Tratado moderno de Álgebra — Capítulo 9: Núcleo e imagen de homomorfismos de grupos

Construcción del núcleo y la imagen de un homomorfismo de grupos, prueba de que ambos son subgrupos y caracterizaciones algebraicas de inyectividad y sobreyectividad.
Autor/a

Gustav A. Tachek

Fecha de última modificación

27 de septiembre de 2026

9.0. Propósito y posición deductiva

Un homomorfismo de grupos

\[ f:G\to H \]

puede estudiarse desde dos subconjuntos canónicos asociados a él:

  • los elementos del dominio que son enviados al neutro del grupo destino;
  • los elementos del codominio que son alcanzados por la función.

El primero será el núcleo y el segundo la imagen. Ambos se construirán como subconjuntos mediante Separación, sin importar todavía la infraestructura general de imágenes y preimágenes de TA-0003.

La secuencia deductiva será

\[ \text{homomorfismo de grupos} \longrightarrow \ker f,\ \operatorname{im}f \longrightarrow \text{subgrupos} \longrightarrow \text{inyectividad y sobreyectividad caracterizadas algebraicamente}. \]

La normalidad del núcleo y los cocientes se posponen hasta introducir formalmente los subgrupos normales.


9.1. Núcleo de un homomorfismo

Definición 9.1.1 — Núcleo de un homomorfismo de grupos

Sean

\[ \mathcal G=\langle G,\star\rangle, \qquad \mathcal H=\langle H,\diamond\rangle \]

grupos y sea

\[ f:G\to H \]

un homomorfismo de grupos. Definimos el núcleo de \(f\) como el subconjunto de \(G\)

\[ \{x\in G:f(x)=e_{\mathcal H}\}. \]

Este conjunto existe por Separación aplicada a \(G\).

La definición depende del homomorfismo completo, incluido su codominio: el neutro utilizado es el de la estructura destino \(\mathcal H\).


Notación 9.1.2 — Núcleo

En la situación anterior escribiremos

\[ \ker f := \{x\in G:f(x)=e_{\mathcal H}\}. \]

Por construcción,

\[ \ker f\subseteq G. \]

La notación \(\ker f\) no se utilizará para una función arbitraria: en este tratado queda introducida inicialmente para homomorfismos de grupos.


Proposición 9.1.3 — El núcleo es un subgrupo

Sea

\[ f:G\to H \]

un homomorfismo de grupos. Entonces \(\ker f\) determina un subgrupo de \(\mathcal G\).

Demostración

Aplicaremos el Lema 6.4.4 al subconjunto \(\ker f\subseteq G\).

Por la Proposición 7.4.2,

\[ f(e_{\mathcal G})=e_{\mathcal H}, \]

por lo que

\[ e_{\mathcal G}\in\ker f. \]

En particular, \(\ker f\) está habitado, con testigo explícito \(e_{\mathcal G}\).

Sean ahora \(a,b\in\ker f\). Entonces

\[ f(a)=e_{\mathcal H} \qquad\text{y}\qquad f(b)=e_{\mathcal H}. \]

Por la Proposición 7.4.3,

\[ f(b^{-1})=f(b)^{-1}=e_{\mathcal H}^{-1}. \]

El elemento \(e_{\mathcal H}\) es un inverso bilateral de sí mismo, pues

\[ e_{\mathcal H}\diamond e_{\mathcal H}=e_{\mathcal H}. \]

Por unicidad del inverso (Proposición 4.1.2),

\[ e_{\mathcal H}^{-1}=e_{\mathcal H}. \]

Como \(f\) es homomorfismo,

\[ \begin{aligned} f(a\star b^{-1}) &=f(a)\diamond f(b^{-1})\\ &=e_{\mathcal H}\diamond e_{\mathcal H}\\ &=e_{\mathcal H}. \end{aligned} \]

Por la definición del núcleo,

\[ a\star b^{-1}\in\ker f. \]

El Lema 6.4.4 implica que \(\ker f\) determina un subgrupo de \(\mathcal G\). \(\square\)


9.2. Imagen de un homomorfismo

Definición 9.2.1 — Imagen de un homomorfismo de grupos

Sean

\[ \mathcal G=\langle G,\star\rangle, \qquad \mathcal H=\langle H,\diamond\rangle \]

grupos y sea

\[ f:G\to H \]

un homomorfismo de grupos. Definimos la imagen de \(f\) como el subconjunto de \(H\)

\[ \{y\in H:\exists x\in G,\ f(x)=y\}. \]

Este conjunto existe por Separación aplicada a \(H\).

No se necesita aquí importar la operación general de imagen de subconjuntos desde TA-0003: la construcción anterior es suficiente y mantiene mínima la interfaz intertratados.


Notación 9.2.2 — Imagen

En la situación anterior escribiremos

\[ \operatorname{im}f := \{y\in H:\exists x\in G,\ f(x)=y\}. \]

Por construcción,

\[ \operatorname{im}f\subseteq H. \]


Proposición 9.2.3 — La imagen es un subgrupo

Sea

\[ f:G\to H \]

un homomorfismo de grupos. Entonces \(\operatorname{im}f\) determina un subgrupo de \(\mathcal H\).

Demostración

Aplicaremos el Lema 6.4.4 al subconjunto \(\operatorname{im}f\subseteq H\).

Por la Proposición 7.4.2,

\[ f(e_{\mathcal G})=e_{\mathcal H}, \]

luego

\[ e_{\mathcal H}\in\operatorname{im}f. \]

Así, \(\operatorname{im}f\) está habitada, con testigo explícito \(e_{\mathcal H}=f(e_{\mathcal G})\).

