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幺半群

王朝百科·作者佚名  2010-01-04
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在抽象代数此一数学分支中,幺半群是指一个带有可结合二元运算和单位元的代数结构。幺半群在许多的数学分支中都会出现。在几何学中,幺半群捉取了函数复合的概念。

定义幺半群是一个带有二元运算 *:M×M→M的集合M,其符合下列公理:

结合律:对任何在M内的a、b、c, (a*b)*c=a*(b*c) 。

单位元:存在一在M内的元素e,使得任一于M内的a都会符合a*e=e*a=a。

通常也会多加上另一个公理:

封闭性:对任何在M内的a、b,a*b也会在M内。

生成元和子幺半群

幺半群M的子幺半群是指一个在M内包含着单位元且具封闭性(即若x,y∈N,则x*y∈N)的子集N。很明显地,N自身会是个幺半群,在导自M的二元运算之下。等价地说,子幺半群是一个子集N,其中N=N,且上标 * 为克莱尼星号。对任一于M内的子集N而言,子幺半群N会是包含着N的最小幺半群。

子集N被称之为M的生成元,当且仅当M=N。若N是有限的,M即被称为是有限生成的。

可交换幺半群

运算为可交换的幺半群称之为可交换幺半群(或较少地,称之为阿贝尔幺半群)。可交换幺半群经常会将运算写成加号。每个可交换幺半群都自然会有一个它自身的代数预序 ≤ ,定义为下:x ≤ y当且仅当存在z使得x+z=y。可交换幺半群M的序单位是一个在M内的元素u,其中对任一在M内的元素x而言,总会存在一个正整数n使得x ≤ nu。这经常用在M是偏序阿贝尔群G的正锥体的情况,在这种情况下我们称u是G的序-单位。有接受任何交换幺半群,并把它变成全资格阿贝尔群的代数构造;这个构造叫做格罗滕迪克群。

部分可交换幺半群

运算只对某些元素而不是所有元素是交换性的的幺半群是迹幺半群;迹幺半群通常出现在并发计算理论中。

性质在一幺半群内,可以定义一元素x的正整数幂:x=x及x=x*...*x(乘上n次),其中n>1。幂的规则x=x*x则是很明显的。

由定义可以证明其单位元e是唯一的。然后,对任一x,可以设x为e,则其幂的规则在非负幂中依然会是成立的。

逆元素:一元素x称为可逆,若存在一元素y,使得x*y=e且y*x=e。此一元素y便称做x的逆元素。结合律使得其逆元素(若存在)是唯一的。

若y是x的逆元素,则可以定义x的负幂,以x=y及x=y*...*y(乘上n次),其中n>1。如此幂的规则在所有整数就都成立了,这也是为什么x的逆元素通常会写做x。所有在幺半群M内的可逆元素,和其自身的运算可组成一个群。在这意思之下,每个幺半群都含有一个群。

但并不是每个幺半群都包含在一个群内的。例如,绝对可能有一个幺半群,其两个元素a和b会有a*b=a的关系,即使b不是单位元。如此的幺半群是不可能包含于一个群内的, 因为在群里,两边一同乘a的逆元素,就会得到b=e的结果,但这不是真的。一个幺半群(M,*)若具有消去性,即表示对任何在M内的a、b、c,a*b=a*c永远意指b=c且b*a=c*a也永远意指b=c。一具有消去性的可交换幺半群总是可以包含于一个群内。这是为什么整数(加法运算下的群)可以由自然数(具有消去性的加法运算下的可交换幺半群)建立。但一具有消去性的不可交换幺半群则一定不可能包含于一个群之中。

若一幺半群有消去性且是有限的,它会是一个群。

一可逆幺半群为一幺半群,其任一在M内的a,总存在一唯一在M内的a,使得a=aaa且a=aaa。

一幺半群G的子幺半群是G的子集H,其包含有单位元,且若x、y属于H,则xy属于H。很清楚地,H本身也是个幺半群,在G的二元运算之下。

幺半群同余和商幺半群幺半群同余是相容于幺半群乘积的等价关系。就是说它是子集

使得它是自反的、对称的和传递的(如同所有等价关系必须的那样),还要有如果 且 对于所有M中的x,y,u和v,则有 的性质。

幺半群同余引发同余类

而幺半群运算 * 引发在同余类上的二元运算 :

它是幺半群同态。它明显的也是结合的,所以所有同余类的集合也是幺半群。这个幺半群叫做商幺半群,可以写为

一些额外的符号是公用的。给定子集 ,写

对于引发自L的同余类的集合。在这个表示法中,明显的 。但是一般的说, 不是幺半群。走相反的方向,如果 是商幺半群的子集,写

当然这只是X的成员的并集。一般的说, 不是幺半群。

明显的有 且 。

幺半群同态两个幺半群(M, *)和(M′, @)之间的同态是一个函数f:M→M′,会有如下两个性质:

f(x*y) =f(x)@f(y) 对所有在M内的x和yf(e) =e′ 其中e和e′分别是M和M′的单位元。

不是每一个群胚同态都会是个幺半群同态,因为它不一定会维持单位元。和上述不同,群同态的情况则会成立:群论的公理确保每一两群之间的群胚同态都会维持住单位元。对于幺半群,这不是永远成立的,而必须有另外的要求。

双射幺半群同态称做幺半群同构。

 
 
 
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