Saltar ao contido

Grupo (matemáticas)

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
As posibles manipulacións docubo de Rubikforman un grupo.

Enálxebra abstracta,ungrupoé unhaestrutura alxébricaque consta dunconxuntocunhaoperaciónque combina calquera par dos seus elementos para formar un terceiro elemento. Para que se poida cualificar como un grupo o conxunto e a operación deben satisfacer osaxiomasde grupo: ter apropiedade asociativa,elemento neutroeelemento inverso.

Ateoría de gruposestuda os grupos en si.

O concepto de grupo xurdiu do estudo dasecuacións polinómicascomezado porÉvariste Galoisdurante a década de 1830. Despois de contribucións desde outros campos como ateoría dos númerose axeometría,a noción xeneralizouse e estableceuse fortemente en torno a 1870.

A definición formal de grupo (G, *) foi formulada porFerdinand Georg Frobeniusen 1887, advertindo que os teoremas que demostraba dependían unicamente dos axiomas propostos e non tiña que acudir ao grupo das permutacións que empregaban os seus antecesoresCauchy,JordaneSylow.[1]

Unha teoría especialmente rica foi desenvolvida para grupos finitos, culminada coteorema de clasificación de grupos simples,completado en 1983. Así mesmo, desde mediados da década de 1980 ateoría de grupos xeométricos,que estuda os grupos de xeración finita como obxectos xeométricos, converteuse nunha área particularmente activa na teoría dos grupos.

Definición

[editar|editar a fonte]

Un grupo é unconxunto,G,cunhaoperación binaria«•» que compón dous elementos calqueraaebdeGpara formar outro elemento denotado comoa • boab.Para poder cualificar como un grupo a (G, •), deben satisfacer catro propiedades:[2]

Operación interna

Para todoa,bdeG,o resultado da operacióna • btamén pertence aG.

Asociatividade

Para todos osa,becdeG,cúmprese que(a • b) • c = a • (b • c).

Elemento neutro

Existe un elementoedeG,tal que para todos os elementosadeGse cumpre quee • a = a • e = a.O elemento neutro dun grupoGescríbese en ocasións como 1 ou 1G,[3]notación herdada da identidade multiplicativa.

Elemento inverso

Para todoadeG,existe un elementobdeGtal quea • b = b • a = e.

A orde na que se realiza a operación do grupo pode ser significativa, é dicir, o resultado de operar o elementoaco elementobnon é necesariamente igual que o resultado debcona;a expresión

a • b = b • a

pode non ser certa. Os grupos nos que si se cumpre chámansegrupos abelianos,en honor aNiels Henrik Abel.

Notación e terminoloxía

[editar|editar a fonte]

Formalmente, un grupo é unpar ordenadodun conxunto e unha operación binaria neste conxunto que satisfai os axiomas do grupo. O conxunto chámaseconxunto subxacentedo grupo, e a operación chámaseoperación de grupooulei de grupo.

Un grupo e o seu conxunto subxacente son, polo tanto, dous obxectos matemáticos diferentes. Para evitar a notación engorrosa, é común abusar da notación ao usar o mesmo símbolo para indicar ambos os dous. Isto reflicte tamén unha forma informal de pensar: que o grupo é o mesmo que o conxunto, salvo que se enriqueceu coa estrutura adicional proporcionada pola operación.

Por exemplo, considere o conxunto dosnúmeros reais,que ten as operacións de sumaemultiplicación.Formalmente,é un conxunto,é un grupo eé uncorpo.Mais é común escribirpara indicar calquera destes tres obxectos.

Ogrupo aditivodo corpoé o grupo cuxo conxunto subxacente ée cuxa operación é a suma. Ogrupo multiplicativodo corpoé o grupocuxo conxunto subxacente é o conxunto de números reais distintos de ceroe cuxa operación é a multiplicación.

De forma máis xeral, fálase dungrupo aditivosempre que a operación do grupo se denota como adición; neste caso, a identidade denotase normalmente,e a inversa dun elementodenotase.Do mesmo xeito, fálase dungrupo multiplicativosempre que a operación do grupo se denota como multiplicación; neste caso, a identidade adoita denotarse,e a inversa dun elementodenotase.Nun grupo multiplicativo, o símbolo da operación adoita omitirse por completo, de xeito que a operación se denota mediante xustaposición,en lugar de.

