Grupp (matematik)

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 13 maj 2022; kontroller kräver 5 redigeringar .

En grupp i matematik  är en icke-tom uppsättning på vilken en associativ binär operation definieras , och för denna operation finns det ett neutralt element (analogt med enhet för multiplikation), och varje element i mängden har en invers . Den gren av allmän algebra som handlar om grupper kallas gruppteori [1] .

Ett exempel på en grupp är mängden heltal , utrustad med additionsoperationen : summan av två heltal ger också ett heltal, noll spelar rollen som ett neutralt element och ett tal med motsatt tecken är det inversa elementet. Andra exempel är uppsättningen av reella tal med additionsoperationen, uppsättningen av planrotationer runt origo . Tack vare den abstrakta definitionen av en grupp genom ett system av axiom som inte är knutet till särdragen i genereringsmängder, har gruppteorin skapat en universell apparat för att studera en bred klass av matematiska objekt av de mest olika ursprung ur synvinkel de allmänna egenskaperna hos deras struktur . Allmänheten av grupper i matematik och utanför gör dem till en väsentlig konstruktion i modern matematik och dess tillämpningar.

Gruppen är i grunden relaterad till begreppet symmetri och är ett viktigt verktyg i studiet av alla dess manifestationer. Till exempel återspeglar en symmetrigrupp egenskaperna hos ett geometriskt objekt: den består av en uppsättning transformationer som lämnar objektet oförändrat, och operationen att kombinera två sådana transformationer som följer efter varandra. Symmetrigrupper såsom punktsymmetrigrupper är till hjälp för att förstå fenomenet molekylär symmetri i kemi; Poincare-gruppen karakteriserar symmetrin av den fysiska rum-tiden , och speciella enhetsgrupper används i standardmodellen av elementarpartikelfysik [2] .

Konceptet med en grupp introducerades av Evariste Galois när han studerade polynom1830 -talet [3] .

Modern gruppteori är en aktiv gren av matematiken [4] . Ett av de mest imponerande resultaten uppnåddes i klassificeringen av enkla ändliga grupper , som slutfördes 1981 : beviset för satsen är tiotusentals sidor av hundratals vetenskapliga artiklar av mer än hundra författare publicerade sedan 1955, men artiklar fortsätter att dyka upp på grund av detekterbara luckor i beviset [5] . Sedan mitten av 1980-talet har den geometriska teorin om grupper , som studerar ändligt genererade grupper som geometriska objekt, fått betydande utveckling.

Definition

En icke-tom uppsättning med en binär operation definierad på den : kallas en grupp om följande axiom är sanna :

  1. associativitet : ;
  2. förekomsten av ett neutralt element : ;
  3. förekomsten av ett inverst element : .

De två sista axiomen kan ersättas med ett axiom för förekomsten av en invers operation :

.

Dessutom är ovanstående axiom inte strikt minimala. För existensen av ett neutralt och inverst element räcker det att ha ett vänsterneutralt element och ett vänsterinverst element. Samtidigt kan det bevisas att de automatiskt kommer att vara vanliga neutrala och inversa element [6] .

Relaterade definitioner

  • Grupphomomorfismer  är kartläggningar av grupper som bevarar gruppstrukturen. Det vill säga, en kartläggning av grupper kallas en homomorfism om den uppfyller villkoret .
  • Två grupper sägs vara isomorfa om det finns en grupphomomorfism och en grupphomomorfism så att och , var och . I det här fallet kallas dessa homomorfismer isomorfismer .
  • För ett element är den vänstra coset för undergrupp  mängden , och den högra coset för undergrupp  är mängden .
  • En normal undergrupp  är en undergrupp av en speciell typ vars vänstra och högra sammanfaller. För alla,.
  • En kvotgrupp  är en uppsättning medsatser för en grupp med avseende på dess normala undergrupp, som i sig är en grupp.
  • Standardnotation

    Multiplikativ notation

    Vanligtvis kallas gruppoperationen (abstrakt) multiplikation ; sedan tillämpas den multiplikativa notationen :

    Om gruppoperationen kallas multiplikation , så kallas en sådan grupp själv multiplikativ och, med den fullständiga notationen (när de uttryckligen vill ange gruppoperationen), betecknas de enligt följande :.

