅんどうけいしゃぞう) (homomorphism, morphism) とは、同じ[[構造 (数学)|数学的構造]]をもつ集合の間で定義される、その構造を保つ[[写像]]のことである。おもに[[代数的構造]]に関するものを準同型と呼ぶことが多い。
 
== 定義と概要 ==
準同型写像 ''f'': ''A'' → ''B'' が与えられたとき、その像 ''f''(''A'') は ''B'' の部分系となる。特に ''f'' が単射であれば ''A'' は ''B'' にその構造まで込めて埋め込まれる。ゆえに、単射な準同型はしばしば'''埋め込み'''(うめこみ、embedding)と呼ばれることがある。なお、単射な準同型、全射な準同型はそれぞれ'''単準同型'''(たんじゅんどうけい、monomorphism)、'''全準同型'''(ぜんじゅんどうけい、epimorphism)とも言われる。
''A'' を台集合として、代数的構造 ''R'' をもつ代数系を (''A'', ''R'') と記す。''R'' は[[演算]]と呼ばれる写像
:<math>\alpha\colon A \times \cdots \times A \to A</math>
の集まりである。同類である二つの代数系 (''A'', ''R''), (''B'', ''S'') (''R'' = {&alpha;<sub>&lambda;</sub>}<sub>&lambda;&isin;&Lambda;</sub>, ''S'' = {&beta;<sub>&lambda;</sub>}<sub>&lambda;&isin;&Lambda;</sub>) に対し、(''A'', ''R'') から (''B'', ''S'') への'''準同型写像''' (''f'', ''F''): (''A'', ''R'') &rarr; (''B'', ''S'') (F = {''f''<sub>&lambda;</sub>}<sub>&lambda;&isin;&Lambda;</sub>) とは、台集合の間の写像 ''f'': ''A'' &rarr; ''B'' であって、''R'', ''S'' の各々対応する演算 &alpha;<sub>&lambda;</sub>, &beta;<sub>&lambda;</sub> を可換にする(あるいは両立させる)写像 ''f''<sub>&lambda;</sub> を引き起こすものをいう。つまり
:<math>f\circ \alpha_\lambda = \beta_\lambda\circ f_\lambda,\quad
\left(f_\lambda((x_i)_{i\in I_\lambda}) := (f(x_i))_{i \in I_\lambda}\right)</math>
となる写像の組 (''f'', ''F'') を準同型写像と呼ぶのである。ここで、&alpha;<sub>&lambda;</sub>, &beta;<sub>&lambda;</sub> は |I<sub>&lambda;</sub>| 項演算であるものとする。通常は (''f'', ''F''): (''A'', ''R'') &rarr; (''B'', ''S'') を単に準同型 ''f'': ''A'' &rarr; ''B'' と略記する。
 
重要なことは、''A'' の演算と ''B'' の演算とが ''f'' のみで一対一に対応させることができるということである。これを、''f'' は'''構造を保存する'''といい表す。これにより、''A'' における演算が ''f'' で ''B'' に移されると考えることができる。特に、準同型写像 ''f'': ''A'' &rarr; ''B'' が与えられたとき、その像 ''f''(''A'') は ''B'' の部分代数系となる。さらに ''f'' が単射であれば ''A'' は ''B'' にその構造まで込めて埋め込まれる。ゆえに、単射な準同型はしばしば'''埋め込み'''(うめこみ、embedding)と呼ばれることがある。なお、単射な準同型、全射な準同型はそれぞれ'''単準同型'''(たんじゅんどうけい、monomorphism)、'''全準同型'''(ぜんじゅんどうけい、epimorphism)とも言われる。準同型写像 ''f'' が逆写像 ''f''<sup> -1</sup> を持ち、なおかつ ''f''<sup> -1</sup> もまた準同型であるとき、''f'' は'''同型写像'''であるという。''f'' が同型ならば ''f''<sup> -1</sup> も同型である。ある数学的構造を持つ二つの集合 ''A'', ''B'' の間に準同型写像が存在するとき、''A'' と ''B'' とは準同型であるといい、さらに同型写像が存在するとき同型であるという。互いに同型な集合はその構造に関しては同じものとみなすことができる。[[体 (数学)|体]]の準同型(単位元持つ環としての準同型)は常に単射であり、かつ零射でないのでその像と元の体は同型になる。ゆえに体の場合は準同型といわず'''中への同型'''とよび、さらに全射ならば'''上への同型'''であるという。また、[[群論|群]]や[[環論|環]]の準同型、[[ベクトル空間]]の[[線型写像]](環上の[[加群]]としての準同型)は全単射ならば同型である。
準同型写像 ''f'' が逆写像 ''f''<sup> -1</sup> を持ち、なおかつ ''f''<sup> -1</sup> もまた準同型であるとき、''f'' は'''同型'''(どうけい)あるいは'''同型写像'''(どうけいしゃぞう)であるという。''f'' が同型ならば ''f''<sup> -1</sup> も当然同型である。
 