  • O conxunto dosnúmeros enteirosZ coa suma teñen estrutura de grupo abeliano, xa que:
  1. Para calquera par de enteirosaeb,a sumaa + btamén é enteiro.
  2. Para todos os enteirosa,bec,(a + b) + c = a + (b + c).
  3. Para calquera enteiroa,0 + a = a + 0 = a.
  4. Para cada enteiroa,existe un enteirobtal quea + b = b + a = 0.O enteirobdenomínaseelemento inversodeae denótase como-a.
  • Assimetrías(rotacións e reflexións) dun cadrado forma un grupo chamadodiédrico,que se expresa como D4.
  • O produto define unha estrutura de grupo conmutativo nosnúmeros racionaisnon nulos Q*.
  • Asmatricescadradas de n columnas con elementos reais e determinante distinto de cero forman un grupo co produto de matrices.
  • O grupo de movementos no espazo ougrupo de isometríadoespazo euclidiano.
  • Ogrupo de Galileoestá formado polas transformacións do espazo e o tempo que conservan os sistemas de referencia inercais.

Grupos cíclicos

[editar|editar a fonte]
Artigo principal:Grupo cíclico.
Un hexágono cuxas esquinas están situadas regularmente nunha circunferencia
As raíces sextas complexas da unidade forman un grupo cíclico.é un elemento xerador, maisnon o é, porque as potencias impares denon son unha potencia de.

Ungrupo cíclicoé un grupo cuxos elementos sonpotenciasdun elemento particular.[4]En notación multiplicativa, os elementos do grupo son ondesignifica,significa,etc.[a]Tal elementochámasexeradorou elemento primitivo do grupo. En notación aditiva, o requisito para que un elemento sexa xerador é que cada elemento do grupo se poida escribir como

Nosgrupos modulares,o elementoé xerador, polo que estes grupos son cíclicos. De feito, todo elemento é expresábel como unha suma con todos os seus termos.Calquera grupo cíclico conelementos é isomorfo a este grupo. Un segundo exemplo de grupos cíclicos é o grupo das-ésimasraíces complexas da unidade,dado porlosnúmeros complexossatisfacendo.Estes números pódense visualizar como osvérticesdun-gon regular, como se mostra en azul na imaxe para.A operación de grupo é a multiplicación de números complexos. Na imaxe, multiplicar concorrespóndese cunha rotaciónno sentido horariode 60°.[5]Dateoría de corpossábese que o grupoé cíclico paraprimo: por exemplo, se,é un xerador xa que,,e.

Algúns grupos cíclicos teñen un número infinito de elementos. Nestes grupos, para cada elementodistinto de cero, todas as potencias deson distintas; a pesar do nome de "grupo cíclico", as potencias dos elementos non resultan nun ciclo. Un grupo cíclico infinito é isomorfo a,o grupo de números enteiros baixo a suma introducido anteriormente.[6]Como estes dous modelos son ambos os dous abelianos, tamén o son todos os grupos cíclicos.

O estudo dos grupos abelianos finitamente xerados está bastante estudado, incluíndo oteorema fundamental dos grupos abelianos finitamente xerados;e reflectindo este estado de cousas, moitas nocións relacionadas co grupo, comocentroeconmutador,describen ata que punto un determinado grupo non é abeliano.[7]

Grupo linear xeral

[editar|editar a fonte]
Artigo principal:Grupo linear xeral.

Osgrupos de matricesconsisten enmatricesxunto coamultiplicación de matrices.Ogrupo linear xeralconsta de todas asmatrices invertíbeiscon coeficientes reais.[8]Os seus subgrupos denomínansegrupos de matricesougrupos lineares.O exemplo de grupo diédrico mencionado anteriormente pódese ver como un grupo matricial (moi pequeno). Outro grupo matricial importante é ogrupo ortogonal especial.Describe todas as rotacións posíbeis endimensións. Asmatrices de rotacióndeste grupo utilízanse extensamente nosgráficos por ordenador.[9]

Conceptos básicos

[editar|editar a fonte]

As seguintes seccións usan símbolos matemáticos comopara indicar unconxuntoque conténelementos,eoupara indicar queé un elemento de.A notaciónsignifica queé unhafunciónque asocia a cada elemento deun elemento de.

