Matematická struktura
Matematická struktura je sada s určitými vlastnostmi. Tyto vlastnosti jsou výsledkem jednoho nebo více vztahů mezi prvky ( struktura první úrovně ) nebo podmnožinami množiny (struktura druhé úrovně). Tyto vztahy a tedy i struktura, kterou definují, mohou být velmi odlišných typů . Takový druh lze určit určitými axiomy, které musí definující vztahy splňovat. Nejdůležitějšími velkými typy, do kterých lze struktury zařadit, jsou algebraické struktury , relační struktury , zejména struktury řádu , a topologické struktury . Mnoho důležitých sad má dokonce více struktur , to znamená smíšené struktury z těchto základních struktur. Například číselné rozsahy mají algebraickou strukturu, pořadí a topologickou strukturu, které jsou vzájemně propojeny. Existují také geometrické struktury .
Algebraické struktury
Algebraická struktura, nebo (obecně) algebry pro krátké, je struktura (první stupeň), který je definován pouze jedním nebo více vazeb (jako funkce , odkazy jsou zvláštní vztahy).
Struktury s interním odkazem: skupiny a podobně
Základní algebraické struktury mají jedno nebo dvě dvouciferná vnitřní spojení . Taxonomie , to znamená, že zařazení těchto struktur, závisí na tom, které z následujících skupin axiomů v sadě se vztahují na odkaz :
- E. Existence a jedinečnost (také izolace ):
- A) Asociativní právo :
- (N) existence neutrálního prvku :
- (I) existence inverzního prvku :
- (K) Komutativní právo :
- (Ip) Zákon o idempotenci :
Následující struktury s dvouciferným vnitřním odkazem zobecňují nebo specializují základní představu o skupině:
Příjmení | Axiomy | popis |
---|---|---|
Groupoid (také magma) | E. | Sada s dvoumístným interním odkazem. |
Poloviční skupina | EA | Grupoid s asociativním zákonem . Příklad: . |
Polo-sdružení | EAKIp | Poloskupina s komutativním zákonem a zákonem o idempotenci . Příklad: |
Monoidní | EAN | Poloskupina s neutrálním prvkem . Příklad: s . |
Smyčka s inverzní vlastností | ENI | Grupoid s neutrálním prvkem, ve kterém existuje (jedinečná) inverze pro každý prvek . |
skupina | EANI | Současně monoid a kvazi-skupina. Skupiny byly zavedeny na počátku 19. století k popisu symetrií a ukázaly se jako zásadní pro celou strukturu algebry. Příklady číselných rozsahů, které tvoří skupinu: , . Příklady transformačních skupin, které popisují symetrie: bodové skupiny pro popis molekulárních symetrií , symetrické skupiny pro popis permutací , Lieovy skupiny pro popis spojitých symetrií. |
Abelian skupina | EANIK | Skupina s komutativním odkazem. |
Struktury se dvěma vnitřními články: prsteny, těla a podobně
Následující struktury mají dvě propojení, obvykle psaná jako sčítání a násobení; Tyto konstrukce jsou z rozsahů rychlostí (jako je , , ) získávána který je obvykle považován. Slučitelnost multiplikativní s aditivní kombinace je zajištěna následujícími axiómy:
- (Dl) Levý distributivní zákon : .
- (Dr) vpravo rozdělovací : .
- (D) rozdělovací : platí Dl a Dr .
Další axiomy, které platí pro obě připojení, jsou:
- (U) Neutrální prvky týkající se sčítání a násobení a nejsou stejné.
- (T) nula dělitel svobodou : Pokud element identity přísady uvedeného odkazu, pak to znamená, ze všech z které , nebo se použije.
- (I * ) Pro každý prvek, s výjimkou neutrálního prvku aditivního odkazu, existuje inverzní prvek, pokud jde o multiplikativní odkaz. Formální: .
Příslušné platné axiomy jsou v následujícím pořadí označeny v pořadí (aditivní axiomy | multiplikativní axiomy | smíšené axiomy).
- Napůl ring : Axiómy ( EA | EA | D ) dvě pologrupy
- Dioid : axiomy ( EAN | EAN | D ) dva monoidy
- Fastring : Axioms ( EANI | EA | Dr ): Aditive group, a multiplicative semigroup and the right distributive law.
- (Vlevo) kvazi-těla : Axiomy ( EANIK | ENI | DlU ): Aditivní abelianská skupina, multiplikativní smyčka.
- Ring : Axioms ( EANIK | EA | D ): Aditive Abelian group, a multiplicative semigroup.
- Komutativní prsten : Axiomy ( EANIK | EAK | D ): prsten s komutativním násobením.
