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Topos Uranos

Resumo

Esta aula, a última da unidade sobre matrizes e estruturas algébricas, reúne em poucas definições o que os números, as matrizes, as simetrias e os restos da divisão têm em comum. Define as operações binárias e suas propriedades e, com elas, os grupos: os inteiros com a soma, os complexos não nulos, as raízes da unidade, as rotações do plano, as matrizes invertíveis, as seis simetrias do triângulo equilátero e os restos da divisão por nn. Demonstra, sem usar a comutatividade, a unicidade do neutro e do inverso, o cancelamento e a regra do inverso de um produto; estuda os subgrupos e a ordem de um elemento, e demonstra com as classes laterais o teorema de Lagrange. Define depois os anéis e os corpos, prova que os restos da divisão por nn formam um corpo exatamente quando nn é primo, e apresenta os isomorfismos como o modo preciso de dizer que duas estruturas são a mesma. Termina com um mapa dos dois cursos de Álgebra e Geometria e do que vem depois.

Objetivos de aprendizagem

  1. Reconhecer operações binárias e suas propriedades, decidir se um conjunto com uma operação é um grupo e construir a tábua de um grupo finito.
  2. Demonstrar as propriedades elementares dos grupos, a unicidade do neutro e dos inversos, o cancelamento e o inverso de um produto, sem usar a comutatividade.
  3. Calcular a ordem de um elemento, encontrar subgrupos e aplicar o teorema de Lagrange aos grupos finitos.
  4. Distinguir anéis e corpos, operar com os restos da divisão por nn, resolver equações neles e decidir se duas estruturas são isomorfas.

Operações binárias

Ao longo deste curso e do curso Álgebra e Geometria I, somaram-se e multiplicaram-se naturais, inteiros, racionais, reais e complexos; compuseram-se funções, multiplicaram-se matrizes e efetuaram-se rotações do plano uma após a outra. Cada uma dessas operações toma dois objetos de um conjunto e devolve um terceiro do mesmo conjunto, e em todas elas se demonstraram, uma e outra vez, propriedades parecidas. Esta aula isola essas propriedades e estuda o que delas decorre, seja qual for a natureza dos objetos.

Uma operação binária em um conjunto AA é uma regra que associa a cada par ordenado de elementos aa e bb de AA um único elemento de AA, que se escreve a⋅ba \cdot b, ou simplesmente abab. Que o resultado pertença a AA se exprime dizendo que AA é fechado para a operação.

O ponto não designa aqui necessariamente um produto de números: é o nome genérico da operação, que em cada caso será a soma, o produto, a composição ou qualquer outra. Quando a operação é uma soma, usa-se, por costume, o sinal ++. As propriedades que interessam são quatro. A operação é associativa se (ab)c=a(bc)(ab)c = a(bc) para todos os aa, bb e cc de AA, e comutativa se ab=baab = ba para todos os aa e bb. Um elemento ee de AA é neutro se ea=ae=aea = ae = a para todo aa; e, se há neutro, um elemento bb é inverso de aa quando ab=ba=eab = ba = e.

(ab)c=a(bc),ab=ba,ea=ae=a,ab=ba=e(ab)c = a(bc), \qquad ab = ba, \qquad ea = ae = a, \qquad ab = ba = e

Nenhuma das quatro propriedades é automática. A subtração é uma operação binária em Z\mathbb{Z}, mas não é associativa nem comutativa, e não tem neutro: o 00 cumpre a−0=aa - 0 = a, mas não 0−a=a0 - a = a. A divisão não é uma operação binária em Q\mathbb{Q}, porque não associa nada ao par formado por 11 e 00. A soma em N\mathbb{N} é associativa e comutativa, mas não tem neutro, porque no curso I os naturais começam em 11. A composição de funções é associativa e não é comutativa, como se demonstrou na aula do curso I sobre as operações com funções, e o mesmo ocorre com o produto de matrizes quadradas de uma mesma ordem, estudado na aula sobre matrizes e operações com matrizes, cujo neutro é a matriz identidade II.

(5−3)−2=0≠4=5−(3−2)(5 - 3) - 2 = 0 \neq 4 = 5 - (3 - 2)