Algebraische structuren

Een algebraische structuur is een verzameling voorzien van een aantal operaties (bewerkingen) waarbij het resultaat van een bewerking weer in die verzameling ligt.

Lichaam

De reele getallen vormen een lichaam, dat is een structuur met 0, 1, +, –, *, / waarbij je kunt optellen en aftrekken en vermenigvuldigen en delen (maar niet door 0) met neutrale elementen 0 voor de optelling en 1 voor de vermenigvuldiging, waarbij de gebruikelijke regels gelden.

Je hebt ook het lichaam van de rationale getallen (breuken) en van de complexe getallen (a+bi met a en b reele getallen, en i2 = –1). De 7 restklassen van de gehele getallen modulo 7 vormen een eindig lichaam (met bijvoorbeeld 1/4 = 2).

Scheef lichaam

Tot de "gebruikelijke regels" hierboven hoorde de regel ab = ba die zegt dat de vermenigvuldiging commutatief is. Een structuur met 0, 1, +, –, *, / en de gebruikelijke regels behalve dat er geen commutativiteit van de vermenigvuldiging geeist wordt, heet een scheef lichaam of ook wel delingsring.

Het bekendste voorbeeld van een scheef lichaam dat geen lichaam is wordt gevormd door de quaternionen. De quaternionen zijn elementen a+bi+cj+dk met a, b, c, d reele getallen, en met de voor-de-hand liggende operaties, waarbij gegeven is dat i2 = j2 = k2 = –1, en ij=k, jk=i, ki=j, en ji=–k, kj=–i, ik=–j.

Ring

De gehele getallen vormen een ring, dat is een structuur met 0, 1, +, –, * waarbij je kunt optellen en aftrekken en vermenigvuldigen, met neutrale elementen 0 voor de optelling en 1 voor de vermenigvuldiging, waarbij de gebruikelijke regels gelden.

Ook bijvoorbeeld veeltermen vormen een ring. En matrices.

Groep

De machten van 2 (..., 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8, 16, ...) vormen een groep, dat is een structuur met 1, *, –1 waarbij je kunt vermenigvuldigen en inverse nemen.

Ook bijvoorbeeld de permutaties van een verzameling vormen een groep.

De axioma's voor een groep zijn: (ab)c = a(bc) en aa–1 = a–1a = 1 en 1a = a1 = a voor alle a, b, c in de groep, waarbij in producten de * is weggelaten. De eerste regel heet de associatieve wet.

De groep heet abels of commutatief als bovendien ab = ba voor alle a, b. Bijvoorbeeld is de groep van machten van 2 abels, maar de groep van permutaties niet. Probeer op de verzameling {1,2,3}: eerste (1,2) uitvoeren en dan (1,3) levert (1,2)(1,3) = (1,2,3), maar andersom (1,3)(1,2) = (1,3,2).

De reden dat hier –1 en niet / gebruikt wordt is dat bij een niet-abelse groep het minder duidelijk is waar a/b voor staat omdat de elementen ab–1 en b–1a in het algemeen verschillend zijn. (Soms zie je wel a/b en b\a gebruikt worden.)

Die "gebruikelijke regels" bij een lichaam zeggen dat een lichaam F een abelse groep is met operaties 0, +, – (waarbij die – de eentallige – is, de operatie die a naar –a stuurt) en F\{0} een abelse groep met operaties 1, *, –1 (waarbij die –1 de eentallige operatie is die a naar 1/a stuurt). De tweetallige operaties – en / worden dan gedefinieerd door ab = a+(–b) en a/b = ab–1. Tenslotte wordt voor een lichaam nog de distributieve wet a(b+c) = ab+ac geeist.

Monoïde

De gehele machten van 2 (1, 2, 4, 8, 16, ...) vormen een monoïde, dat is een structuur met 1 en *, waarbij de * aan de associatieve wet voldoet, en 1a = a1 = a voor alle a.

Die "gebruikelijke regels" bij een ring zeggen dat een ring R een abelse groep is met operaties 0, +, – (met eentallige –) en R\{0} een monoïde met operaties 1, * waarbij de distributieve wet geldt. De ring heet commutatief als de vermenigvuldiging commutatief is.

Halfgroep

De machten van 2 met positieve exponent (2, 4, 8, 16, ...) vormen een halfgroep, dat is een structuur met * waarbij * aan de associatieve wet voldoet.

Magma

De gehele getallen met aftrekking vormen een magma, dat is een verzameling met tweetallige operatie, zonder verdere eisen.

Dit voorbeeld is niet associatief (want 7–(5–3) ≠ (7–5)–3) en heeft geen tweezijdig neutraal element. Wel een eenzijdig (rechts) neutraal element: a–0 = a voor alle a.

Quasigroep

Een quasigroep is een magma met de eigenschap dat links- en rechts delen mogelijk is: voor alle a en b hebben de vergelijkingen ax = b en xa = b een unieke oplossing x. De vermenigvuldigtabel van een quasigroep is een Latijs vierkant (elk symbool komt in elke rij en in elke kolom precies 1 keer voor).

In het Engels is een loop ("lus") een quasigroep met tweezijdig neutraal element.

Oefening

Ga na dat als een magma een linksneutraal element e heeft (e*x = x voor alle x) en een rechtsneutraal element f (x*f = x voor alle x) dan is e = f. Er volgt dat tweezijdig neutrale elementen (als ze bestaan) uniek zijn. Construeer een halfgroep met twee verschillende linksneutrale elementen.

Talligheid

Een operatie (bewerking) heeft een talligheid. Tweetallige (binaire) operaties hebben twee parameters. Meestal wordt het operatiesymbool ertussen (infix) geschreven: a+b. Eentallige operaties hebben één parameter. Meestal wordt het operatiesymbool ervoor (prefix) geschreven: –a. Nultallige operaties hebben nul parameters en leveren een constante: 0, 1. Drie- of meertallige operaties komen minder vaak voor.

