В алгебрі гомоморфізм — це зберігаюче структуру відображення[en] між двома алгебричними структурами того ж самого типу (наприклад, двома групами, двома кільцями, двома векторами просторами).

Слово гомоморфізм у перекладі з давньогрецької грец. homos – однаковий і грец. morphe – форма, вид.[1] Цей термін з'явився ще в 1892, його припусували німецькому математику Феліксу Клейну (1849—1925).[2]

Гомоморфізми двох векторних просторів також називають лінійними відображеннями, а їх дослідженнями займається лінійна алгебра.

Поняття гомоморфізму було узагальнено під назвою морфізм для багатьох структур, що не мають множини-носія або не є алгебраїчними. Це узагальнення — відправна точка теорії категорій

Гомоморфізм може також бути ізоморфізмом, ендоморфізмом, автоморфізмом і т.п. (дивись нижче). Кожен з цих гомоморфізмів може бути визначений способом, який можна узагальнити до будь-якого класу морфізмів.

Означення

ред.

Гомоморфізм — це відображення між двома алгебричними структурами одного типу (з однаковими назвами), що зберігає операції цих структур. Це означає відображення   між двома множинами  ,  , які мають однакові структуру такі, що якщо   — операція цієї структури (для спрощення вважаємо її бінарною операцією), тоді

 

для будь-якої пари елементів  ,  множини  .[note 1] Часто говорять, що гомоморфізм   зберігає операцію або сумісний з операцією.

Формально, відображення   зберігає операцію   арності  , яка визначена на обох множинах, якщо

 ,

для всіх елементів   множини  .

Операції, що повинні зберігатися при гомоморфізмі, включають 0-арні операції, тобто константи. Зокрема, коли нейтральний елемент вимагається типом структури, то нейтральний елемент першої структури має відображатися в відповідний нейтральний елемент другої структури.

Наприклад,

З цього випливає, що гомоморфізм груп відображає нейтральний елемент першої групи у нейтральний елемент другої групи, та відображає обернений елемент першої групи у обернений образ цього елемента. Тому, гомоморфізм напівгруп між групами обов'язково є гомоморфізмом груп.

Алгебраїчна структура може мати більше однієї операція та гомоморфізм повинен зберігати кожну операцію. Таким чином, відображення, що зберігає тільки деякі операції не є гомоморфізмом структури, але лише гомоморфізмом субструктури, що отримується при розгляді лише збережених операцій. Наприклад, відображення між моноїдами, що зберігає операцію моноїда, а не нейтральний елемент, не є гомоморфізмом моноїду, але є гомоморфізмом напівгрупи.

При гомоморфізмі між алгебричними структурами позначення операцій в них не обов'язково повинні збігатися. Наприклад, дійсні числа утворюють групу з операцією додавання, а додатні дійсні числа утворюють групу з операцією множення. Експонента

 

задовольняє співвідношення

 

та визначає гомоморфізм між цими двома групами. Більш того, це навіть ізоморфізм (дивись нижче), бо її обернена функція (натуральний логарифм) задовольняє співвідношення

 

і це також гомоморфізм між групами.

В термінах універсальної алгебри, це відображення[en]  , алгебричної системи   в алгебраїчну систему   того ж типу, що зберігає алгебраїчну операцію:

 

для кожної  -арної операції   і  .

Базові приклади

ред.
 
Гомоморфізм моноїду   з моноїду   у моноїд   визначається функцією  . Гомоморфізм є ін'єктивним, але не є сюр'єктивним.

Дійсні числа є кільцем, що має додавання і множення. Множина всіх   матриць також кільце над додаванням матриць і множенням матриць. Якщо ми визначимо функцію між цими кільцями так:

 

де   дійсне число. Тоді   — гомоморфізм кілець, бо   зберігає і додавання:

 

і множення:

 

Інший приклад, ненульові комплексні числа утворюють групу над множенням, так само як ненульові дійсні числа. (Нуль треба виключити, бо він не має оберненого елемента, який повинен бути в елементів групи.) Визначимо функцію   з ненульових комплексних чисел в ненульові дійсні числа так

 

Де,  абсолютне значення (або модуль) комплексного числа  . Тоді   — гомоморфізм групи, бо воно зберігає множення:

 

Зауважте, що   не можна поширити на гомоморфізм груп (з комплексних в дійсні), бо вона не зберігає додавання:

 

Як приклад на діаграмі показано гомоморфізм моноїду   від моноїду   до моноїду  . Завдяки різним назвам відповідних операцій, властивості збереження структури, яким задовольняє $f$, запишуться як   та  .