- Kroužek s jedním nebo jednotným kroužkem: Axiomy ( EANIK | EAN | D ): Kroužek s neutrálním prvkem násobení.
- Prsten s nulovým dělitelem : Axiomy ( EANIK | EA | DT ): Prsten, ve kterém vyplývá, že nebo .
- Doména integrity : Axiomy ( EANIK | EANK | DTU ): Komutativní, unitární, kruh nulového dělitele s .
- Half-body : Axioms ( EA | EANI * | D ) Half- ring with a multiplicative group on the set (without which, if there is ).
- Alternativní pole : Axiomy ( EANIK | ENI * | DTU ): Unitární, nulové dělitele a s multiplikativní inverzí, s výjimkou prvku . Místo asociativního práva existuje alternativa násobení.
- ( Pravé ) rychlé tělo : axiomy ( EANI (k) | EANI * | DrTU ) rychlé vyzvánění s multiplikativní skupinou na množině bez . Přidání každého rychlého těla je komutativní.
- Šikmé tělo : Axiomy ( EANIK | EANI * | DTU ): Jednotný kruh bez nulového dělitele sa s multiplikativní inverzí, s výjimkou prvku .
- Pole : Axiomy ( EANIK | EANI * K | DTU ): Komutativní pole zkosení, doména integrity s multiplikativní inverzí, s výjimkou prvku . Každé tělo je také vektorovým prostorem (se sebou samým jako základní skalární tělo). Pokud je v těle definována norma nebo skalární součin, tělo tím získá topologické vlastnosti normalizovaného prostoru nebo vnitřního prostoru produktu. Viz. níže. Příklady: číslo rozsahy , a .
Důležité podmnožiny jsou:
- Ideály, s. Ideální (matematika) .
Struktury se dvěma vnitřními odkazy: svazy, množinové algebry a podobně
Mřížka je algebraická struktura, dvě vnitřní spojení, které v obecném případě nelze chápat jako sčítání a násobení:
- (V) Zákony o spojování (nazývané také Zákony absorpce): a .
S tímto axiomem dostaneme jako struktury:
- Sdružení : Axiomy ( EAK (týkající se ) | EAK (týkající se ) | V ).
- Distribuční asociace : Axiomy ( EAK (týkající se ) | EAK (týkající se ) | V, D ).
V distribuční unii je třeba požadovat pouze jeden ze dvou zákonů o sloučení; druhá vyplývá z distribučního práva.
Boolean algebra je sdružení, ve kterém každý dva odkazy má neutrální prvek, a , a ve kterém každý Prvek a to s ohledem na odkazy na odpovídající doplněk má
- (C) Existence doplňku: pro každý existuje jeden, pro který platí a .
Všimněte si, že doplněk není inverzní prvek, protože poskytuje neutrální prvek druhého odkazu.
- Booleova algebra : axiomy ( EAKN (re ) | EAKN (re ) | V, D, C ).
- Set algebra : Booleova algebra, jejíž prvky jsou množiny, jmenovitě podmnožiny základní množiny , s operátory množiny a jako odkazy, s nulovým prvkem a jedním prvkem .
- σ-algebra : uzavřená množinová algebra s ohledem na spočítatelné nekonečné spojení.
- Měřicí prostor a měřicí prostor jsou speciální σ-algebry.
- Borel algebra přeměňuje topologický prostor na měrný prostor : je to nejmenší σ-algebra, která obsahuje danou topologii.
- Divalentní booleovská algebra : pouze prvky a .
Struktury s vnitřním a vnějším spojením: vektorové prostory a podobně
Tyto struktury se skládají z aditivně psaného magmatu (obvykle abelianské skupiny) a rychlostního rozsahu (struktura se dvěma vnitřními vlákny, obvykle tělem) , jejichž skupinová akce na levé násobení nebo pravé násobení zapsaná (při pohledu z) je vnější konstruovaný odkaz . Prvky se nazývají skaláry , vnější spojení tedy také skalární násobení . Splňuje následující axiomy kompatibility (v notaci pro multiplikaci vlevo):
- (AL) asociativní právo: pro ze a ze skutečnosti .
- (DL) distribuční zákony: platí ven a ven a .
To nám dává následující struktury v notaci ( | | Axiomy kompatibility):
- Levý modul : (Abelianova skupina | Prsten | AL, DL ).
- Pravý modul : (Abelianova skupina | Prsten | AR, DR ) se skalárním množením zprava namísto zleva.
- Modul : (Abelianova skupina | komutativní kruh | ALR, DLR ) s vyměnitelným levým nebo pravým násobením.
- Levý vektorový prostor : (Abelianova skupina | šikmé tělo | AL, DL ).