    Flera produkter , , skrivs som naturliga krafter , , [7] . För ett element är en heltalsgrad korrekt definierad [ 8] , den skrivs på följande sätt: , .

    Additiv notation

    I en kommutativ grupp ses den definierande operationen ofta som (abstrakt) addition och skrivs additivt :

    Om gruppoperationen kallas addition kallas en sådan grupp själv additiv och betecknas med den fullständiga notationen enligt följande : . [9] Denna term hänvisar endast till det sätt på vilket en operation skrivs i en grupp; det är användbart när flera operationer är definierade på en uppsättning. Till exempel kan man tala om den additiva gruppen av reella tal eller den multiplikativa gruppen av positiva reella tal . Dessutom finns det fall där en additiv grupp är isomorf till en multiplikativ (se Rötter från enhet ).

    Exempel

    Grupper används inom olika områden inom matematiken. Till exempel i topologi , genom att introducera begreppet en fundamental grupp [10] . Utöver den teoretiska tillämpningen av grupper finns det många sätt att tillämpa grupper i praktiken. Till exempel används de i kryptografi , som bygger på beräkningsgruppteori och kunskap om algoritmer .

    Tillämpningen av gruppteori är inte begränsad till matematik, den används ofta inom vetenskaper som fysik , kemi och datavetenskap .

    det kan finnas en klocka med urtavla [11] .

    De enklaste egenskaperna

    Sätt att ställa in en grupp

    Gruppen kan ställas in:

    Historik

    Det moderna konceptet med en grupp bildades från flera områden inom matematiken. Den ursprungliga drivkraften bakom gruppteorin var sökandet efter lösningar på algebraiska ekvationer med grader större än fyra. Den franske 1800-talsmatematikern Évariste Galois , efter att ha förfinat studierna av Ruffini och Lagrange , gav ett kriterium för lösbarheten av en viss algebraisk ekvation i termer av symmetrigruppen för dess lösningar. Elementen i en sådan Galois - grupp motsvarar vissa permutationer av rötterna . Galois idéer förkastades av hans samtida och publicerades postumt av Liouville 1846. Baserat på samma arbete som Galois studerade Cauchy permutationsgrupper i detalj [3] . Begreppet en ändlig grupp introducerades först av Arthur Cayley 1854 i hans arbete " Om teorin om grupper, beroende på den symboliska ekvationen θ n 1 " ) [28] .  

    Geometri  är det andra området där grupper har tillämpats systematiskt, särskilt symmetrigrupper som en del av den tyske matematikern Felix Kleins " Erlangen - program" . Efter uppkomsten av nya grenar av geometri som hyperbolisk och projektiv geometri , använde Klein gruppteori för att bättre förena dem. Ytterligare utveckling av dessa idéer leder till införandet av begreppet Lie-grupp i matematiken 1884 [3] .

    Det tredje området av matematik som bidrog till utvecklingen av gruppteori är talteori . Vissa abeliangrupper användes implicit i Gauss ' Arithmetical Investigations (1801). År 1847 gjorde Ernst Kummer de första försöken att bevisa Fermats sista sats med hjälp av grupper som beskrev primtalsfaktoriseringar. År 1870 generaliserade Kronecker Kummers arbete och gav en definition nära den moderna definitionen av en finit abelsk grupp [3] .

    Separationen av gruppteorin började med Camille Jordans Treatise on Changes and Algebraic Equations (1870) [29] . På 1900-talet började gruppteorin utvecklas aktivt. Frobenius och Burnsides banbrytande arbete om representation av finita grupper , Richard Braurs modulära representationsteorin och Schurs notationer föddes . Betydande framsteg i studiet av teorin om Lie-grupper och lokalt kompakta grupper gjordes av Weyl och Cartan . Algebraisk tillägg till dessa teorier var teorin om algebraiska grupper , först formulerad av Claude Chevalley , senare omnämnd i verk av Borel och Tits [3] .