Композиційна алгебра   над полем   має квадратичну форму, яка називається нормою,  , яка є груповим гомоморфізмом з мультиплікативної групи[en] алгебри   у мутиплікативну групу поля  .

Типи гомоморфізмів

ред.

Кожен тип алгебричних структур має свій гомоморфізм:

Часткові випадки

ред.

Декілька видів гомоморфізму мають спеціальні назви, які також визначаються для загальних морфізмов.

Ізомормізм

ред.

Ізоморфізмбієктивний гомоморфізм.[3]:134 [4]:28 Ізоморфізм між алгебричними структурами одного типу зазвичай визначають як бієктивний гомоморфізм.

У більш загальному контексті теорії категорій ізоморфізм визначається як морфізм, який має обернене відображення, яке також є морфізмом. У випадку алгебраїчних структур ці два означення є еквівалентними, хоча вони можуть відрізнятися для неалгебраїчних структур, які мають множину-носія.

Точніше, якщо
 

є (гомо)морфізмом, то він має обернений, якщо існує гомоморфізм

 

такий, що

 

Якщо   та   мають множини-носії та   має обернене відображення  , тоді   є бієктивним. Дійсно,   є ін'єктивним, оскільки з   випливає, що  , та   є сюр'єктивним, так як для будь-якого   з   маємо, що  , і   є образом елемента з  .

Навпаки, якщо   — бієктивний гомоморфізм між алгебраїчними структурами, нехай   — таке відображення, щоб   єдиний елемент   з   такий, що  . Маємо, що   та  , і залишається лише показати, що   є гомоморфізмом. Якщо   є бінарною операцією структури, то для будь-якої пари  ,   елементів з   маємо:

 

і, таким чином,   сумісний з операцією  . Оскільки доведення аналогічне для будь-якої арності, то це означає, що   — гомоморфізм.

Це доведення не працює для неалгебраїчних структур. Наприклад, для топологічних просторів морфізм є неперервним відображенням, а обернене до бієктивного неперервного відображення не обов'язково є неперервним. Ізоморфізм топологічних просторів, який називається гомеоморфізмом або бінеперервним відображенням, таким чином, є бієктивним неперервним відображенням, обернене до якого також є неперервним.

Ендоморфізм

ред.

Ендоморфізм — гомоморфізм алгебраїчної категорії самої в себе. Ендоморфізм — це гомоморфізм, область визначення якого збігається з кообластю[en], або, в більш загальному сенсі, морфізм, джерело якого дорівнює цілі.[3]:135

Ендоморфізми алгебричної структури або об'єкта категорії утворюють моноїд за композицією.

Ендоморфізми векторного простору або модуля утворюють кільце. У випадку векторного простору або вільного модуля скінченної розмірності, вибір базису індикує ізоморфізм кільця між кільцем ендоморфізмів і кільцем квадратних матриць тієї ж розмірності.

Автоморфізм

ред.

Автоморфізм — ендоморфізм, що є одночасно ізоморфізмом.[3]:135 Автоморфізми алгебричної структури або об'єкта категорії утворюють групу за композицією, яка називається групою автоморфізмів структури.

Багато іменних груп є групами автоморфізмів деякої алгебричної структури. Наприклад, загальна лінійна група   — група автоморфізмів векторного простору розмірності   над полем  .

Групи автоморфізмів полів були введені Еваристом Галуа при дослідженні коренів многочленів і є основою теорії Галуа.

Мономорфізм

ред.

Мономорфізмін'єктивний гомоморфізм.[3]:134 [4]:29 У загальному контексті теорії категорій мономорфізм визначається як морфізм, який є лівим скороченням.[5] Це означає, що (гомо)морфізм   є мономорфізмом, якщо для будь-якої пари морфізмів  ,   з будь-якого іншого об'єкта   в  , з   випливає, що  .