Cando se estudan conxuntos, utilízanse conceptos comosubconxunto,función econxunto cocientepor unharelación de equivalencia.Cando se estudan grupos, utilízanse no seu lugarsubgrupos,homomorfismosegrupos cociente.Estes son os análogos que teñen en conta a estrutura do grupo.[b]

Homomorfismos de grupo

[editar|editar a fonte]
Artigo principal:Homomorfismo de grupos.

Os homomorfismos de grupos[c]son funcións que respectan a estrutura do grupo; poden utilizarse para relacionar dous grupos. Unhomomorfismodun grupocara a un grupoé unha funcióntal que

para todos os elementoseen.

Sería natural esixir tamén querespectase as identidades,,e as inversas,para todas asen.No entanto, estes requisitos adicionais non precisan incluírse na definición de homomorfismos, porque xa están implicados pola esixencia de respectar a operación de grupo.[10]

Ohomomorfismo identidadedun grupoé o homomorfismoque asigna cada elemento dea si mesmo. Unhomomorfismo inversodun homomorfismoé un homomorfismotal quee,é dicir, tal quepara todas asene tal quepara todas asen.Unisomorfismoé un homomorfismo que ten un homomorfismo inverso; equivalentemente, é un homomorfismobixectivo.Os gruposechámanseisomorfosse existe un isomorfismo.Neste caso,pódese obter desimplemente renomeando os seus elementos segundo a función;entón calquera afirmación verdadeira paratamén é verdadeira para.

A colección de todos os grupos, xunto cos homomorfismos entre eles, forman unhacategoría,acategoría de grupos.[11]

Un homomorfismoinxectivafactoriza canonicamente como un isomorfismo seguido dunha inclusión,para algún subgrupode. Os homomorfismos inxectivos son osmonomorfismosda categoría de grupos.

Artigo principal:Subgrupo.

Informalmente, unsubgrupoé un grupocontido dentro dun máis grande,:ten un subconxunto dos elementos de,coa mesma operación.[12]Concretamente, isto significa que o elemento identidade dedebe estar contido en,e sempre queeestean ambos os dous en,entón tamén o sone,polo que os elementos de,equipados coa operación de grupo enrestrinxidos a,de feito forman un grupo. Neste caso, o mapa de inclusióné un homomorfismo.

Artigo principal:Coclase.

En moitas situacións é desexábel considerar dous elementos do grupo iguais se se diferencian por un elemento dun subgrupo dado. Por exemplo, no grupo de simetría dun cadrado, unha vez que se realiza calquera reflexión, as rotacións por si soas non poden devolver o cadrado á súa posición orixinal, polo que se pode pensar que as posicións reflectidas do cadrado son todas equivalentes entre si e como non nequivalentes das posicións non reflexivas; as operacións de rotación son irrelevantes para a cuestión de se se realizou unha reflexión. As coclases utilízanse para formalizar esta visión: un subgrupodetermina as coclases pola esquerda e pola dereita, que se poden considerar como as translacións depor un elemento arbitrario do grupo.En termos simbólicos, as coclasesesquerdaedereitade,que conteñen un elemento,son

e,respectivamente.[13]

As coclases pola esquerda de calquera subgrupoforman unhaparticiónde;é dicir, auniónde todas as coclases pola esquerda é igual ae dúas coclases pola esquerda ou son iguais ou teñen unhaintersecciónbaleira.[14]O primeiro casoocorreprecisamente cando,é dicir, cando os dous elementos difiren por un elemento de.Consideracións similares aplícanse ás clases pola dereita de.Os grupos pola esquerda depoden ser ou non os mesmos que os de pola dereita. Se o son (é dicir, se todos osensatisfán), entón dise queé unsubgrupo normal.