Deelstructuren

Een deelstructuur van een structuur is een deelverzameling die gesloten is onder de operaties.

Zo vormen de gehele machten van 4 een ondergroep van groep van machten van 2.

Let op, dit is subtiel: bij deze definitie blijkt dat het verschil uitmaakt welke operaties in je structuurdefinitie zitten. Kijk naar de verzameling {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}. Dit wordt een monoïde met de nultallige operatie 9 en de tweetallige operatie "min" die het minimum van twee getallen neemt. (Want: min(x,9) = min(9,x) = x als x ∈ {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, dus 9 is een tweezijdig neutraal element.) Elke deelverzameling van {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9} is gesloten onder min, maar alleen de deelverzamelingen die 9 bevatten zijn ook gesloten onder "neem 9". Dus {0,1,2,3,4,5} met als operaties "neem 5" en min is een monoïde, maar niet een deelmonoïde van {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9} met "neem 9" en min. Wel is {0,1,2,3,4,5} met min een deelhalfgroep van {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9} met min. Dus het begrip "monoïde" gedraagt zich anders dan het begrip "halfgroep die een tweezijdig neutraal element heeft" als het gaat om het vinden van deelstructuren.

Op precies dezelfde manier, omdat we bij ringen 1 als operatie namen, moet een deelring dezelfde 1 hebben als de omvattende ring. (In de literatuur wordt vaak ook de 1 als operatie weggelaten, en dan heet ons begrip ring "ring met 1".)

Doorsneden

De doorsnede van een aantal deelstructuren is weer een deelstructuur.

Bijvoorbeeld vormen alle 3-vouden en alle 5-vouden twee ondergroepen van de optelgroep van de gehele getallen. De doorsnede is de ondergroep van alle 15-vouden.

Kijk naar de vermenigvuldiggroep M van niet-singuliere matrices van zekere orde met elementen in een of ander lichaam F. De bovendriehoeksmatrices in M en de onderdriehoeksmatrices in M vormen twee ondergroepen van M. Hun doorsnede is de ondergroep van alle niet-singuliere diagonaalmatrices.

Voortbrengen

Als S een structuur is, en A een willekeurige verzameling van elementen van S, dan is de doorsnede van alle deelstructuren van S die A bevatten een deelstructuur van S, de kleinste deelstructuur die A bevat. Dit noemt men de deelstructuur voortgebracht door A, vaak ⟨A⟩ geschreven.

Bijvoorbeeld is het deellichaam van het lichaam ℝ van de reele getallen voortgebracht door de lege verzameling het lichaam ℚ van de rationale getallen. En het deellichaam van ℝ voortgebracht door {√2} is {a+b√2 | a, b ∈ ℚ}.

Isomorfie

Twee structuren (van hetzelfde type) heten isomorf wanneer er een afbeelding van de een naar de ander is, 1-1 en op, die de operaties bewaart. Die afbeelding heet een isomorfisme.

Bijvoorbeeld is de optelgroep van de gehele getallen isomorf met de groep van machten van 2, met als afbeelding m ↦ 2m. (We moeten controleren dat de drie operaties van een groep bewaard blijven. Dat is de controle dat 20 = 1 en 2m+n = 2m.2n en 2–m = 1/2m.)

En de optelgroep van de gehele getallen is isomorf met de optelgroep van de even getallen, met als afbeelding m2m.

Homomorfisme

Een homomorfisme van een structuur naar een andere is een afbeelding die de operaties bewaart. (Als het homomorfisme f heet dan is de eis voor een tweetallige operatie * dat f(a*b) = f(a)*f(b), en voor een eentallige operatie # dat f(#a) = #f(a), en voor een nultallige operatie 1 dat f(1) = 1.)

Als S een structuur is, en T een deelstructuur (en deze symbolen zowel voor de structuur als voor de onderliggende verzameling gebruikt worden) dan is de afbeelding xx van T in S een homomorfisme.

Bijvoorbeeld is "det", de determinant, een homomorfisme van de vermenigvuldigmonoïde van matrices van gegeven grootte met elementen in een lichaam F naar de vermenigvuldigmonoïde van F. (Want: det I = 1 en det AB = det A . det B.)

Ook is "det" een homomorfisme van de vermenigvuldiggroep van niet-singuliere matrices van gegeven grootte met elementen in een lichaam F naar de vermenigvuldiggroep van F. (Want: det I = 1 en det AB = det A . det B en det A–1 = 1/det A.)

En "tr", het spoor (Engels "trace"), is een homomorfisme van de optelgroep van matrices van gegeven grootte met elementen in een lichaam F naar de optelgroep van F. (Want: tr O = 0 en tr (A+B) = tr A + tr B en tr (–A) = – tr A.)

Beeld en invers beeld

Het beeld van een homomorfisme van S naar T is een deelstructuur van T.

Als f : S → T een homomorfisme is, en U is een deelstructuur van T, dan is f–1(U) een deelstructuur van S.

Bijvoorbeeld, als f : G → H een homomorfisme van groepen is, en 1 is het eenheidselement van H, dan is f–1(1) een ondergroep van G.

Cartesisch product

Als S en T twee structuren van hetzelfde type zijn, dan kunnen we een structuur S × T van hetzelfde type maken door alle operaties coordinaatsgewijs te laten werken.

Als bijvoorbeeld G en H groepen zijn, dan is G × H een groep, met identiteit (1,1), vermenigvuldiging (g,h)(g',h') = (gg',hh'), en inverse (g,h)–1 = (g–1,h–1).