商群

在数学中，商群或因子群是通过保持群结构的等价关系来把较大群中的类似元素聚类而产生的群。 给定一个群G和G的正规子群N，G在N上的商群或因子群，在直觉上是把正规子群N“萎缩”为单位元的群。商群写为G/N并念作G mod N（mod是模的简写）。如果N不是正规子群，商仍可得到，但结果将不是群，而是齐次空间。

群论
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群

群的子集的乘积

在随后的讨论中，我们将使用在G的子集上的二元运算：如果给出G的两个子集S和T，我们定义它们的乘积为ST = { st : s∈S并且t∈T }。这个运算是符合结合律的并有单位元为单元素集合{e}，这里的e是G的单位元。因此，G的所有子集的集合形成了在这个运算下的幺半群。

凭借这个运算我们可以首先解释商群是什么，并接着解释正规子群是什么：

群G的商群是G的一个划分，而它在这个乘积运算下是群。

它完全由包含e的子集所确定。G的正规子群是在任何这种划分中包含e的集合。在划分中的子集是这个正规子群的陪集。

群G的子群N是正规子群，当且仅当陪集等式aN = Na对于所有G中的a都成立。依据上述定义的在子集上的二元运算，G的正规子群是交换于G的所有子集的子群，并指示为N ⊲ G。排列于G的所有子群的子群叫做可排列子群。

定义

设N是群G的正规子群。我们定义集合G/N是N在G中的所有左陪集的集合，就是说G/N = { aN : a∈G }。在G/N上的群运算定义如上。换句话说，对于每个G/N中aN和bN，aN和bN的乘积是 (aN)（bN）。这个运算是闭合的，因为 (aN)(bN)实际上是左陪集：

(aN)(bN) = a(Nb)N = a(bN)N =(ab)NN =(ab)N。

N的正规性被用在了这个等式中。因为N的正规性，N在G中的左陪集和右陪集是相等的，所以G/N也可以定义为N在G中所有的右陪集的集合。因为运算是从G的子集的乘积得出的，这个运算是良好定义的（不依赖于表示的特定选择），符合结合律的，并有单位元N。G/N的元素aN的逆元是a−1N。

定义的动机

G/N叫做商群的理由来自整数的除法。在12除以3的时候得到答案4是因为我们可以把12个对象重新分组为3个对象的4个子搜集。商群出于同样想法，但用一个群作为最终答案而非一个数，因为群要比对象的随机搜集要更有结构。

更细致的说，在查看G/N而N是G的正规子群的时候，这个群结构形成一种自然“重新分组”。它们是N在G中陪集。因为我们从一个群和正规子群得到的最终的商包含比只是陪集的（正常除法所产生的）数目要更多的信息，这里得到了一个群结构自身。

例子

  • 考虑整数集Z（在加法下）的群和所有偶数构成的子群2Z。这是个正规子群，因为Z是阿贝尔群。只有两个陪集：偶数的集合和奇数的集合；因此商群Z/2Z是两个元素的循环群。这个商群同构于集合{ 0, 1 }带有模2加法运算的群；非正式的说，有时称Z/2Z等于集合{ 0, 1 }带有模2加法。
  • 上个例子的稍微一般化。再次考虑整数集Z在加法下的群。设n是任何正整数。我们考虑由n的所有倍数构成的Z的子群nZ。nZ在Z中还是正规子群因为Z是阿贝尔群。陪集们是搜集{nZ,1+nZ,...,(n−2)+nZ,(n−1)+nZ}。整数k属于陪集r+nZ，这里的r是k除以n的馀数。商Z/nZ可以被认为模以n的“馀数”的群。这是个n阶循环群。
 
N在G中的陪集
  • 考虑复数十二次单位一的根的乘法阿贝尔群G，它们是在单位圆上的点，它们在右图中展示为着色的球并在每点上用数标记出它们的辐角。考虑它由单位一的四次根构成的子群N，在图中表示为红色球。这个正规子群把群分解为三个陪集，分别表示为红色、绿色和蓝色。你可以验证这些陪集形成了三个元素的群（红色元素和蓝色元素的乘积是蓝色元素，蓝色元素的逆元是绿色元素等等）。因此商群G/N是三种颜色元素的群，它又是三个元素的循环群。
  • 考虑实数集R在加法下的群，和整数集子群Z。Z在R中的陪集们是形如a + Z的所有集合，这里0 ≤ a < 1是实数。这种陪集的加法是通过做相应的实数的加法，并在结果大于或等于1的时候减去1完成的。商群R/Z同构于圆群S1，它是绝对值为1的复数在乘法下的群，或者说关于原点的二维旋转的群，也就是特殊正交群SO(2)。有一个同构给出为f(a + Z) = exp（2πia，参见欧拉恒等式）。
  • 如果G是可逆的3 × 3实数矩阵的群，而N是带有行列式为1的3 × 3实数矩阵的子群，那么N在G中是正规子群（因为它是行列式同态的核）。N的陪集们是带有给定行列式的矩阵的集合们，因此G/N同构于非零实数的乘法群。
  • 考虑阿贝尔群Z4 = Z/4Z（也就是集合{ 0, 1, 2, 3 }带有加法模4），和它的子群{ 0, 2 }。商群Z4 / { 0, 2 }是{ { 0, 2 }, { 1, 3 } }。这是带有单位元{ 0, 2 }的群，群运算如{ 0, 2 } + { 1, 3 } = { 1, 3 }。子群{ 0, 2 }和商群{ { 0, 2 }, { 1, 3 } }同构于Z2。
  • 考虑乘法群 。第n个馀数的集合N是 的ϕ (n)阶乘法子群。则N在G中是正规子群并且因子群G/N有陪集N,（1+n）N, (1+n)2N,…,(1+n)n−1N。Pallier加密系统基于了在不知道n的因子分解的时候难于确定G的随机元素的陪集的猜想。

性质

商群G / G 同构于平凡群（只有一个元素的群），而G / {e}同构于G。

G / N的阶定义为等于[G : N]，它是N在G中的子群的指标（index）。如果G是有限的，这个指标还等于G的阶除以N的阶。注意G / N可以在G和N二者是无限的时候是有限的（比如Z / 2Z）。

有一个“自然”满射群同态π : G → G / N，把每个G的元素g映射到g所属于的N的陪集上，也就是：π(g) = gN。映射π有时叫做“G到G / N上的规范投影”。它的核是N。

在包含N的G的子群和G / N的子群之间有一个双射映射；如果H是包含N的G的子群，则对应的G / N的子群是π(H)。这个映射对于G的正规子群和G / N也成立，并在格定理中形式化。

商群的一些重要性质记录在同态基本定理和同构基本定理中。

如果G是阿贝尔群、幂零群或可解群，则G / N也是。

如果G是循环群或有限生成群，则G / N也是。

如果N被包含在G的中心内，则G也叫做这个商群的中心扩张。

如果H是在有限群G中的子群，并且H的阶是G的阶的一半，则H保证是正规子群，因此G / H存在并同构于C2。这个结果还可以陈述为“任何指标为2的子群都是正规子群”，并且它的这种形式还适用于无限群。

所有群都同构于一个自由群的商。

有时但非必然的，群G可以从G / N和N重构为一个直积或半直积。判定何时成立的问题叫做扩张问题。不成立的一个例子如下。Z4 / { 0, 2 }同构于Z2，并且还同构于{ 0, 2 }，但是唯一的半直积是直积，因为Z2只有一个平凡的自同构。所以Z4不同于Z2 × Z2，它不能被重构。

参见