-Lege de compoziție

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Salt la: Navigare, căutare

[[wiki]]Acest articol sau această secțiune nu este în formatul standard.Ștergeți eticheta la încheierea standardizării.

În mod frecvent vorbim de operații pe anumite mulțimi. De exemplu operația de scădere a

numerelor întregi este un procedeu prin care cuplului de numere întregi îi asociem numărul întreg . Este important să considerăm cuplul sau mulțimea ordonată (x,y) și nu mulțimea {x,y}, deoarece contează ordinea în care apar x și y. De exemplu, cuplului (y,x) îi corespunde prin această asociere numărul , care în general diferă de x-y.

Cuprins 1 Definiție

1.1 Exemple de operații algebrice 2 Părți stabile față de operația *

2.1 Exemple de părți stabile 3 Proprietățile unei operații

3.1 Tabla Cayley 3.2 Comentarii și exemple

4 Propoziție 4.1 Demonstrație

5 Vezi și 6 Referințe

6.1 Cărți 6.2 Articole 6.3 Resurse online

DefinițieFie M o mulțime nevidă. Numim lege de compoziție internă (operație algebrică) pe mulțimea M orice funcție definită pe M × M cu valori în M:

care asociază fiecărui cuplu un element unic . Elementul se citește x compus cu y.

O operație algebrică poate fi notată prin mai multe simboluri, de exemplu,

etc .

Exemple de operații algebrice

Adunarea pe mulțimea :

Scăderea pe mulțimea :

Înmulțirea pe mulțimea :

Adunarea pe mulțimea de matrici :

Părți stabile față de operația *Fie o mulțime nevidă M și o operație * pe M. Prin definiție, o submulțime nevidă se numește parte stabilă (inchisă) a lui M față de operația * dacă:

În acest caz restricția operației * la submulțimea H, adică funcția

se numește operație pe H indusă de operația * de pe M.

Cele două operații pe M și pe H au fost notate diferit deoarece ele nu sunt egale ca funcții.

Exemple de părți stabile

Submulțimea este o parte stabilă a lui față de adunare, deci putem spune că adunarea pe este indusă de adunare de pe .

Submulțimea este parte a lui stabilă față de înmulțire deoarece produsele elementelor din H se mențin tot în H.

Proprietățile unei operațiiFie o mulțime nevidă M și o operație * pe M. Spunem că:

1° Operația * este asociativă dacă .

2° Operația * este comutativă dacă

3° Operația * are elementul neutru e dacă astfel încât .

4° Dacă operația * are elementul neutru , spunem că un element este simetrizabil față de operația * dacă astfel încât (x′ se numește simetricul lui x).

Tabla Cayley

Ea este un tabel cu linii și coloane, unde , liniile și coloanele fiind etichetate fiecare cu câte unul din cele elemente ale lui .

Tabla Cayley a operației * conține la intersecția liniei de etichetă cu coloana de etichetă , elementul .

Fie cele n elemente ale mulțimii , atunci forma standard a tablei Cayley este:

TABLA CAYLEY ... ...

...

...

Tabla Cayley asociată perechii permite vizualizarea operației * și testarea rapidă a unor

proprietăți pe care le verifică operația *. Dacă forma standard a perecii este dată de tabla

de mai sus, atunci matricea , unde , și se numește

matricea asociată perechii . Comutativitatea unei operații algebrice definită pe o mulțime finită se poate testa imediat examinând tabla sa Cayley: comutativitate ce înseamnă

,pentru orice i,j.Adică tabla sa Cayley este simetrică față de diagonala principală.

Comentarii și exemple

1° În notația aditivă (+) elementul neutru se notează cu 0 și se numește element nul, iar simetricul unui element x se notează cu -x și se numește opusul lui x. De exemplu, adunarea pe mulțimea este asociativă, comutativă și are elementul neutru 0, iar orice element este simetrizabil față de adunare,având simetricul -x.

2° În notația multiplicativă elementul neutru este notat cu 1 sau cu e și se numește element

unitate, iar simetricul unui element x se notează cu x-1 sau cu și se numește inversul lui x. Elementul x care are element invers se numește element inversabil. De exemplu, înmulțirea pe mulțimea este asociativă, comutativă și are elementul neutru 1, dar singurele elemente simetrizabile în față de înmulțire sunt 1 cu simetricul 1 și -1 cu simetricul -1, celelalte elemente nu sunt simetrizabile deoarece simetricele lor nu aparțin mulțimii . Înmulțirea pe este asociativă, comutativă, are elementul neutru 1 și toate elementele sunt simetrizabile, deoarece toate elementele sunt inversabile, iar inversele lor aparțin lui .

PropozițieFie o mulțime nevidă M și o operație * pe M. Atunci:

1° Dacă operația * are elementul neutru , acesta este unic determinat.

2° Dacă operația * este asociativă și are elementul neutru e, iar , este un element simetrizabil, atunci simetricul , al lui x este unic determinat.

Demonstrație

1° Dacă ar fi un alt element neutru , atunci , deoarece este element neutru, dar și , deoarece este element neutru, prin urmare .

2° Dacă ar fi un alt simetric al elementului , atunci, ținând seama că și avem: , deci .

Grup (matematică)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Salt la: Navigare, căutare

Manevrele posibile ale unui cub Rubik formează un grup.

În matematică, un grup este o structură algebrică ce constă dintr-o mulțime pe care este definită o lege de compoziție internă (operație) care combină două elemente ale mulțimii pentru a forma un al treilea element al aceleiași mulțimi. Pentru a fi un grup, mulțimea și operația trebuie să satisfacă o serie de condiții, denumite axiomele grupurilor, și anume asociativitatea, existența elementului neutru și a elementului simetric. Deși acestea sunt proprietăți cunoscute ale multor structuri matematice, cum ar fi mulțimile de numere—de exemplu, mulțimea numerelor întregi împreună cu operația de adunare formează un grup— formularea axiomelor este detașată de natura concretă a grupului și de operația respectivă. Aceasta permite manevrarea unor entități de origini matematice diferite într-o manieră flexibilă, păstrând în același timp aspecte structurale esențiale comune ale multor tipuri de obiecte. Omniprezența grupurilor în numeroase domenii—atât matematice cât și din afara matematicii—face din ele un principiu central de organizare în matematica contemporană.[1] [2]

Grupurile au proprietatea fundamentală de apropiere de noțiunea de simetrie. Un grup de simetrie abstractizează caracteristicile de simetrie ale unui obiect geometric: el constă din mulțimea

transformărilor care lasă obiectul neschimbat, și operația de combinare a acestor transformări prin înlănțuirea lor. Asemenea grupuri de simetrie, în particular grupurile Lie continue, joacă un rol important în mai multe discipline academice. Grupurile matriceale, de exemplu, pot fi folosite pentru a înțelege legi fundamentale ale fizicii, în teoria relativității restrânse, sau fenomene de simetrie în chimia moleculară.

