Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В алгебре , А гомоморфизм является структура , сохраняющих отображение между двумя алгебраических структур одного и того же типа (например , в виде двух групп , два кольца , или двух векторных пространств ). Слово гомоморфизм происходит из древнегреческого языка : ὁμός ( гомос ) означает «такой же» и μορφή ( морфе ) означает «форма» или «форма». Однако это слово, по-видимому, было введено в математику из-за (неправильного) перевода немецкого ähnlich, означающего «похожий» на " μός, означающего «такой же».[1] Термин «гомоморфизм» появился еще в 1892 году, когда его приписали немецкому математику Феликсу Клейну (1849–1925). [2]

Гомоморфизмы векторных пространств также называются линейными отображениями , и их изучение является объектом линейной алгебры .

Понятие гомоморфизма было обобщено под названием морфизма на многие другие структуры, которые либо не имеют базового набора, либо не являются алгебраическими. Это обобщение является отправной точкой теории категорий .

Гомоморфизм также может быть изоморфизмом , эндоморфизмом , автоморфизмом и т. Д. (См. Ниже). Каждый из них может быть определен способом, который может быть обобщен на любой класс морфизмов.

Определение [ править ]

Гомоморфизм - это отображение между двумя алгебраическими структурами одного типа (то есть с одним и тем же именем), которое сохраняет операции структур. Это означает карту между двумя наборами , снабженную одинаковой структурой, так что если это операция структуры (здесь для упрощения предполагается, что это двоичная операция ), то

для каждой пары , элементов . [примечание 1] Часто говорят, что сохраняет операцию или совместимо с операцией.

Формально, карта сохраняет операцию по валентности к , определенную на обоих и если

для всех элементов в .

Операции, которые должны быть сохранены гомоморфизмом, включают 0-арные операции , то есть константы. В частности, когда элемент идентичности требуется типом структуры, элемент идентичности первой структуры должен быть отображен в соответствующий элемент идентичности второй структуры.

Например:

  • A полугруппового гомоморфизм является отображением между полугруппами , сохраняющей операцией полугрупповой.
  • Моноид гомоморфизм является отображением между моноидами , что сохраняет операцию моноидной и отображает единичный элемент первого моноида к количеству второго моноида (единичный элемент является 0-арной операции ).
  • Гомоморфизм групп есть отображение между группами , сохраняющим групповой операцией. Это означает, что групповой гомоморфизм отображает единичный элемент первой группы в единичный элемент второй группы и отображает инверсию элемента первой группы в инверсию образа этого элемента. Таким образом, гомоморфизм полугрупп между группами обязательно является гомоморфизмом групп.
  • Кольцевой гомоморфизм является отображение между кольцами , сохраняющий кольцо сложение, умножение кольца и мультипликативный идентичности . Будет ли сохранена мультипликативная идентичность, зависит от определения используемого кольца . Если мультипликативное тождество не сохраняется, возникает rng- гомоморфизм.
  • Линейное отображение является гомоморфизмом векторного пространства , что является гомоморфизмом между векторными пространствами , который сохраняет структуру абелевой группы и скалярное умножение .
  • Модульный гомоморфизм , также называется линейное отображение между модулями , определяется аналогично.
  • Гомоморфизм алгебры является отображение, сохраняющее алгебраические операции.

Алгебраическая структура может иметь более одной операции, и для сохранения каждой операции требуется гомоморфизм. Таким образом, отображение, сохраняющее только некоторые операции, не является гомоморфизмом структуры, а только гомоморфизмом подструктуры, полученной рассмотрением только сохраненных операций. Например, отображение между моноидами, которое сохраняет операцию моноида, а не единичный элемент, не является гомоморфизмом моноида, а только гомоморфизмом полугруппы.

Обозначения для операций не обязательно должны быть одинаковыми в источнике и цели гомоморфизма. Например, действительные числа образуют группу для сложения, а положительные действительные числа образуют группу для умножения. Экспоненциальная функция

удовлетворяет

и, таким образом, является гомоморфизмом между этими двумя группами. Это даже изоморфизм (см. Ниже), поскольку его обратная функция , натуральный логарифм , удовлетворяет

и также является гомоморфизмом групп.

