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Kurs:Elemente der Algebra (Osnabrück 2024-2025)/Vorlesung 11/latex

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\setcounter{section}{11}






\zwischenueberschrift{Nebenklassen}




\inputdefinition
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H }
{ \subseteq }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{.} Wir setzen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \sim_H }{y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \zusatzklammer {und sagen, dass $x$ und $y$ äquivalent sind} {} {} wenn
\mathl{x^{-1}y \in H}{.}

}

Dies ist in der Tat eine \definitionsverweis {Äquivalenzrelation}{}{:} Aus
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x^{-1}x }
{ = }{e_G }
{ \in }{ H }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} folgt, dass diese Relation reflexiv ist. Aus
\mathl{x^{-1}y \in H}{} folgt sofort
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y^{-1}x }
{ = }{ { \left( x^{-1}y \right) }^{-1} }
{ \in }{ H }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und aus
\mathl{x^{-1}y \in H}{} und
\mathl{y^{-1}z \in H}{} folgt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x^{-1}z }
{ = }{ { \left( x^{-1}y \right) } { \left( y^{-1}z \right) } }
{ \in }{ H }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}




\inputdefinition
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H }
{ \subseteq }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{.} Dann heißt zu jedem
\mathl{x \in G}{} die Teilmenge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{xH }
{ =} { { \left\{ xh \mid h \in H \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die \definitionswort {Linksnebenklasse von}{} $x$ in $G$ bezüglich $H$. Jede Teilmenge von dieser Form heißt \definitionswort {Linksnebenklasse}{.} Entsprechend heißt eine Menge der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Hy }
{ =} { { \left\{ hy \mid h \in H \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionswort {Rechtsnebenklasse}{} \zusatzklammer {zu $y$} {} {.}

}

Die Äquivalenzklassen zu der oben definierten Äquivalenzrelation sind wegen
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{{{[}}x{{]}} }
{ =} { { \left\{ y \in G \mid x \sim y \right\} } }
{ =} { { \left\{ y \in G \mid x^{-1} y \in H \right\} } }
{ =} { { \left\{ y \in G \mid \text{es gibt } h \in H \text{ mit } x^{-1 }y = h \right\} } }
{ =} { { \left\{ y \in G \mid \text{es gibt } h \in H \text{ mit } y = xh \right\} } }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} {xH }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
} {}{} genau die Linksnebenklassen. Die Linksnebenklassen bilden somit eine disjunkte Zerlegung \zusatzklammer {eine \stichwort {Partition} {}} {} {} von $G$. Dies gilt ebenso für die Rechtsnebenklassen. Im kommutativen Fall muss man nicht zwischen Links- und Rechtsnebenklassen unterscheiden.




\inputfaktbeweis
{Gruppentheorie/Nebenklassen/Eigenschaften/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H }
{ \subseteq }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{.} Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x,y }
{ \in }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} Elemente.}
\faktfolgerung {Dann sind folgende Aussagen äquivalent. \aufzaehlungsieben{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{yH }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y }
{ \in }{ xH }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y^{-1}x }
{ \in }{ H }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x^{-1}y }
{ \in }{ H }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ xH \cap yH }
{ \neq }{ \emptyset }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \sim_H }{y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{xH }
{ = }{yH }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Die Äquivalenz von $(1)$ und $(3)$ \zusatzklammer {und die von $(2)$ und $(4)$} {} {} folgt aus Multiplikation mit $y^{-1}$ bzw. mit $y$. Die Äquivalenz von $(3)$ und $(4)$ folgt durch Übergang zum Inversen. Aus $(1)$ folgt $(5)$ wegen
\mathl{1 \in H}{.} Wenn $(5)$ erfüllt ist, so bedeutet das
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{xh_1 }
{ = }{yh_2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit gewissen
\mathl{h_1,h_2 \in H}{.} Damit ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ = }{yh_2h_1^{-1} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und $(1)$ ist erfüllt. (4) und (6) sind nach Definition 11.1 äquivalent. Da die Linksnebenklassen die \definitionsverweis {Äquivalenzklassen}{}{} sind, ergibt sich die Äquivalenz von (5) und (7).

}




\inputbeispiel{}
{

Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ d }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} bzw. zur Untergruppe
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Z d }
{ \subseteq }{ \Z }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es die $d$ \definitionsverweis {Nebenklassen}{}{}
\mathdisp {\Z d, 1 +\Z d, 2+\Z d , \ldots , d-1 + \Z d} { . }
Die Nebenklasse
\mathl{i + \Z d}{} besteht aus allen ganzen Zahlen, die bei Division durch $d$ den Rest $i$ ergeben.