Conceptul de grup a apărut în legătură cu studiul ecuațiilor polinomiale, efectuat de către matematicianul francez Évariste Galois în anii 1830. După contribuțiile venite din alte domenii, cum ar fi teoria numerelor și geometria, noțiunea de grup s-a generalizat în preajma anilor 1870. Pentru a explora grupurile, matematicienii au dezvoltat diferite notații pentru a descompune grupurile în părți componente mai mici și mai ușor de înțeles, cum ar fi subgrupurile sau grupurile simple. O teorie a grupurilor s-a dezvoltat pentru grupurile finite, care a culminat cu clasificarea grupurilor simple finite, încheiată în 1983.

Cuprins 1 Definiție 2 Exemple

2.1 Mulțimea numerelor întregi 2.2 Un grup de simetrie

3 Istorie 4 Consecințe simple ale axiomelor grupurilor

4.1 Unicitatea elementului simetric și a elementului neutru 4.2 Împărțirea

5 Concepte de bază 5.1 Omomorfisme de grup 5.2 Subgrupuri 5.3 Clase laterale 5.4 Grupuri cât

6 Aplicații 6.1 Numere

6.1.1 Numerele întregi 6.1.2 Numerele raționale 6.1.3 Numerele întregi nenule modulo un număr prim

6.2 Grupuri ciclice 6.3 Grupurile de simetrie 6.4 Grupul general liniar și teoria reprezentării 6.5 Grupurile Galois

7 Grupuri finite 7.1 Clasificarea grupurilor simple finite

8 Grupuri cu structură adițională 8.1 Grupuri topologice 8.2 Grupuri Lie

9 Generalizări 10 Note 11 Bibliografie

11.1 Generalități 11.2 Referințe speciale 11.3 Referințe istorice

Definiție

Un cuplu , format dintr-o mulțime nevidă G și o lege de compoziție internă " " pe G, este grup dacă sunt satisfăcute axiomele:

1. Axioma închiderii

Oricare ar fi x și y din G, și rezultatul operației face parte din G 2. Axioma asociativității

Oricare ar fi x,y,z din G, 3. Axioma elementului neutru

Există un element e în G, astfel încât , oricare ar fi x din G

4. Axioma elementelor simetrice

Oricare ar fi x din G, există y în G cu proprietatea că

Dacă este satisfăcută și axioma 5. Axioma comutativității

Oricare ar fi x,y din G,

atunci grupul se numește grup comutativ sau abelian.

Exemple

Mulțimea numerelor întregi

Unul dintre cele mai cunoscute grupuri este cel format de mulțimea numerelor întregi Z, adică mulțimea numerelor

..., −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4, ...[3]

împreună cu operația de adunare. Proprietățile acestui grup folosesc drept model pentru axiomele abstracte date în definițiile de mai sus.

1. Oricare ar fi doi întregi a și b, suma a + b este tot un număr întreg. Cu alte cuvinte, adunarea întregilor doi câte doi nu poate da un rezultat care să nu fie întreg. Această proprietate este cunoscută sub numerele de închidere în raport cu operația de adunare.

2. Oricare ar fi trei întregi a, b și c, (a + b) + c = a + (b + c). Cu alte cuvinte, dacă se adună întâi a cu b, și rezultatul se adună cu c, rezultatul final este același cu cel obținut adunând a cu suma dintre b și c, proprietate denumită asociativitate.

3. Dacă a este un număr întreg, atunci 0 + a = a + 0 = a. Zero se numește element neutru în raport cu adunarea, deoarece adunarea lui la orice întreg dă acel întreg.

4. Oricare ar fi un întreg a, există un întreg b astfel încât a + b = b + a = 0. Numărul întreg b se numește element simetric al lui a și se notează cu −a.

Un grup de simetrie

Simetriile (adică rotațiile și reflexiile) unui pătrat formează un grup denumit grup diedral, și notat cu D4.[4] Mulțimea conține următoarele operații:

identitatea (păstrarea așa cum e)

r1 (rotația cu 90° în

sens orar)

r2 (rotația cu 180°)

r3 (rotația cu 90° în sens

trigonometric)

fv (întoarcerea în

oglindă pe verticală)

fh (întoarcerea în

oglindă pe orizontală)

fd (întoarcere în oglindă

după prima diagonală)

fc (întoarcere în oglindă

după a doua diagonală)

Elementele grupului de simetrie al unui pătrat (D4). Colțurile sunt colorate și numerotate doar

pentru vizualizarea operațiilor. operația identitate, care lasă totul neschimbat, notată id; rotațiile pătratului cu 90° în sens orar, 180°, și 270° în sens orar, notate cu r1, r2 și r3,

respectiv; reflexiile după linia mediană verticală și cea orizontală (fh respectiv fv), și reflexiile

după cele două diagonale (fd și fc).

Oricare două transformări a și b pot fi compuse, adică aplicată una după cealaltă. Rezultatul aplicării lui a și apoi a lui b se scrie simbolic de la dreapta la stânga astfel:

b • a („aplică transformarea b după aplicarea transformării a”). Notația de la dreapta la stânga provine din cea folosită pentru compunerea funcțiilor.

Tabela din dreapta prezintă toate compunerile posibile. De exemplu, rotind cu 270° la dreapta (r3) și

apoi oglindind orizontal (fh) se obține același rezultat ca reflezia după diagonală (fd). Utilizând

simbolurile de mai sus, cu albastru în tabelă:

fh • r3 = fd.