    Under läsåret 1960–61 höll University of Chicago ett år med gruppteori som förde samman teoretiker som Daniel Gorenstein, John Thompson och Walter Feith, och lade på så sätt grunden för samarbetet mellan ett stort antal matematiker som senare härledde klassificeringssatsen för alla enkla finita grupper under 1980. -s år. Detta projekt överskred i storlek alla tidigare försök att klassificera grupperna, både när det gäller längden på bevisen och antalet vetenskapsmän som är involverade i detta arbete. Aktuell forskning syftar till att förenkla klassificeringen av grupper. För närvarande fortsätter gruppteorin att utvecklas aktivt och påverka andra grenar av matematiken [5] [30] [31] .

    Variationer och generaliseringar

    Grupper med ytterligare struktur

    Många grupper har samtidigt någon annan (ytterligare) matematisk struktur. I kategoriteorin är det här gruppobjekt i kategorin ; med andra ord, dessa är objekt (det vill säga till exempel mängder som har en viss matematisk struktur) för vilka en klass av vissa transformationer (kallade morfismer ) ges, efter gruppens axiom. I synnerhet är varje grupp (i den tidigare definierade betydelsen) samtidigt en mängd , så att en grupp är ett gruppobjekt i kategorin uppsättningar ( morfismerna i denna kategori är mappningar av mängder) [35] .

    Ringar

    En ring  är en uppsättning på vilken de binära operationerna av kommutativ addition och (inte nödvändigtvis kommutativ) multiplikation definieras, dessutom, med avseende på addition, bildar K en grupp och multiplikation är kopplad till addition genom en distributiv lag.

    En ring kallas kommutativ och associativ om multiplikationsoperationen som ges på den är kommutativ och följaktligen associativ. Ett element i en ring kallas en enhet om följande villkor är uppfyllt: , där  är något element i ringen.

    Numeriska mängder Z , Q , R är kommutativa associativa ringar med identitet. Uppsättningen av vektorer med funktion av vektormultiplikation är en antikommutativ ring (dvs ) på grund av egenskaperna hos vektormultiplikation [36] : .

    Fält

    Ett fält  är en kommutativ associativ ring med en enhet, och med avseende på addition bildar den en grupp, och dess element som inte är noll är en grupp genom multiplikation. Fältet kan inte bestå av en enda nolla. Uppsättningarna av rationella och reella tal är fält. I alla fält endast om och/eller [37] .

    Topologiska grupper

    Vissa topologiska rum kan samtidigt förses med en gruppstruktur. I det här fallet kan ett sådant utrymme visa sig vara en topologisk grupp .

    En topologisk grupp är nämligen  en grupp som samtidigt är ett topologiskt utrymme , och multiplikationen av gruppens element och operationen av att ta det inversa elementet visar sig vara kontinuerliga avbildningar i den använda topologin [38] . Topologiska grupper är gruppobjekt i topologiska utrymmen Top [35] .

    De viktigaste exemplen på topologiska grupper är den additiva gruppen av realer , den multiplikativa gruppen av realer som inte är noll , den fullständiga linjära gruppen , den speciella linjära gruppen , den ortogonala gruppen , den speciella ortogonala gruppen , den enhetliga gruppen , den speciella enhetsgruppen [39 ] .

    Lögngrupper

    En Lie-grupp (till ära av Sophus Lie ) är en grupp som samtidigt är ett differentierbart mångfald över fältet K (fältet av reella eller komplexa tal kan fungera som det senare), och multiplikationen av elementen i gruppen och operationen att ta det inversa elementet visar sig vara jämna mappningar (i det komplexa fallet krävs holomorfi av de introducerade mappningarna). Dessutom är varje komplex -dimensionell Lie-grupp samtidigt en riktig Lie-grupp av dimension [40] .

    Alla konkreta grupper som ges i föregående underavsnitt som exempel på topologiska grupper är samtidigt Lie-grupper.

    Lögngrupper uppstår naturligt när man överväger kontinuerliga symmetrier ; alltså, Lie-gruppen bildas [41] av isometrier av formen , där  är det euklidiska pekarutrymmet . Den resulterande gruppen, betecknad [42] , är en undergrupp till en annan Lie-grupp, den affina gruppen av utrymmet , betecknad [43] .

