Skupina (matematika)

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 13. května 2022; kontroly vyžadují 5 úprav .

Skupina v matematice  je neprázdná množina , na které je definována asociativní binární operace , a pro tuto operaci existuje neutrální prvek (analogický k jednotě pro násobení) a každý prvek množiny má inverzní . Obor obecné algebry , který se zabývá grupami, se nazývá teorie grup [1] .

Jedním příkladem skupiny je množina celých čísel vybavených operací sčítání : součet jakýchkoli dvou celých čísel také dává celé číslo, nula hraje roli neutrálního prvku a číslo s opačným znaménkem je inverzní prvek. Dalšími příklady jsou množina reálných čísel s operací sčítání, množina rotací rovin kolem počátku . Díky abstraktní definici grupy prostřednictvím systému axiomů , který není vázán na specifika generujících množin, vytvořila teorie grup univerzální aparát pro studium široké třídy matematických objektů nejrozmanitějšího původu z hlediska obecné vlastnosti jejich struktury . Všudypřítomnost grup v matematice i mimo ni z nich dělá zásadní konstrukt v moderní matematice a jejích aplikacích.

Skupina zásadně souvisí s pojmem symetrie a je důležitým nástrojem při studiu všech jejích projevů. Například skupina symetrie odráží vlastnosti geometrického objektu: skládá se ze sady transformací , které ponechávají objekt beze změny, a operace sloučení dvou takových transformací, které následují po sobě. Skupiny symetrie, jako jsou bodové skupiny symetrie, jsou užitečné při porozumění fenoménu molekulární symetrie v chemii; skupina Poincare charakterizuje symetrii fyzického časoprostoru a ve standardním modelu fyziky elementárních částic se používají speciální unitární skupiny [2] .

Pojem grupy zavedl Evariste Galois při studiu polynomů ve 30. letech 19. století [3] .

Moderní teorie grup je aktivním odvětvím matematiky [4] . Jeden z nejpůsobivějších výsledků byl dosažen v klasifikaci jednoduchých konečných grup , která byla dokončena v roce 1981 : důkazem věty jsou desítky tisíc stran stovek vědeckých článků od více než stovky autorů publikovaných od roku 1955, ale články se nadále objevují kvůli detekovatelným mezerám v důkazu [5] . Od poloviny 80. let prošla geometrická teorie grup , která studuje finitně generované grupy jako geometrické objekty, významného rozvoje.

Definice

Neprázdná množina s definovanou binární operací : se nazývá skupina , pokud platí následující axiomy :

  1. asociativita : ;
  2. přítomnost neutrálního prvku : ;
  3. přítomnost inverzního prvku : .

Poslední dva axiomy lze nahradit jedním axiomem existence inverzní operace :

.

Navíc výše uvedené axiomy nejsou striktně minimální. Pro existenci neutrálního a inverzního prvku stačí mít levý neutrální prvek a levý inverzní prvek. Zároveň lze dokázat, že se bude automaticky jednat o obyčejné neutrální a inverzní prvky [6] .

Související definice

  • Skupinové homomorfismy  jsou zobrazení skupin, která zachovávají strukturu skupiny. To znamená, že zobrazení skupin se nazývá homomorfismus , pokud splňuje podmínku .
  • O dvou skupinách se říká , že jsou izomorfní , pokud existují skupinový homomorfismus a skupinový homomorfismus takový, že a , kde a . V tomto případě se tyto homomorfismy nazývají izomorfismy .
  • U prvku je levá množina podle podskupiny  množina a pravá množina podle podskupiny  je množina .
  • Normální podskupina  je podskupina zvláštního typu, jejíž levá a pravá koseta se shoduje. Pro jakékoli,.
  • Kvocientová skupina  je množina cosetů skupiny s ohledem na její normální podgrupu, která je sama grupou.
  • Standardní notace

    Multiplikativní zápis

    Obvykle se skupinová operace nazývá (abstraktní) násobení ; pak se použije multiplikativní zápis :

    Pokud se skupinová operace nazývá multiplikace , pak se taková skupina sama nazývá multiplikativní a s úplným zápisem (když chtějí explicitně označit skupinovou operaci) jsou označeny následovně :.

    Vícenásobné součiny , , jsou zapsány jako přirozené mocniny , , [7] . Pro prvek je správně definován celočíselný stupeň [ 8] , zapisuje se takto: , .

    Aditivní zápis

    V komutativní skupině je definující operace často považována za (abstraktní) sčítání a je psána aditivně :

    Pokud se skupinová operace nazývá addice , pak se taková skupina sama nazývá aditivní a s úplným zápisem je označena následovně :. [9] Tento termín se vztahuje pouze na způsob, jakým je operace zapsána ve skupině; je užitečné, když je na sadě definováno více operací. Například lze hovořit o aditivní skupině reálných čísel nebo o multiplikativní skupině kladných reálných čísel . Navíc existují případy, kdy je aditivní skupina izomorfní vůči multiplikativní (viz Kořeny z jednoty ).