Tabela grupului D4

• id r1 r2 r3 fv fh fd fc

id id r1 r2 r3 fv fh fd fc

r1 r1 r2 r3 id fc fd fv fh

r2 r2 r3 id r1 fh fv fc fd

r3 r3 id r1 r2 fd fc fh fv

fv fv fd fh fc id r2 r1 r3

fh fh fc fv fd r2 id r3 r1

fd fd fh fc fv r3 r1 id r2

fc fc fv fd fh r1 r3 r2 id

Elementul identitate, r1, r2, și r3 formează și ele un subgrup, evidențiat cu roșu (regiunea din

stânga-sus). O clasă laterală la stânga și o clasă laterală la dreapta ale acestui subgrup sunt evidențiate cu verde (pe ultimul rând) respectiv cu galben (pe ultima coloană).Dată fiind mulțimea dată a transformărilor și operația de compunere, acestea formează un grup, respectând axiomele din definiție astfel:

1. Axioma de închidere cere ca prin compunerea b • a a oricare două transformări de simetrie a și b să se obțină tot o transformare de simetrie. Un alt exemplu pentru operația pe grup este

r3 • fh = fc,

adică rotația cu 270° în sens orar a pătratului obținut prin oglindirea pe orizontală e echivanetă cu oglindirea după diagonala a doua (fc). Într-adevăr, orice combinație de două

transformări de simetrie reprezintă și ea o transformare de simetrie, ceea ce se poate verifica cu ajutorul tabelei grupului.

2. Asociativitatea tratează cazul compunerii a mai mult de două transformări: date fiind trei transformări a, b și c din D4, există două moduri posibile de calcul a operației "a apoi b apoi

c". Cerința

(a • b) • c = a • (b • c) înseamnă că operația de compunere a trei elemente este independentă de prioritatea operațiilor, adică dacă întâi se face a după b, și apoi c după rezultatul a • b este același lucru cu a face a după rezultatul compunerii lui b cu c. De exemplu, (fd • fv) • r2 = fd • (fv • r2) se

poate verifica cu ajutorul tabelei grupului din dreapta

(fd • fv) • r2  =  r3 • r2  =  r1, care este egal cu

fd • (fv • r2)  =  fd • fh  =  r1.

3. Elementul neutru este transformarea identică, ce lasă totul neschimbat: pentru orice transformare a, efectuarea transformării identice după a (sau a lui a după transformarea identică) e același lucru cu operarea transformării a; în formă simbolică,

id • a = a, a • id = a.

4. Elementul simetric este cel care inversează transformarea al cărui element simetric este. Fiecare transformare are o astfel de transformare: identitatea, oglindirile fh, fv, fd, fc și rotația

la 180° r2 sunt propriile inverse, deoarece prin efectuarea fiecăreia de două ori se obține

orientarea inițială a pătratului. Rotațiile r3 și r1 sunt fiecare elementul simetric al celeilalte.

Simbolic,

fh • fh = id,

r3 • r1 = r1 • r3 = id.

Spre deosebire de grupul numerelor întregi, în care ordinea operațiilor este irelevantă, în D4 ea

contează: fh • r1 = fc dar r1 • fh = fd. Cu alte cuvinte, D4 nu este grup abelian, ceea ce face structura

acestui grup mai dificilă decât cea a numerelor întregi.

Consecințe simple ale axiomelor grupurilorProprietățile de bază ale grupurilor rezultă din axiomele definițiilor.[21] De exemplu, aplicarea repetată a axiomei de asociativitate arată că legea

a • b • c = (a • b) • c = a • (b • c)

se generalizează la mai mult de trei factori. Deoarece aceasta înseamnă că parantezele pot fi introduse oriunde într-o serie de termeni, ele, de regulă, se omit.[22]

Axiomele pot fi reduse la a afirma doar existența unui element neutru la stânga și a unui invers la stânga, dar se poate demonstra că ambele înseamnă că există și element neutru la dreapta și element simetric la dreapta.[23]

Unicitatea elementului simetric și a elementului neutru

Două consecințe importante ale axiomelor grupurilor sunt unicitatea elementului neutru și a elementelor simetrice. Poate exista un singur element neutru într-un grup, și fiecare element dintr-un grup poate avea doar un singur element simetric. Astfel, se vorbește despre elementul neutru și despre elementul simetric al unui element.[24]

Pentru a demonstra unicitatea unui element simetric al lui a, se presupune că a are două elemente simetrice, notate cu l și r. Atunci

l = l • e      fiindcă e este elementul neutru= l • (a • r)      deoarece r este element simetric al lui a, deci e = a • r

= (l • a) • r     prin asociativitate, care permite rearanjarea parantezelor

= e • r      întrucât l este un invers al lui a, adică l • a = e= r      fiindcă e este elementul neutru

Deci cei doi termeni l și r sunt legați printr-un lanț de egalități. Cu alte cuvinte, există un singur element invers al lui a.

Împărțirea

În grupuri, se poate efectua împărțirea: date fiind elementele a și b ale grupului G, există exact o soluție x din G a ecuației x • a = b.[24] De fapt, înmulțirea la dreapta a ecuației cu a−1 dă soluția x = x • a • a−1 = b • a−1. Analog, există o singură soluție y în G pentru ecuația a • y = b, și anume y = a−1 • b. În general, x și y nu sunt în mod necesar egale.

Concepte de bazăUrmătoarele secțiuni folosesc notațiile: X = {x, y, z} reprezentând mulțimea X ci elementele x, y, și z; x X reprezentând faptul că x este un element al mulțimii X. Notația f∈  : X → Y înseamnă că f este o funcție care atașează fiecărui element din mulțimea X un element din mulțimea Y.

Pentru a înțelege grupurile dincolo de nivelul unor simple artificii simbolice, sunt necesare niște concepte mai complexe. Există un principiu conceptual ce stă la baza tuturor noțiunilor următoare: pentru a profita de structura oferită de grupuri (structură pe care mulțimile, de exemplu, nu o au) construcțiile legate de grupuri trebuie să fie compatibile cu operatorul grupului. Această compatibilitate se manifestă la nivelul notațiilor. De exemplu, grupurile pot fi legate unul cu celălalt prin intermediul unor funcții numite omomorfisme de grup. Aceste omomorfisme sunt obligate să respecte structurile grupurilor într-un sens foarte precis. Structura grupurilor poate fi înțeleasă și prin separarea lor în componente numite subgrupuri și grupuri cât. Principiul „păstrării

structurilor”—un principiu adesea citat în matematică—este un exemplu de lucru într-o categorie matematică, în acest caz, categoria grupurilor.[25]

