Абстрактная алгебра

Перастаноўкі кубіка Рубіка ўтвараюць групу. Група — фундаментальнае паняцце абстрактнай алгебры.

Абстра́ктная а́лгебра (таксама вышэйшая алгебра, агульная алгебра) — раздзел матэматыкі, які вывучае колькасныя і якасныя адносіны ў рознага роду алгебраічных сістэмах, вызначаных аксіяматычна.

Пад алгебраічнай сістэмай (структурай) тут разумеецца мноства некаторых аб’ектаў, для якіх вызначаны нейкі набор т.зв. алгебраічных аперацый, якія па сваіх уласцівасцях падобныя на складанне і множанне лікаў. Алгебраічныя сістэмы ўключаюць групы, кольцы, палі, модулі, вектарныя прасторы, рашоткі і алгебры.

Для вывучэння структур выкарыстоўваюцца агульныя метады і падобныя паняцці: для адлюстравання (адвображання) паміж структурамі ўводзяцца паняцці гомамарфізмаў, ізамарфізмаў, аўтамарфізмаў, для вывучэння ўнутранай будовы ўводзяцца падсістэмы (падгрупы, падкольцы і іншыя) і фактарсістэмы (фактаргрупы, фактаркольцы і іншыя).

Найбольш агульныя для ўсіх гэтых алгебраічных сістэм уласцівасці фармалізуюцца і вывучаюцца спецыяльным раздзелам агульнай алгебры — універсальнай алгебрай. Тэорыя катэгорый, якая лічыцца таксама раздзелам агульнай алгебры, вывучае ўласцівасці алгебраічных структур і суадносін паміж імі з выкарыстаннем такіх абстракцый, як аб’екты, марфізмы, функтары, якія абагульняюць адпаведныя паняцці не толькі ў алгебраічных структурах, але і ў тапалогіі, логіцы, тэорыі мностваў.

Сам тэрмін «абстрактная алгебра» быў уведзены ў пачатку 20 ст., каб адрозніваць гэту вобласць даследаванняў ад іншых частак алгебры.

Раздзелы

Дзеянне мадулярнай групы на крузе Пуанкарэ.

У абстрактнай алгебры ўмоўна выдзяляюцца наступныя раздзелы:

Тэорыя груп Тэорыя прадстаўленняў Тэорыя кольцаў Камутатыўная алгебра Тэорыя палёў Тэорыя Галуа

Лінейная алгебра Полілінейная алгебра Гамалагічная алгебра Тэорыя катэгорый Тэорыя рашотак Універсальная алгебра

Да абстрактнай алгебры цесна прымыкаюць алгебраічная геаметрыя, алгебраічная тэорыя лікаў і алгебраічная тапалогія.

Гісторыя

Гл. таксама: Элементарная алгебра

Вялікі ўплыў на развіццё алгебраічных ідэй і сімволікі зрабіла «Арыфметыка» Дыяфанта (III стагоддзе). Тэрмін «алгебра» паходзіць ад назвы твора Мухамеда аль-Харэзмі «Альджэбр аль-мукабала» (9 ст.), які мае агульныя метады рашэння алгебраічных ураўненняў 1-й і 2-й ступеней.

У канцы XV стагоддзя замест грувасткіх слоўных апісанняў алгебраічных дзеянняў у матэматычных творах з’яўляюцца знакі «+» і «-», потым знакі ступеней, каранёў, дужкі. У канцы XVI стагоддзяФ. Віет першы выкарыстаў літарныя абазначэнні. К сярэдзіне XVII стагоддзя ў асноўным склалася сучасная алгебраічная сімволіка і тым самым завяршылася «перадгісторыя» алгебры.

У далейшым погляд на алгебру мяняўся. Алгебра XVII—XVIII стагоддзяў займалася літарнымі вылічэннямі (рашэнне алгебраічных ураўненняў, тоеснае пераўтварэнне формул і іншае) у адрозненне ад арыфметыкі, у якой разглядаліся вылічэнні з канкрэтнымі лікамі. К сярэдзіне XVIII стагоддзя алгебра склалася прыблізна ў аб’ёме цяперашняй т.зв. элементарнай алгебры.