    Příklady

    Skupiny se používají v různých oblastech matematiky. Například v topologii zavedením konceptu základní grupy [10] . Kromě teoretické aplikace skupin existuje mnoho způsobů, jak skupiny aplikovat v praxi. Používají se například v kryptografii , která se opírá o výpočetní teorii grup a znalost algoritmů .

    Aplikace teorie grup není omezena na matematiku, je široce používána v takových vědách, jako je fyzika , chemie a informatika .

    mohou být hodinky s ciferníkem [11] .

    Nejjednodušší vlastnosti

    Způsoby nastavení skupiny

    Skupinu lze nastavit:

    Historie

    Moderní pojetí grupy vzniklo z několika oblastí matematiky. Původní hnací silou teorie grup bylo hledání řešení algebraických rovnic stupně většího než čtyři. Francouzský matematik 19. století Évariste Galois poté, co zdokonalil studie Ruffiniho a Lagrange , dal kritérium pro řešitelnost konkrétní algebraické rovnice v podmínkách skupiny symetrie jejích řešení. Prvky takové Galoisovy skupiny odpovídají jistým permutacím kořenů . Galoisovy myšlenky byly odmítnuty jeho současníky a posmrtně publikovány Liouvillem v roce 1846. Cauchy na základě stejné práce jako Galois podrobně studoval permutační skupiny [3] . Pojem konečné grupy poprvé představil Arthur Cayley v roce 1854 ve své práci „ O teorii grup, jak závisí na symbolické rovnici θ n 1 [ 28] .  

    Geometrie  je druhou oblastí, kde byly grupy systematicky aplikovány, zejména grupy symetrie jako součást „ Erlangenského programu“ německého matematika Felixe Kleina . Po vzniku nových odvětví geometrie, jako je hyperbolická a projektivní geometrie , Klein použil teorii grup, aby je lépe sladil. Další rozvoj těchto myšlenek vede k zavedení konceptu Lieovy grupy do matematiky v roce 1884 [3] .

    Třetí oblastí matematiky, která přispěla k rozvoji teorie grup, je teorie čísel . Některé abelovské skupiny byly implicitně použity v Gauss ' Aritmetical Investigations (1801). V roce 1847 provedl Ernst Kummer první pokusy dokázat Fermatovu poslední větu pomocí skupin popisujících prvočíselné faktorizace. V roce 1870 Kronecker zobecnil Kummerovu práci a dal definici blízkou moderní definici konečné abelovské grupy [3] .

    Oddělení teorie grup začalo pojednáním Camille Jordana o změnách a algebraických rovnicích (1870) [29] . Ve 20. století se začala aktivně rozvíjet teorie skupin. Zrodila se průkopnická práce Frobenia a Burnsidea o reprezentaci konečných grup , teorie modulární reprezentace Richarda Braura a Schurovy zápisy . Významný pokrok ve studiu teorie Lieových grup a lokálně kompaktních grup udělali Weyl a Cartan . Algebraickým přídavkem k těmto teoriím byla teorie algebraických grup , poprvé formulovaná Claudem Chevalleyem , později zmíněná v dílech Borela a Sýkorek [3] .

    V akademickém roce 1960–61 se na Chicagské univerzitě konal rok teorie grup, který svedl dohromady teoretiky jako Daniel Gorenstein, John Thompson a Walter Feith, a položil tak základy pro spolupráci velkého počtu matematiků, kteří následně odvodili klasifikační teorém pro všechny jednoduché konečné grupy v 80. -s letech. Tento projekt svou velikostí překonal všechny předchozí pokusy o klasifikaci skupin, a to jak délkou důkazů, tak počtem vědců zapojených do této práce. Současný výzkum je zaměřen na zjednodušení klasifikace skupin. V současnosti se teorie grup aktivně rozvíjí a ovlivňuje další odvětví matematiky [5] [30] [31] .

    Variace a zobecnění

    Skupiny s dodatečnou strukturou

    Mnoho skupin má současně nějakou jinou (dodatečnou) matematickou strukturu. V jazyce teorie kategorií se jedná o skupinové objekty v kategorii ; jinými slovy, jedná se o objekty (tedy např. množiny, které mají určitou matematickou strukturu), pro které je dána třída určitých transformací (nazývaných morfismy ) podle axiomů grupy. Konkrétně každá grupa (v dříve definovaném smyslu) je současně množinou , takže grupa je grupovým objektem v kategorii množin Set (morfismy v této kategorii jsou zobrazení množin) [35] .

    Prsteny

    Kruh  je množina , na které jsou definovány binární operace komutativního sčítání a (ne nutně komutativního) násobení, navíc s ohledem na sčítání K tvoří grupu a násobení je se sčítáním spojeno distributivním zákonem.