Sean \(u,v\in\operatorname{im}f\). Por definición de imagen, existen \(a,b\in G\) tales que

\[ f(a)=u, \qquad f(b)=v. \]

Por la Proposición 7.4.3,

\[ f(b^{-1})=f(b)^{-1}=v^{-1}. \]

Por preservación de la operación,

\[ \begin{aligned} u\diamond v^{-1} &=f(a)\diamond f(b^{-1})\\ &=f(a\star b^{-1}). \end{aligned} \]

Como \(a\star b^{-1}\in G\), la última igualdad muestra que

\[ u\diamond v^{-1}\in\operatorname{im}f. \]

Por el Lema 6.4.4, \(\operatorname{im}f\) determina un subgrupo de \(\mathcal H\). \(\square\)


9.3. Caracterizaciones funcionales

Teorema 9.3.1 — Inyectividad y núcleo trivial

Sea

\[ f:G\to H \]

un homomorfismo de grupos. Son equivalentes:

  1. \(f\) es inyectiva;
  2. \(\ker f=\{e_{\mathcal G}\}\).

Cuando se cumple la segunda condición diremos que \(f\) tiene núcleo trivial.

Demostración

\((1)\Rightarrow(2)\). Supongamos que \(f\) es inyectiva. Por la Proposición 7.4.2,

\[ f(e_{\mathcal G})=e_{\mathcal H}, \]

así que

\[ e_{\mathcal G}\in\ker f. \]

Sea \(x\in\ker f\). Entonces

\[ f(x)=e_{\mathcal H}=f(e_{\mathcal G}). \]

Por inyectividad,

\[ x=e_{\mathcal G}. \]

De

\[ e_{\mathcal G}\in\ker f \]

se sigue

\[ \{e_{\mathcal G}\}\subseteq\ker f. \]

Por otra parte, como \(x\in\ker f\) era arbitrario y hemos demostrado \(x=e_{\mathcal G}\),

\[ \ker f\subseteq\{e_{\mathcal G}\}. \]

Las dos inclusiones y Extensionalidad dan

\[ \ker f=\{e_{\mathcal G}\}. \]

\((2)\Rightarrow(1)\). Supongamos ahora

\[ \ker f=\{e_{\mathcal G}\}. \]

Sean \(x,y\in G\) tales que

\[ f(x)=f(y). \]

Por la Proposición 7.4.3,

\[ f(y^{-1})=f(y)^{-1}. \]

Entonces

\[ \begin{aligned} f(x\star y^{-1}) &=f(x)\diamond f(y^{-1})\\ &=f(y)\diamond f(y)^{-1}\\ &=e_{\mathcal H}. \end{aligned} \]

Por la Definición 9.1.1 del núcleo, la igualdad

\[ f(x\star y^{-1})=e_{\mathcal H} \]

equivale a

\[ x\star y^{-1}\in\ker f. \]

Usando la hipótesis

\[ \ker f=\{e_{\mathcal G}\}, \]

obtenemos

\[ x\star y^{-1}\in\{e_{\mathcal G}\}. \]

Por la definición de conjunto unitario,

\[ x\star y^{-1}=e_{\mathcal G}. \]

Multiplicando a la derecha por \(y\) y usando asociatividad, inversos y neutro en \(\mathcal G\),

\[ \begin{aligned} x &=x\star e_{\mathcal G}\\ &=x\star(y^{-1}\star y)\\ &=(x\star y^{-1})\star y\\ &=e_{\mathcal G}\star y\\ &=y. \end{aligned} \]

Así, \(f(x)=f(y)\) implica \(x=y\). Por la definición de inyectividad importada mediante TALG-IMP-00002, \(f\) es inyectiva. \(\square\)


Proposición 9.3.2 — Sobreyectividad e imagen total

Sea

\[ f:G\to H \]

un homomorfismo de grupos. Son equivalentes:

  1. \(f\) es sobreyectiva;
  2. \(\operatorname{im}f=H\).

Demostración

\((1)\Rightarrow(2)\). Por definición,

\[ \operatorname{im}f\subseteq H. \]

Si \(f\) es sobreyectiva y \(h\in H\), existe \(g\in G\) tal que

\[ f(g)=h. \]

Entonces \(h\in\operatorname{im}f\). Por tanto,

\[ H\subseteq\operatorname{im}f. \]

Por Extensionalidad,

\[ \operatorname{im}f=H. \]

\((2)\Rightarrow(1)\). Supongamos

\[ \operatorname{im}f=H. \]

Sea \(h\in H\). Entonces \(h\in\operatorname{im}f\), y por definición de imagen existe \(g\in G\) tal que

\[ f(g)=h. \]

Esto es exactamente la sobreyectividad de \(f\) según TALG-IMP-00002. \(\square\)


9.4. Lectura estructural

El núcleo y la imagen miden dos aspectos diferentes de un homomorfismo:

\[ \ker f \quad\text{mide la pérdida de distinción en el dominio,} \]

mientras que

\[ \operatorname{im}f \quad\text{mide la porción del codominio alcanzada por la función.} \]

Los resultados anteriores convierten estas intuiciones en equivalencias exactas:

\[ f\text{ inyectiva} \iff \ker f=\{e_{\mathcal G}\}, \]

\[ f\text{ sobreyectiva} \iff \operatorname{im}f=H. \]

Además, la Proposición 9.1.3 y la Proposición 9.2.3 muestran que ambos subconjuntos son algebraicamente estables: no son subconjuntos accidentales, sino subgrupos canónicos asociados a \(f\).

El siguiente paso será distinguir una propiedad especial del núcleo que todavía no ha sido definida: la normalidad. Sólo después se construirán cocientes de grupos y los teoremas de isomorfía.


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Reutilización

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