    Lögngrupper är de bästa av mångfalden när det gäller rikedomen av strukturen de har, och är som sådana mycket viktiga i differentialgeometri och topologi . De spelar också en framträdande roll inom geometri, kalkyl, mekanik och fysik [40] .

    Se även

    Anteckningar

    1. 1 2 Kargapolov M.I., Merzlyakov Yu.I. Grunderna i gruppteori. - 3:e upplagan - Moskva: Nauka, 1982. - S. 16. - 288 sid. - 11 800 exemplar.
    2. Kargapolov M.I., Merzlyakov Yu.I. Grunderna i gruppteori. - 3:e uppl. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 9-14. — 288 sid. - 11 800 exemplar.
    3. 1 2 3 4 5 Israel Kleiner. The Evolution of Group Theory: A Brief Survey  // Mathematics Magazine  : a journal  . - 1986. - Oktober ( vol. 59 , nr 4 ). - S. 195-215 . - doi : 10.2307/2690312 .
    4. Endast 2005, enligt MathSciNet , publicerades mer än 2 tusen forskningsartiklar inom området gruppteori och generaliseringar .
    5. 1 2 Gorenstein D. Finita enkla grupper. Introduktion till deras klassificering = Finita enkla grupper. En introduktion till deras klassificering / ed. A.I. Kostrikin. - Världen. - Moskva: Mir, 1985. - S. 9-17. — 352 sid. - 5250 exemplar.
    6. Sagalovich, 2010 , sid. femtio.
    7. Den naturliga graden av ett element är korrekt bestämt på grund av associativitet
    8. Korrekthet följer av det inversa elementets unika karaktär.
    9. 1 2 Kargapolov M.I., Merzlyakov Yu.I. Grunderna i gruppteori. - 3:e upplagan - Moskva: Nauka, 1982. - S. 18. - 288 sid. - 11 800 exemplar.
    10. Hatcher Allen. Algebraisk topologi. - Cambridge: Cambridge University Press, 2002. - P. 30. - ISBN 978-0-486-45868-7 .
    11. M. Welschenbach. Kapitel 5 // Kryptografi i C och C++ i aktion . - M . : "Triumph", 2004. - S.  81 -84. — 464 sid. — ISBN 5-89392-083-X .
    12. 1 2 3 Olshansky A. Yu. Geometri för att definiera relationer i en grupp. - Nauka, 1989. - S. 18-19. — 448 sid. - ISBN 5-02-013916-5 .
    13. Kargapolov M.I., Merzlyakov Yu.I. Grunderna i gruppteori. - 3:e uppl. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 122-124. — 288 sid. - 11 800 exemplar.
    14. Kurosh A. G. Theory of groups / ed. Brudno K.F. - 3:e uppl. - Moskva: Nauka, 1967. - S. 34. - 648 sid. — 20 000 exemplar.
    15. Kulikov L. Ya. Algebra och talteori. - Högre skola, 1979. - S. 351. - 559 sid. - 40 000 exemplar.
    16. Vinberg E. B. Fundamentals of group theory. - 2:a uppl. - Factorial Press, 2001. - S. 162-163. — 544 sid. — ISBN 5-88688-060-7 .
    17. Schonert, Martin. Analysera Rubiks kub med  GAP . Hämtad 19 juli 2013. Arkiverad från originalet 5 september 2013.
    18. Postnikov M. M. Galois teori. - Moskva: Fizmatgiz, 1963. - S. 126-127. — 220 s. — 11 500 exemplar.
    19. Kargapolov M.I., Merzlyakov Yu.I. Grunderna i gruppteori. - 3:e uppl. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 17. - 288 sid. - 11 800 exemplar.
    20. Sagalovich, 2010 , sid. 56.
    21. Kulikov L. Ya. Algebra och talteori. - Högre skola, 1979. - S. 353. - 559 sid. - 40 000 exemplar.