- Pravý vektorový prostor: (Abelianova skupina | šikmé tělo | AR, DR ) se skalárním množením zprava namísto zleva.
- Vektorový prostor : (Abelianova skupina | tělo | ALR, DLR ) s vyměnitelným levým nebo pravým násobením.
Další algebraická struktura ve vektorových prostorech
- K-Algebra : algebra nad polem (také zastaralé: Lineární algebra (struktura)): vektorový prostor s dalším bilineárním spojením .
- Lie algebra : vektorový prostor s Lieovou závorkou , jako další anti-symetrický bilineární odkaz .
- asociativní algebra : vektorový prostor s bilineární asociativní vazbou .
Vnitřní propojení skalárního součinu a normy zavedené v následujícím textu pomáhají vektorovému prostoru (může to být zejména také těleso, které je třeba chápat jako vektorový prostor) k topologické struktuře.
- Bilinear prostor je téměř vnitřní prostor výrobku (viz níže) - kromě toho, že interiér produkt nemusí být pozitivně definitní. Důležitým příkladem je Minkowského prostor speciální relativity.
- Skalární součin prostor: vektorový prostor se skalárním součinem (pozitivně definované bilineární forma podle do nebo sesquilinear forma podle ) . Euclidean prostor je speciální interiér produkt prostor .
- unitární prostor : vnitřní produktový prostor nahoře , jehož skalární produkt je hermitovská forma.
- normalizovaný prostor : vektorový prostor s normou .
- lokálně konvexní plocha : vektorový prostor se systémem z polovičních norem . Každý normalizovaný prostor je lokálně konvexní prostor s .
Vektorový prostor s | Všeobecné | + Úplnost |
---|---|---|
Metrický | metrický prostor | kompletní prostor |
Standard | normalizovaný prostor | Banachův prostor |
Skalární součin | Prähilbertraum (interiérová produktová místnost) | Hilbertův sen |
Specializace vektorových prostorů se zvyšuje směrem dolů a doprava. Vektorový prostor v tabulce níže má vlastnosti výše, protože skalární součin indukuje normu a norma indukuje vzdálenost .
Organizační struktury
Struktura objednávky je struktura (první úroveň), která je vybavena relací objednávky , tj. to znamená, že se jedná o relační strukturu nebo zkrátka relativní .
- Kvazi-řád : reflexivní a tranzitivní . Příklad: Pro vypnuto , pokud (viz absolutní částka ) platí .
- Částečné pořadí (částečné pořadí, částečné pořadí. Varování: někdy se jednoduše nazývá pořadí ): reflexivní, antisymetrické a tranzitivní. Příklady: Vztah podmnožiny v napájecí sadě ; vztah „po jednotlivých složkách menší nebo stejný“ ve vektorovém prostoru .
- přísný polořad: irreflexivní a tranzitivní. Příklady: Vztah „skutečná podmnožina“ v napájecí sadě ; vztah „složkově menší nebo rovný, ale ne rovný“ ve vektorovém prostoru .
- celková objednávka (lineární objednávka): celková dílčí objednávka. Příklad: „Menší nebo rovno“ zapnuto .
- přísné celkové pořadí : celkové, irreflexivní a přechodné. Příklad: „Menší“ zapnuto .
- řádně podložená objednávka : částečné pořadí, ve kterém má každá neprázdná podmnožina minimální prvek. Příklad: Vztah „stejný nebo člen“ v sadě množin.
- Pořadí : celkové pořadí, ve kterém má každá neprázdná podmnožina minimální prvek. Příklad: „Menší“ zapnuto .
Topologické struktury
Geometrický koncept vzdálenosti ( metrický ) umožňuje použít základní koncept moderní analýzy , konvergence , v metrických prostorech . Topologické prostory vznikly ze snahy o konvergenci v obecném smyslu (každý metrický prostor je topologický prostor s topologií vyvolanou metrikou). Různé topologické prostory, mohou být se svými možnými lokálními strukturami klasifikovány , udržovat jejich strukturu přidělením určitých podmnožin jako otevřené nebo ekvivalentní k úplnému (strukturuje druhou fázi).
Geometrické struktury
Geometrická struktura je vyjádřena prostřednictvím vlastností, jako je shoda čísel. Jejich klasifikace podle platných axiomů (srovnej články Geometry , Euclidean Geometry , Euclid's Elements ):
- Projektivní geometrie
- Afinní geometrie
- Absolutní geometrie : Jakákoli geometrie, ve které platí první čtyři z pěti euklidovských postulátů (přesněji: Hilbertovy axiomy s výjimkou axiomu rovnoběžek).
