EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Гомоморфизм групп: ядро и образ простыми словами

20 июня 2026Время чтения: 8 минут
#гомоморфизм групп#ядро гомоморфизма#образ гомоморфизма#теорема о гомоморфизме#нормальная подгруппа
Гомоморфизм групп: ядро и образ простыми словами

Гомоморфизм - это отображение между группами, которое уважает их операцию: произведение элементов переходит в произведение их образов. Два множества, связанные с любым гомоморфизмом, несут о нём почти всю информацию: ядро (что схлопывается в единицу) и образ (куда вообще попадает отображение). Через ядро проверяют инъективность, через образ - сюръективность, а теорема о гомоморфизме связывает их в один изоморфизм. Ниже - точные определения ядра и образа, как их вычислять, почему ядро всегда нормально и как из этого вырастает первая теорема об изоморфизме. Если под рукой конкретное отображение, выберите его в форме ниже - соберём разбор ядра и образа.

Что такое гомоморфизм групп

Пусть GG и HH - группы с операциями, которые для краткости обе пишем как умножение. Отображение φ ⁣:G→H\varphi\colon G \to H называется гомоморфизмом, если для любых a,b∈Ga, b \in G

φ(ab)=φ(a) φ(b).\varphi(ab) = \varphi(a)\,\varphi(b).

То есть неважно, перемножить элементы сначала в GG, а потом перенести в HH, или сначала перенести каждый, а потом перемножить в HH - результат один. Из этого равенства автоматически следуют два факта, которые часто забывают доказывать отдельно:

  • φ(eG)=eH\varphi(e_G) = e_H - единица переходит в единицу;
  • φ(a−1)=φ(a)−1\varphi(a^{-1}) = \varphi(a)^{-1} - обратный переходит в обратный.

Первое доказывается так: φ(eG)=φ(eG⋅eG)=φ(eG)φ(eG)\varphi(e_G) = \varphi(e_G \cdot e_G) = \varphi(e_G)\varphi(e_G), и сокращение на φ(eG)\varphi(e_G) в группе HH даёт φ(eG)=eH\varphi(e_G) = e_H. Второе следует из φ(a)φ(a−1)=φ(aa−1)=φ(eG)=eH\varphi(a)\varphi(a^{-1}) = \varphi(aa^{-1}) = \varphi(e_G) = e_H.

Образ суммы переходит в сумму образов: квадрат гомоморфизма коммутирует
Образ суммы переходит в сумму образов: квадрат гомоморфизма коммутирует

Ядро гомоморфизма

Ядро гомоморфизма φ ⁣:G→H\varphi\colon G \to H - это множество всех элементов GG, которые отображаются в единицу HH:

ker⁡φ={ g∈G:φ(g)=eH }.\ker\varphi = \{\, g \in G : \varphi(g) = e_H \,\}.

Ядро всегда содержит единицу eGe_G и является подгруппой GG: если φ(a)=φ(b)=eH\varphi(a) = \varphi(b) = e_H, то φ(ab−1)=φ(a)φ(b)−1=eH\varphi(ab^{-1}) = \varphi(a)\varphi(b)^{-1} = e_H, значит ab−1∈ker⁡φab^{-1} \in \ker\varphi. Но у ядра есть свойство сильнее, чем просто быть подгруппой, - оно нормально (об этом следующий раздел).

Простой пример: возьмём φ ⁣:Z→Zn\varphi\colon \mathbb{Z} \to \mathbb{Z}_n, φ(k)=k mod n\varphi(k) = k \bmod n. Это гомоморфизм аддитивных групп, его ядро - все целые, кратные nn, то есть ker⁡φ=nZ\ker\varphi = n\mathbb{Z}. Другой пример: определитель det⁡ ⁣:GLn(R)→R∗\det\colon \mathrm{GL}_n(\mathbb{R}) \to \mathbb{R}^* - гомоморфизм по мультипликативности определителя, его ядро - матрицы с определителем 1, то есть специальная линейная группа SLn(R)\mathrm{SL}_n(\mathbb{R}).

Образ гомоморфизма

Образ - это множество всех значений, которые φ\varphi реально принимает в HH:

im⁡φ={ φ(g):g∈G }⊆H.\operatorname{im}\varphi = \{\, \varphi(g) : g \in G \,\} \subseteq H.

Образ - подгруппа HH (не обязательно нормальная): произведение двух значений снова значение, обратное к значению - тоже значение. Если образ совпадает со всем HH, гомоморфизм называется сюръективным (эпиморфизмом). В примере с det⁡\det образ - это вся группа R∗\mathbb{R}^*, потому что любое ненулевое число достигается определителем подходящей диагональной матрицы; значит, определитель сюръективен.

Ядро схлопывается в единицу, образ заполняет подгруппу: два множества гомоморфизма
Ядро схлопывается в единицу, образ заполняет подгруппу: два множества гомоморфизма

Удобно держать в голове размерную аналогию из линейной алгебры: для линейного отображения dim⁡ker⁡+dim⁡im⁡=dim⁡V\dim\ker + \dim\operatorname{im} = \dim V. Для конечных групп аналог точнее - это теорема о гомоморфизме (ниже), дающая ∣G∣=∣ker⁡φ∣⋅∣im⁡φ∣|G| = |\ker\varphi| \cdot |\operatorname{im}\varphi|.