    22. Kargapolov M. I., Merzlyakov Yu. I. Fundamentals of group theory. - 3:e uppl. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 24. - 288 sid. - 11 800 exemplar.
    23. Kargapolov M. I., Merzlyakov Yu. I. Fundamentals of group theory. - 3:e uppl. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 45-46. — 288 sid. - 11 800 exemplar.
    24. Vinberg E. B. Fundamentals of group theory. - 2:a. - Factorial Press, 2001. - S. 409, 415. - 544 sid. — ISBN 5-88688-060-7 .
    25. Leng S.  Algbra. M .: Mir, 1964. S. 23.
    26. Leng S.  Algbra. M .: Mir, 1964. S. 52.
    27. Olshansky A. Yu. Geometri för att definiera relationer i en grupp. - Nauka, 1989. - S. 330-331. — 448 sid. - ISBN 5-02-013916-5 .
    28. Cayley (1854) "Om teorin om grupper, beroende på den symboliska ekvationen θ n = 1", Philosophical Magazine , 4:e serien, (42): 40-47.
    29. Wussing, Hans. The Genesis of the Abstract Group Concept: A Contribution to the History of the Origin of Abstract Group Theory. — Genomgång av allmän psykologi. - New York : Dover Publications , 2007. - P. 154. - ISBN 978-0-486-45868-7 .
    30. Leonard Scott, Ronald Solomon, John Thompson, John Walter, Efim Zelmanov. Walter Feit (1930–2004) Walter Feit (1930–2004)  //  Notices of the American Mathematical Society : Journal. - 2005. - Augusti ( vol. 52 , nr 7 ). - s. 728-735 .
    31. Wilson, Robert A. De ändliga enkla grupperna . — Examentexter i matematik. - New York: Springer-Verlag , 2009. - S.  2 -5. - ISBN 978-1-84800-987-5 . - doi : 10.1007/978-1-84800-988-2 .
    32. Belousov V. D. Grunderna i teorin om kvasigrupper och loopar. - Nauka, 1967. - S. 5. - 223 sid. - 2800 exemplar.
    33. Belousov V. D. Grunderna i teorin om kvasigrupper och loopar. - Nauka, 1967. - S. 6. - 223 sid. - 2800 exemplar.
    34. 1 2 Kulikov L. Ya. Algebra och talteori. - Högre skola, 1979. - S. 346-347. — 559 sid. - 40 000 exemplar.
    35. 1 2 Bucur I., Deleanu A. Introduktion // Introduktion till teorin om kategorier och funktorer = Introduktion till teorin om kategorier och funktioner / transl. från engelska. D. A. Raikova , V. F. Retakh . - M . : Mir, 1972. - S. 9-10. — 259 sid.
    36. Vinberg E. B. Fundamentals of group theory. - 2:a uppl. - Factorial Press, 2001. - S. 14-15. — 544 sid. — ISBN 5-88688-060-7 .
    37. Vinberg E. B. Fundamentals of group theory. - 2:a uppl. - Factorial Press, 2001. - S. 16. - 544 sid. — ISBN 5-88688-060-7 .
    38. Bourbaki N.   Allmän topologi. Topologiska grupper. Siffror och relaterade grupper och mellanslag. M. : Nauka, 1969. S. 12.
    39. Rokhlin V. A., Fuchs D. B.   Inledande topologikurs. Geometriska huvuden.  M .: Nauka, 1977. S. 268-271.
    40. 1 2 Vinberg E. B. Fundamentals of group theory. - 2:a uppl. - Factorial Press, 2001. - S. 501. - 544 sid. — ISBN 5-88688-060-7 .
    41. Kostrikin A.I., Manin Yu.I.   Linjär algebra och geometri. M. : Nauka, 1986. S. 201.
    42. Dieudonné J.   Linjär algebra och elementär geometri. M. : Nauka, 1972. S. 129.
    43. Dolgachev I. V., Shirokov A. P. Affint rymd // Matem. encyklopedi. T. 1. M .: Sov. uppslagsverk, 1982. Stb. 362-363.

    Litteratur

    Vetenskaplig litteratur

    Populärlitteratur