Алгебра XVIII—XIX стагоддзяў з’яўляецца ў асноўным алгебрай мнагачленаў.

Першай гістарычнай задачай алгебры было рашэнне алгебраічных ураўненняў з адным невядомым, г.зн. ураўненняў віду:

$a_{0}x^{n}+a_{1}x^{n-1}+\dots +a_{n}=0.$

У XVI стагоддзі італьянскімі матэматыкамі была знойдзена формула для рашэння ўраўненняў 3-й ступені (формула Кардана), а потым і метад рашэння ўраўненняў 4-й ступені (метад Ферары).

Амаль 3 стагоддзі вёўся пошук аналагічных формул для рашэння ўраўненняў вышэйшай ступені.

У XVII стагоддзі упершыню была выказана А. Жырарам, а ў канцы XVIII стагоддзя К. Гаусам была даказана асноўная тэарэма алгебры аб існаванні камплекснага кораня для адвольных алгебраічных ураўненняў з камплекснымі каэфіцыентамі.

У 1824 годзе Н. Абель даказаў, што ўраўненне вышэй 4-й ступені ў агульным выпадку ў радыкалах невырашальнае, а ў 1830 годзе Э. Галуа знайшоў крытэрый вырашальнасці алгебраічнага ўраўнення ў радыкалах. Іншыя задачы адыходзяць у гэты час на другі план, і пад алгебраю разумеецца «аналіз ураўненняў», як адзначае Ж. Серрэ у сваім курсе вышэйшай алгебры (1849). Разам з тэорыяй алгебраічных ураўненняў з адным невядомым разглядаліся сістэмы алгебраічных ураўненняў з многімі невядомымі, у тым ліку сістэмы лінейных ураўненняў, у сувязі з чым узніклі паняцці матрыцы і дэтэрмінанта. У далейшым матрыцы становяцца прадметам самастойнай тэорыі — алгебры матрыц, роля якой не вычэрпваецца прымяненнем у даследаванні сістэм лінейных ураўненняў.

З сярэдзіны XIX стагоддзя даследаванні ў алгебры паступова пераносяцца з тэорыі алгебраічных ураўненняў на вывучэнне адвольных алгебраічных аперацый. Абстрактнае паняцце алгебраічнай аперацыі ўзнікла ў сярэдзіне XIX стагоддзя ў сувязі з даследаваннем прыроды камплексных лікаў, а таксама ў выніку з’яўлення прыкладаў алгебраічных аперацый над элементамі зусім іншай прыроды, чым лікі. Так, узнікаюць алгебра логікі Дж. Буля, знешнія алгебры Г. Грасмана, кватэрніёны У. Гамільтана. А. Кэлі стварае матрычнае злічэнне, К. Жардан публікуе вялікі трактат пра групы падстановак. Гэтыя працы падрыхтавалі ўступленне алгебры ў канцы XIX — пачатку XX стагоддзя ў сучасны этап яе развіцця, які характарызуецца аб’яднаннем раней разрозненых алгебраічных ідэй на агульнай аксіяматычнай аснове і істотным пашырэннем вобласці прыкладанняў алгебры.

У пачатку XX стагоддзя алгебра стала разглядацца як агульная тэорыя алгебраічных аперацый на аснове аксіяматычнага метаду. Такі погляд на алгебру сфарміраваўся пад уплывам прац Д. Гільберта, Э. Штэйніца, Э. Арціна, Э. Нётэр і канчаткова зацвердзіўся з выхадам у 1930 годзе манаграфіі Б. Л. ван дэр Вардэна «Сучасная алгебра» (ням.: «Moderne Algebra»).

Першыя працы па агульнай тэорыі адвольных універсальных алгебр належаць Г. Біркгафу (1930-я г.). У тыя ж гады А. І. Мальцаў і А. Тарскі заклалі асновы тэорыі мадэлей — мностваў з зададзенымі на іх адносінамі.

Да сярэдзіны 1950-х гадоў сфарміравалася гамалагічная алгебра, карані якой ляжаць у алгебры і тапалогіі.

