משפטי האיזומורפיזם

באלגברה, משפטי האיזומורפיזם הם שם שכיח לשלושה משפטים יסודיים שלפיהם חבורות מנה מסוימות הן איזומורפיות זו לזו. משפטים דומים תקפים גם עבור חוגי מנה ומודולי מנה. המשפטים מיוחסים לאמי נתר, ולפעמים הם נקראים "משפטי נתר", הראשון, השני והשלישי.

מן המשפטים האלה נובעת התאמה בין סריג תת-החבורות של חבורה $G$ המכילות תת-חבורה $N$, לבין סריג תת-החבורות של חבורת המנה $G/N$. משפט ההתאמה הזה נקרא לפעמים "משפט האיזומורפיזם הרביעי".

משפט האיזומורפיזם הראשון

תיאור

אם f הומומורפיזם ממבנה אלגברי A, אז המנה של A ביחס לגרעין של f איזומורפית לתמונה של f.

ניסוח

משפט האיזומורפיזם הראשון (לחבורות): תהיינה $G,H$ חבורות, ויהא $\varphi \colon G\to H$ הומומורפיזם. אזי $G/\ker \varphi \cong \operatorname {im} \varphi$.

משפט האיזומורפיזם הראשון (לחוגים): יהיו $R,S$ חוגים, ויהא $\varphi \colon R\rightarrow S$ הומומורפיזם. אזי $R/\ker \varphi \cong \operatorname {im} \varphi$.

משפט האיזומורפיזם הראשון (למודולים): יהיו $M,N$ שני מודולים מעל חוג $R$, ויהא $\varphi \colon M\rightarrow N$ הומומורפיזם. אזי $M/\ker \varphi \cong \operatorname {im} \varphi$.

הוכחה (עבור גרסת החבורות)

נעיר תחילה ש-$\ker \varphi$ הוא תת-חבורה נורמלית של $G$ ולכן חבורת המנה $G/\ker \varphi$ מוגדרת היטב. נסמן $K:=\ker \varphi$ ונגדיר העתקה $\Psi \colon G/K\to \operatorname {im} \varphi$ על ידי $\Psi (gK)=\varphi (g)$ לכל קוסט $gK\in G/K$. נראה כי הפונקציה היא איזומורפיזם וזה יוכיח את המשפט:

• הפונקציה היא מוגדרת היטב (כלומר, אם ניקח נציגים שונים עבור אותה מחלקת שקילות, נקבל אותה תוצאה): נניח כי $g_{1}K=g_{2}K\in G/K$. אזי $g_{2}\cdot g_{1}^{-1}\in K$ ובפרט $\varphi \left(g_{2}\cdot g_{1}^{-1}\right)=1$. כעת:

$\Psi \left(g_{1}K\right)=\varphi \left(g_{1}\right)=1\cdot \varphi \left(g_{1}\right)=\varphi \left(g_{2}\cdot g_{1}^{-1}\right)\cdot \varphi \left(g_{1}\right)=\varphi \left(g_{2}\cdot g_{1}^{-1}\cdot g_{1}\right)=\varphi \left(g_{2}\right)=\Psi \left(g_{2}K\right)$

• הפונקציה היא הומומורפיזם: ניקח $g_{1}K,g_{2}K\in G/K$ ואז:

$\Psi \left(g_{1}K\cdot g_{2}K\right)=\Psi \left(g_{1}g_{2}K\right)=\varphi \left(g_{1}g_{2}\right)=\varphi \left(g_{1}\right)\cdot \varphi \left(g_{2}\right)=\Psi (g_{1}K)\cdot \Psi (g_{2}K)$

• הפונקציה היא על: יהי $h\in {\mbox{Im}}\varphi$ כלשהו. על-פי הגדרת התמונה, קיים $g\in G$ כך ש-$\varphi (g)=h$, וסך הכל נקבל כי $\Psi (gK)=\varphi (g)=h$.
• הפונקציה היא חד-חד-ערכית: ניקח $g_{1}K,g_{2}K\in G/K$ ונניח כי $\Psi (g_{1}K)=\Psi (g_{2}K)$. אזי $\varphi (g_{1})=\varphi (g_{2})$, כלומר $\varphi (g_{1})\varphi (g_{2})^{-1}=1$, כלומר $\varphi (g_{1}g_{2}^{-1})=1$, כלומר $g_{1}g_{2}^{-1}\in K$, כלומר $g_{1}K=g_{2}K$.

