להוכיח כי שתי חבורות איזומורפיות בעזרת משפטי האיזומורפיזם

תהא G קבוצת כל המטריצות הממשיות (כאשר a^{2}+b^{2}>0) מהצורה:

A= \begin{pmatrix}a & b\\ -b & a \end{pmatrix}

א. הוכיחו כי G חבורה ביחס לכפל מטריצות.
ב. הוכיחו כי מתקיים G\cong(\mathbb{C}^{\times},\cdot).

הצלחתי לפתור את הסעיף הראשון אבל אני מסתבך עם הסעיף השני.
לטובת הדורות הבאים, אני אוסיף את הפתרון של הסעיף הראשון (אשמח גם שמישהו יוודא שהפתרון אכן נכון):
נוכיח כי G חבורה ביחס לכפל מטריצות. יהיו A_{1},A_{2}\in G כך שנסמנן:

A_{1}=\begin{pmatrix}a_{1} & b_{1}\\ -b_{1} & a_{1} \end{pmatrix},\,A_{2}=\begin{pmatrix}a_{2} & b_{2}\\ -b_{2} & a_{2} \end{pmatrix}

תחילה נוכיח סגירות, כלומר נראה כי מתקיים A_{1}\cdot A_{2}\in G:

A_{1}\cdot A_{2}=\begin{pmatrix}a_{1} & b_{1}\\ -b_{1} & a_{1} \end{pmatrix}\cdot\begin{pmatrix}a_{2} & b_{2}\\ -b_{2} & a_{2} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}a_{1}a_{2}-b_{1}b_{2} & a_{1}b_{2}+a_{2}b_{1}\\ -(a_{2}b_{1}+a_{1}b_{2}) & a_{1}a_{2}-b_{1}b_{2} \end{pmatrix}

נסמן x=a_{1}a_{2}-b_{1}b_{2} וגם y=a_{1}b_{2}+a_{2}b_{1}, כך שנקבל את המטריצה הבאה:

A_{1}\cdot A_{2}=\begin{pmatrix}x & y\\ -y & x \end{pmatrix}

כמו כן, נשים לב כי מתקיים:

\begin{align*} x^{2}+y^{2}&=(a_{1}a_{2}-b_{1}b_{2})^{2}+(a_{1}b_{2}+a_{2}b_{1})^{2}\\&=\left[(a_{1}a_{2})^{2}-2a_{1}a_{2}b_{1}b_{2}+(b_{1}b_{2})^{2}\right]+\left[(a_{1}b_{2})^{2}+2a_{1}a_{2}b_{1}b_{2}+(a_{2}b_{1})^{2}\right]\\&=(a_{1}a_{2})^{2}+(a_{1}b_{2})^{2}+(a_{2}b_{1})^{2}+(b_{1}b_{2})^{2}\\&=a_{1}^{2}(a_{2}^{2}+b_{2}^{2})+b_{1}^{2}(a_{2}^{2}+b_{2}^{2})\\&=(a_{1}^{2}+b_{1}^{2})\cdot(a_{2}^{2}+b_{2})^{2}>0 \end{align*}

לכן קיבלנו A_{1}\cdot A_{2}\in G.
מאחר וכפל מטריצות הוא קיבוצי, נוכל להסיק כי תנאי הקיבוציות מתקיים.
נוכיח את תנאי קיום היחידה. יהי I_{2\times2}=\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & 1 \end{pmatrix}\in G. מאחר ולכל מטריצה M (ובפרט לכל A\in G) מתקיים M\cdot I=I\cdot M=M, נוכל להסיק כי אכן מתקיים תנאי קיום היחידה.
נותר להוכיח את תנאי קיום איבר הופכי. תחילה נוכיח כי המטריצה הבאה:

A^{-1}=\begin{pmatrix}\frac{a}{a^{2}+b^{2}} & \frac{-b}{a^{2}+b^{2}}\\ \frac{b}{a^{2}+b^{2}} & \frac{a}{a^{2}+b^{2}} \end{pmatrix}

מקיימת A^{-1}\in G. נסמן x=\frac{a}{a^{2}+b^{2}} וגם y=\frac{-b}{a^{2}+b^{2}}. לכן נקבל:

A^{-1}=\begin{pmatrix}\frac{a}{a^{2}+b^{2}} & \frac{-b}{a^{2}+b^{2}}\\ \frac{b}{a^{2}+b^{2}} & \frac{a}{a^{2}+b^{2}} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}x & y\\ -y & x \end{pmatrix}

כמו כן, נשים לב כי מתקיים:

\begin{align*} x^{2}+y^{2}&=\left(\frac{a}{a^{2}+b^{2}}\right)^{2}+\left(\frac{-b}{a^{2}+b^{2}}\right)^{2}\\&=\frac{1}{(a^{2}+b^{2})^{2}}\cdot(a^{2}+b^{2})\\&=\frac{1}{a^{2}+b^{2}}>0 \end{align*}

