A csoport a matematikában egy nem üres halmaz , amelyen egy asszociatív bináris művelet van definiálva , és ehhez a művelethez van egy semleges elem (a szorzás egységéhez analóg), és a halmaz minden elemének van egy inverze . Az általános algebra csoportokkal foglalkozó ágát csoportelméletnek nevezzük [1] .
A csoportok egyik példája az egész számok halmaza , amely összeadási művelettel van felszerelve : bármely két egész szám összege is egész számot ad, a nulla semleges elem szerepét tölti be, az ellenkező előjelű szám pedig az inverz elem. További példák a valós számok halmaza az összeadás művelettel, az origó körüli síkforgatások halmaza . Köszönhetően a csoportnak egy axiómarendszeren keresztül történő elvont meghatározásának, amely nem kötődik a generáló halmazok sajátosságaihoz, a csoportelmélet univerzális apparátust hozott létre a legkülönfélébb eredetű matematikai objektumok széles osztályának tanulmányozására. szerkezetük általános tulajdonságait . A csoportok mindenütt jelenléte a matematikában és azon túl a modern matematika és alkalmazásai alapvető konstrukciójává teszi őket.
A csoport alapvetően kapcsolódik a szimmetria fogalmához, és minden megnyilvánulása vizsgálatának fontos eszköze. Például egy szimmetriacsoport egy geometriai objektum tulajdonságait tükrözi : olyan transzformációk halmazából áll, amelyek az objektumot változatlanul hagyják, és két ilyen, egymás után következő transzformáció kombinálásának műveletét. A szimmetriacsoportok, mint például a pontszimmetriacsoportok , hasznosak a molekuláris szimmetria jelenségének megértésében a kémiában; a Poincare -csoport a fizikai téridő szimmetriáját jellemzi , az elemi részecskefizika standard modelljében pedig speciális unitárius csoportokat használnak [2] .
A csoport fogalmát Evariste Galois vezette be polinomok tanulmányozása során az 1830 -as években [3] .
A modern csoportelmélet a matematika aktív ága [4] . Az egyik leglenyűgözőbb eredményt az egyszerű véges csoportok 1981 -ben elkészült osztályozása érte el : a tétel bizonyítása több tízezer oldalnyi több száz tudományos cikk száznál több szerzőtől, 1955 óta megjelent, de cikkek továbbra is megjelennek a bizonyítás kimutatható hiányosságai miatt [5] . Az 1980-as évek közepe óta jelentős fejlődésen ment keresztül a csoportok geometriai elmélete , amely a véges generált csoportokat geometriai objektumként vizsgálja.
Egy nem üres halmazt , amelyen bináris művelet van definiálva : csoportnak nevezzük, ha a következő axiómák igazak :
Az utolsó két axióma helyettesíthető egy inverz művelet létezésének axiómával :
.
Ráadásul a fenti axiómák nem szigorúan minimálisak. A semleges és inverz elemek létezéséhez elegendő egy bal oldali semleges és egy bal oldali inverz elem. Ugyanakkor igazolható, hogy automatikusan közönséges semleges és inverz elemek lesznek [6] .
Általában a csoportműveletet (absztrakt) szorzásnak nevezik ; akkor a multiplikatív jelölést alkalmazzuk :
Ha a csoportműveletet szorzásnak nevezzük , akkor magát az ilyen csoportot szorzónak nevezzük , és a teljes jelöléssel (amikor a csoportműveletet kifejezetten jelezni akarják) a következőképpen jelöljük :.
Több termék , , természetes erőként van írva , , [7] . Egy elemhez egy egész fokozat helyesen van definiálva [ 8] , a következőképpen írjuk le: , .
Kommutatív csoportban a definiáló műveletet gyakran (absztrakt) összeadásnak tekintik, és additív módon írják :
Ha a csoportműveletet összeadásnak nevezzük , akkor magát az ilyen csoportot additívnak nevezzük , és a teljes jelöléssel a következőképpen jelöljük :. [9] Ez a kifejezés csak arra a módra vonatkozik, ahogyan egy műveletet írnak egy csoportban; akkor hasznos, ha több művelet van definiálva egy halmazon. Például beszélhetünk a valós számok additív csoportjáról vagy a pozitív valós számok multiplikatív csoportjáról . Ezenkívül vannak olyan esetek, amikor egy additív csoport izomorf egy multiplikatív csoporthoz (lásd: Gyökerek az egységből ).