יישום של המשפט עבור מרחבים וקטוריים

ניתן לפרש את משפט הממדים עבור העתקות ליניאריות כהדגמה של משפט האיזומורפיזם הראשון, שכן מרחבים וקטוריים הם סוג של חבורות אבליות. במקרה זה ההעתקה הליניארית $T\colon U\to V$ היא הומומורפיזם בין החבורות $U$ ו-$V$. בעוד שהגרעין $W\in U$ והתמונה $S\in V$ של הומומורפיזם זה מקבלים את המשמעות שלהם בהשאלה ממשמעותם באלגברה ליניארית. בהינתן תת-מרחב $W$, האיברים של חבורת המנה $U/W$ (כלומר הקוסטים של $W$ ב-$U$) הם בעצם כל המרחבים מממד זהה ש"מקבילים" ביחס אליו. לדוגמה, בהינתן מישור $\mathbb {R} ^{2}$ וכיוון בתוכו, הקוסטים המתאימים לו הם כל הישרים המקבילים לכיוון זה. כלומר, איברי חבורת המנה פועלים על קוסט הזהות $W$ באותו אופן כמו הזזות (translations), ולפיכך מספר איברי חבורת המנה $U/W$ הוא כמספר ההזזות בכיוונים שאינם מוכלים ב-$W$. עבור מרחבים וקטוריים מעל שדות סופיים ניתן לספור ישירות את מספר הכיוונים הללו, אולם במקרה האינסופי יש לדבר על ממדי המרחבים הללו. לפיכך:$\dim(U/W)=\dim U-\dim W$, בעוד שלפי משפט האיזומורפיזם הראשון מתקיים גם $\dim(U/W)=\dim(\operatorname {im} (T))$, ולכן $\dim(\operatorname {Im} (T))=\dim U-\dim(\ker(T))$.

משפט האיזומורפיזם השני

ניסוח

משפט (ניסוח לתורת החבורות): תהא $G$ חבורה, תהא $M\leq G$ תת-חבורה ותהא $N\vartriangleleft G$ תת-חבורה נורמלית. אזי $(MN)/N\cong M/(M\cap N)$.

משפט (ניסוח לתורת החוגים): יהא $R$ חוג, יהא $S$ תת-חוג של $R$ ויהא $I$ אידיאל דו-צדדי של $R$. אזי $(S+I)/I\cong S/(S\cap I)$.

משפט (ניסוח לתורת המודולים): יהא $M$ מודול מעל חוג $R$, ויהיו $N,K$ תתי-מודולים של $M$. אזי $(N+K)/K\cong N/(N\cap K)$.

הוכחה (עבור גרסת החבורות)

לפני ההוכחה יש להעיר שמשום ש-$M\leq G$ וגם $N\vartriangleleft G$ אזי $M\cap N\vartriangleleft M$, ולכן חבורת המנה $M/(M\cap N)$ מוגדרת היטב. מגדירים כעת העתקה $\varphi \colon M\rightarrow (MN)/N$ על ידי $\varphi (m)=mN$ לכל $m\in M$. שמים לב לשלוש אבחנות:

1. ההעתקה $\varphi$ היא הומומורפיזם כי לכל $m_{1},m_{2}\in M$ מתקיים:

   ${\begin{aligned}\varphi (m_{1}m_{2})&=(m_{1}m_{2})N\\&=(m_{1}N)(m_{2}N)\\&=\varphi (m_{1})\varphi (m_{2})\end{aligned}}$

2. ההעתקה $\varphi$ היא על כי אם $mnN\in (MN)/N$ עבור $m\in M,n\in N$ אז $\varphi (m)=mN=mnN$. השוויון $mN=mnN$ מתקיים כי $n\in N$
3. מתקיים:

   ${\begin{aligned}\ker \varphi &=\left\{m\in M:\varphi (m)=N\right\}\\&=\left\{m\in M:mN=N\right\}\\&=\left\{m\in M:m\in N\right\}\\&=M\cap N\end{aligned}}$

סך הכל מקבלים ממשפט האיזומורפיזם הראשון כי $M/(M\cap N)=M/\ker \varphi \cong {\mbox{Im}}\varphi =(MN)/N$ כנדרש.