    Prstenec se nazývá komutativní a asociativní , pokud je na něm uvedená operace násobení komutativní, a tedy asociativní. Prvek prstence se nazývá jednotka, pokud je splněna následující podmínka: , kde  je libovolný prvek prstence.

    Číselné množiny Z , Q , R jsou komutativní asociativní kruhy s identitou. Množina vektorů s operací vektorového násobení je antikomutativní kruh (tj ) díky vlastnostem vektorového násobení [36] : .

    Pole

    Pole  je komutativní asociativní okruh s jednotkou a s ohledem na sčítání tvoří grupu a jeho nenulové prvky jsou grupou násobením. Pole nemůže obsahovat jedinou nulu. Množiny racionálních a reálných čísel jsou pole. V libovolném poli pouze pokud a/nebo [37] .

    Topologické skupiny

    Některé topologické prostory mohou být zároveň vybaveny skupinovou strukturou. V tomto případě se takový prostor může ukázat jako topologická skupina .

    Topologická grupa je totiž  grupa, která je současně topologickým prostorem , a násobení prvků grupy a operace převzetí inverzního prvku se v použité topologii ukazují jako spojitá zobrazení [38] . Topologické grupy jsou skupinové objekty v topologických prostorech Nahoru [35] .

    Nejdůležitější příklady topologických grup jsou aditivní grupa reálů , multiplikativní grupa nenulových reálů , úplná lineární grupa , speciální lineární grupa , ortogonální grupa , speciální ortogonální grupa , unitární grupa , speciální unitární grupa [39 ] .

    Skupiny lži

    Lieova grupa (na počest Sophuse Lie ) je grupa, která je současně diferencovatelnou varietou nad polem K (pole reálných nebo komplexních čísel může fungovat jako druhé) a násobením prvků grupy a operace. z převzetí inverzního prvku se ukáží hladká zobrazení (ve složitém případě je nutná holomorfie zavedených zobrazení). Navíc jakákoliv komplexní -dimenzionální Lieova grupa je současně skutečnou Lieovou grupou dimenze [40] .

    Všechny konkrétní grupy uvedené v předchozí podkapitole jako příklady topologických grup jsou zároveň Lieovy grupy.

    Grupy lži vyvstávají přirozeně když zvažuje spojité symetrie ; tedy Lieovu grupu tvoří [41] izometrie tvaru , kde  je euklidovský bodový prostor . Výsledná grupa, označená [42] , je podgrupou další Lieovy grupy, afinní grupa prostoru , označená [43] .

    Lieovy grupy jsou nejlepší z variet, pokud jde o bohatost struktury, kterou mají, a jako takové jsou velmi důležité v diferenciální geometrii a topologii . Hrají také významnou roli v geometrii, počtu, mechanice a fyzice [40] .