また、まったく同じ写像でも、ある構造に注目したときは準同型を与えるけれども、始域・終域にさらに構造をいれたり、他の構造を持つ集合と見たりしたときには準同型でないことがありうる。したがって、同時にいくつもの構造を併せ持つ集合たちの間の準同型を扱う時には、それがどの構造と可換であるかをはっきりさせる必要が生じる。
ある数学的構造を持つ二つの集合 ''A'', ''B'' の間に同型写像が存在するとき、''A'' と ''B'' は同型であるという(同様の言い回しは準同型でも通用するが、あまり使われないようである)。互いに同型な集合はその構造に関しては同じものとみなすことができる。
 
== 諸定義 ==
値域と終域が同じ集合 ''A'' である準同型写像 ''f'': ''A'' &rarr; ''A'' は ''A'' 上の'''自己準同型'''(じこじゅんどうけい、endomorphism)であると言い、さらに ''f'' が同型写像であるときには ''A'' 上の'''自己同型'''(じこどうけい、automorphism)と呼ばれる。
=== 自己同型群・自己準同型環 ===
代数系 (''A'', ''R'') に対し、始域と終域が同じ集合 ''A'' である準同型写像 ''f'': ''A'' &rarr; ''A'' は ''A'' 上の'''自己準同型'''(じこじゅんどうけい、endomorphism)であると言い、さらに ''f'' が同型写像であるときには ''A'' 上の'''自己同型'''(じこどうけい、automorphism)と呼ばれる。 ''A'' 上の自己同型の全体 Aut(''A'') は写像の合成を二項演算と考えれば、恒等写像 id<sub>''A''</sub> を単位元とし、逆写像を逆元とする群を成す。これを ''A'' 上の'''自己同型群'''と呼ぶ。
 
また、''G'' が群であるとき、''G'' 上の自己準同型 ''f'', ''g'' に対し、''f''(x)''g''(''y'') = ''g''(''y'')''f''(''x'') がどんな ''x'', ''y'' &isin; ''G'' に対しても成り立つなら ''f'' と ''g'' は'''加法可能'''であると言い、(''f'' + ''g'')(''x'') := ''f''(''x'')''g''(''x'') (''x'' &isin; ''G'') と置く。特に、''G'' が[[アーベル群]]なら ''G'' 上の自己準同型の全体 End(''G'') で加法が定義され、さらに写像の合成を積として End(''G'') は環となる。これを ''G'' 上の'''自己準同型環'''という。
==例==
 