Примеры [ править ]

Monoid гомоморфизм из моноида ( N , +, 0) к моноиду ( Н , х, 1) , определяются . Это инъективно , но не сюръективно .

В действительных числах являются кольцом , имеющим как сложения и умножения. Множество всех 2 × 2 матриц также кольцо, в соответствии с матрицей дополнения и умножением матриц . Если мы определим функцию между этими кольцами следующим образом:

где r - действительное число, то f - гомоморфизм колец, поскольку f сохраняет оба сложения:

и умножение:

Другой пример: ненулевые комплексные числа образуют группу при операции умножения, как и ненулевые действительные числа. (Ноль должен быть исключен из обеих групп, так как он не имеет мультипликативного обратного , что требуется для элементов группы.) Определите функцию от ненулевых комплексных чисел до ненулевых действительных чисел следующим образом:

То есть это абсолютное значение (или модуль) комплексного числа . Тогда является гомоморфизмом групп, так как он сохраняет умножение:

Обратите внимание, что f не может быть расширен до гомоморфизма колец (от комплексных чисел до действительных чисел), поскольку он не сохраняет сложение:

В качестве другого примера на диаграмме показан гомоморфизм моноида от моноида к моноиду . Из-за разных названий соответствующих операций, свойствам сохранения структуры удовлетворяют суммы до и .

Композиционная алгебра над полем имеет квадратичную форму , называемую нормой , , которая представляет собой групповой гомоморфизм из мультипликативной группы из мультипликативной группы .

Специальные гомоморфизмы [ править ]

Некоторые виды гомоморфизмов имеют определенное имя, которое также определено для общих морфизмов .

Изоморфизм [ править ]

Изоморфизм между алгебраических структур одного и того же типа обычно определяется как биективном гомоморфизм. [3] : 134 [4] : 28

В более общем контексте теории категорий изоморфизм определяется как морфизм , имеющий обратный, который также является морфизмом. В конкретном случае алгебраических структур эти два определения эквивалентны, хотя они могут различаться для неалгебраических структур, которые имеют базовый набор.

Точнее, если

является (гомо) морфизмом, он имеет обратный, если существует гомоморфизм

такой, что

Если и имеют базовые множества, и имеет обратный , то биективен. На самом деле, это инъективны как предполагает и является сюръективны , а для любого в , один есть , и есть образ элемента .

И наоборот, если это биективен гомоморфизм между алгебраических структур, пусть отображение , таким образом, что это единственный элемент из таких , что . Имеется и остается только показать, что g - гомоморфизм. Если это бинарная операция структуры, для каждой пары , из элементов , один имеет

и , таким образом, совместим с. Поскольку доказательство аналогично для любой арности , это показывает, что это гомоморфизм.

Это доказательство не работает для неалгебраических структур. Например, для топологических пространств морфизм - это непрерывное отображение , а обратное к биективному непрерывному отображению не обязательно непрерывно. Изоморфизм топологических пространств, называемый гомеоморфизмом или бинепрерывным отображением , таким образом, является биективным непрерывным отображением, обратное к которому также непрерывно.

Эндоморфизм [ править ]

Эндоморфизм гомоморфизм которого домен равна кообласть , или, более общо, морфизм источник которого равен цели. [3] : 135

Эндоморфизмы алгебраической структуры или объекта категории образуют моноид при композиции.

Эндоморфизмы векторного пространства или модуля образуют кольцо . В случае векторного пространства или свободного модуля конечной размерности выбор базиса индуцирует кольцевой изоморфизм между кольцом эндоморфизмов и кольцом квадратных матриц той же размерности.

Автоморфизм [ править ]

Автоморфизм является эндоморфизме также является изоморфизмом. [3] : 135

Автоморфизмы алгебраической структуры или объекта категории образуют группу по композиции, которая называется группой автоморфизмов структуры.

Многие группы, получившие название, являются группами автоморфизмов некоторой алгебраической структуры. Например, общая линейная группа - это группа автоморфизмов векторного пространства размерности над полем .

Группы автоморфизмов полей были введены Эварист Галуа для изучения корней из многочленов , и являются основой теории Галуа .

