Краткое содержание
Этот урок, последний в разделе о матрицах и алгебраических структурах, собирает в немногих определениях то общее, что есть у чисел, матриц, симметрий и остатков от деления. Он определяет бинарные операции и их свойства, а с их помощью группы: целые числа со сложением, ненулевые комплексные числа, корни из единицы, повороты плоскости, обратимые матрицы, шесть симметрий равностороннего треугольника и остатки от деления на . Он доказывает, не используя коммутативность, единственность нейтрального и обратного элементов, закон сокращения и правило обращения произведения; изучает подгруппы и порядок элемента и доказывает с помощью смежных классов теорему Лагранжа. Затем он определяет кольца и поля, доказывает, что остатки от деления на образуют поле в точности тогда, когда простое, и представляет изоморфизмы как точный способ сказать, что две структуры суть одна и та же. В конце дана карта двух курсов алгебры и геометрии и того, что идёт после них.
Цели обучения
- Распознавать бинарные операции и их свойства, решать, является ли множество с операцией группой, и строить таблицу конечной группы.
- Доказывать элементарные свойства групп, единственность нейтрального и обратных элементов, закон сокращения и формулу обратного к произведению, не используя коммутативность.
- Вычислять порядок элемента, находить подгруппы и применять теорему Лагранжа к конечным группам.
- Различать кольца и поля, выполнять действия с остатками от деления на , решать в них уравнения и решать, изоморфны ли две структуры.
Бинарные операции
На протяжении этого курса и курса «Алгебра и геометрия I» мы складывали и умножали натуральные, целые, рациональные, действительные и комплексные числа; составляли композиции функций, перемножали матрицы и выполняли повороты плоскости один за другим. Каждая из этих операций берёт два объекта некоторого множества и возвращает третий объект того же множества, и для всех них мы снова и снова доказывали похожие свойства. Этот урок выделяет эти свойства и изучает, что из них вытекает, какова бы ни была природа объектов.
Бинарная операция на множестве есть правило, которое каждой упорядоченной паре элементов и из ставит в соответствие единственный элемент из , записываемый как или просто . То, что результат принадлежит , выражают словами: замкнуто относительно операции.
Точка здесь не обязательно обозначает произведение чисел: это общее имя операции, которой в каждом случае будет сложение, умножение, композиция или любая другая. Когда операция является сложением, по традиции используют знак . Нас интересуют четыре свойства. Операция ассоциативна, если для всех , и из , и коммутативна, если для всех и . Элемент из называется нейтральным, если для всякого ; и, если нейтральный элемент есть, элемент называется обратным к , когда .
Ни одно из четырёх свойств не выполняется автоматически. Вычитание есть бинарная операция на , но оно не ассоциативно и не коммутативно и не имеет нейтрального элемента: число удовлетворяет равенству , но не равенству . Деление не является бинарной операцией на , потому что оно ничего не сопоставляет паре, образованной числами и . Сложение на ассоциативно и коммутативно, но не имеет нейтрального элемента, потому что в курсе I натуральные числа начинаются с . Композиция функций ассоциативна и не коммутативна, как было доказано в уроке курса I о действиях с функциями, и то же верно для произведения квадратных матриц одного порядка, изученного в уроке о матрицах и операциях над матрицами; его нейтральный элемент есть единичная матрица .
Загрузка содержимого…