Omomorfisme de grup

Omomorfismele de grup sunt funcții care păstrează structura grupului. O funcție a: G → H între două grupuri este omomorfism dacă ecuația

a(g • k) = a(g) • a(k).

este valabilă pentru orice element g, k din G, adică rezultatul este același dacă se efectuează operația de grup după sau înaintea aplicării transformării a. Această cerință asigură că a(1G) = 1H, și că a(g)−1 = a(g−1) pentru orice g din G. Astfel, un omomorfism de grup respectă toată structura lui G furnizată de axiomele grupului.[26]

Două grupuri G și H se numesc izomorfe dacă există omomorfisme de grup a: G → H și b: H → G, astfel încât aplicând cele două funcții una după cealaltă (în ambele ordini posibile) se obține funcția identitate a mulțimilor G respectiv H. Adică, a(b(h)) = h și b(a(g)) = g pentru orice g din G și h din H. Dintr-un punct de vedere abstract, grupurile izomorfe conțin aceeași informație. De exemplu, a demonstra că g • g = 1 pentru un element g din G este echivalent cu a demonstra că a(g) • a(g) = 1, deoarece aplicând a asupra primei egalități, rezultă cea de-a doua, și aplicând b celei de-a doua egalități, rezultă prima.

Subgrupuri

Articol principal: Subgrup.

Informal, un subgrup este un grup H conținut într-un grup mai mare, G.[27] Concret, elementul identitate al lui G este conținut în H, iar dacă h1 și h2 sunt din H, atunci și h1 • h2 și h1

−1 sunt în H,

deci elementele lui H, echipate cu operația pe grupuri a lui G restrânsă la submulțimea H a lui G, formează într-adevăr un grup.

În exemplul de mai sus, identitatea și rotațiile constituie un subgrup R = {id, r1, r2, r3}, evidențiat cu

roșu pe tabelul grupului: oricare două rotații compuse formează tot o rotație, și o rotație poate fi inversată de rotația complementară, 270° pentru 90°, 180° pentru 180°, și 90° pentru 270°. Testul de subgrup este o condiție necesară și suficientă pentru ca o submulțime H a unui grup G să fie subgrup: este suficient să se verifice că g−1h ∈ H pentru orice elemente g, h ∈ H. Cunoașterea subgrupurilor este importantă pentru înțelegerea proprietăților de ansamblu ale grupului.

Dată fiind o submulțime S a unui grup G, subgrupul generat de S constă din produsele elementelor lui S cu inversele lor. Este cel mai mic subgrup din G care conține S.[28] În exemplul introductiv de mai sus, subgrupul generat de r2 și fv constă din cele două elemente, elementul identitate și fh = fv •

r2. Din nou, acesta este un subgrup, deoarece combinând oricare două elemente din cele patru sau

inversele acestora dă un element al subgrupului.

Clase laterale

În multe situații, este de dorit să se considere două elemente de grup ca fiind același, dacă ele diferă printr-un element al unui subgrup dat. În exemplul de mai sus, în D4, după ce se efectuează o

întoarcere în oglindă, pătratul nu se mai întoarce în configurația dată de r2 doar prin aplicarea

operațiilor de rotație (fără întoarceri în oglindă). Clasele laterale sunt utilizate pentru a formaliza aceasta: un subgrup H definește clasele laterale la stânga și la dreapta, care pot fi considerate a fi translații ale lui H printr-un element arbitrar g al grupului. În termeni simbolici, clasele laterale la stânga și la dreapta pentru H care conțin g sunt

gH = {gh, h ∈ H} și respectiv Hg = {hg, h ∈ H}.[29]

Clasele laterale ale oricărui subgrup H formează o partiție a lui G; adică, două clase laterale la stânga sunt fie egale, fie intersecția lor este o mulțime vidă.[30] Primul caz, g1H = g2H are loc dacă

și numa dacă g1−1g2 ∈ H, adică dacă cele două elemente diferă printr-un element din H. Analog și

pentru clasele laterale la dreapta ale lui H. Clasele laterale la stânga și la dreapta ale lui H pot să fie sau nu egale. Dacă sunt, adică pentru orice g din G, gH = Hg, atunci despre H se spune că este un subgrup normal. N poate fi considerat mulțime de clase laterale.

În D4, grupul de simetrie de mai sus, clasele laterale la stânga gR ale subgrupului R care constă din

transformările de rotație sunt fie egale cu R, dacă g este un element al lui R, sau altfel egal cu U = fvR = {fv, fd, fh, fc} (cu verde). Subgrupul R este și el normal, deoarece fvR = U = Rfv și analog

pentru orice element diferit de fv.

Grupuri cât

În plus față de ignorarea structurii interne a unui subgrup prin luarea în considerare a claselor laterale, este de dorit dotarea acestei entități cu o lege de grup denumită grup cât sau grup factor. Pentru ca aceasta să fie posibil, subgrupul trebuie să fie normal. Dat fiind un subgrup normal N, grupul cât este definit prin

G / N = {gN, g ∈ G}, "G modulo N".[31]

Această mulțime moștenește o operație pe grupuri (uneori numită înmulțire a claselor laterale, sau adunare a claselor laterale) de la grupul original G: (gN) • (hN) = (gh)N pentru orice g și h din G. Această definiție este motivată de ideea că aplicația G → G / N care îi asociază fiecărui element g clasa sa laterală gN este un omomorfism de grup, sau de considerațiile abstracte generale numite proprietăți universale. Clasa laterală eN = N servește drept element neutru în acest grup, iar inversa lui Ng în grupul cât este (gN)−1 = (g−1)N.e[›]

• R U

R R U

U U R

Tabela grupului cât D4 / R.

Elementele grupului cât D4 / R sunt R care este elementul neutru, și U = fvR. Operația pe grup este

cea din dreapta. De exemplu, U • U = fvR • fvR = (fv • fv)R = R. Atât subgrupul R = {id, r1, r2, r3},

cât și câtul corespunzător sunt abeliene, pe când D4 nu este abelian.

Grupurile cât și subgrupurile formează împreună o modalitate de a descrie fiecare grup prin prezentare: orice grup este câtul grupului liber peste generatoarele grupurilor, împărțite la subgrupul relațiilor. Grupul diedral D4, de exemplu, poate fi generat de două elemente, r și f (de exemplu,

r = r1, rotația la dreapta f = fv oglindirea în verticală—sau oricare alta), ceea ce înseamnă că toate

transformările de simetrie ale pătratului sunt o compunere finită de transformări de simetrie sau transformări inverse ale lor. Împreună cu relațiile

r 4 = f 2 = (rf)2 = 1,[32]

grupul este descris complet. O prezentare a grupului se poate folosi pentru a construi graful Cayley, un dispozitiv folosit pentru a reprezenta grafic grupurile discrete.