Мономорфизм [ править ]

Для алгебраических структур мономорфизмы обычно определяются как инъективные гомоморфизмы. [3] : 134 [4] : 29

В более общем контексте теории категорий мономорфизм определяется как морфизм, который можно сократить слева . [5] Это означает , что (гомо) морфизм является мономорфизмом , если для любой пары , морфизмов из любого другого объекта к , а затем вытекает .

Эти два определения мономорфизма эквивалентны для всех обычных алгебраических структур. Точнее, они эквивалентны для полей , для которых каждый гомоморфизм является мономорфизмом, а для сортов с универсальной алгеброй , то есть алгебраические структуры , для которых операция и аксиомы (тождества) определены без каких - либо ограничений (поля не является многообразие, так как мультипликативная обратная операция определяется либо как унарная операция, либо как свойство умножения, которые в обоих случаях определены только для ненулевых элементов).

В частности, два определения мономорфизма эквивалентны для множеств , магм , полугрупп , моноидов , групп , колец , полей , векторных пространств и модулей .

Раскол -мономорфизм гомоморфизм , который имеет левый обратный и , таким образом , он сам по себе является правым обратным этого другого гомоморфизма. То есть гомоморфизм является расщепляемым гомоморфизмом, если существует такой гомоморфизм , что расщепляемый мономорфизм всегда является мономорфизмом для обоих значений мономорфизма . Для множеств и векторных пространств каждый мономорфизм является расщепляемым гомоморфизмом, но это свойство не выполняется для большинства общих алгебраических структур.

Эпиморфизм [ править ]

В алгебре , эпиморфизмы часто определяются как сюръективные гомоморфизмы. [3] : 134 [4] : 43 С другой стороны, в теории категорий , эпиморфизмами определяются как правые аннулированы морфизмов . [5] Это означает , что (гомо) морфизм является эпиморфизмом , если для любой пары , морфизмов из к любому другому объекту , равенство вытекает .

Сюръективный гомоморфизм всегда сокращается справа, но обратное не всегда верно для алгебраических структур. Однако два определения эпиморфизма эквивалентны для множеств , векторных пространств , абелевых групп , модулей (см. Ниже для доказательства) и групп . [6] Важность этих структур во всей математике, особенно в линейной алгебре и гомологической алгебре , может объяснить сосуществование двух неэквивалентных определений.

Алгебраические структуры, для которых существуют несюръективные эпиморфизмы, включают полугруппы и кольца . Самый простой пример - это включение целых чисел в рациональные числа , которое является гомоморфизмом колец и мультипликативных полугрупп. Для обеих структур это мономорфизм и несюръективный эпиморфизм, но не изоморфизм. [5] [7]

Широкое обобщение этого примера - локализация кольца мультипликативным множеством. Каждая локализация - это кольцевой эпиморфизм, который, вообще говоря, не сюръективен. Поскольку локализации являются фундаментальными в коммутативной алгебре и алгебраической геометрии , это может объяснить, почему в этих областях определение эпиморфизмов как сокращаемых справа гомоморфизмов обычно предпочтительнее.

Расщепляющий эпиморфизм является гомоморфизмом, имеет правую обратные и , таким образом , он сам по себе является левым обратным этим другим гомоморфизмом. То есть гомоморфизм является расщепленным эпиморфизмом, если существует такой гомоморфизм , что расщепленный эпиморфизм всегда является эпиморфизмом для обоих значений эпиморфизма . Для множеств и векторных пространств каждый эпиморфизм является расщепляемым эпиморфизмом, но это свойство не выполняется для большинства общих алгебраических структур.

Таким образом, есть

последняя импликация - эквивалентность множеств, векторных пространств, модулей и абелевых групп; первая импликация - это эквивалентность множеств и векторных пространств.

Ядро [ править ]

Любой гомоморфизм определяет отношение эквивалентности на по тогда и только тогда, когда . Отношение называется ядро из . Это отношение конгруэнтности на . Множество фактора , то можно придать структуру того же типа , как , естественным образом, путем определения операций множества фактора по , для каждой операции с . В этом случае изображение в соответствии с гомоморфизмом обязательно изоморфно с ; этот факт является одной из теорем об изоморфизме .