מסקנה מהמשפט

במקרה של המשפט בגרסת תורת החבורות, ניתן להסיק ש-$M/(M\cap N)$ איזומורפי לתת-חבורה של $G/N$, ובפרט $[M:M\cap N]\leq [G:N]$, כאשר $[G:N]$ מסמן את האינדקס של $N$ ב-$G$. מכאן נובע אי-השוויון השימושי $[G:M\cap N]\leq [G:N][G:M]$.

משפט האיזומורפיזם השלישי (כלל הצמצום)

ניסוח

משפט (ניסוח לתורת החבורות): תהא $G$ חבורה ויהיו $M,N$ תתי-חבורות נורמליות של $G$ המקיימות $M\leq N$. אזי $(G/M)/(N/M)\cong G/N$.

משפט (ניסוח לתורת החוגים): יהא $R$ חוג ויהיו $I,J$ אידיאלים דו-צדדיים של $R$ המקיימים $I\subseteq J$. אזי $(R/I)/(J/I)\cong R/J$.

משפט (ניסוח לתורת המודולים): יהא $M$ מודול מעל חוג $R$ ויהיו $N,K$ תתי-מודולים של $M$ המקיימים $K\subseteq N$. אזי $(M/K)/(N/K)\cong M/N$.

הוכחה (עבור גרסת החבורות)

תחילה, נעיר שמשום ש-$M\vartriangleleft G$ ו-$M\leq N$ וגם $N\vartriangleleft G$ אז $M\vartriangleleft N$. לכן, חבורת המנה $N/M$ מוגדרת היטב וניתן להראות שמתקיים $N/M\vartriangleleft G/M$. מכאן שהביטוי $(G/M)/(N/M)$ מוגדר היטב, ונוכל לעבור להוכחת האיזומורפיות. מגדירים כעת העתקה $\varphi \colon G/M\rightarrow G/N$ על ידי $\varphi (gM)=gN$ לכל $g\in G$. שמים לב לשלוש אבחנות:

• ההעתקה $\varphi$ היא הומומורפיזם כי לכל $g_{1}M,g_{2}M\in G/M$ מתקיים:

$\varphi ((g_{1}M)(g_{2}M))=\varphi (g_{1}g_{2}M)=g_{1}g_{2}N=(g_{1}N)(g_{2}N)=\varphi (g_{1}M)\varphi (g_{2}M)$

• ההעתקה $\varphi$ היא על כי אם $gN\in G/N$ עבור $g\in G$ אז $\varphi (gM)=gN$.
• מתקיים:

$\ker \varphi =\left\{gM\in G/M:\varphi (gM)=N\right\}=\left\{gM\in G/M:gN=N\right\}=\left\{gM\in G/M:g\in N\right\}=N/M$

סך הכל מקבלים ממשפט האיזומורפיזם הראשון כי $(G/M)/(N/M)=(G/M)/\ker \varphi \cong {\mbox{Im}}\varphi =G/N$ כנדרש.

משפט ההתאמה (הסריג)

בהינתן חבורה $G$ ותת חבורה נורמלית $N\triangleleft G$, יש התאמה חח"ע ועל בין תת-החבורות של $G$ שמכילות את $N$, לבין תת-החבורות של חבורת המנה $G/N$. כלומר, אם נסמן ${\mathcal {G}}=\{H\mid N\subseteq H\leq G\}$ ו-${\mathcal {N}}=\{H\mid H\leq G/N\}$, אז יש התאמה חח"ע ועל $\varphi \colon {\mathcal {G}}\to {\mathcal {N}}$, והיא נתונה על ידי $\varphi (A)=A/N$ לכל $A\in {\mathcal {G}}$.