Сістэматычныя даследаванні па алгебры на Беларусі пачалі Дз. А. Супруненка (1945) і С. А. Чуніхін (1953). Вядуцца пераважна ў Інстытуце матэматыкі НАН Беларусі, БДУ, Гомельскім універсітэце.

Агляд

Нагляднае прадстаўленне групы: граф Кэлі для свабоднай групы з двума ўтваральнымі элементамі a і b. Кожная вяршыня прадстаўляе элемент свабоднай групы. Дамнажэнне на a адпавядае пераходу па рабры ўправа, дамнажэнне на b — пераходу па рабры ўверх.

Сучасная алгебра вывучае мноствы адвольнай прыроды з зададзенымі на іх алгебраічнымі аперацыямі (г.зн. алгебры ці ўніверсальныя алгебры).

Доўгі час вывучаліся толькі некалькі тыпаў універсальных алгебр — групы, кольцы, лінейныя прасторы.

Адзін з найбольш важных і найбольш вывучаных тыпаў алгебр — групы, г. зн. алгебры з адной асацыятыўнай бінарнай аперацыяй, якія змяшчаюць адзінку і для кожнага элемента — адваротны элемент. Паняцце групы з’явілася гістарычна першым прыкладам універсальнай алгебры і паслужыла ў многіх адносінах узорам пры перабудове алгебры і, наогул, матэматыкі на рубяжы 19 — 20 стст. Значна пазней пачалося самастойнае вывучэнне абагульненняў паняцця групы — паўгрупы, квазігрупы і лупы.

Найважнейшыя тыпы алгебр з дзвюма бінарнымі аперацыямі — кольцы і палі. Аперацыі ў іх звычайна называюцца складаннем і множаннем. Кальцо вызначаецца аксіёмамі абелевай групы для складання і законамі дыстрыбутыўнасці для множання адносна складання.

Першапачаткова вывучаліся толькі кольцы з асацыятыўным множаннем, і гэта патрабаванне асацыятыўнасці часам нават ўключаюць у азначэнне кальца. У цяперашні час цалкам складзеным з’яўляецца агульны напрамак, прысвечаны вывучэнню неасацыятыўных кольцаў.

Целам называецца асацыятыўнае кальцо, усе не роўныя нулю элементы якога ўтвараюць групу па множанню.

Поле — цела з камутатыўным множаннем. Лікавыя палі, г. зн. сукупнасці лікаў, замкнёныя адносна складання, множання, аднімання і дзялення на лік, не роўны нулю, няяўна фігуравалі ўжо ў пачатковых даследаваннях па алгебраічных ураўненнях.

Асацыятыўна-камутатыўныя кольцы і палі з’яўляюцца асноўным аб’ектам вывучэння камутатыўнай алгебры, з якой цесна звязана алгебраічная геаметрыя.

Іншы важны тып алгебры з дзвюма бінарнымі аперацыямі — рашоткі (ці структуры). Тыповыя прыклады рашотак: сістэма падмностваў дадзенага мноства з аперацыямі аб’яднання і перасячэння, мноства дадатных цэлых лікаў з аперацыямі ўзяцця найменшага агульнага кратнага і найбольшага агульнага дзельніка.

Лінейныя (ці вектарныя) прасторы над полем можна трактаваць як універсальныя алгебры з адной бінарнай аперацыяй — складаннем і наборам унарных аперацый множання на скаляры з асноўнага поля. Разглядаюцца таксама лінейныя прасторы над целамі.

Калі за мноства скаляраў узяць кальцо, то атрымліваецца больш шырокае паняцце модуля.

Лінейныя прасторы, модулі, а таксама іх лінейныя пераўтварэнні і сумежныя пытанні вывучае лінейная алгебра, часткай якой з’яўляюцца тэорыі лінейных ураўненняў і матрыц.

Да лінейнай алгебры прымыкае полілінейная алгебра.

З 1930-х гадоў развіваецца агульная тэорыя адвольных універсальных алгебр і тэорыя мадэлей (мностваў з зададзенымі на іх адносінамі). На стыку тэорыі універсальных алгебр з тэорыяй мадэлей узнік новы раздзел алгебры, сумежны з алгебрай і матэматычнай логікай, — тэорыя алгебраічных сістэм, якая вывучае мноствы з зададзенымі на іх алгебраічнымі аперацыямі і адносінамі (гл. алгебра логікі).