Почему ядро нормально

Ключевое отличие ядра от произвольной подгруппы: ker⁡φ\ker\varphi - нормальная подгруппа GG, то есть устойчива к сопряжению. Проверим: пусть k∈ker⁡φk \in \ker\varphi и g∈Gg \in G - любой. Тогда

φ(gkg−1)=φ(g) φ(k) φ(g)−1=φ(g) eH φ(g)−1=eH,\varphi(g k g^{-1}) = \varphi(g)\,\varphi(k)\,\varphi(g)^{-1} = \varphi(g)\,e_H\,\varphi(g)^{-1} = e_H,

значит gkg−1∈ker⁡φg k g^{-1} \in \ker\varphi. Это ровно условие нормальности g (ker⁡φ) g−1=ker⁡φg\,(\ker\varphi)\,g^{-1} = \ker\varphi для всех gg, которое записывают как ker⁡φ⊴G\ker\varphi \trianglelefteq G.

Верно и обратное утверждение: любая нормальная подгруппа является ядром какого-то гомоморфизма - а именно канонической проекции G→G/NG \to G/N. Так что нормальные подгруппы и ядра - это одно и то же семейство объектов, описанное с двух сторон. Это родственно тому, как устроена фактор-группа по нормальной подгруппе, где сопряжение тоже играет центральную роль.

Инъективность через тривиальное ядро

Есть удобный критерий, заменяющий проверку инъективности «в лоб»: гомоморфизм φ\varphi инъективен тогда и только тогда, когда его ядро тривиально, то есть ker⁡φ={eG}\ker\varphi = \{e_G\}.

В одну сторону почти очевидно: если φ\varphi инъективен, то прообраз eHe_H может состоять только из одного элемента, а eGe_G туда заведомо входит. В другую сторону: пусть ker⁡φ={eG}\ker\varphi = \{e_G\} и φ(a)=φ(b)\varphi(a) = \varphi(b). Тогда

φ(ab−1)=φ(a)φ(b)−1=eH  ⇒  ab−1∈ker⁡φ={eG}  ⇒  a=b.\varphi(ab^{-1}) = \varphi(a)\varphi(b)^{-1} = e_H \;\Rightarrow\; ab^{-1} \in \ker\varphi = \{e_G\} \;\Rightarrow\; a = b.

Поэтому на практике инъективность гомоморфизма проверяют не перебором пар, а вычислением ядра: нашли в ядре хоть один элемент кроме единицы - отображение не инъективно. Инъективный гомоморфизм называют мономорфизмом; он вкладывает GG как подгруппу в HH, изоморфную образу.

Теорема о гомоморфизме

Главный результат, связывающий ядро и образ, - первая теорема об изоморфизме (теорема о гомоморфизме). Для любого гомоморфизма φ ⁣:G→H\varphi\colon G \to H фактор-группа по ядру изоморфна образу:

G/ker⁡φ  ≅  im⁡φ.G / \ker\varphi \;\cong\; \operatorname{im}\varphi.

Изоморфизм задаётся естественно: класс смежности g ker⁡φg\,\ker\varphi переходит в φ(g)\varphi(g). Корректность (значение не зависит от представителя класса) обеспечена как раз нормальностью ядра и тем, что элементы одного класса дают одно значение φ\varphi. Это отображение биективно: сюръективно на образ по построению, инъективно потому, что в единицу переходит только класс самого ядра.

Для конечных групп теорема немедленно даёт численное равенство

∣G∣=∣ker⁡φ∣⋅∣im⁡φ∣,|G| = |\ker\varphi| \cdot |\operatorname{im}\varphi|,

потому что ∣G/ker⁡φ∣=[G:ker⁡φ]=∣G∣/∣ker⁡φ∣|G/\ker\varphi| = [G : \ker\varphi] = |G|/|\ker\varphi| по теореме Лагранжа, а левая часть равна ∣im⁡φ∣|\operatorname{im}\varphi|. Эта формула - рабочий инструмент: зная порядок ядра, сразу получаешь порядок образа, и наоборот.

Теорема о гомоморфизме: фактор-группа по ядру изоморфна образу
Теорема о гомоморфизме: фактор-группа по ядру изоморфна образу

Как считать ядро и образ на практике

Алгоритм для конкретного отображения φ ⁣:G→H\varphi\colon G \to H почти всегда такой:

  1. Проверить, что φ\varphi вообще гомоморфизм - равенство φ(ab)=φ(a)φ(b)\varphi(ab) = \varphi(a)\varphi(b) на образующих или в общем виде.
  2. Найти ядро: решить уравнение φ(g)=eH\varphi(g) = e_H относительно gg. Множество решений и есть ker⁡φ\ker\varphi.
  3. Найти образ: описать множество значений φ(g)\varphi(g). Часто удобнее определить порядок образа через формулу ∣im⁡φ∣=∣G∣/∣ker⁡φ∣|\operatorname{im}\varphi| = |G|/|\ker\varphi|, а потом понять, какая это подгруппа.
  4. Сделать выводы: ядро тривиально - инъективен; образ совпал с HH - сюръективен; оба условия - изоморфизм.

