Legi de compoziție. Structuri algebrice – teorie, formule și exemple rezolvate
Bacalaureat – Subiectul II · Algebră, clasa a XII-a. Legi de compoziție și proprietățile lor, forma canonică, monoid, grup, inel, corp, subgrup, morfisme și izomorfisme, clase de resturi \(\mathbb{Z}_n\), cu exemple rezolvate.
12.1Legi de compoziție și proprietățile lor
Definiție
O lege de compoziție (operație algebrică) pe mulțimea \(M\) este o funcție „\(*\)”\(:M\times M\to M\), \((x,y)\mapsto x*y\).
Fie „\(*\)” o lege pe \(M\) și \(H\subseteq M\).
| Proprietate | Condiție |
|---|---|
| Parte stabilă | \(\forall x,y\in H\ \Rightarrow\ x*y\in H\) |
| Asociativitate | \((x*y)*z=x*(y*z),\ \forall x,y,z\in M\) |
| Comutativitate | \(x*y=y*x,\ \forall x,y\in M\) |
| Element neutru | \(\exists\, e\in M\) astfel încât \(x*e=e*x=x,\ \forall x\in M\) |
| Element simetrizabil | \(x\) este simetrizabil dacă \(\exists\, x^{\prime}\in M\) cu \(x*x^{\prime}=x^{\prime}*x=e\) |
Elementul neutru, dacă există, este unic; la fel și simetricul unui element (când legea e asociativă).
Metodă de lucru
Pentru legi de forma \(x*y=xy+ax+ay+b\) este util să se caute forma canonică: \(x*y=(x+a)(y+a)+b-a^2\). Dacă \(b=a^2+a\), legea devine \(x*y=(x+a)(y+a)-a\), ceea ce simplifică enorm calculul lui \(e\), al simetricelor și al puterilor.
Exemplul 12.1
Rezolvare
Exemplul 12.2
Rezolvare
\(x*e=x\ \Leftrightarrow\ (x-2)(e-2)+2=x\ \Leftrightarrow\ (x-2)(e-2)=x-2\ \Rightarrow\ e-2=1\ \Rightarrow\ e=3\).
12.2Structuri algebrice
Monoid
\((M,*)\) este monoid dacă: (1) \(*\) este lege de compoziție pe \(M\) (parte stabilă); (2) \(*\) este asociativă; (3) există element neutru. Dacă în plus \(*\) este comutativă, monoidul este comutativ (abelian).
Grup
\((G,*)\) este grup dacă: (1) \(*\) este lege de compoziție pe \(G\); (2) \(*\) este asociativă; (3) există element neutru \(e\); (4) orice element este simetrizabil. Dacă în plus \(*\) este comutativă, grupul este abelian.
Inel și corp
\((A,+,\cdot)\) este inel dacă: (1) \((A,+)\) este grup abelian; (2) \((A,\cdot)\) este monoid; (3) înmulțirea este distributivă față de adunare.
\((K,+,\cdot)\) este corp dacă: (1) \((K,+)\) este grup abelian; (2) \((K\setminus\{0\},\cdot)\) este grup; (3) distributivitate. Dacă înmulțirea este comutativă, inelul (corpul) este comutativ.
Exemple clasice: \((\mathbb{Z},+)\), \((\mathbb{Q},+)\), \((\mathbb{R},+)\), \((\mathbb{C},+)\) sunt grupuri abeliene; \((\mathbb{Q}^*,\cdot)\), \((\mathbb{R}^*,\cdot)\) sunt grupuri abeliene; \((\mathbb{Z},+,\cdot)\) este inel comutativ; \((\mathbb{Q},+,\cdot)\), \((\mathbb{R},+,\cdot)\), \((\mathbb{C},+,\cdot)\) sunt corpuri comutative; \((\mathbb{Z}_n,+,\cdot)\) este corp \(\Leftrightarrow\) \(n\) este număr prim.
Subgrup
\(H\subseteq G\), \(H\ne\emptyset\), este subgrup al lui \((G,*)\) dacă:
\(\forall x,y\in H\ \Rightarrow\ x*y^{\prime}\in H\)(echivalent: \(H\) parte stabilă și \(\forall x\in H\ \Rightarrow\ x^{\prime}\in H\)).
12.3Morfisme și izomorfisme
Definiții
Fie \((G,*)\) și \((G^{\prime},\circ)\) două grupuri. \(f:G\to G^{\prime}\) este morfism de grupuri dacă \[f(x*y)=f(x)\circ f(y),\qquad \forall x,y\in G.\]
Dacă \(f\) este în plus bijectivă, \(f\) este izomorfism și scriem \(G\cong G^{\prime}\).
Pentru inele \((A,+,\cdot)\) și \((A^{\prime},\oplus,\odot)\), \(f:A\to A^{\prime}\) este morfism de inele dacă
\(f(x+y)=f(x)\oplus f(y)\),\(f(x\cdot y)=f(x)\odot f(y)\),\(f(1_A)=1_{A^{\prime}}\).
Proprietăți ale morfismelor de grupuri:
\(f(e_G)=e_{G^{\prime}}\),\(f(x^{\prime})=\big(f(x)\big)^{\prime}\),\(f(x^n)=\big(f(x)\big)^n\)
Exemplul 12.3
Rezolvare
Exemplul 12.4
Rezolvare
12.4Clase de resturi \(\mathbb{Z}_n\)
\(\mathbb{Z}_n=\{\hat{0},\hat{1},\dots,\widehat{n-1}\}\), cu operațiile \(\hat{a}+\hat{b}=\widehat{a+b}\) și \(\hat{a}\cdot\hat{b}=\widehat{a\cdot b}\) (resturi modulo \(n\)).
- \((\mathbb{Z}_n,+)\) este grup abelian, cu \(n\) elemente;
- \(\hat{a}\) este inversabil în \((\mathbb{Z}_n,\cdot)\) \(\Leftrightarrow\) \((a,n)=1\);
- \(\mathbb{Z}_n\) este corp \(\Leftrightarrow\) \(n\) este prim.
Exemplul 12.5
Rezolvare
Exemplul 12.6
Rezolvare
Capitol din culegerea Formule esențiale – clasele IX–XII, Bacalaureat, autor prof. Andrei Dobre (Math Academy®).