- Euklidovská geometrie : Absolutní geometrie, ve které platí paralelní postulát . Nebo také: Geometrie, ve které platí všechny Hilbertovy axiomy.
- Neeuklidovská geometrie : Absolutní geometrie, ve které neplatí paralelní postulát . Nebo také: Geometrie, ve které platí Hilbertovy axiomy skupin I, II, III a V, stejně jako negace axiomu rovnoběžek.
Jejich klasifikace podle transformačních skupin, pod kterými zůstávají určité geometrické vlastnosti neměnné ( Felix Klein , program Erlanger ):
- Projektivní geometrie , invarianty: bod, přímka.
- Afinní geometrie , další invarianty: paralelismus, částečný poměr, poměr ploch.
- Geometrie podobnosti , další invarianty: poměr vzdálenosti, úhel.
- Geometrie kongruence , další invariant: délka segmentu.
Číselné rozsahy
Rozsahy čísel jsou částky, které se obvykle očekávají. Základem je množina přirozených čísel. Sčítání a násobení slouží jako algebraické spojení. Vyžadováním toho, aby vždy bylo možné odečítání a dělení inverzních operací, se rozšíří množina přirozených čísel na množinu celých čísel a na množinu všech zlomků. Skutečná čísla jsou uvedena jako mezní hodnoty pro číselné řady; umožňují (mimo jiné) extrakci druhé odmocniny libovolných kladných čísel. Kořeny záporných čísel vedou ke komplexním číslům.
- Sada přirozených čísel se používá pro počítání a je na samém začátku axiomatické struktury matematiky. Pod nulu by se to v být zahrnuty, ale opak konvence je také obyčejný. a jsou komutativní poloskupiny . Stejně jako u všech ostatních číselných rozsahů je sčítání a násobení distribuční .
- Sada celých čísel je vytvořena konstrukcí nuly jako neutrálního prvku a záporných čísel jako inverzní funkce sčítání. je Abelianova skupina s neutrálním prvkem a je komutativním monoidem s neutrálním prvkem . je komutativní prsten s jedním.
- Sada kladných zlomků se získá konstrukcí zlomků jako inverzní k násobení. je tedy skupina a je semigroup (obě komutativní).
- Sada zlomků nebo racionálních čísel je vytvořena přidáním neutrálního prvku a inverze vzhledem k přidání nebo přidáním inverze vzhledem k násobení. a jsou abelianské skupiny, sčítání a množení jsou distribuční . je tělo .
- Sada reálných čísel je výsledkem topologického dokončení : skutečné číslo je třída ekvivalence racionálních Cauchyových sekvencí . je tělo .
- Množina komplexních čísel se skládá z dvojice reálných čísel , které jsou v souladu s obvyklými pravidly aritmetické při zápisu . V každé algebraické rovnici je řešitelný. je tělo .
- Kvaterniony , Cayleyova čísla a také rozšířené rozsahy čísel již nejsou komutativní, pokud jde o násobení.
Důležité jsou také některé omezené rozsahy čísel:
- Zbytek třída kroužek je omezení z celých čísel k sadě . Všechny aritmetické operace se provádějí modulo . je prsten ; pokud je prvočíslo , a to i pole . V programovacích jazycích na úrovni stroje jsou celá čísla bez znaménka reprezentována jako zbytkové kroužky třídy, například s nebo .
literatura
- Nicolas Bourbaki : Architektura matematiky I . In: Fyzické listy . páska 17 , č. 4 , 1961, str. 161-166 , doi : 10,1002 / phbl.19610170403 . Architektura matematiky II . In: Fyzické listy . páska 17 , č. 5 , 1961, str. 212–218 , doi : 10,1002 / phbl.19610170503 (francouzsky: Les grands courants de la pensée mathématique . Marseille 1948. Překlad Karl Strubecker, Helga Wünsch).
- Fritz Reinhardt, Heinrich Soeder: matematika dtv atlas . 11. vydání. páska 1 : Základy, algebra a geometrie. Deutscher Taschenbuchverlag, Mnichov 1998, ISBN 3-423-03007-0 , s. 36-37 .
Individuální důkazy
- ↑ Nicolas Bourbaki : Architektura matematiky I. S. 165 f.
- ^ Nicolas Bourbaki : Architektura matematiky II. P. 212-214.
- ^ Nicolas Bourbaki : Architektura matematiky II. S. 215.
- ↑ úzce souvisí s konceptem relační struktury je to, že na grafu v grafu-teoretické smyslu. Sada podpěr se nazývá sada uzlů, místo relace zaujímá sada hran. Pokud není uvedeno jinak, grafy jsou konečné.