En,o grupo de simetrías dun cadrado, co seu subgrupode rotacións, as coclases pola esquerdason igual a,seé un elemento da propia,ou igual a(resaltado en verde na táboa de Cayley de). O subgrupoé normal, porquee de xeito similar para os demais elementos do grupo. (De feito, no caso de,as coclases xeradas polas reflexións son todas iguais:.)

Táboa de Cayleyde
Os elementos,,,aeforman unsubgrupocuxa táboa de Cayley está en vermello(rexión superior dereita). Unhacoclasepola esquerda deste subgrupo está enverde (na última fila na esquerda) e a coclase pola dereita estáen amarelo (última columna). O resultado da composición,a simetría,está enazul (máis ou menos no centro da táboa).

Grupos cociente

[editar|editar a fonte]
Artigo principal:Grupo cociente.

Supoña queé un subgrupo normal dun grupo,e

denota o seu conxunto de coclases. Entón hai unha lei de grupo única enpara a cal o mapaque envía cada elementoaé un homomorfismo. Explicitamente, o produto de dúas coclaseseé,o gruposerve como a identidade de,e a inversa deno grupo cociente é. O grupo,lese como "módulo",[15]chámasegrupo cocienteougrupo de factores. O grupo cociente pode ser caracterizado alternativamente por unhapropiedade universal.

Táboa de Cayley do grupo cociente

Os elementos do grupo cocientesone.A operación do grupo sobre o cociente móstrase na táboa. Por exemplo,.Tanto o subgrupocomo o cocienteson abelianos, maisnon o é.

Oteorema primeiro do isomorfismoimplica que calquera homomorfismosobrexectivofactoriza canonicamente como un homomorfismo cociente seguido dun isomorfismo:. Os homomorfismos sobrectivos son osepimorfismosda categoría de grupos.

Presentacións

[editar|editar a fonte]
Artigo principal:Presentación dun grupo.

Cada grupo é isomorfo a un cociente dungrupo libre,de moitos xeitos.

Por exemplo, o grupo diédricoxérase pola rotación á dereitae pola reflexiónnunha liña vertical (cada elemento deé un produto finito de copias destes e os seus inversos). Polo tanto, hai un homomorfismo sobrexectivodo grupo libreen dous xeradores cara aenviandoaea. Os elementos enchámanserelacións;algúns exemplos inclúen. De feito, resulta queé o subgrupo normal máis pequeno deque contén estes tres elementos; noutras palabras, todas as relacións son consecuencias destas tres. O cociente do grupo libre por este subgrupo normal é. Isto chámasepresentacióndeque ben dada mediante xeradores e relacións, porque debido ao primeiro teorema de isomorfismo para,este produce un isomorfismo.[16]

Pódese usar unha presentación dun grupo para construír ungrafo de Cayley,que é unha representación gráfica dungrupo discreto.[17]

Grupos con estrutura adicional

[editar|editar a fonte]

Unha definición equivalente de grupo consiste en substituír a parte "existe" dos axiomas de grupo por operacións cuxo resultado é o elemento que debe existir. Así, un grupo é un conxuntoequipado cunha operación binaria(a operación de grupo), unhaoperación unaria(que proporciona a inversa) e unhaoperación nula,que non ten operando e dá como resultado o elemento identidade. En caso contrario, os axiomas do grupo son exactamente os mesmos. Esta variante da definición evita oscuantificadores existenciaise úsase na computación con grupos.

Esta forma de definir grupos préstase a xeneralizacións como a noción deobxecto de gruponunha categoría. Brevemente, este é un obxecto conmorfismosque imitan os axiomas de grupo.[18]

Grupos topolóxicos

[editar|editar a fonte]
Unha parte dunha circunferencia (resaltada) proxéctase sobre unha recta.
Acircunferencia unitarianoplano complexobaixo a multiplicación complexa é un grupo de Lie e, polo tanto, un grupo topolóxico. É topolóxico xa que a multiplicación e división complexas son continuas. É unha variedade e, polo tanto, un grupo de Lie, porque cadapequena peza,como o arco vermello da figura, aseméllase a unha parte darecta real(mostrada na parte inferior).
Artigo principal:Grupo topolóxico.