    Viz také

    Poznámky

    1. 1 2 Kargapolov M.I., Merzlyakov Yu.I. Základy teorie grup. - 3. vyd. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 16. - 288 s. - 11 800 výtisků.
    2. Kargapolov M.I., Merzljakov Yu.I. Základy teorie grup. - 3. vyd. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 9-14. — 288 s. - 11 800 výtisků.
    3. 1 2 3 4 5 Israel Kleiner. Evoluce teorie grup: Stručný přehled  // Magazín Mathematics  : časopis  . - 1986. - říjen ( roč. 59 , č. 4 ). - S. 195-215 . - doi : 10.2307/2690312 .
    4. Jen v roce 2005 bylo podle MathSciNet publikováno více než 2 tisíce výzkumných prací v oblasti teorie grup a zobecnění .
    5. 1 2 Gorenstein D. Konečné jednoduché grupy. Úvod do jejich klasifikace = Finite simple Groups. Úvod do jejich klasifikace / ed. A.I. Kostrikin. - Svět. - Moskva: Mir, 1985. - S. 9-17. — 352 s. - 5250 výtisků.
    6. Sagalovich, 2010 , str. padesáti.
    7. Přirozený stupeň prvku je správně určen díky asociativitě
    8. Správnost vyplývá z jedinečnosti inverzního prvku.
    9. 1 2 Kargapolov M.I., Merzlyakov Yu.I. Základy teorie grup. - 3. vyd. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 18. - 288 s. - 11 800 výtisků.
    10. Hatcher Allen. Algebraická topologie. - Cambridge: Cambridge University Press, 2002. - S. 30. - ISBN 978-0-486-45868-7 .
    11. M. Welschenbach. Kapitola 5 // Kryptografie v C a C++ v akci . - M .: "Triumph", 2004. - S.  81 -84. — 464 s. — ISBN 5-89392-083-X .
    12. 1 2 3 Olshansky A. Yu Geometrie definování relací ve skupině. - Nauka, 1989. - S. 18-19. — 448 s. - ISBN 5-02-013916-5 .
    13. Kargapolov M.I., Merzljakov Yu.I. Základy teorie grup. - 3. vyd. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 122-124. — 288 s. - 11 800 výtisků.
    14. Kurosh A. G. Teorie grup / ed. Brudno K.F. - 3. vyd. - Moskva: Nauka, 1967. - S. 34. - 648 s. — 20 000 výtisků.
    15. Kulikov L. Ya. Algebra a teorie čísel. - Vyšší škola, 1979. - S. 351. - 559 s. - 40 000 výtisků.
    16. Vinberg E. B. Základy teorie grup. - 2. vyd. - Factorial Press, 2001. - S. 162-163. — 544 s. — ISBN 5-88688-060-7 .
    17. Schonert, Martin. Analýza Rubikovy kostky pomocí  GAP . Získáno 19. července 2013. Archivováno z originálu 5. září 2013.
    18. Postnikov M. M. Galoisova teorie. - Moskva: Fizmatgiz, 1963. - S. 126-127. — 220 s. — 11 500 výtisků.
    19. Kargapolov M.I., Merzljakov Yu.I. Základy teorie grup. - 3. vyd. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 17. - 288 s. - 11 800 výtisků.
    20. Sagalovich, 2010 , str. 56.
    21. Kulikov L. Ya. Algebra a teorie čísel. - Vyšší škola, 1979. - S. 353. - 559 s. - 40 000 výtisků.
    22. Kargapolov M. I., Merzljakov Yu. I. Základy teorie grup. - 3. vyd. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 24. - 288 s. - 11 800 výtisků.
    23. Kargapolov M. I., Merzljakov Yu. I. Základy teorie grup. - 3. vyd. - Moskva: Nauka, 1982. - S. 45-46. — 288 s. - 11 800 výtisků.
    24. Vinberg E. B. Základy teorie grup. - 2. - Factorial Press, 2001. - S. 409, 415. - 544 s. — 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 Geometrie definování vztahů ve skupině. - Nauka, 1989. - S. 330-331. — 448 s. - ISBN 5-02-013916-5 .
    28. Cayley (1854) „O teorii grup v závislosti na symbolické rovnici θ n = 1“, Filosofický časopis , 4. řada, (42): 40-47.
    29. Wussing, Hans. Geneze konceptu abstraktních grup: Příspěvek k historii vzniku abstraktní teorie grup. — Přehled obecné psychologie. - New York : Dover Publications , 2007. - S. 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. - srpen ( roč. 52 , č. 7 ). - str. 728-735 .
    31. Wilson, Robert A. Konečné jednoduché grupy . — Absolventské texty z matematiky. - 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. Základy teorie kvazigrup a smyček. - Nauka, 1967. - S. 5. - 223 s. - 2800 výtisků.
    33. Belousov V. D. Základy teorie kvazigrup a smyček. - Nauka, 1967. - S. 6. - 223 s. - 2800 výtisků.
    34. 1 2 Kulikov L. Ya. Algebra a teorie čísel. - Vyšší škola, 1979. - S. 346-347. — 559 str. - 40 000 výtisků.
    35. 1 2 Bucur I., Deleanu A. Úvod // Úvod do teorie kategorií a funktorů = Úvod do teorie kategorií a funktorů / přel. z angličtiny. D. A. Raikova , V. F. Retakh . - M .: Mir, 1972. - S. 9-10. — 259 str.
    36. Vinberg E. B. Základy teorie grup. - 2. vyd. - Factorial Press, 2001. - S. 14-15. — 544 s. — ISBN 5-88688-060-7 .
    37. Vinberg E. B. Základy teorie grup. - 2. vyd. - Factorial Press, 2001. - S. 16. - 544 s. — ISBN 5-88688-060-7 .
    38. Bourbaki N.   Obecná topologie. Topologické skupiny. Čísla a související skupiny a mezery. M .: Nauka, 1969. S. 12.
    39. Rokhlin V. A., Fuchs D. B.   Počáteční kurz topologie. Geometrické hlavy.  M .: Nauka, 1977. S. 268-271.
    40. 1 2 Vinberg E. B. Základy teorie grup. - 2. vyd. - Factorial Press, 2001. - S. 501. - 544 s. — ISBN 5-88688-060-7 .
    41. Kostrikin A.I., Manin Yu.I.   Lineární algebra a geometrie. M .: Nauka, 1986. S. 201.
    42. Dieudonné J.   Lineární algebra a elementární geometrie. M .: Nauka, 1972. S. 129.
    43. Dolgačev I. V., Širokov A. P. Afinní prostor // Matem. encyklopedie. T. 1. M .: Sov. encyklopedie, 1982. Stb. 362-363.

    Literatura

    Vědecká literatura

    Populární literatura