Дысцыпліны, сумежныя з алгебрай і іншымі раздзеламі матэматыкі, вызначаюцца ўнясеннем ва ўніверсальныя алгебры дадатковых структур, узгодненых з алгебраічнымі аперацыямі і адносінамі: тапалагічная алгебра, у т.л. тапалагічныя групы і групы Лі, тэорыя ўнармаваных кольцаў, дыферэнцыяльная алгебра, тэорыі розных упарадкаваных алгебр.

К сярэдзіне 1950-х гадоў сфарміравалася гамалагічная алгебра, карані якой ляжаць у алгебры і тапалогіі.

Прыкладанні

У сучаснай матэматыцы алгебра адыгрывае вялікую ролю, і існуе аб’ектыўная тэндэнцыя да далейшай «алгебраізацыі» матэматыкі. Тыповы спосаб вывучэння многіх матэматычных аб’ектаў, часам вельмі далёкіх ад алгебры, заключаецца ў пабудове алгебраічных сістэм, якія дастаткова добра адлюстроўваюць паводзіны вывучаемых аб’ектаў. Так, вывучэнне груп Лі шмат у чым зводзіцца да вывучэння іх алгебраічных адлюстраванняў — алгебр Лі. Аналагічны метад выкарыстоўваецца ў тапалогіі — кожнай тапалагічнай прасторы супастаўляецца некаторым стандартным спосабам бесканечная серыя груп гамалогіі, і гэтыя серыі алгебраічных адлюстраванняў дазваляюць вельмі дакладна судзіць пра ўласцівасці саміх прастор. Іменна з дапамогай алгебры зроблены апошнія значныя адкрыцця ў тапалогіі (гл. алгебраічная тапалогія). Поспех алгебраічных метадаў тлумачыцца тым, што алгебраізацыя дазваляе прымяніць для рашэння задачы не толькі чыста славесныя разважанні, але і магутны апарат фармальных алгебраічных вылічэнняў, што часам дазваляе абходзіць самыя складаныя перашкоды.

Алгебраічныя паняцці і метады шырока выкарыстоўваюцца ў тэорыі лікаў (алгебраічная тэорыя лікаў), геаметрыі (тэорыя інварыянтаў, праектыўная геаметрыя, тэнзарная алгебра), функцыянальным аналізе, тэорыі дыферэнцыяльных ураўненняў, метадах вылічэнняў і іншых раздзелах матэматыкі.

Алгебра мае вялікае дачыненне да фізікі (прадстаўленні груп у квантавай фізіцы), крышталяграфіі (дыскрэтныя групы), кібернетыкі (тэорыі аўтаматаў і кадзіравання) і іншых навук.

Літаратура

• Алгебра // Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 1: А — Аршын / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн. : БелЭн, 1996. — Т. 1. С. 233—234.
• Мерзляков Ю. И., Ширшов А. И. Алгебра // Математическая энциклопедия / И. М. Виноградов (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1977. — Т. 1. — 576 с. — 150 000 экз. Стл. 114—118.
• Математика, ее содержание, методы и значение. Сб. статей, т. 1—3, М., 1956.
• Курош А. Г., Курс высшей алгебры, 10 изд., М., 1971.
• Курош А. Г., Лекции по общей алгебре. 2-е изд. — М.: Физматлит, 1973.
• Бурбаки Н., Алгебра. Алгебраические структуры. Линейная и полилинейная алгебра, пер. с франц., М., 1962.
• Ван дер Варден Б. Л., Алгебра, пер. с нем., М., 1976.
• Ленг С., Алгебра, пер. с англ., М., 1968.
• Мальцев А. И., Алгебраические системы, М., 1970.

Гісторыя алгебры

• История математики с древнейших времен до начала XIX столетия, т. 1—3, М., 1970 — 72.
• Мальцев А. И., К истории алгебры в СССР за первые 25 лет, «Алгебра и логика», 1971. т. 10, № 1, с. 103—18.

Спасылкі

• Weisstein, Eric W.. Abstract Algebra (нявызн.). MathWorld.