Когда алгебраическая структура является группой для некоторой операции, класс эквивалентности из единичного элемента этой операции достаточно , чтобы охарактеризовать отношение эквивалентности. В этом случае фактор по отношению эквивалентности обозначается (обычно читается как « mod »). Кроме того, в этом случае, это , а не , что называется ядро из . Ядра гомоморфизмов данного типа алгебраической структуры естественным образом снабжены некоторой структурой. Этот структурный тип ядер совпадает с рассмотренной структурой в случае абелевых групп , векторных пространств и модулей. , но отличается и получил конкретное название в других случаях, например, нормальная подгруппа для ядер гомоморфизмов групп и идеалы для ядер гомоморфизмов колец (в случае некоммутативных колец ядра являются двусторонними идеалами ).

Реляционные структуры [ править ]

В теории моделей понятие алгебраической структуры обобщается на структуры, включающие как операции, так и отношения. Пусть L - сигнатура, состоящая из символов функций и отношений, а A , B - две L -структуры. Тогда гомоморфизм из A в B - это отображение h из области A в область B такое, что

  • h ( F A ( a 1 ,…, a n )) = F B ( h ( a 1 ),…, h ( a n )) для каждого n -арного функционального символа F в L ,
  • R ( 1 , ..., п ) означает R B ( час ( 1 ), ..., ч ( п )) для каждого п -ичный символа отношения R в L .

В частном случае всего с одним бинарным отношением мы получаем понятие гомоморфизма графов . Для подробного обсуждения реляционных гомоморфизмов и изоморфизмов см. [8]

Теория формального языка [ править ]

Гомоморфизмы также используются при изучении формальных языков [9] и часто кратко называются морфизмами. [10] Для заданных алфавитов Σ 1 и Σ 2 функция h  : Σ 1 → Σ 2 такая, что h ( uv ) = h ( u ) h ( v ) для всех u и v в Σ 1 , называется гомоморфизмом на Σ 1 . [примечание 2] Еслиh является гомоморфизмом на Σ 1 ∗, а ε обозначает пустую строку, тогда h называется ε-свободным гомоморфизмом, когда h ( x ) ≠ ε для всех xε в Σ 1 .

Множество слов Σ ∗, образованное из алфавита Σ, можно рассматривать как свободный моноид, порожденный Σ. Здесь моноидная операция - это конкатенация, а элементом идентичности является пустое слово. С этой точки зрения гомоморфизм языка - это в точности гомоморфизм моноида. [заметка 3]

См. Также [ править ]

  • Непрерывная функция
  • Диффеоморфизм
  • Гомоморфное шифрование
  • Гомоморфное разделение секретов - упрощенный децентрализованный протокол голосования
  • Морфизм

Примечания [ править ]

  1. ^ Как это часто бывает, но не всегда, здесь использовался один и тот же символ для работы обоихи.
  2. ^ Символ * обозначаетоперацию звезды Клини , а Σ обозначает набор слов, образованных из алфавита Σ, включая пустое слово. Сопоставление терминов обозначает конкатенацию . Например, h ( u ) h ( v ) обозначает конкатенацию h ( u ) с h ( v ).
  3. ^ Мы уверены, что гомоморфизм языка h отображает пустое слово ε в пустое слово. Поскольку h ( ε ) = h ( εε ) = h ( ε ) h ( ε ), количество w символов в h ( ε ) равно количеству 2 w символов в h ( ε ) h ( ε ). Следовательно, w = 0 и h ( ε ) имеет нулевую длину.

Цитаты [ править ]