קיבלנו כי A^{-1}\in G. עתה, נוכיח כי A\cdot A^{-1}=A^{-1}\cdot A=I:

\begin{align*} &A\cdot A^{-1}=\begin{pmatrix}a & b\\ -b & a \end{pmatrix}\cdot\begin{pmatrix}\frac{a}{a^{2}+b^{2}} & \frac{-b}{a^{2}+b^{2}}\\ \frac{b}{a^{2}+b^{2}} & \frac{a}{a^{2}+b^{2}} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}a\cdot\frac{a}{a^{2}+b^{2}}+b\cdot\frac{b}{a^{2}+b^{2}} & a\cdot\frac{-b}{a^{2}+b^{2}}+b\cdot\frac{a}{a^{2}+b^{2}}\\ -b\cdot\frac{a}{a^{2}+b^{2}}+a\cdot\frac{b}{a^{2}+b^{2}} & -b\cdot\frac{-b}{a^{2}+b^{2}}+a\cdot\frac{a}{a^{2}+b^{2}} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & 1 \end{pmatrix}=I_{2\times2}\\&A^{-1}\cdot A=\begin{pmatrix}\frac{a}{a^{2}+b^{2}} & \frac{-b}{a^{2}+b^{2}}\\ \frac{b}{a^{2}+b^{2}} & \frac{a}{a^{2}+b^{2}} \end{pmatrix}\cdot\begin{pmatrix}a & b\\ -b & a \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\frac{a}{a^{2}+b^{2}}\cdot a+\frac{-b}{a^{2}+b^{2}}\cdot(-b) & \frac{a}{a^{2}+b^{2}}\cdot b+\frac{-b}{a^{2}+b^{2}}\cdot a\\ \frac{b}{a^{2}+b^{2}}\cdot a+\frac{a}{a^{2}+b^{2}}\cdot(-b) & \frac{b}{a^{2}+b^{2}}\cdot b+\frac{a}{a^{2}+b^{2}}\cdot a \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & 1 \end{pmatrix}=I_{2\times2} \end{align*}

קיבלנו A\cdot A^{-1}=A^{-1}\cdot A=I ולכן G מקיימת את תנאי קיום ההופכי.
סה"כ קיבלנו כי G חבורה, כנדרש.

כיצד אני צריך לגשת לסעיף ב’?

ההוכחה של הסעיף הראשון נראת נכונה (אגב כל הכבוד ששיתפת את הפתרון לטובת הדורות הבאים). הומומורפיזם שהוא על וחח"ע נקרא איזומורפיזם מ-G על H ומסמנים: (G,*)\cong(H,\cdot).
תחילה,נגדיר את ההעתקה הבאה:

f\,:\,\begin{pmatrix}a & b\\ -b & a \end{pmatrix}\to a+ib

נוכיח כי ההתעקה f חח"ע. יהיו A_{1},A_{2}\in G כך שמתקיים: f(A_{1})=f(A_{2}). נוכיח כי בהכרח A_{1}=A_{2}. נשים לב כי מתקיים:

f(A_{1})=f(A_{2})\Leftrightarrow a_{1}+ib_{1}=a_{2}+ib_{2}\Rightarrow\begin{cases} a_{1}=a_{2}\\ b_{1}=b_{2} \end{cases}

כלומר קיבלנו:

A_{1}=\begin{pmatrix}a_{1} & b_{1}\\ -b_{1} & a_{1} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}a_{2} & b_{2}\\ -b_{2} & a_{2} \end{pmatrix}=A_{2}

לפיכך, נוכל להסיק כי ההעתקה f אכן חח"ע.
עתה, נוכיח כי f על. עלינו להראות כי לכל y\in\mathbb{C}^{\times} קיים A\in G כך שמתקיים f(A)=y. יהי y=a+bi\in\mathbb{C}^{\times} כך שמתקיים a,b\neq0. נתבונן במטריצה הבאה:

A=\begin{pmatrix}a & b\\ -b & a \end{pmatrix}

נחשב את הדטרמיננטה שלה:

detA=\begin{vmatrix}a & b\\ -b & a \end{vmatrix}=a\cdot a-b\cdot(-b)=a^{2}+b^{2}>0

לכן, נוכל להסיק כי מתקיים f(A)=y, משמע ההעתקה f על.
עתה נבדוק את קיום תנאי ההומומורפיזם. יהי A_{1},A_{2}\in G.

מצד אחד מתקיים:

\begin{align*} f(A_{1}\cdot A_{2})&=f\left(\begin{pmatrix}a_{1} & b_{1}\\ -b_{1} & a_{1} \end{pmatrix}\cdot\begin{pmatrix}a_{2} & b_{2}\\ -b_{2} & a_{2} \end{pmatrix}\right)\\&=f\left(\begin{pmatrix}a_{1}a_{2}-b_{1}b_{2} & a_{1}b_{2}+a_{2}b_{1}\\ -(a_{2}b_{1}+a_{1}b_{2}) & a_{1}a_{2}-b_{1}b_{2} \end{pmatrix}\right)\\&=(a_{1}a_{2}-b_{1}b_{2})+i(a_{2}b_{1}+a_{1}b_{2}) \end{align*}

מצד שני מתקיים:

\begin{align*} f(A_{1})\cdot f(A_{2})&=f\begin{pmatrix}a_{1} & b_{1}\\ -b_{1} & a_{1} \end{pmatrix}\cdot f\begin{pmatrix}a_{2} & b_{2}\\ -b_{2} & a_{2} \end{pmatrix}\\&=(a_{1}+ib_{1})\cdot(a_{2}+ib_{2})\\&=(a_{1}a_{2}-b_{1}b_{2})+i(a_{2}b_{1}+a_{1}b_{2}) \end{align*}

קיבלנו f(A_{1}\cdot A_{2})=f(A_{1})\cdot f(A_{2}) ולכן ההעתקה f הומומורפיזם. סה"כ נוכל להסיק כי מתקיים G\cong(\mathbb{C}^{\times},\cdot), כנדרש.

2 לייקים