В математике представление - это один из методов указания группа. Представление группы G включает набор S из генераторов - так что каждый элемент группы может быть записан как произведение мощностей некоторых из этих генераторов - и множество R отношений между этими генераторами. Тогда мы говорим, что G имеет представление
Неформально G имеет указанное выше представление, если это "самая свободная группа", порожденная S, подчиняющаяся только отношениям R. Формально группа G, как говорят, имеет приведенное выше представление, если оно изоморфно частному свободной группы на S по нормальной подгруппе, порожденной отношениями R.
В качестве простого примера, циклическая группа порядка n имеет представление
где 1 - идентификатор группы. Это может быть записано эквивалентно как
благодаря соглашению, согласно которому используются термины, не содержащие знака равенства быть равным групповой идентичности. Такие термины называются отношениями, что позволяет отличать их от отношений, которые действительно включают знак равенства.
У каждой группы есть презентация, и на самом деле много разных презентаций; презентация часто является наиболее компактным способом описания структуры группы.
Тесно связанной, но отличающейся концепцией является концепция абсолютного представления группы.
A свободная группа в наборе S - это группа, в которой каждый элемент может быть однозначно описывается как произведение конечной длины в форме:
, где s i являются элементами S, смежные s i различны, а a i - ненулевые целые числа (но n может быть равным нулю). Говоря менее формально, группа состоит из слов в образующих и их обратных, при условии исключения только генератора с соседним вхождением его обратного.
Если G - любая группа, а S - порождающее подмножество G, то каждый элемент G также имеет указанную выше форму; но в целом эти произведения не будут однозначно описывать элемент G.
Например, группа диэдра D8шестнадцатого порядка может быть сгенерирована поворотом r порядка 8; и флип второго порядка; и, конечно, любой элемент D 8 является произведением r и f.
Однако у нас есть, например, rfr = f, r = r и т. Д., Поэтому такие продукты не уникальны в D 8. Каждая такая эквивалентность продукта может быть выражена как равенство идентичности, например
Неформально мы можно рассматривать эти произведения в левой части как элементы свободной группы F =
Если мы затем позволим N быть подгруппой F, порожденной всеми сопряженными xRx R, то по определению следует, что каждый элемент N является конечным продуктом x 1r1x1... x mrmxmчленов таких конъюгатов. Отсюда следует, что каждый элемент N, рассматриваемый как продукт в D 8, также будет оцениваться как 1; и, таким образом, N является нормальной подгруппой в F. Таким образом, D 8 изоморфна факторгруппе F / N. Затем мы говорим, что D 8 имеет представление
Здесь набор генераторов S = {r, f}, и набор соотношений R = {r = 1, f = 1, (rf) = 1}. Мы часто видим сокращение R, что дает представление
В еще более короткой форме знаки равенства и идентичности отбрасываются до перечислите только набор отношений, которым является {r, f, (rf)}. Это дает представление
Все три презентации эквивалентны.
Хотя обозначение ⟨S | R⟩, используемый в этой статье для презентации, теперь является наиболее распространенным, более ранние авторы использовали разные варианты одного и того же формата. К таким обозначениям относятся следующие:
Пусть S будет набором и пусть F S будет свободной группой на S. Пусть R будет набором слов на S, поэтому R естественным образом дает подмножество . Чтобы сформировать группу с представлением , возьмите частное от наименьшей нормальной подгруппой, содержащей каждый элемент R. (Эта подгруппа называется нормальным замыканием N R в .) Группа затем определяется как факторгруппа
Элементы S называются генераторами из и элементы R называются связями . Говорят, что группа G имеет представление , если G изоморфна .
Распространенной практикой является запись отношений отношения в форме , где x и y - слова на S. Это означает, что . Это интуитивно означает, что изображения x и y должны быть равны в фактор-группе. Таким образом, например, r в списке соотносителей эквивалентно .
Для конечной группы G можно построить представление G из таблицу умножения группы, как показано ниже. Возьмем S как элементы набора из G и R как все слова формы , где это запись в таблице умножения.
В качестве альтернативы определение группового представления может быть переработано в терминах классов эквивалентности слов в алфавите . В этой перспективе мы объявляем два слова эквивалентными, если можно перейти от одного к другому с помощью последовательности ходов, где каждый ход состоит из добавления или удаления последовательной пары или для некоторого x в S, либо путем добавления или удаления последовательной копии родственника. Элементы группы - это классы эквивалентности, а групповая операция - это конкатенация.
Эта точка зрения особенно распространена в области комбинаторной теории групп.
Представление называется конечно порожденным, если S конечно, и конечно связанным, если R конечно. Если оба конечны, это называется конечным представлением . Группа является конечно порожденной (соответственно конечно связанной, конечно представленной ), если она имеет конечно порожденное представление (соответственно конечно связанное, конечное представление). Группа, которая имеет конечное представление с одним отношением, называется группой с одним соотношением .
Если S индексируется набором I, состоящим из всех натуральных чисел N или их конечное подмножество, тогда легко установить простое кодирование один к одному (или гёделевская нумерация ) f: F S→ Nиз свободной группы на S в естественную числа, такие, что мы можем найти алгоритмы, которые, учитывая f (w), вычисляют w, и наоборот. Затем мы можем назвать подмножество U F Sрекурсивным (соответственно рекурсивно перечисляемым ), если f (U) рекурсивно (соответственно рекурсивно перечислимым). Если S проиндексирован, как указано выше, а R рекурсивно перечислим, то представление является рекурсивным представлением и соответствующая группа представлена рекурсивно . Это использование может показаться странным, но можно доказать, что если у группы есть представление с рекурсивно перечислимым R, то у нее есть еще одно с рекурсивным R.
