Gruppeteori

Gruppeteori  er en gren af ​​generel algebra , der studerer algebraiske strukturer kaldet grupper og deres egenskaber. Gruppen er et centralt begreb i generel algebra, da mange vigtige algebraiske strukturer såsom ringe , felter , vektorrum , er grupper med et udvidet sæt af operationer og aksiomer . Grupper optræder inden for alle matematikkens områder, og gruppeteoriens metoder har en stærk indflydelse på mange grene af algebra. I processen med at udvikle gruppeteori blev der bygget et kraftfuldt værktøjssæt, som i vid udstrækning bestemte detaljerne for generel algebra som helhed, og dets egen ordliste blev dannet, hvoraf elementer er aktivt lånt af relaterede grene af matematik og applikationer. De mest udviklede grene af gruppeteori - lineære algebraiske grupper og Lie-grupper  - blev uafhængige grene af matematikken.

Forskellige fysiske systemer, såsom krystaller eller brintatomet , har symmetrier, der kan modelleres af symmetrigrupper , og finder således vigtige anvendelser af gruppeteori og dens nært beslægtede repræsentationsteori i fysik og kemi .

Et af de mest betydningsfulde matematiske gennembrud i det 20. århundrede [1] var den fuldstændige klassificering af simple finite grupper  - resultatet af mange matematikeres fælles indsats, der besatte mere end 10 tusinde trykte sider, hvoraf hovedparten blev udgivet fra 1960 til 1980.

Historie

Gruppeteori har tre historiske rødder: teorien om algebraiske ligninger , talteori og geometri . Matematikerne bag gruppeteoriens oprindelse er Leonhard Euler , Carl Friedrich Gauss , Joseph Louis Lagrange , Niels Henrik Abel og Evariste Galois . Galois var den første matematiker til at forbinde gruppeteori med en anden gren af ​​abstrakt algebra, feltteori , og udviklede teorien, der nu kaldes Galois-teorien .

Et af de første problemer, der førte til fremkomsten af ​​gruppeteori, var problemet med at opnå en ligning af grad m , der ville have m rødder af en given ligning af grad n ( m < n ). Dette problem blev overvejet i simple tilfælde af Hudde (1659). I 1740 lagde Saunderson mærke til, at det at finde andengradsfaktorer for bikvadratiske udtryk reduceres til at løse en sjettegradsligning, og Le Seur (1748) og Waring (fra 1762 til 1782) udviklede denne idé.

Det generelle grundlag for ligningsteorien, baseret på teorien om permutationer , blev fundet af Lagrange i 1770-1771, og på dette grundlag voksede teorien om substitutioner efterfølgende. Han fandt ud af, at rødderne til alle de opløsningsmidler , han stødte på, var rationelle funktioner af rødderne til de tilsvarende ligninger. For at studere disse funktioners egenskaber udviklede han "kombinationsregningen" ( Calcul des Combinaisons ). Et nutidigt værk af Vandermonde (1770) forudså også udviklingen af ​​gruppeteori.

Paolo Ruffini foreslog i 1799 et bevis på uløseligheden af ​​ligninger af femte og højere grad i radikaler. Til beviset brugte han begreberne gruppeteori, selvom han kaldte dem ved andre navne. Ruffini udgav også et brev skrevet til ham af Abbati, hvis tema var gruppeteori.

Galois opdagede, at hvis en algebraisk ligning har flere rødder, så eksisterer der altid en gruppe af permutationer af disse rødder, således at

  1. enhver funktion , der er invariant under gruppepermutationer, er rationel og omvendt,
  2. enhver rationel funktion af rødder er invariant under permutationer af gruppen. Han udgav sine første værker om gruppeteori i 1829, i en alder af 18 år, men de forblev praktisk talt ubemærket, indtil  hans samlede værker blev offentliggjort i 1846 .