== ==
[[群論|群]]や[[環論|環]]の準同型、[[ベクトル空間]]の[[線形写像]](環上の加群としての準同型)は全単射ならば同型である。また、[[体 (数学)|体]]の準同型(単位元持つ環としての準同型)は常に単射であり、かつ零射でないのでその像と元の体は同型になる。ゆえに体の場合は準同型といわず'''中への同型'''とよび、さらに全射ならば'''上への同型'''であるという。
=== マグマの準同型 ===
集合 ''M'' と ''M'' のなかで閉じたひとつの二項演算 &alpha;: ''M'' &times; ''M'' &rarr; ''M'' が与えられている代数系 (''M'', &alpha;) をマグマと言う。''M'' の二つの元 ''x'', ''y'' に対し、(''x'', ''y'') の &alpha; による像を ''x''&alpha;''y'' と記すことにすると、二つのマグマ (''M'', &alpha;), (''N'', &beta;) の間の準同型 ''f'': ''M'' &rarr; ''N'' とは
:<math>f(x\alpha y) = f(x)\beta f(y)</math>
となる写像 ''f'': ''M'' &rarr; ''N'' である。
 
=== 群準同型 ===
[[連続写像]]は[[位相空間]]における準同型であるとみなせる。同型写像に当たるものは全単射かつ両連続な写像であり、それは同相写像あるいは[[位相同型]]写像と呼ばれる。
[[群論|群]]は積と呼ばれる[[二項演算]] &times; を持ち、積に関する単位元 1<sub>''G''</sub> の存在という 0 項演算、積に関する逆元をとる単項演算 &middot;<sup>&minus;1</sub> の三つの演算を持つ代数系である。したがって、二つの群 ''G'' = (''G'', &times;, 1<sub>''G''</sub>, &middot;<sup>&minus;1</sup>), ''H'' = (''H'', &times;&prime;, 1<sub>''H'';</sub>, &middot;<sup>&minus;1</sup>) の間の準同型 ''f'': ''G'' &rarr; ''H'' は条件
#<math>f(x_1\times x_2) = f(x_1)\times' f(x_2)\quad(x_1,\, x_2 \in G),</math>
#<math>f(1_G) = 1_{H},</math>
#<math>f(x^{-1}) = f(x)^{-1}\quad(x\in G)</math>
を満たすものである。ただし、条件 1 は後の条件 2, 3 を導くため、群の準同型は条件 1 のみによって定義されると考えてよい。また、しばしば (''G'', &times;, 1<sub>''G''</sub>, &middot;<sup>&minus;1</sup>) を (''G'', &times;) と略記する。
 
正の実数全体 '''R'''<sub>+</sub> が乗法に関して成す群 ('''R'''<sub>+</sub>, &times;) と実数全体 '''R''' が加法に関して成す群 ('''R''', +) を考えるとき、[[対数関数]] log は
同様に、単調写像(順序を保つ写像・順序を逆にする写像)は[[順序集合]]における準同型であり、全単射な単調写像は順序同型(順序を保つ同型・順序を逆にする同型)であるという。
:<math>\log(a\times b) = \log(a) + \log(b)</math>
を満たす。ゆえに log: '''R'''<sub>+</sub> &rarr; '''R''' は準同型の例を与える。
 
=== 線型写像 ===
基点を持つ集合の間の準同型とは、基点を基点にうつす写像である。
[[体 (数学)|体]] ''K'' 上のベクトル空間 ''V'' とは、加法と呼ばれる二項演算 + とスカラー倍と呼ばれる単項演算族 {&alpha;<sub>k</sub>: ''V'' &rarr; ''V''}<sub>''k''&isin;''K''</sub> (&alpha;<sub>''k''</sub>(''v'') := ''kv'' for ''k'' &isin; ''V'') を演算として持つ代数系 (''V'', +, 0, &minus;&middot;, {&alpha;<sub>k</sub>}<sub>''k''&isin;''K''</sub>) である(ここで、0 は加法に関する単位元([[零元]])であり, &minus;&middot; は加法に関する逆元(マイナス元)を与える単項演算であるが、加法に関して ''V'' は群となるのでこれを略して (''V'', +, {&alpha;<sub>k</sub>}<sub>''k''&isin;''K''</sub>) と考えてもよい)。また、スカラー倍の全体からなる単項演算族は体 ''K'' から ''V'' の加法群としての[[アーベル群#アーベル群の準同型|自己準同型環]] End(''V'') への単位的環としての準同型像として得られるものである。
 