Subgrupurile și grupurile cât sunt legate în felul următor: o submulțime H a lui G se poate vedea ca aplicație injectivă H → G, adică orice element al codomeniului cel mult un element căruia îi corespunde prin aplicație. În general, omomorfismele nu sunt nici injective nici surjective. Nucleul și imaginea omomorfismelor de grup și prima teoremă de izomorfism tratează acest fenomen.

Aplicații

Un şablon periodic dă naştere unui grup de tapet

Grupul fundamental al unui plan din care lipseşte un punct este format din curbe închise în jurul punctului care lipseşte.

Există numeroase aplicații ale grupurilor. Un punct de pornire îl reprezintă mulțimea Z a numerelor întregi împreună cu operația de adunare. Dacă se consideră în schimb operația de înmulțire, se obțin grupuri multiplicative, care sunt predecesoarele unor importante construcții din algebra abstractă.

Grupurile au aplicații și în multe alte domenii matematice. Unele obiecte matematice pot fi examinate cu ajutorul grupurilor lor asociative. De exemplu, Henri Poincaré a pus bazele a ceea ce astăzi se numește topologie algebrică introducând noțiunea de grup fundamental.[33] Cu ajutorul acestei legături, proprietăți topologice cum ar fi proximitatea și continuitatea se traduc în proprietăți ale grupurilor. De exemplu, elementele grupului fundamental sunt reprezentate prin bucle. În a doua

imagine de la dreapta arată niște bucle într-un plan din care lipsește un punct. Bucla albastră este considerată a fi nul-omotopică (deci irelevantă), deoarece poate fi redusă continuu la un punct. Prezența găurii împiedică bucla portocalie să fie redusă la un punct. Grupul fundamental al planului fără un punct este ciclic infinit, generat de bucla portocalie (sau de oricare curbă care ocolește gaura o dată). Astfel, grupul fundamental detectează gaura.

În aplicații mai recente, unele construcții geometrice au fost motivate de noțiuni din teoria grupurilor. Într-un mod similar, teoria grupurilor geometrice implică concepte geometrice, de exemplu în studiul grupurilor hiperbolice.[34] Alte domenii în care apar aplicații cruciale ale grupurilor sunt geometria algebrică și teoria numerelor.[35]

Există și multe alte aplicații practice. Criptografia se bazează pe combinația dintre abordarea din teoria grupurilor abstracte și cunoștințile algoritmice obținute în teoria computațională a grupurilor, în particular la implementarea în domeniul grupurilor finite.[36] Aplicațiile teoriei grupurilor nu sunt restrânse la matematică; științe cum sunt fizica, chimia și informatica utilizează acest concept.

Numere

Multe mulțimi de numere, cum ar fi numerele întregi și cele raționale prezintă o structură naturală de grup. În unele cazuri, cum este cel al numerelor raționale, atât adunarea cât și înmulțirea sunt operații care dau naștere unor structuri de grup. Asemenea structuri sunt predecesoarele unor structuri algebrice mai generale, denumite inele și corpuri.

Numerele întregi

Grupul numerelor întregi Z cu operația de adunare, notat (Z, +), a fost descris mai sus. Numerele întregi, împreună cu operația de înmulțire, (Z, ·) nu formează un grup. Axiomele de închidere, asociativitate și element neutru sunt satisfăcute, dar nu există întotdeauna element simetric: de exemplu, a = 2 este număr întreg, dar unica soluție a ecuației a · b = 1 în acest caz este b = 1/2, care nu este număr întreg. Deci nu toate elementele mulțimii Z are un element simetric multiplicativ.k[›]

Numerele raționale

Dorința existenței elementului simetric multiplicativ sugerează luarea în considerare a fracțiilor

Fracțiile de numere întregi (cu b nenul) sunt cunoscute ca numere raționale. Mulțimea tuturor acestor fracții este adesea notată cu Q. Mai este un mic obstacol pentru ca (Q, ·), structura formată din mulțimea numerelor raționale cu operația de înmulțire, să fie grup: deoarece numărul rațional 0 nu are element simetric (adică, nu există x astfel încât x · 0 = 1), (Q, ·) nu este grup.

Dar mulțimea numerelor raționale nenule Q \ {0} = {q ∈ Q, q ≠ 0} formează un grup abelian cu operația de înmulțire, grup notat (Q \ {0}, ·). Axiomele de element neutru și asociativitate derivă din proprietățile numerelor întregi. Cerința de închidere rămâne valabilă după eliminarea lui zero, deoarece produsul a două numere raționale nenule nu este niciodată zero. În cele din urmă, elementul simetric al lui a/b este b/a, deci și axioma elementului simetric este satisfăcută.

Numerele raționale (inclusiv 0) formează un grup cu operația de adunare. Combinarea înmulțirii și adunării dă structuri mai complicate, denumite inele și—dacă este posibilă împărțirea, cum e cazul cu mulțimea Q—corpuri, care ocupă o poziție centrală în algebra abstractă. Argumentele din teoria grupurilor stau la baza unor noțiuni din teoria acestor entități.

Numerele întregi nenule modulo un număr prim

Pentru orice număr prim p, aritmetica modulară furnizează grupul multiplicativ al întregilor modulo p.[37] Elementele sale sunt numerele întregi nedivizibile cu p, modulo p, adică două numere sunt considerate echivalente dacă diferența lor este divizibilă cu p. De exemplu, dacă p = 5, grupul are patru elemente: 1, 2, 3, 4: multiplii lui 5 sunt excluși, 6 și −4 sunt echivalente cu 1 etc. Operația de grup este cea de înmulțire modulo p. De aceea, 4 · 4 = 1, întrucât produsul lor, 16, este echivalent cu 1, deoarece acesta este restul împărțirii lui 16 la 5, ceea ce se notează cu

16 ≡ 1 (mod 5).