Каждая конечно представленная группа представлена рекурсивно, но есть рекурсивно представленные группы, которые не могут быть представлены конечно. Однако теорема Грэма Хигмана утверждает, что конечно порожденная группа имеет рекурсивное представление тогда и только тогда, когда она может быть вложена в конечно определенную группу. Из этого мы можем вывести, что существует (с точностью до изоморфизма) только счетно конечно порожденных рекурсивно представленных групп. Бернхард Нойман показал, что существует несчетное много неизоморфных двух образующих групп. Следовательно, существуют конечно порожденные группы, которые не могут быть представлены рекурсивно.
Одно из самых ранних представлений группы по образующим и отношениям было дано ирландским математиком Уильямом Роуэном Гамильтоном в 1856 году в его икозианском исчислении. - представление группы икосаэдра. Первое систематическое исследование было проведено Вальтером фон Дейком, учеником Феликса Кляйна в начале 1880-х годов, заложив основы комбинаторной теории групп.
В следующей таблице перечислены некоторые примеры презентаций для часто изучаемых групп. Обратите внимание, что в каждом случае возможно множество других презентаций. Перечисленная презентация не обязательно является наиболее эффективной из возможных.
Группа | Презентация | Комментарии |
---|---|---|
свободной группы на S | Свободная группа «свободна» в том смысле, что у нее нет отношений. | |
Cn, циклическая группа порядка n | ||
Dn, двугранная группа порядка 2n | Здесь r представляет вращение и отражение fa | |
D∞, бесконечная двугранная группа | ||
Dic n, дициклическая группа | группа кватернионов - это особый случай, когда n = 2 | |
Z× Z | ||
Z/mZ× Z/nZ | ||
свободная абелева группа на S | , где R - множество всех коммутаторы элемента nts из S | |
Sn, симметричная группа на n символах | генераторы: . отношения:
Последний набор отношений можно преобразовать в , используя . | Здесь σ i - это перестановка, которая меняет местами i-й элемент на i + 1. Произведение σ iσi + 1 представляет собой 3-цикл на множестве {i, i + 1, i + 2}. |
Bn, группы кос | генераторы: . отношения:
| Обратите внимание на сходство с симметричной группой; единственное отличие состоит в удалении отношения . |
T ≅ A 4, группа тетраэдра | ||
O ≅ S 4, октаэдрическая группа | ||
I ≅ A 5, группа икосаэдра | ||
Q8, группа кватернионов | в качестве альтернативы представление см. Dic n выше. | |
SL (2, Z) | топологически a и b можно представить как скручивает Ден на торе | |
GL (2, Z) | нетривиальное Z/2Z– расширение группы SL (2, Z) | |
PSL (2, Z ), модульная группа | PSL (2, Z ) является свободным произведением циклических групп Z/2Zи Z/3Z | |
группы Гейзенберга | ||
BS (m, n), Группы Баумслага – Солитера | ||
Группа Титсов | [a, b] - это коммутатор |
Примером конечно порожденной группы, которая не является конечно представленной, является сплетение группы целых чисел с собой.
Теорема. Каждая группа имеет представление.
Чтобы убедиться в этом, для данной группы G рассмотрим свободную группу F G на G. По универсальное свойство свободных групп, существует единственный гомоморфизм групп φ: F G → G, ограничение которого на G является тождественным отображением. Пусть K - ядро этого гомоморфизма. Тогда K нормально в F G, следовательно, равно своему нормальному замыканию, поэтому ⟨G | K⟩ = F G / K. Поскольку тождественное отображение сюръективно, φ также сюръективно, поэтому по теореме о первом изоморфизме G | K⟩ ≅ im (φ) = G. Это представление может быть крайне неэффективным, если и G, и K намного больше, чем необходимо.
Следствие. Каждая конечная группа имеет конечное представление.
Можно взять элементы группы в качестве генераторов и таблицу Кэли в качестве отношений.
Отрицательное решение проблемы слов для групп утверждает, что существует конечное представление ⟨S | R⟩, для которого нет алгоритма, который по двум словам u, v решает, описывают ли u и v один и тот же элемент в группе. Это было показано Петром Новиковым в 1955 году, а другое доказательство было получено Уильямом Буном в 1958 году.
Предположим, G имеет представление ⟨ S | R⟩ и H имеют представление ⟨T | Q⟩, где S и T не пересекаются. Тогда
дефект конечного представления ⟨S | R⟩ равен | S | - | R |, а дефект конечно представимой группы G, обозначенный def (G), является максимумом дефекта по всем представлениям группы G. Дефицит конечной группы неположителен.Мультипликатор Шура конечной группы G может быть сгенерирован генераторами −def (G), и G эффективен, если это число равно
Представление группы определяет геометрию в смысле геометрической теории групп : каждый имеет граф Кэли, который имеет метрику, называемую словарной метрикой. Это также два результирующих порядка, слабый порядок и порядок Брюа, и соответствующий Диаграммы Хассе. Важный пример - группы Кокстера.
Далее, некоторые свойства этой группы aph (грубая геометрия ) являются внутренними, то есть независимыми от выбора генераторов.