  1. ^ Фрике, Роберт (1897–1912). Vorlesungen über die Theorie der automorphen Functionen . Б. Г. Тойбнер. OCLC  29857037 .
  2. ^ См .:
    • Риттер, Эрнст (1892). «Die eindeutigen automorphen Formen vom Geschlecht Null, eine Revision und Erweiterung der Poincaré'schen Sätze» [Уникальные автоморфные формы нулевого рода, пересмотр и расширение теоремы Пуанкаре]. Mathematische Annalen (на немецком языке). 41 : 1–82. DOI : 10.1007 / BF01443449 . S2CID  121524108 . Из сноски на стр. 22 : «Ich will nach einem Vorschlage von Hrn. Prof. Klein statt der umständlichen und nicht immer ausreichenden Bezeichnungen:» holoedrisch, bezw. hemiedrisch usw isomorph "die Benennung" isomorph "auf den Fall des holoedrischen Isomorphismus zweier Gruppen einschränken, sonst aber von" Homomorphism "sprechen,…" (По предложению профессора Кляйна вместо громоздких и не всегда удовлетворительных обозначений " или полуэдрический и т. д., изоморфный », я ограничу обозначение« изоморфный »случаем голоэдрического изоморфизма двух групп; в противном случае, однако, [я] буду говорить о« гомоморфизме », ...)
    • Фрике, Роберт (1892). "Ueber den arithmetischen Charakter der zu den Verzweigungen (2,3,7) und (2,4,7) gehörenden Dreiecksfunctionen" [Об арифметическом характере функций треугольника, принадлежащих точкам ветвления (2,3,7) и ( 2,4,7)]. Mathematische Annalen (на немецком языке). 41 : 443–468. DOI : 10.1007 / BF01443421 . S2CID  120022176 . С п. 466: "Hierdurch ist, wie man sofort überblickt, eine homomorphe *) Beziehung der Gruppe Γ (63) auf die Gruppe der mod. N incongruenten Substitutionen mit rationalen ganzen Coefficienten der Determinante 1 beginründet." (Таким образом, как сразу видно, гомоморфное отношение группы Γ (63) основано на группе инконгруэнтных подстановок по модулю n с целыми рациональными коэффициентами определителя 1.) Из сноски на стр. 466: "*) Im Anschluss an einen von Hrn. Klein bei seinen neueren Vorlesungen eingeführten Brauch schreibe ich an Stelle der bisherigen Bezeichnung" meroedrischer Isomorphismus "die sinngemässere" Гомоморфизм ". (Следуя использованию, которое было введено г-ном Кляйном во время его недавних лекций, я пишу вместо прежнего обозначения «мероэдрический изоморфизм» более логичный «гомоморфизм».)
  3. ^ a b c d e Биркгоф, Гаррет (1967) [1940], теория решеток, Публикации коллоквиума Американского математического общества, 25 (3-е изд.), Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество , ISBN 978-0-8218-1025-5, Руководство по ремонту  0598630
  4. ^ a b c Стэнли Н. Беррис; HP Sankappanavar (2012). Курс универсальной алгебры (PDF) . ISBN  978-0-9880552-0-9.
  5. ^ a b c Mac Lane, Сондерс (1971). Категории для рабочего математика . Тексты для выпускников по математике . 5 . Springer-Verlag . Упражнение 4 из раздела I.5. ISBN 0-387-90036-5. Zbl  0232.18001 .
  6. ^ Linderholm, CE (1970). Групповой эпиморфизм сюръективен. The American Mathematical Monthly , 77 (2), 176-177.
  7. ^ Дэскэлеску, Сорин; Нэстэсеску, Константин; Райану, Щербан (2001). Алгебра Хопфа: Введение . Чистая и прикладная математика. 235 . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Марсель Деккер. п. 363. ISBN. 0824704819. Zbl  0962.16026 .
  8. ^ Раздел 17.4, в Gunther Schmidt , 2010. Relational Mathematics . Издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-76268-7 
  9. ^ Сеймур Гинзбург , Алгебраические и теоретико-автоматные свойства формальных языков , Северная Голландия, 1975, ISBN 0-7204-2506-9 , 
  10. ^ Т. Харью, Дж. Кархумёки, Морфизмы в Справочнике формальных языков , Том I, под редакцией Г. Розенберга, А. Саломаа, Springer, 1997, ISBN 3-540-61486-9 . 

Ссылки [ править ]

  • Стэнли Н. Беррис; HP Sankappanavar (2012). Курс универсальной алгебры (PDF) . ISBN 978-0-9880552-0-9.
  • Mac Lane, Saunders (1971), Категории для работающих математиков , Тексты для выпускников по математике , 5 , Springer-Verlag , ISBN 0-387-90036-5, Zbl  0232,18001
  • Fraleigh, John B .; Кац, Виктор Дж. (2003), Первый курс абстрактной алгебры , Аддисон-Уэсли, ISBN 978-1-292-02496-7