Faptul că p este prim asigură că produsul a două numere întregi din care niciunul nu este divizibil cu p nu este nici el divizibil cu p, de unde rezultă că această mulțime este închisă în raport cu înmulțirea. Elementul neutru este 1, ca în cazul oricărui grup multiplicativ, iar asocativitatea rezultă din proprietatea corespunzătoare a numerelor întregi. În fine, axioma elementului invers cere ca unui întreg a nedivizibil cu p, să îi corespundă un înreg b astfel încât

a · b ≡ 1 (mod p), adică p să dividă diferența a · b − 1.

Elementul simetric b poate fi găsit folosind identitatea lui Bézout și faptul că cel mai mare divizor comun cmmdc(a, p) este egal cu 1.[38] În cazul p = 5 de mai sus, elementul simetric al lui 4 este 4, iar cel al lui 3 este 2, deoarece 3 · 2 = 6 ≡ 1 (mod 5). Astfel, sunt îndeplinite toate axiomele grupurilor. De fapt, acest exemplu este analog cu exemplul (Q\{0}, ·) de mai sus, deoarece este grupul multiplicativ al elementelor nenule din corpul finit Fp, notat Fp

×.[39] Aceste grupuri joacă

un rol esențial în criptografia cu chei publice.

Grupuri ciclice

Rădăcinile complexe de ordinul 6 formează un grup ciclic. z este un element primitiv, dar z2 nu este, deoarece puterile impare ale lui z nu sunt şi puteri ale lui z2.

Un grup ciclic este un grup ale cărui elemente sunt puteri (când operația de grup este considerată a fi de natură aditivă, se preferă termenul multipli) ai unui element a.[40] În notația multiplicativă, elementele grupului sunt:

..., a−3, a−2, a−1, a0 = e, a, a2, a3, ...,

unde a2 înseamnă a • a, și a−3 reprezintă a−1 • a−1 • a−1=(a • a • a)−1 etc. Un astfel de element a se numește generator sau element primitiv al grupului.

Un exemplu tipic pentru această categorie de grupuri îl reprezintă grupurile rădăcinilor complexe de ordin n ale unității, compus din mulțimea numerelor complexe z ce satisfac relația zn = 1 și operația de multiplicare a numerelor complexe.[41] Orice grup ciclic cu n elemente este izomorf cu acest grup. În baza teoriei corpurilor, se poate arăta că grupul Fp

× este ciclic: pentru p = 5, 3 este

generator deoarece 31 = 3, 32 = 9 ≡ 4, 33 ≡ 2, și 34 ≡ 1. Un grup ciclic infinit este izomorf cu (Z, +), grupul numerelor întregi cu operația de adunare introdus mai sus.[42] Întrucât aceste două prototipuri sunt abeliene, rezultă că orice grup ciclic este abelian.

Studiul grupurilor abeliene este avansat, și include teorema fundamentală a grupurilor abeliene generate finit; multe noțiuni legate de grupuri, cum ar fi cele de centru și comutator, descriu punctul până la care un grup dat nu este abelian.[43]

Grupurile de simetrie

Grupurile de simetrie sunt grupuri compuse din transformări de simetrie ale unor obiecte matematce date—fie de natură geometrică, cum ar fi grupul de simetrie al pătratului din exemplul introductiv, fie de natură algebrică, cum ar fi ecuațiile polinomiale și soluțiile lor.[44] Conceptual, teoria grupurilor poate fi văzută ca fiind studiul simetriei. Matematica simetriilor simplifică mult studiul obiectelor geometrice sau analitice. Se spune că un grup acționează asupra unui alt obiect matematic X dacă fiecare element al grupului efectuează asupra lui X o operație compatibilă cu legea de compoziție a grupului. În exemplul din dreapta de mai jos, un element de ordinul 7 din grupul triunghiurilor (2,3,7) acționează asupra mozaicului prin permutarea triunghiurilor evidențiate (și a celorlalte). Prin acțiunea grupului, șablonul grupului este legat de structura obiectului asupra căreia acționează.

Rotaţiile şi oglindirile formează grupul de simetrie al unui icosaedru mare.

În subdomeniile chimiei, cum ar fi cristalografia, grupurile spațiale și grupurile punctuale descriu simetriile moleculare și cristaline. Aceste simetrii stau la baza comportamentului fizic și chimic al acestor sisteme, iar teoria grupurilor permite simplificări ale analizei mecanice cuantice a acestor proprietăți.[45] De exemplu, teoria grupurilor este folosită pentru a arăta că tranzițiile optice între anumite niveluri cuantice nu pot avea loc din cauza simetriei stărilor implicate.

Grupurile nu sunt doar utile în evaluarea simetriilor moleculelor, ci prezic și că moleculele pot uneori să-și schimbe simetria. Efectul Jahn-Teller este o distorsiune a unei molecule de înaltă simetrie ce apare când ea adoptă o anumită stare fundamentală de simetrie mai scăzută dintr-o mulțime de stări fundamentale posibile legate una de cealaltă prin operații de transformare de simetrie a moleculei.[46] [47]

Analog, teoria grupurilor ajută la prezicerea schimbărilor proprietăților fizice care au loc atunci când un material suferă o tranziție de fază, de exemplu, de la o formă cristalină cubică la una tetraedrală. Un exemplu este cel al materialelor ferolectrice, în care trecerea dintr-o stare paraelectrică într-una feroelectrică are loc la temperatura Curie și se leagă de o trecere dintr-o stare paraelectrică de înaltă simetrie în starea feroelectrică, de simetrie inferioară.[48]

Asemenea ruperi spontane ale simetriei și-au găsit și alte aplicații în fizica particulelor elementare, unde aparițiile lor sunt legate de aparițiile bosonilor Goldstone.

Buckminsterfulerena prezintăsimetrie icosaedrală.

Amoniacul, N H 3.

Grupul său de simetrie e de ordinul 6, generat de o rotație de 120° și o reflexie.

Cubanul C8H8

prezintăsimetrie octaedrală.

Ionul complex Hexaacvacupru(II), [Cu (O H 2)6] 2+ .

Comparativ cu o formă perfect simetrică, molecula este dilatată pe verticală cu aproximativ 22% (efectul Jahn-Teller).

Grupul triunghiurilor (2,3,7), un grup hiperbolic, acționează asupra acestei teselații a planului hiperbolic.