Arthur Cayley og Augustin Louis Cauchy var blandt de første matematikere til at forstå betydningen af ​​gruppeteori. Disse videnskabsmænd beviste også nogle vigtige teoremer i teorien. [2] Emnet, de studerede, blev populært af Serret , som viede et afsnit til teorien fra sin bog om algebra, af Jordan , hvis værk Traité des Substitutions blev en klassiker, og af Eugen Netto (1882). Mange andre matematikere i det 19. århundrede ydede også store bidrag til udviklingen af ​​gruppeteori : Bertrand , Hermite , Frobenius , Kronecker og Mathieu .

Den moderne definition af begrebet "gruppe" blev først givet i 1882 af Walther von Dyck [3] .

I 1884 påbegyndte Sophus Lie undersøgelsen af, hvad vi nu kalder Lie-grupper og deres diskrete undergrupper som transformationsgrupper hans skrifter blev fulgt af Killing , Studi , Schur , Maurer og Elie Cartan . Teorien om diskrete grupper blev udviklet af Klein , Lie, Poincare og Picard i forbindelse med studiet af modulære former og andre objekter.

I midten af ​​det 20. århundrede (for det meste mellem 1955 og 1983) blev der udført et enormt arbejde med klassificeringen af ​​alle endelige simple grupper , inklusive titusindvis af sider med papirer.

Mange andre matematikere gav også håndgribelige bidrag til gruppeteori, såsom Artin , Emmy Noether , Ludwig Sylow og andre.

Kort beskrivelse af teorien

Begrebet en gruppe opstod som et resultat af en formel beskrivelse af geometriske objekters symmetri og ækvivalens. I Felix Kleins Erlangen-program var studiet af geometri forbundet med studiet af de tilsvarende grupper af transformationer. For eksempel, hvis figurerflyet er givet , så finder gruppen af ​​bevægelser ud af deres lighed.

Definition . En gruppe er et sæt elementer (endelig eller uendelig), hvorpå multiplikationsoperationen [4] er givet , som opfylder følgende fire aksiomer:

Gruppens aksiomer regulerer på ingen måde afhængigheden af ​​multiplikationsoperationen af ​​rækkefølgen af ​​faktorer. Derfor påvirker ændring af rækkefølgen af ​​faktorerne generelt produktet produktet. Grupper, for hvilke produktet ikke afhænger af rækkefølgen af ​​faktorer, kaldes kommutative eller abelske grupper. For en abelsk gruppe

Abelske grupper er ret sjældne i fysiske applikationer. Oftest er grupper, der har fysisk betydning, ikke -abelske :

Finite grupper af lille størrelse er bekvemt beskrevet ved hjælp af den såkaldte "multiplikationstabeller". I denne tabel svarer hver række og hver kolonne til ét element i gruppen, og resultatet af multiplikationsoperationen for de tilsvarende elementer er placeret i cellen i skæringspunktet mellem rækken og kolonnen.

Nedenfor er et eksempel på en multiplikationstabel ( Cayley tables ) for en gruppe af fire elementer: (1, −1, i, −i), hvor operationen er den sædvanlige aritmetiske multiplikation:

en −1 jeg −i
en en −1 jeg −i
−1 −1 en −i jeg
jeg jeg −i −1 en
−i −i jeg en −1

Identitetselementet her er 1, inverserne af 1 og -1 er sig selv, og elementerne i og -i er hinandens invers.

Hvis en gruppe har et uendeligt antal elementer, så kaldes det en uendelig gruppe .

Når elementerne i en gruppe kontinuerligt afhænger af nogle parametre, kaldes gruppen kontinuert eller Lie-gruppe . Det siges også, at en Lie-gruppe  er en gruppe, hvis sæt af elementer danner en glat manifold . Ved hjælp af Lie- grupper som symmetrigrupper findes løsninger af differentialligninger .