}




\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten die Einheitengruppe von ${\mathbb C}$, also
\mathl{({\mathbb C}^\times, 1 , \cdot)}{.}

Zur \definitionsverweis {Untergruppe}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \R_+ }
{ \subseteq }{ {\mathbb C}^\times }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sind zwei komplexe Zahlen äquivalent, wenn sie durch Multiplikation mit einer positiven reellen Zahl auseinander hervorgehen. Die Nebenklassen sind also die Halbstrahlen, die vom Nullpunkt ausgehen.

Zur Untergruppe
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ S^1 }
{ = }{ { \left\{ z \in {\mathbb C} \mid \betrag { z } = 1 \right\} } }
{ \subseteq }{ {\mathbb C}^\times }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sind zwei komplexe Zahlen äquivalent, wenn sie den gleichen Betrag besitzen, also durch eine Drehung ineinander überführbar sind. Die Nebenklassen sind also die Kreise mit dem Nullpunkt als Mittelpunkt.


}






\zwischenueberschrift{Der Satz von Lagrange}






\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Joseph-Louis_Lagrange.jpeg} }
\end{center}
\bildtext {Joseph-Louis Lagrange (1736 Turin - 1813 Paris)} }

\bildlizenz { Joseph-Louis Lagrange.jpeg } {unbekannt} {Katpatuka} {Commons} {PD} {http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Joseph-Louis_Lagrange.jpeg}





\inputfaktbeweis
{Gruppentheorie (Algebra)/Satz von Lagrange/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Gruppe endlich/Situation und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H }
{ \subseteq }{G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{} von $G$.}
\faktfolgerung {Dann ist ihre Kardinalität ${ \# \left( H \right) }$ ein Teiler von ${ \# \left( G \right) }$.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Betrachte die \definitionsverweis {Linksnebenklassen}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{gH }
{ \defeq }{{ \left\{ gh \mid h\in H \right\} } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für sämtliche
\mathl{g \in G}{.} Es ist \maabbeledisp {} {H} {gH } {h} {gh } {,} eine Bijektion zwischen \mathkor {} {H} {und} {gH} {,} sodass alle Nebenklassen gleich groß sind \zusatzklammer {und zwar ${ \# \left( H \right) }$ Elemente haben} {} {.} Die Nebenklassen bilden \zusatzklammer {als Äquivalenzklassen} {} {} zusammen eine \definitionsverweis {Zerlegung}{}{} von $G$, sodass ${ \# \left( G \right) }$ ein Vielfaches von ${ \# \left( H \right) }$ sein muss.

}





\inputfaktbeweis
{Gruppentheorie/Lagrange/Ordnung eines Elementes/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $G$ eine endliche \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g }
{ \in }{ G }
{ }{}
{ }{}
{ }{}
} {}{}{} ein Element.}
\faktfolgerung {Dann teilt die \definitionsverweis {Ordnung von $g$}{}{} die \definitionsverweis {Gruppenordnung}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei $H$ die von $g$ erzeugte Untergruppe. Nach Lemma 1.11 ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{ord} \, (g) }
{ =} { \operatorname{ord} \, (H) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher teilt diese Zahl nach Satz 11.6 die Gruppenordnung von $G$.

}





\inputdefinition
{}
{

Zu einer \definitionsverweis {Untergruppe}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H }
{ \subseteq }{G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} heißt die Anzahl der \zusatzklammer {Links- oder Rechts} {-} {}\definitionsverweis {Nebenklassen}{}{} der \definitionswort {Index}{} von $H$ in $G$, geschrieben
\mathdisp {\operatorname{ind}_{G } H} { . }

}

In der vorstehenden Definition ist Anzahl im allgemeinen als die \stichwort {Mächtigkeit} {} einer Menge zu verstehen. Der Index wird aber hauptsächlich dann verwendet, wenn er endlich ist, wenn es also nur endlich viele Nebenklassen gibt. Das ist bei endlichem $G$ automatisch der Fall, kann aber auch bei unendlichem $G$ der Fall sein, wie schon die Beispiele
\mathbed {\Z n \subseteq \Z} {}
{n \geq 1} {}
{} {} {} {,} zeigen. Wenn $G$ eine endliche Gruppe ist und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H }
{ \subseteq }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Untergruppe, so gilt aufgrund des Satzes von Lagrange die einfache \stichwort {Indexformel} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \# \left( G \right) } }
{ =} { { \# \left( H \right) } \cdot \operatorname{ind}_{G } H }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}






\zwischenueberschrift{Normalteiler}




\inputdefinition
{}
{

Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H }
{ \subseteq }{G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{.} Man nennt $H$ einen \definitionswort {Normalteiler}{,} wenn
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ xH }
{ =} {Hx }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, wenn also die \definitionsverweis {Linksnebenklasse}{}{} zu $x$ mit der Rechtsnebenklasse zu $x$ übereinstimmt.