Grupurile de simetrie finite cum ar fi grupurile Mathieu sunt utilizate în teoria codificărilor, care aer la rândul său aplicații în corecția erorilor în transmisia de date, și în CD playere.[49] O altă apicație o reprezintă teoria diferențială Galois, care caracterizează funcțiile care au primitive de o anumită formă, dând astfel criterii bazate pe teoria grupurilor pentru când soluțiile anumitor ecuații diferențiale se comportă bine. Proprietățile geometrice ce rămân stabile în raport cu acțiunile de grup sunt studiate în teoria invarianților.[50]

Grupul general liniar și teoria reprezentării

Doi vectori (stânga) înmulțiți cu niște matrice (centru și dreapta). Ilustrația centrală reprezintă o rotație în sens orar cu 90°, iar cea din dreapta îi mărește abscisa de două ori.

Grupurile matriceale constau dintr-o mulțime de matrice și operația de multiplicare a matricelor. Grupul general liniar GL(n, R) constă din toate matricele inversabile nxn cu elemente reale.[51] Subgrupurile lor sunt denumite grupuri matriceale sau grupuri liniare. Grupul diedral din exemplul menționat mai sus poate fi văzut ca un grup matriceal (foarte mic). Un alt grup matriceal important este grupul special ortogonal SO(n). El descrie toate rotațiile posibile în n dimensiuni. Prin intermediul unghiurilor Euler, matricele de rotație sunt folosite în grafica pe calculator.[52]

Teoria reprezentării este atât o aplicație a conceptului de grup cât și o teorie importantă pentru înțelegerea în profunzime a grupurilor.[53] [54] Ea studiază grupul prin intermediul acțiunilor de grup asupra altor spații. O clasă mai largă de reprezentări ale grupurilor sunt reprezentările liniare, adică grupul acționează asupra unui spațiu vectorial, cum ar fi spațiul euclidian tridimensional R3. O reprezentare a lui G pe un spațiu vectorial real n-dimensional este doar un omomorfism de grup

ρ: G → GL(n, R)

de la grupul dat la grupul general liniar. Astfel, operația grupului, ce poate fi dată abstract, se traduce în multiplicarea matricelor, făcându-l astfel accesibil calculelor explicite.

Dată fiind o acțiune de grup, aceasta dă noi sensuri studiului obiectului asupra căruia acționează. Pe de altă parte, ea dă informații și despre grup. Reprezentările de grup sunt un principiu de organizare în teoria grupurilor finite, grupurilor Lie, grupurilor algebrice și grupurilor topologice, mai ales grupurilor (local) compacte.[53] [55]

Grupurile Galois

Grupurile Galois au fost dezvoltate pentru a ajuta rezolvarea ecuații polinomiale identificând caracteristicile de simetrie ale acestuia.[56] [57] De exemplu, soluțiile ecuației de gradul doi ax2 + bx + c = 0 sunt date de

Schimbând "+" și "−" din expresie, adică permutarea celor două soluții poate fi văzută ca fiind o (forate simplă) operație a grupului. Se cunosc formule similare pentru ecuațiile cubice și pentru cele cuadratice, dar nu există în general pentru ecuațiile de gradul cinci sau mai mare.[58] Proprietățile abstracte ale grupurilor Galois asociate cu polinoamele (în particular, solvabilitatea lor) dau un criteriu pentru polinoame ale căror soluții se pot exprima ca radicali, adică soluții exprimabile doar prin adunări, înmulțiri, și radicali similare cu formula de mai sus.[59]

Problema poate fi tratată mai elegant cu ajutorul teoriei corpurilor: considerând corpul de descompunere a unui polinom deplasează problema pe terenul teoriei corpurilor. Teoria Galois modernă generalizează acest tip de grupuri Galois la extensiile de corp și stabilește—cu ajutorul teoremei fundamentale a teoriei Galois—o relație precisă înter corpuri și grupuri, subliniind din nou omniprezența grupurilor în matematică.

Grupuri finiteArticol principal: Grup finit.

Un grup se numește finit dacă are un număr finit de elemente. Numărul de elemente dintr-un grup G se numește ordinul grupului G.[60] O categorie importantă o reprezintă grupurile simetrice SN,

grupurile permutărilor de N litere. De exemplu, grupul simetric de 3 litere S3 este grupul format din

toate permutările posibile de trei litere ABC, conținând astfel elementele ABC, ACB, ..., până la CBA, în total 6 (sau 3 factorial) elemente. Această clasă este fundamentală, întrucât orice grup finit poate fi exprimat ca subgrup al grupului simetric SN pentru un număr întreg N (teorema lui Cayley).

Analog cu grupul transformărilor de simetrie ale pătratului de mai sus, S3 poate fi interpretat și ca

grupul de simetrie al unui triunghi echilateral.

Ordinul unui element a dintr-un grup G este cel mai mic număr întreg pozitiv n cu proprietaeta a n = e, unde a n reprezintă

adică aplicarea opreației • asupra a n copii ale lui a. (Dacă • reprezintă multiplicarea, atunci an corespunde lui a la puterea n.) În grupurile infinite, un astfel de n se poate să nu existe, în care caz se spune că ordinul lui a este infinit. Ordinul unui element este egal cu ordinul subgrupului ciclic generat de acest element.

Tehnici de numărare mai sofisticate, de exemplu numărarea claselor laterale, dau afirmații mai precise despre grupurile finite: teorema lui Lagrange spune că pentru un grup finit G ordinul oricărui subgrup finit H divide ordinul lui G.

Grupul diedral (discutat mai sus) este un grup finit de ordinul 8. Ordinul lui r1 este 4, ca și ordinul

subgrupului R pe care îl generează. Ordinul elementelor de reflexie fv etc. este 2. Ambele ordine

divid pe 8, așa cum prezice teorema lui Lagrange. Grupurile Fp× date mai sus au ordinul p − 1.