Grupper bruges allestedsnærværende i matematik og naturvidenskab, ofte for at opdage objekters indre symmetri ( automorfigrupper ). Intern symmetri er normalt forbundet med invariante egenskaber; det sæt af transformationer, der bevarer denne egenskab, danner sammen med kompositionsoperationen en gruppe kaldet symmetrigruppen.

I Galois-teorien, som gav anledning til begrebet en gruppe, bruges grupper til at beskrive symmetrien af ​​ligninger, hvis rødder er rødderne til en polynomialligning . På grund af den vigtige rolle, de spiller i denne teori, får opløselige grupper deres navn .

I algebraisk topologi bruges grupper til at beskrive invarianter af topologiske rum [5] . Med invarianter mener vi her rummets egenskaber, der ikke ændres med en vis deformation af det. Eksempler på denne brug af grupper er grundlæggende grupper , homologi og kohomologi grupper .

Lie-grupper anvendes i studiet af differentialligninger og manifolder ; de kombinerer gruppeteori og beregning . Det analysefelt, der er knyttet til disse grupper, kaldes harmonisk analyse .

I kombinatorik bruges begreberne en permutationsgruppe og gruppehandling til at forenkle optællingen af ​​antallet af elementer i et sæt; især Burnsides lemma bruges ofte .

En forståelse af gruppeteori er også meget vigtig for fysik og andre naturvidenskaber. I kemi bruges grupper til at klassificere krystalgitre og molekylære symmetrier . I fysik bruges grupper til at beskrive de symmetrier, der styrer fysiske love. Særligt vigtige i fysik er grupperepræsentationer , især Lie-grupper, da de ofte viser vejen til "mulige" fysiske teorier.

En gruppe kaldes cyklisk , hvis den er genereret af et enkelt element a , det vil sige, at alle dens elementer er potenser af a (eller, for at bruge additiv terminologi, kan repræsenteres som na , hvor n  er et heltal ). Matematisk notation :.

En gruppe siges at handle på et sæt, hvis der er givet en homomorfi fra gruppen til gruppen af ​​alle permutationer af sættet . For kortheds skyld skrives det ofte som eller .

Gruppeeksempler

en
en en
en −1
en en -en
-en -en en
en −1 jeg -jeg
en en -en jeg -jeg
-en -en en -jeg jeg
jeg jeg -jeg -en en
-jeg -jeg jeg en -en
C2 _ E R180 _
E E R180 _
R180 _ R180 _ E
S2 _ E jeg
E E jeg
jeg jeg E
C3 _ E 120 kr _ R240 _
E E 120 kr _ R240 _
120 kr _ 120 kr _ R240 _ E
R240 _ R240 _ E 120 kr _
D3 _ E 120 kr _ R240 _ R1 _ R2 _ R3 _
E E 120 kr _ R240 _ R1 _ R2 _ R3 _
120 kr _ 120 kr _ R240 _ E R2 _ R3 _ R1 _
R240 _ R240 _ E 120 kr _ R3 _ R1 _ R2 _
R1 _ R1 _ R3 _ R2 _ E R240 _ 120 kr _
R2 _ R2 _ R1 _ R3 _ 120 kr _ E R240 _
R3 _ R3 _ R2 _ R1 _ R240 _ 120 kr _ E

Da resultatet af to på hinanden følgende rotationer omkring den samme akse ikke afhænger af rotationsrækkefølgen, er gruppen R 2 kommutativ. Det omvendte element i en gruppe er defineret af formlen

angiver, at elementet n erstattes af elementet pn , når det er permuteret . Det omvendte element for elementet P vil være elementet

Interessant nok er gruppen S 3 isomorf til gruppen D 3 , da sidstnævnte indeholder alle mulige transformationer, der tager trekanten ind i sig selv, og transformationen af ​​trekanten kan gives ved forskellige permutationer af dens tre hjørner:

Abelske grupper

En abelsk gruppe er en gruppe , hvor gruppeoperationen er kommutativ ; det vil sige, at gruppen er abelsk hvis for to elementer .