Ці два означення мономорфізму еквівалентні для всіх загальних алгебраїчних структур. Точніше, вони еквівалентні для полів, для яких будь-який гомоморфізм є мономорфізмом, і для многовидів універсальної алгебри, тобто алгебраїчних структур, для яких операції і аксіоми (тотожності) визначаються без будь-яких обмежень (поля не утворюють многовидів, так як мультиплікативні обернені визначаються або як унітарна операція, або як властивість множення, які в обох випадках визначаються тільки для ненульових елементів).

Зокрема, два означення мономорфізму еквівалентні для множин, магм, напівгруп, моноїдів, груп, кільць, полів, векторних просторів і модулів.

Розщеплений мономорфізм[en] — це гомоморфізм, який має лівий обернений, і, таким чином, сам є правим оберненим цього іншого гомоморфізму. Тобто гомоморфізм   є розщепленим мономорфізмом, якщо існує гомоморфізм   такий, що  . Розщеплений мономорфізм завжди є мономорфізмом для обох значень мономорфізму. Для множин і векторних просторів будь-який мономорфізм є розщепленим мономорфізмом, але ця властивість не виконується для більш загальних алгебраїчних структур.

Епіморфізм

ред.

Епіморфізмсюр'єктивний гомоморфізм. В алгебрі епіморфізми часто визначаються як сюр'єктивні гомоморфізми.[3]:134[4]:43 З іншого боку, в теорії категорій епіморфізми визначаються як скоротні справа морфізми[5]. Це означає, що (гомо)морфізм   є епіморфізмом, якщо для будь-якої пари  ,   морфізмів з   до будь-якого іншого об'єкта  , рівність   означає  .

Сюр'єктивний гомоморфізм завжди є скоротним справа, але ця домовленість не завжди вірна для алгебраїчних структур. Однак, два визначення епіморфізму тотожні для множин, векторних просторів, абелевих груп, модулів (див. нижче для доведення) і груп. Важливість цих структур у всій математиці, і особливо в лінійній алгебрі та гомологічній алгебрі, може пояснити співіснування двох нетотожних визначень.

Алгебраїчні структури, для яких існують несюр'єктивні епіморфізми, включають напівгрупи і кільця. Основним прикладом є те що цілі числа входять до раціональних чисел, що є гомоморфізмом кілець і мультиплікативних напівгруп. Для обох структур це мономорфізм і не сюр'єктивний епіморфізм, але не ізоморфізм.[5][6]

Широким узагальненням цього прикладу є локалізація кільця мультиплікативною множиною. Кожна локалізація — це кільцевий епіморфізм, який, в загальному випадку, не сюр'єктивний. Оскільки локалізації є фундаментальними в комутативній алгебрі та алгебричній геометрії, це може пояснити, чому в цих областях визначення епіморфізмів як скоротних справа гомоморфізмів, як правило, є кращим.

Розділений епіморфізм[en] — це гомоморфізм, що має праве обернення і, таким чином, сам по собі є лівим оберненням від цього іншого гомоморфізму. Тобто гомоморфізм   є розділеним епіморфізмом, якщо існує гомоморфізм   такий, що   Розділений епіморфізм завжди є епіморфізмом для обох значень епіморфізму. Для множин та векторних просторів, будь-який епіморфізм це розділений епіморфізм, та ця властивість не буде виконуватися для всіх алгебраїчних структур.

У підсумку, маємо

розділений епіморфізм   епіморфізм(сюр'єктивний)   епіморфізм (скоротний справа)

останнє значення - еквівалентність множин, векторних просторів, модулів і абелевих груп; перше значення - еквівалентність множин і векторних просторів.

Ядро та образ гомоморфізму

ред.
 

Відношення   називається ядром  .

Властивості

ред.
  • Множина всіх ендоморфізмів множини   утворює моноїд, позначається  .
  • Множина всіх автоморфізмів множини   утворює групу, позначається  .

Практичне значення

ред.