二つのベクトル空間 (''V'', +, {&alpha;<sub>k</sub>}<sub>''k''&isin;''K''</sub>), (''W'', +&prime;, {&beta;<sub>k</sub>}<sub>''k''&isin;''K''</sub>) (&beta;<sub>k</sub>: ''W'' &rarr; ''W''; &beta;<sub>''k''</sub>(''w'') := ''kw'' for ''k'' &isin; ''W'') の間の準同型 ''f'': ''V'' &rarr; ''W'' は
==その他==
*<math>f(v_1 + v_2) = f(v_1) +' f(v_2) \quad (v_1,\,v_2 \in V),</math>
*<math>f(kv) = f(\alpha_k(v)) = \beta_k(f(v)) = kf(v)\quad (v \in V)</math>
を満たすものである。ベクトル空間の間の準同型写像のことを通常は、[[線型写像]]と呼ぶ。
 
**== [[代数的構造]]以外の構造 ==
本質的には、準同型写像とは特定の数学的構造のなす[[圏論|圏]]における[[モルフィズム|射]] (morphism) になっているような写像のことであると言ってよい。(もちろん一般の圏ではその対象は集合とは限らないし、その射が写像であるとも限らない。)
[[位相群]]や[[順序体]]など、代数的構造以外に付加的な構造を持つ代数系において準同型写像と呼ぶべきものは、単に代数系としての準同型になっているということだけではなく、付加された構造をも考慮したものをとるのが普通である。たとえば[[位相空間]]の構造を持つならば準同型は[[連続写像]]である。同型写像に当たるものは全単射かつ両連続な写像であり、それは同相写像あるいは[[位相同型]]写像と呼ばれる。同様に、[[順序集合]]における準同型は単調写像(順序を保つ写像・順序を逆にする写像)であり、同型写像は全単射な単調写像であって、順序同型(順序を保つ同型・順序を逆にする同型)と呼ばれるものである。あるいは、単なる集合を演算を持たない代数系と思えば、その間の準同型は単に写像であるということになるし、集合の中に特定の点(基点)を固定して構造として付加したものと考えるなら、基点を持つ集合の間の準同型は、基点を基点にうつす写像である。
 
本質的には、準同型写像とは特定の数学的構造のなす[[圏論|圏]]における[[モルフィズム|]] (morphism圏論) |射]]になっているような写像のことであると言ってよい(もちろん一般の圏ではその対象は集合とは限らないし、その射が写像であるとも限らない。準同型を射のことととらえるならば代数系に考察を限る必要はない。
数学的構造を[[二項演算|演算]]とみなす(例えば、単位元の存在を 0 項演算とおもってみる)とき、準同型というのはその演算との可換性を要求されているとみることもできる。
 
また、まったく同じ写像でも、ある構造に注目したときは準同型を与えるけれども、始域・終域にさらに構造をいれたり、他の構造を持つ集合と見たりしたときには準同型でないことがありうる。したがって、同時にいくつもの構造を併せ持つ集合たちの間の準同型を扱う時には、それがどの構造と可換であるかをはっきりさせる必要が生じる。
 
==関連項目==
 
* [[構造 (数学)]]
** [[代数的構造]]
** [[順序的構造]]
** [[位相的構造]]
 
* [[群論]]
* [[環論]]
* [[体論]]
* [[ベクトル空間]]
* [[リー群]]
* [[リー環]]
 
* [[連続写像]]
 
* [[圏論]]
** [[モルフィズム|モルフィズム (圏論)]]
 
{{stub}}
 
== 関連項目 ==
** [[順序数学的構造]]
* [[構造 (数学圏論)]]
{{math-stub}}
[[category:代数的構造|しゆんとうけい]]
 
[[de:Homomorphismus]]
[[en:Homomorphism]]
3,156

回編集