Gruppeoperationen i abelske grupper kaldes normalt "addition" og betegnes med . Abelske grupper er grundlaget for at konstruere mere komplekse objekter i abstrakt algebra såsom ringe , felter og moduler . Navnet er givet til ære for den norske matematiker Abel for hans bidrag til studiet af permutationsgrupper.

Eksempler

Relaterede definitioner

Egenskaber

  • Sættet af homomorfier af alle gruppehomomorfismer fra til er i sig selv en abelsk gruppe. Faktisk, lad  være to gruppe homomorfismer mellem Abelske grupper, så er deres sum , givet som , også en homomorfi (dette er ikke sandt, hvis gruppen er ikke-kommutativ).
  • Finite abelske grupper

    Den grundlæggende sætning om strukturen af ​​en endelig abelsk gruppe siger, at enhver endelig abelsk gruppe kan dekomponeres i en direkte sum af dens cykliske undergrupper, hvis rækkefølger er primtal . Dette er en konsekvens af den generelle sætning om strukturen af ​​endeligt genererede Abelske grupper for det tilfælde, hvor gruppen ikke har elementer af uendelig rækkefølge. er isomorf til en direkte sum , hvis og kun hvis og er coprime.

    Derfor kan man skrive en abelsk gruppe i form af en direkte sum

    på to forskellige måder:

    For eksempel kan det dekomponeres i en direkte sum af to cykliske undergrupper af ordre 3 og 5: . Det samme kan siges om enhver abelsk gruppe af orden femten, vi konkluderer, at alle abelske grupper af orden 15 er isomorfe.

    Variationer og generaliseringer

    Hyperbolske grupper

    En endeligt genereret gruppe kaldes hyperbolsk , hvis den er hyperbolsk som et metrisk rum.

    Mere detaljeret er der en naturlig metrik på en endeligt genereret gruppe med valgte generatorer, ordbogsmetrikken . En gruppe kaldes hyperbolsk, hvis den, udstyret med denne metrik, viser sig at være hyperbolsk som et metrisk rum. Da når det valgte system af generatorer udskiftes, ændres metrikken kvasi-isometrisk , mens hyperboliciteten af ​​det metriske rum bevares, viser konceptet sig at være uafhængigt af valget af generatorsystemet.

    (P. de la Harpe, E. Ghys, Sur les groupes hyperboliques d'après Mikhael Gromov)

    Repræsentationsteori

    Anvendelser af gruppeteori

    Der er mange anvendelser af gruppeteori. Mange strukturer af generel algebra kan betragtes som særlige tilfælde af grupper, for eksempel kan ringe betragtes som Abelske grupper (med hensyn til addition) med en anden operation, multiplikation, indført på dem. Derfor ligger grupper til grund for en stor del af teorien om disse objekter.

    Galois teori bruger grupper til at beskrive symmetrien af ​​rødderne af et polynomium. Galois-teoriens grundlæggende sætning etablerer en forbindelse mellem algebraiske udvidelser og gruppeteori. Dette giver et effektivt kriterium for opløseligheden af ​​algebraiske ligninger under betingelserne for de tilsvarende Galois-grupper .

    Uløste problemer i gruppeteori

    Den mest berømte samling af flere tusinde uløste problemer i gruppeteori er Kourovka Notebook .

    Noter

    1. Elwes, Richard, " En enorm teorem: klassificeringen af ​​endelige simple grupper, arkiveret 2. februar 2009 på Wayback Machine " Plus Magazine , udgave 41, december 2006.
    2. For eksempel Cayleys sætning og Cauchys sætning
    3. Barut A., Ronchka R. Grupperepræsentationsteori og dens anvendelser, bind 1, 2, M., 1980.
    4. Operationen kaldes normalt " multiplikation ", sjældnere bruges navnet " addition " .
    5. derfor kom for eksempel navnet " torsionsundergruppe " fra

    Litteratur

    Links