同态是数学结构之间保持指定运算或关系的函数。在抽象代数中,同态联系的是同一类型的结构,如群、环或模,并保持这些结构的代数运算规则。同态不必是单射或满射:不同元素可以有相同的像,目标结构中的某些元素也可能不在映射的像中。其定义的核心要求是与结构相容,而不是保留元素之间的所有区别。(math.hawaii.edu)
一般定义
在泛代数中,设 和 具有相同的型,即具有相同的运算符号,且每个符号都指定了参数个数。如果函数 对每个基本 元运算 都满足
则称 为同态。
也就是说,先进行运算再映射,与先映射各个参数再进行相应运算,所得结果相同。常量是零元运算,因此指定的常量也必须保持。例如,保持指定常量 意味着 。(math.hawaii.edu)
保持基本运算,就意味着保持由这些运算构成的所有表达式。特别地,同态与项运算可交换,而不只是与型中明确列出的运算可交换。(agda-algebras.universalalgebra.org)
主要的代数情形
群。 在群论中,同态 满足
由这一条件可推出 和 。一个重要例子是从整数加法群到模 整数加法群的约化映射:
它保持加法,同时将相差 的整数倍的整数映为同一元素,由此将同态与模算术联系起来。另一个例子是行列式映射,它将一个域上的可逆矩阵映到该域的非零元素乘法群。(jmilne.org)
环。 环(数学)之间的同态保持加法和乘法:
按照环带有乘法单位元、环同态保持单位元的约定,还必须满足 。有些文献允许不保持乘法单位元的映射,因此采用哪一种约定很重要。对于交换环 和 ,多项式的求值给出一个环同态:
例如,在零处求值会将多项式映到其常数项。(math.ucla.edu)
向量空间与模。 固定域(数学) 上的向量空间同态就是线性映射:
对于固定环上的模(数学),相应的要求是保持加法以及环的标量作用。这些都是保持运算这一一般定义的具体实例。(math.hawaii.edu)
像、核与商结构
映射 的像为
它对目标结构的运算封闭,因此构成一个子代数。核描述了映射将哪些元素视为相同。对于群同态,核是所有映到单位元的元素组成的集合;对于环同态,核是所有映到零的元素组成的集合。这两种核分别构成正规子群和理想(环论)。(math.hawaii.edu)
对于线性映射,核(线性映射)为 ,也称为零空间。然而,在一般的泛代数中,结构未必具有指定的零元或单位元。此时,核定义为一个关系:
这是一个与所有运算相容的等价关系,称为**同余关系**。同态是单射,当且仅当这一关系不将任何不同的元素视为等价。(math.hawaii.edu)
**第一同构定理**指出,按照同态所确定的等同关系取商,得到的结构与该同态的像同构:
对于群,这一结论写作
其中的同构将陪集 映到 。因此,一个同态可以分解为一个商映射、一个到其像的同构,以及将该像包含到目标结构中的包含映射。(math.hawaii.edu)
商映射还具有泛性质。如果群同态 将正规子群 映到单位元,则存在唯一的同态 ,使得 ,其中 。(jmilne.org)
复合与相关术语
同态的函数复合仍是同态,而恒等函数保持结构。同态还将子代数映到子代数,并且由其在生成集上的取值唯一确定。(math.hawaii.edu)
以下几个相关术语规定了额外的性质:
- 自同态是一个结构到自身的同态。
- **同构**具有同样保持结构的逆映射。对于具有固定型的纯代数结构,每个作为双射函数的同态都具有这一性质。
- 自同构是一个结构到自身的同构。(math.hawaii.edu)
在范畴论中,单态射由左消去性质定义,满态射由右消去性质定义。不能在所有范畴中都简单地用“单射”和“满射”来替代这两个定义。例如,包含映射 是含幺交换环范畴中的满态射,却不是满射:每个有理数都由整数及其乘法逆元确定,因此,两个从 出发的环同态如果在 上一致,就必然处处一致。(stacks.math.columbia.edu)
关系结构与图
同态这一术语也适用于由关系而非运算定义的结构。在图论中,图同态是保持邻接关系的顶点映射:
它不必保持非邻接关系。对无自环图进行 色正常着色,恰好就是给出一个到完全图 的同态。(maths.tcd.ie)
与纯代数情形不同,双射的图同态未必是同构,因为它的逆映射可能不保持邻接关系。例如,从三个顶点的路径图到三角形图的顶点双射,保持了路径图的所有边,但反向映射无法保持三角形图的所有边。(maths.tcd.ie)
保持结构的范围
必须始终明确所保持的结构。仅保持加法,不足以成为环同态;仅保持向量加法,也不足以保证在选定的域上线性。同样,额外的拓扑结构会带来超出保持代数结构之外的要求。(math.ucla.edu)
**同胚**是另一个概念:它是逆映射也连续的双射连续映射,表达的是拓扑空间之间的等价性,而不只是代数运算的保持。两个名称相似,并不意味着它们的定义条件可以互换。(ocw.mit.edu)
参考来源
- Lectures on Universal Algebramath.hawaii.edu
- A Course in Universal Algebramath.hawaii.edu
- Group Theoryjmilne.org
- Operations — The Agda Universal Algebra Libraryagda-algebras.universalalgebra.org
- Abstract Algebra — Chapter 3 Ring theorymath.ucla.edu
- AATA Homomorphisms, Normal Subgroups and Quotientsntouikan.ext.unb.ca
- Section 10.107: Epimorphisms of rings — The Stacks projectstacks.math.columbia.edu
- Homomorphismsmaths.tcd.ie
- RES.18-012 (Spring 2022) Full Lecture Notes: Algebra II Student Notesocw.mit.edu