}

Bei einem Normalteiler braucht man nicht zwischen Links- und Rechtsnebenklassen zu unterscheiden und spricht einfach von \stichwort {Nebenklassen} {.} Statt \mathkor {} {xH} {oder} {Hx} {} schreiben wir meistens $[x]$. Die Gleichheit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{xH }
{ = }{Hx }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} bedeutet
\betonung{nicht}{,} dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{xh }
{ = }{hx }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mathl{h \in H}{} ist, sondern lediglich, dass es zu jedem
\mathl{h \in H}{} ein
\mathl{\tilde{h} \in H}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{xh }
{ = }{\tilde{h}x }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} gibt.





\inputfaktbeweis
{Normalteiler/Charakterisierung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ H }
{ \subseteq }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann sind folgende Aussagen äquivalent. \aufzaehlungdrei{$H$ ist ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} von $G$. }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ xhx^{-1} }
{ \in }{ H }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle \mathkor {} {x \in G} {und} {h \in H} {.} }{$H$ ist invariant unter jedem \definitionsverweis {inneren Automorphismus}{}{} von $G$. }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

(1) bedeutet bei gegebenem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ h }
{ \in }{ H }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} dass man
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ xh }
{ = }{\tilde{h}x }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit einem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \tilde{h} }
{ \in }{ H }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} schreiben kann. Durch Multiplikation mit $x^{-1}$ von rechts ergibt sich
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{xhx^{-1} }
{ = }{\tilde{h} }
{ \in }{H }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} also $(2)$. Dieses Argument rückwärts ergibt die Implikation $(2) \Rightarrow (1)$. Ferner ist $(2)$ eine explizite Umformulierung von $(3)$.

}





\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten die \definitionsverweis {Permutationsgruppe}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ = }{S_3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zu einer dreielementigen Menge, d.h. $S_3$ besteht aus den bijektiven Abbildungen der Menge
\mathl{\{1,2,3\}}{} in sich. Die triviale Gruppe $\{ \operatorname{id} \}$ und die ganze Gruppe sind \definitionsverweis {Normalteiler}{}{.} Die Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H }
{ = }{ \{ \operatorname{id} \, , \varphi \} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $\varphi$ die Elemente \mathkor {} {1} {und} {2} {} vertauscht und $3$ unverändert lässt, ist eine \definitionsverweis {Untergruppe}{}{.} Sie ist aber kein Normalteiler. Um dies zu zeigen, sei $\psi$ die Bijektion, die $1$ fest lässt und \mathkor {} {2} {und} {3} {} vertauscht. Dieses $\psi$ ist zu sich selbst invers. Die \definitionsverweis {Konjugation}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \psi \varphi \psi^{-1} }
{ = }{ \psi \varphi \psi }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist dann die Abbildung, die \mathkor {} {1} {auf} {3} {,} \mathkor {} {2} {auf} {2} {} und \mathkor {} {3} {auf} {1} {} schickt, und diese Bijektion gehört nicht zu $H$.


}





\inputfaktbeweis
{Gruppenhomomorphismus/Kern ist Normalteiler/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es seien \mathkor {} {G} {und} {H} {} \definitionsverweis {Gruppen}{}{} und sei \maabbdisp {\varphi} {G} {H } {} ein \definitionsverweis {Gruppenhomomorphismus}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist der \definitionsverweis {Kern}{}{}
\mathl{\operatorname{kern} \varphi}{} ein \definitionsverweis {Normalteiler}{}{} in $G$.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Wir verwenden Lemma 11.10. Es sei also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} beliebig und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ \in }{ \operatorname{kern} \varphi }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi { \left( xh x^{-1} \right) } }
{ =} { \varphi(x) \varphi(h) \varphi { \left( x^{-1} \right) } }
{ =} { \varphi(x) e_H\varphi { \left( x^{-1} \right) } }
{ =} { \varphi(x) \varphi(x)^{-1} }
{ =} { e_H }
} {}{}{,} also gehört
\mathl{xh x^{-1}}{} ebenfalls zum Kern.

}