A csoportokat a matematika különböző területein használják. Például a topológiában az alapcsoport fogalmának bevezetésével [10] . A csoportok elméleti alkalmazása mellett számos módja van a csoportok gyakorlati alkalmazásának. Például a kriptográfiában használják , amely a számítási csoportelméletre és az algoritmusok ismeretére támaszkodik .
A csoportelmélet alkalmazása nem korlátozódik a matematikára, széles körben alkalmazzák olyan tudományokban, mint a fizika , a kémia és a számítástechnika .
számlapos óra lehet [11] .
A csoport beállítható:
A csoport modern fogalma a matematika több területéből alakult ki. A csoportelmélet eredeti hajtóereje a négynél nagyobb fokú algebrai egyenletek megoldásának keresése volt. A 19. századi francia matematikus , Évariste Galois Ruffini és Lagrange tanulmányainak finomítása után kritériumot adott egy adott algebrai egyenlet megoldhatóságára a megoldások szimmetriacsoportja szempontjából . Az ilyen Galois-csoport elemei a gyökök bizonyos permutációinak felelnek meg . Galois gondolatait kortársai elutasították, és Liouville posztumusz tette közzé 1846-ban. Cauchy ugyanarra a munkára alapozva, mint Galois, részletesen tanulmányozta a permutációs csoportokat [3] . A véges csoport fogalmát először Arthur Cayley vezette be 1854-ben " A csoportok elméletéről, mint a θ n 1 szimbolikus egyenlettől függően " című munkájában [28] .
A geometria a második olyan terület, ahol a csoportokat szisztematikusan alkalmazzák, különösen a szimmetriacsoportokat Felix Klein német matematikus „ Erlangen Programja” részeként . A geometria olyan új ágainak megjelenése után, mint a hiperbolikus és a projektív geometria , Klein a csoportelméletet használta ezek jobb összeegyeztetésére. Ezen elképzelések továbbfejlesztése a Lie-csoport fogalmának 1884-ben történő bevezetéséhez vezet a matematikában [3] .
A matematika harmadik területe, amely hozzájárult a csoportelmélet fejlődéséhez, a számelmélet . Néhány Abeli-csoportot implicit módon használtak Gauss aritmetikai vizsgálataiban (1801). 1847-ben Ernst Kummer tette meg az első kísérletet Fermat utolsó tételének bizonyítására prímtényezős csoportokat használva. 1870-ben Kronecker általánosította Kummer munkásságát, és a véges Abel-csoport mai definíciójához közel álló definíciót adott [3] .
A csoportelmélet szétválása Camille Jordan Változások és algebrai egyenletek értekezésével (1870) [29] kezdődött . A 20. században a csoportelmélet aktív fejlődésnek indult. Megszületett Frobenius és Burnside úttörő munkája a véges csoportok ábrázolásáról, Richard Braur moduláris reprezentációs elmélete és Schur jelölései . Weyl és Cartan jelentős előrelépést tett a Lie-csoportok és a lokálisan kompakt csoportok elméletének tanulmányozásában . Ezen elméletek algebrai kiegészítése az algebrai csoportok elmélete volt , amelyet először Claude Chevalley fogalmazott meg , később Borel és Tits [3] munkáiban említik .
Az 1960–1961-es tanévben a Chicagói Egyetemen a csoportelmélet évét tartották, amely olyan teoretikusokat hozott össze, mint Daniel Gorenstein, John Thompson és Walter Feith, így lefektette az alapot számos matematikus együttműködéséhez, akik később az osztályozási tétel minden egyszerű véges csoportra 1980. -s években. Ez a projekt méretében felülmúlta a csoportok osztályozására irányuló összes korábbi kísérletet, mind a bizonyítékok hossza, mind a munkában részt vevő tudósok száma tekintetében. A jelenlegi kutatások célja a csoportok osztályozásának egyszerűsítése. Jelenleg a csoportelmélet aktívan fejlődik, és hatással van a matematika más ágaira [5] [30] [31] .