Поняття гомоморфізму і споріднені з ним поняття ізоморфізму і автоморфізму мають величезне практичне значення, так як вони дозволяють представляти одну модель іншою моделлю.

Див. також

ред.

Примітки

ред.
  1. Fricke, Robert (1897–1912). Vorlesungen über die Theorie der automorphen Functionen. B.G. Teubner. OCLC 29857037.
  2. Див.:
    • Ritter, Ernst (1892). Die eindeutigen automorphen Formen vom Geschlecht Null, eine Revision und Erweiterung der Poincaré'schen Sätze [The unique automorphic forms of genus zero, a revision and extension of Poincaré's theorem]. Mathematische Annalen (нім.). 41: 1—82. doi:10.1007/BF01443449. S2CID 121524108. From footnote on p. 22: "Ich will nach einem Vorschlage von Hrn. Prof. Klein statt der umständlichen und nicht immer ausreichenden Bezeichnungen: "holoedrisch, bezw. hemiedrisch u.s.w. isomorph" die Benennung "isomorph" auf den Fall des holoedrischen Isomorphismus zweier Gruppen einschränken, sonst aber von "Homomorphismus" sprechen, … " (Following a suggestion of Prof. Klein, instead of the cumbersome and not always satisfactory designations "holohedric, or hemihedric, etc. isomorphic", I will limit the denomination "isomorphic" to the case of a holohedric isomorphism of two groups; otherwise, however, [I will] speak of a "homomorphism", …)
    • Fricke, Robert (1892). Ueber den arithmetischen Charakter der zu den Verzweigungen (2,3,7) und (2,4,7) gehörenden Dreiecksfunctionen [On the arithmetic character of the triangle functions belonging to the branch points (2,3,7) and (2,4,7)]. Mathematische Annalen (нім.). 41: 443—468. doi:10.1007/BF01443421. S2CID 120022176. From p. 466: "Hierdurch ist, wie man sofort überblickt, eine homomorphe*) Beziehung der Gruppe Γ(63) auf die Gruppe der mod. n incongruenten Substitutionen mit rationalen ganzen Coefficienten der Determinante 1 begründet." (Thus, as one immediately sees, a homomorphic relation of the group Γ(63) is based on the group of modulo n incongruent substitutions with rational whole coefficients of the determinant 1.) From footnote on p. 466: "*) Im Anschluss an einen von Hrn. Klein bei seinen neueren Vorlesungen eingeführten Brauch schreibe ich an Stelle der bisherigen Bezeichnung "meroedrischer Isomorphismus" die sinngemässere "Homomorphismus"." (Following a usage that has been introduced by Mr. Klein during his more recent lectures, I write in place of the earlier designation "merohedral isomorphism" the more logical "homomorphism".)
  3. а б в г д Birkhoff, Garrett (1967), Lattice theory, American Mathematical Society Colloquium Publications, т. 25 (вид. 3rd), Providence, R.I.: American Mathematical Society, ISBN 978-0-8218-1025-5, MR 0598630
  4. а б в Stanley N. Burris; H.P. Sankappanavar (2012). A Course in Universal Algebra (PDF). ISBN 978-0-9880552-0-9.
  5. а б в Mac Lane, Saunders (1971). Categories for the Working Mathematician. Graduate Texts in Mathematics. Т. 5. Springer-Verlag. Exercise 4 in section I.5. ISBN 0-387-90036-5. Zbl 0232.18001.
  6. Dăscălescu, Sorin; Năstăsescu, Constantin; Raianu, Șerban (2001). Hopf Algebra: An Introduction. Pure and Applied Mathematics. Т. 235. New York, NY: Marcel Dekker. с. 363. ISBN 0824704819. Zbl 0962.16026.

Нотатки

ред.
  1. Як це часто буває, але не завжди, тут використовуються однакові символи для операції для обох множин   та  .

Цитування

ред.

Література

ред.

Українською

ред.
  • (укр.) Гаврилків В. М. Елементи теорії груп та теорії кілець. — І.-Ф.  : Голіней, 2023. — 153 с.

Іншими мовами

ред.
  NODES
Note 3