Clasificarea grupurilor simple finite

Matematicienii se străduiesc adesea să realizeze o clasificare completă a unei noțiuni matematice. În contextul grupurilor finite, acest scop conduce rapid la dificultăți. Conform teoremei lui Lagrange, grupurile finite de ordin p, număr prim, sunt automat și grupuri ciclice (și abeliene), notate Zp. Se

poate arăta că și grupurile de ordinul p2 sunt abeliene, afirmație care însă nu se generalizează la ordinul p3, după cum reiese din contraexemplul grupului nonabelian D4 de ordin 8 = 23 arătat mai

sus.[61] Sistemele CAS pot fi utilizate pentru a genera liste de grupuri mici, dar nu există clasificări ale tuturor grupurilor finite. Un pas intermediar îl reprezintă clasificarea grupurilor finite simple. Un grup netrivial se numește grup simplu dacă singurele sale subgrupuri normale sunt grupul trivial și grupul însuși. Teorema Jordan-Hölder prezintă grupurile simple ca elemente constitutive ale tuturor grupurilor finite.[62] Generarea listei tuturor grupurilor finite simple a fost o mare realizare din teoria grupurilor. Richard Borcherds, laureat al Medaliei Fields pe 1998, a reușit să demonstreze conjecturile monstrous moonshine, o relație surprinzătoare și profundă între cel mai mare grup sporadic finit simplu—„grupul monstru”—cu anumite funcții modulare, o componentă a analizei complexe clasice și teoria corzilor, o teorie ce intenționează să unifice descrierea multor fenomene fizice.[63]

Grupuri cu structură adițională

Acest articol are nevoie de atenția unui expert în matematică.Recrutați unul sau, dacă sunteți în măsură, ajutați chiar dumneavoastră la îmbunătățirea articolului!

Multe grupuri sunt și exemple de alte structuri matematice. În termeni de teoria categoriilor, ele sunt obiecte de grup într-o categorie, adică sunt obiecte (exemple de alte structuri matematice) care suferă unele transformări (numite morfisme) care mimează axiomele grupurilor. De exemplu, toate grupurile constituie o mulțime, deci un grup este un obiect de grup din categoria mulțimilor.

Grupuri topologice

Cercul unitate din planul complex împreună cu operația de multiplicare a numerelor complexe este un grup Lie și deci un grup topologic. Este topologic deoarece multiplicarea și împărțirea numerelor complexe sunt continue. El este o varietate și deci grup Lie, deoarece fiecare vecinătate, cum ar fi arcul de cerc roșu din figură, arată ca o porțiune din dreapta reală (jos).

Unele spații topologice pot fi dotate cu o lege de compoziție de grup. Pentru ca proprietățile topologice și cele de grup să se combine corect, operațiile grupului trebuie să fie continue, adică, g • h, și g−1 nu trebuie să varieze foarte puternic dacă g și h variază doar puțin. Astfel de grupuri se numesc grupuri topologice, și ele sunt obiectele de grup din categoria spațiilor topologice.[64] Cele mai simple exemple sunt mulțimea numerelor reale R împreună cu operația de adunare, (R \ {0}, ·), și, analog, alte spații topologice cum ar fi numerele complexe sau numerele p -adice . Toate aceste grupuri sunt local compacte, și deci au măsură Haar și pot fi studiate prin analiză armonică. Primele oferă un formalism abstract de integrale invariante. Invarianța înseamnă, în cazul numerelor reale de exemplu:

pentru orice c constant. Grupurile matriceale peste aceste grupuri cad sub incidența acestui regim, ca și inelele adelice și grupurile algebrice adelice, structuri importante pentru teoria numerelor.[65] Grupurile Galois de extensii de grupuri infinite cum ar fi grupul absolut Galois pot și ele să fie echipate cu o topologie, așa-numita topologie Krull, importantă pentru generalizarea legăturii schițate mai sus între corpuri și grupuri și extensii de grupuri infinite.[66] O generalizare avansată a acestei idei, adaptată nevoilor geometriei algebrice, este grupul fundamental étale.[67]

Grupuri Lie

Grupurile Lie (denumite în cinstea lui Sophus Lie) sunt grupuri cu structură de varietate, adică spații care local seamănă cu un spațiu euclidian de dimensiune corespunzătoare.[68] Din nou, structura adițională, aici cea de varietate, trebuie să fie compatibilă, adică aplicațiile corespunzătoare multiplicării și inversei să fie trebuie să fie netede.

Un elemplu standard este grupul general liniar introdus mai sus: este o submulțime deschisă a spațiului tuturor matricelor n-pe-n, deoarece este dat de inegalitatea

det (A) ≠ 0,

unde A este o matrice n-pe-n.[69]

Grupurile Lie au o importanță fundamentală în fizică: teorema lui Noether leagă simetriile continue de cantități conservate.[70] Rotația, ca și translațiile în spațiu și timp sunt transformări de simetrie elementare ale legilor mecanicii. Ele pot, de exemplu, să fie folosite pentru a construi modele simple—impunerea, de pildă, a simetriei axiale unei situații poate conduce on a la simplificări semnificative ale ecuațiilor ce trebuie rezolvate pentru a furniza o descriere fizică. Un alt exemplu îl reprezintă transformările Lorentz, care arată o legătură între măsurarea timpului și vitezei de către doi observatori în mișcare relativă unul față de altul. Ele pot fi deduse într-o manieră strict legată de teoria grupurilor, exprimând transformările ca simetrii de rotație ale spațiului Minkowski. Cea din urmă servește—în absența unei gravitații semnificative—ca model al continuumului spațiu-timp în teoria relativității restrânsă.[71] Grupul de simetrie al spațiului Minkowski, inclusiv translațiile, este cunoscut sub denumirea de grup Poincaré. Prin cele de mai sus, el joacă un rol esențial în teoria relativității restrânsă și, în teoriile câmpurilor cuantice.[72] Simetriile care depind de poziție sunt centrale în descrierea modernă a interacțiunilor fizice cu ajutorul teoriei de scală.[73]

GeneralizăriÎn algebra abstractă, sunt definite structuri mai generale prin relaxarea unora dintre axiomele de definiție ale grupurilor.[25] [74] [75] De exemplu, dacă se renunță la condiția ca fiecare element să aibă un invers, structura algebrică rezultată se numește monoid. Mulțimea numerelor naturale N (inclusiv 0) împreună cu operația de adunare formează un monoid, la fel și numerele întregi nenule împreună cu operația de înmulțire (Z \ {0}, ·), vezi mai sus. Există o metodă generală de a adăuga formal inversele elementelor la orice monoid abelian, cum este cazul cu (Q \ {0}, ·) care este calculat din (Z \ {0}, ·), cunoscut sub numele de grup Grothendieck. Groupoidele sunt similare grupurilor cu excepția faptului că legea de compoziție a • b nu trebuie definită pentru orice a și b. Ele apar în studiul unor forme mai complicate de simetrie, adesea în structuri analitice și topologice, ca grupoidul fundamental.

Note