Например, для φ ⁣:Z→Z6\varphi\colon \mathbb{Z} \to \mathbb{Z}_6, φ(k)=2k mod 6\varphi(k) = 2k \bmod 6, ядро - это kk, для которых 2k≡0(mod6)2k \equiv 0 \pmod 6, то есть 3Z3\mathbb{Z}; образ - чётные классы {0,2,4}\{0,2,4\}, подгруппа порядка 3 в Z6\mathbb{Z}_6. Проверка: Z/3Z≅{0,2,4}\mathbb{Z}/3\mathbb{Z} \cong \{0,2,4\} - обе группы порядка 3, теорема о гомоморфизме сходится.

Частые ошибки

  • Путают ядро и образ местами. Ядро живёт в области определения GG и собирает то, что схлопывается в единицу; образ живёт в области значений HH и собирает достигнутые точки.
  • Считают образ нормальной подгруппой. Образ - просто подгруппа HH, нормальность не гарантирована. Нормально именно ядро (в GG).
  • Проверяют инъективность перебором пар. Достаточно показать ker⁡φ={e}\ker\varphi = \{e\} - это короче и надёжнее.
  • Забывают доказать, что отображение вообще гомоморфизм. Без проверки φ(ab)=φ(a)φ(b)\varphi(ab) = \varphi(a)\varphi(b) разговоры о ядре и образе бессмысленны.
  • Пишут G/ker⁡φ≅HG/\ker\varphi \cong H вместо ≅im⁡φ\cong \operatorname{im}\varphi. Изоморфизм идёт с образом; со всем HH - только если φ\varphi сюръективен.

FAQ

Чем ядро отличается от прообраза элемента? Ядро - это прообраз именно единицы eHe_H. Прообраз произвольного элемента hh - это смежный класс g0 ker⁡φg_0\,\ker\varphi, где φ(g0)=h\varphi(g_0) = h; он не подгруппа (если h≠eHh \neq e_H), но имеет ту же мощность, что ядро.

Может ли образ быть больше группы GG? Нет. Образ - это множество значений, его мощность не превосходит ∣G∣|G|, а для конечных групп делит ∣G∣|G| по теореме о гомоморфизме. Образ всегда вкладывается как подгруппа в HH.

Всегда ли фактор-группа G/ker⁡φG/\ker\varphi имеет смысл? Да, и именно потому, что ядро нормально. Фактор-группа по ненормальной подгруппе не определена корректно - операция на смежных классах не была бы согласована. Нормальность ядра - то, что делает теорему о гомоморфизме возможной.

Коротко

Гомоморфизм групп сохраняет операцию, и вся его суть собрана в двух множествах: ядро (прообраз единицы, всегда нормальная подгруппа области определения) и образ (множество значений, подгруппа области значений). Ядро отвечает за инъективность - она равносильна ker⁡φ={e}\ker\varphi = \{e\}; образ отвечает за сюръективность. Первая теорема об изоморфизме связывает их равенством G/ker⁡φ≅im⁡φG/\ker\varphi \cong \operatorname{im}\varphi, а для конечных групп даёт ∣G∣=∣ker⁡φ∣⋅∣im⁡φ∣|G| = |\ker\varphi|\cdot|\operatorname{im}\varphi| - формулу, по которой ядро и образ восстанавливают друг друга.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Как работают агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG, MIN и MAX, группировка GROUP BY, порядок выполнения запроса, разница HAVING и WHERE и поведение NULL внутри агрегата.

24 сентября 20269 минут
Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): почему интеграл sin t / t не берётся в элементарных функциях, разложение в ряд, предел π/2, максимум Si(π) и выброс Гиббса. С калькулятором.

24 сентября 202610 минут
Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: свойство кучи, хранение в обычном массиве и индексы 2i+1 и 2i+2, просеивание sift-up и sift-down, построение за O(n) и приоритетная очередь.

24 сентября 202610 минут
Линейная зависимость векторов: критерии и примеры

Линейная зависимость векторов: критерии и примеры

Что такое линейная зависимость векторов, как проверить её определителем и рангом матрицы, чем коллинеарность отличается от компланарности и как всё это связано с базисом.

24 сентября 202610 минут
Линейное уравнение второго порядка: общее решение

Линейное уравнение второго порядка: общее решение

Как решить линейное однородное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами: характеристическое уравнение, три случая корней, фундаментальная система и задача Коши с разбором.

24 сентября 202612 минут
Метод вариации постоянных: формулы и разбор примера

Метод вариации постоянных: формулы и разбор примера

Метод вариации произвольных постоянных: как из решений однородного уравнения собрать частное, зачем здесь определитель Вронского и когда быстрее оказывается подбор по виду правой части.

24 сентября 202611 минут