Algúnsespazos topolóxicospoden estar dotados dunha lei de grupo. Para que a lei de grupo e a topoloxía se entretezan ben, as operacións de grupo deben ser funcións continuas; informalmente,enon deben variar moito seevarían só un pouco. Eses grupos chámansegrupos topolóxicose son os obxectos de grupo nacategoría de espazos topolóxicos.[19]Os exemplos máis básicos son o grupo de números reais baixo a suma e o grupo de números reais distintos de cero baixo multiplicación. Exemplos semellantes pódense formar a partir de calquera outrocorpo topolóxico,como o corpo dos números complexos ou o corpo dosnúmerosp-ádicos.Estes exemplos sonlocalmente compactos,polo que teñenmedida de Haare pódense estudar medianteanálise harmónica.Outros grupos topolóxicos localmente compactos inclúen o grupo de puntos dun grupo alxébrico sobre uncorpo localou unanel adélico;estes son básicos para a teoría de números[20].Os grupos de Galois de corpos alxébricos de extensións infinitas están equipados coatopoloxía de Krull,que xoga un papel noTeoría de Galois infinita.[21]Unha xeneralización utilizada en xeometría alxébrica é ogrupo fundamental étale.[22]

Grupos de Lie

[editar|editar a fonte]
Artigo principal:Grupo de Lie.

Ungrupo de Lieé un grupo que tamén ten a estrutura dunhavariedade diferenciábel;informalmente, isto significa que ose parece localmentea un espazo euclidiano dalgunha dimensión fixa.[23]De novo, a definición require que a estrutura adicional, aquí a estrutura de variedades, sexa compatíbel: os mapas de multiplicación e inverso deben sersuaves.

Un exemplo estándar é o grupo linear xeral introducido anteriormente: é unsubconxunto abertodo espazo de todas as matrices,porque se dá pola identidade

ondedenota unha matriz.[24] Os grupos de Lie son de importancia fundamental na física moderna: oTeorema de Noethervincula simetrías continuas acantidades conservadas.[25]Arotación,así como as translación noespazoe otempo,son simetrías básicas das leis damecánica.

  1. Introducción a la Teoría de Grupos( 2009) Zaldívar, FelipeISBN 978-968-36-3591-4e outros; páx. 17
  2. (Herstein 1975,p. §2, p. 27)
  3. Weisstein, Eric W. "Identity Element";extraído de MathWorld.
  4. Lang 2005,p. 22, §II.1.
  5. Lang 2005,p. 26, §II.2.
  6. Lang 2005,p. 22, §II.1 ( exemplo 11).
  7. Lang 2002,pp. 26, 29, §I.5.
  8. Lay 2003.
  9. Kuipers 1999.
  10. Lang 2005,p. 34, §II.3.
  11. Mac Lane 1998.
  12. Lang 2005,p. 19, §II.1.
  13. Lang 2005,p. 41, §II.4.
  14. Lang 2002,p. 12, §I.2.
  15. Lang 2005,p. 45, §II.4.
  16. Lang 2002,p. 9, §I.2.
  17. Magnus, Karrass & Solitar 2004,pp. 56 –67, §1.6.
  18. Awodey 2010,§4.1.
  19. Husain 1966.
  20. Neukirch 1999.
  21. Shatz 1972.
  22. Milne 1980.
  23. Warner 1983.
  24. Borel 1991.
  25. Goldstein 1980.
  1. A notación aditiva para os elementos dun ciclo cíclico grupo seríata,onde {{math} |t}} está enZ.
  2. Consulte, por exemplo,Lang 2002,Lang 2005,Herstein 1996eHerstein 1975.
  3. A palabra homomorfismo deriva dogregoὁμός—a mesma estrutura eμορφή—. VerSchwartzman 1994,p. 108.

Véxase tamén

[editar|editar a fonte]

Bibliografía

[editar|editar a fonte]

Outros artigos

[editar|editar a fonte]