Sok csoportnak van egyidejűleg valamilyen más (további) matematikai szerkezete. A kategóriaelmélet nyelvén ezek a kategória csoportobjektumai ; Más szóval, ezek olyan objektumok (vagyis például halmazok, amelyeknek bizonyos matematikai szerkezetük van), amelyekre adott transzformációk osztálya (úgynevezett morfizmusok ) a csoport axiómáit követve adott. Konkrétan minden csoport (a korábban definiált értelemben) egyidejűleg halmaz , így egy csoport egy csoport objektum a halmazok kategóriájában Set (ebben a kategóriában a morfizmusok halmazok leképezései ) [35] .
A gyűrű olyan halmaz , amelyen a kommutatív összeadás és a (nem feltétlenül kommutatív) szorzás bináris műveletei definiálva vannak, ráadásul az összeadás tekintetében K csoportot alkot, a szorzást pedig egy eloszlási törvény köti össze az összeadással.
Egy gyűrűt kommutatívnak és asszociatívnak nevezünk, ha a rajta megadott szorzási művelet kommutatív és ennek megfelelően asszociatív. A gyűrű egy elemét egységnek nevezzük, ha a következő feltétel teljesül: , ahol a gyűrű bármely eleme.
A Z , Q , R numerikus halmazok kommutatív asszociatív gyűrűk azonossággal. A vektorszorzás művelettel rendelkező vektorok halmaza a vektorszorzás tulajdonságai miatt antikommutatív gyűrű (azaz ) [36] : .
A mező egy kommutatív asszociatív gyűrű egy egységgel, és az összeadás szempontjából egy csoportot alkot, a nullától eltérő elemei pedig egy csoportot szorzással. A mező nem állhat egyetlen nullából. A racionális és valós számok halmazai mezők. Bármely mezőben csak akkor, ha és/vagy [37] .
Egyes topológiai terek egyidejűleg csoportstruktúrával is felruházhatók. Ebben az esetben egy ilyen tér topológiai csoportnak bizonyulhat .
A topológiai csoport ugyanis egy olyan csoport, amely egyben topológiai tér is, és a csoport elemeinek szorzása és az inverz elem felvételének művelete az alkalmazott topológiában folyamatos leképezésnek bizonyul [38] . A topológiai csoportok csoportobjektumok a topológiai terekben Top [35] .
A topológiai csoportok legfontosabb példái az additív valós csoport , a nullától eltérő valósok multiplikatív csoportja , a teljes lineáris csoport , a speciális lineáris csoport , az ortogonális csoport , a speciális ortogonális csoport , az egységes csoport , a speciális unitárius csoport [39 ] .
A Lie csoport (a Sophus Lie tiszteletére ) olyan csoport, amely egyszerre differenciálható sokaság a K mező felett (utóbbiként a valós vagy komplex számok mezője működhet), valamint a csoport elemeinek szorzása és a művelet . Az inverz elem felvételéből sima leképezések bizonyulnak (összetett esetben a bevezetett leképezések holomorfiája szükséges). Ezen túlmenően bármely komplex -dimenziós Lie-csoport egyidejűleg a dimenziók valódi Lie-csoportja [40] .
Az előző alfejezetben topológiai csoportokra példaként megadott összes konkrét csoport egyben Lie csoport is.
A hazugságcsoportok természetesen keletkeznek, ha folytonos szimmetriákat veszünk figyelembe ; így a Lie csoportot [41] a formájú izometriák alkotják , ahol az euklideszi ponttér . Az eredményül kapott [42] jelölésű csoport egy másik Lie csoport alcsoportja , a tér affin csoportja , jelölése [43] .
A hazugságcsoportok a sokaság legjobbjai a struktúrájuk gazdagsága szempontjából, és mint ilyenek, nagyon fontosak a differenciálgeometriában és a topológiában . Kiemelkedő szerepet játszanak a geometriában, a számításokban, a mechanikában és a fizikában is [40] .
Csoportelmélet | |
---|---|
Alapfogalmak | |
Algebrai tulajdonságok | |
véges csoportok |
|
Topológiai csoportok | |
Algoritmusok csoportokon |
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |