1 同変写像と推移的作用
定義 1.1. 群Gが集合X,Yに左から作用するとする。写像f:X→Yがすべてのg∈Gとx∈Xに対して
f(g⋅x)=g⋅f(x)を満たすとき、fを同変写像 (equivariant map) という。全単射である同変写像を同変同型 (equivariant isomorphism) という。
補題 1.2. 群Gの作用を受ける集合X,Yの間の同変同型f:X→Yの逆写像は同変写像である。
証明.g∈G、y∈Yに対し、x=f−1(y)と置く。同変性からf(g⋅x)=g⋅yであり、両辺にf−1を適用するとg⋅f−1(y)=f−1(g⋅y)を得る。▨
命題 1.3. 群Gが非空集合Xに推移的に作用し、x∈Xとする。安定化群Gxに対する写像
Φx:G/Gx⟶X,aGx⟼a⋅xは同変同型である。逆に、任意の部分群H≤Gに対し、左乗法による作用
g⋅(aH)=(ga)Hを持つG/Hは非空で推移的である。
証明. 推移性からG⋅x=Xである。§E7.10 定理 3.4によりΦxは全単射であり、
Φx(g⋅(aGx))=(ga)⋅x=g⋅Φx(aGx)であるから同変である。逆の主張は§E7.10 命題 4.1により成り立ち、H∈G/HであるからG/Hは非空である。▨
2 剰余類集合の同変写像
命題 2.1. 群Gと部分群H,K≤Gに対し、G/HからG/Kへの同変写像は、そのHにおける値によって一意に定まる。剰余類gK∈G/Kが同変写像のHにおける値となるための必要十分条件は
g−1Hg⊆Kである。この条件を満たすgKに対応する写像は
fg:G/H⟶G/K,aH⟼agKであり、全射である。さらに、fgが同変同型であるための必要十分条件はg−1Hg=Kである。
証明. 同変写像fに対してf(H)=gKとすると、すべてのa∈Gについてf(aH)=af(H)=agKである。h∈HならばhH=HであるからhgK=gKであり、§E7.6 式 (1.2.1)によりg−1hg∈Kである。したがってg−1Hg⊆Kを得る。
g−1Hg⊆Kと仮定する。aH=bHならばa−1b∈Hであり、g−1a−1bg∈KであるからagK=bgKである。したがってfgは代表元によらず定まる。u,a∈Gに対してfg(uaH)=uagK=u⋅fg(aH)であるから、fgは同変である。任意のbK∈G/Kはfg(bg−1H)に等しいから、fgは全射である。
g−1Hg=Kならば、agK=bgKからg−1a−1bg∈K=g−1Hgを得る。したがってa−1b∈H、すなわちaH=bHであり、fgは単射である。逆に、fgが単射ならば、k∈Kに対して
fg(gkg−1H)=gkK=gK=fg(H)であるからgkg−1∈Hである。ゆえにK⊆g−1Hgであり、既に得た包含と合わせてg−1Hg=Kとなる。▨
系 2.2. 群Gと部分群H,K≤Gに対し、G/HとG/Kが同変同型であることと、H,KがGの中で共役であることは同値である。
証明.命題 2.1により、同変同型が存在することは、あるg∈Gに対してg−1Hg=Kが成り立つことと同値である。▨
3 二重剰余類
定義 3.1. 群G、部分群H,K≤G、元g∈Gに対し、集合
HgK={hgk∣h∈H, k∈K}をgの二重剰余類 (double coset) という。二重剰余類全体の集合をH\G/Kと書く。
命題 3.2. 群Gと部分群H,K≤Gに対し、HがG/Kに左乗法で作用するとき、gKの軌道は
H⋅(gK)={hgK∣h∈H}であり、その安定化群はH∩gKg−1である。軌道を、その軌道に属する剰余類の和集合へ送る写像は、軌道全体の集合からH\G/Kへの全単射である。とくに二重剰余類全体はGを分割する。
証明.h∈Hに対して、hgK=gKであることはg−1hg∈Kと同値であるから、安定化群はH∩gKg−1である。軌道H⋅(gK)に属する剰余類の和集合は
h∈H⋃hgK=HgKである。§E7.10 命題 3.2により軌道全体はG/Kを分割し、§E7.6 定理 1.3により剰余類全体はGを分割する。したがって、各軌道の剰余類の和集合は互いに素であり、G全体を尽くす。各和集合は非空であるから、異なる軌道は異なる二重剰余類を与える。任意の二重剰余類HgKは軌道H⋅(gK)から得られるので、写像は全単射である。▨
命題 3.3. 群Gの有限部分群H,Kと元g∈Gに対し、
∣HgK∣=∣H∩gKg−1∣∣H∣∣K∣が成り立つ。
証明.命題 3.2と§E7.10 定理 3.4により、H⋅(gK)に属する剰余類の個数は∣H∣/∣H∩gKg−1∣である。各剰余類aKへの写像K→aK、k↦akは、逆写像u↦a−1uを持つ全単射である。したがって各剰余類の元の個数は∣K∣である。HgKは軌道に属する剰余類の互いに素な和であるから、主張の等式が成り立つ。▨
例 3.4.G=S3、H=K={e,(12)}、g=(123)とし、置換の積は右側から作用させる。g(12)g−1=(23)であるから、H∩gHg−1={e}である。命題 3.3により∣HgH∣=4であり、実際に
HgH={(123),(23),(13),(132)}である。残る二つの元はHeH=Hに属するので、二重剰余類はH,HgHの二つである。G/Hは三点からなり、Hの作用は一点軌道{H}と二点軌道{gH,(12)gH}に分かれる。
4 演習
問題 4.1.S3が自身に左乗法で作用するとする。このS3集合の同変同型をすべて求め、二つの同変同型の合成を計算せよ。
解答.
S3の左乗法作用はS3/{e}への作用と同一視される。命題 2.1をH=K={e}に適用すると、同変同型は
fg(a)=ag(g∈S3)という六つの写像である。fg(e)=gであるから、異なるgは異なる写像を与える。任意のa∈S3について
(fg∘fh)(a)=(ah)g=a(hg)=fhg(a)である。したがってfg∘fh=fhgであり、逆写像はfg−1である。▨