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¿Por qué es el (grupo) morfismos que importa?

A menudo escucho a la gente decir cosas como:

  • uno sólo realmente entiende a los grupos, si uno mira en el grupo homomorphisms entre ellos
  • uno sólo entiende realmente los anillos si uno mira el anillo de homomorphisms entre ellos
  • ...

Por supuesto, estas declaraciones son sólo casos especiales la categoría teórica lema de que lo que realmente cuenta es la morfismos no de los objetos. Puedo apreciar que es bastante fresco que uno puede caracterizar las construcciones tales como el grupo de free o el producto directo de los grupos en términos de su relación con otros grupos (y en este sentido, los morfismos de y para que la construcción de ayuda para comprender la construcción, mejor). Pero además, yo estoy luchando para apreciar la utilidad de homomorphisms. Entiendo que lo que uno está interesado en grupos de hasta isomorfismo (uno quiere clasificar a grupos), así que la noción de isomorfismo me parece muy fundamental, pero la noción de un homomorphism me parece, en cierto sentido, sólo para ser un precursor de la noción fundamental de un isomorfismo.

Supongo que sería de gran ayuda si algunos de ustedes podrían punto me a trozos y trozos de teoría de grupos, donde homomorphisms (en lugar de isomorphisms) son esenciales. En que sentido el grupo de homomorphisms nos ayudan a entender los grupos de mejor a sí misma?

Por supuesto, yo podría hacer la misma pregunta acerca del anillo de la teoría o de algún otro subcampo de las matemáticas. Si usted tiene respuestas ¿por qué morfismos importa en estos campos, a continuación, siéntase libre de decirme! Después de todo, lo que me interesa es ejemplos de la utilidad de homomorphisms de abajo a la tierra de concreto de las matemáticas, así que lo que no quiero es sólo la categoría teórica de la filosofía a parlotear (esto no quiere decir que no me gusta de la categoría de teoría, pero para el propósito de esta pregunta estoy interesado en por qué morfismos de la materia en específico de los subcampos de las matemáticas como la teoría de grupos).

22voto

tariqsheikh Puntos 58

Incluso si todo lo que usted desea hacer es clasificar a grupos de hasta isomorfismo, entonces hay una muy importante colección de isomorfismo invariantes de un grupo de $G$, como sigue: dado otro grupo $H$, ¿existe un surjective homomorphism $G \mapsto H$?

Como un caso especial, estoy seguro de que estaría de acuerdo en que el ser abelian es un importante isomorfismo invariante. Una muy buena manera de probar que un grupo de $G$ no es abelian es para demostrar que tiene un homomorphism en un nonabelian grupo. Muchos nudo grupos resultó ser nonabelian exactamente de esta manera.

Como otro caso especial, el conjunto de homomorphisms de $G$ para el grupo de $\mathbb Z$ tiene la estructura de un grupo abelian (adición de cualquiera de las dos homomrophisms da otro; y cualquiera de las dos homomorphisms conmutar), este grupo abelian se llama la primera cohomology de $G$ con $\mathbb Z$ coeficientes, y se denota $H^1(G;\mathbb Z)$. Si $G$ es finitely generado, entonces, $H^1(G;\mathbb Z)$ es también finitely generado, y por lo tanto se puede aplicar la clasificación teorema de finitely generado abelian grupos de a $H^1(G;\mathbb Z)$. Cualquier grupo abelian isomorfismo invariantes aplicado a $H^1(G;\mathbb Z)$ son (ordinario) grupo de isomorfismo invariantes de $G$. Por ejemplo, el rango del grupo abelian $H^1(G;\mathbb Z)$, que es el más grande de $n$ tal que $\mathbb Z^n$ es isomorfo a un subgrupo de $H^1(G;\mathbb Z)$, es un grupo de isomorfismo invariantes de la $G$; este número $n$ puede ser descrito como el mayor número de "linealmente independiente" surjective homomorphisms $G \mapsto \mathbb Z$.

Yo podría seguir y seguir, pero aquí está el punto general: Cualquier cosa que usted puede "hacer" con un grupo de $G$ que utiliza sólo la estructura de grupo en la $G$ puede convertirse en un isomorfismo invariantes de la $G$. En particular, las propiedades de la homomorphisms de (o) $G$, y de los rangos (o dominios) de los homomorphisms, puede convertirse en isomorfismo invariantes de $G$. Muy útil!

14voto

user21820 Puntos 11547

Aquí está una lógica basada punto de vista sobre el uso de isomorphisms y homomorphisms. Cada primer orden de la estructura (por ejemplo, grupo, anillo, campo, módulo, ...) tiene asociado un (completa) de la teoría, esto es, el conjunto de todas las sentencias en su idioma, que son verdaderas para él. Por ejemplo, cada grupo satisface el grupo de axiomas. Algunos grupos $(G,·)$ satisfacer "$∀x,y\ ( x·y = y·x )$" (es decir, $(G,·)$ es abelian) mientras que otros no. Pero cualquier isomorfismo entre dos estructuras de $M,N$ inmediatamente le dice que su teoría es idéntico. Además, si no hay ningún homomorphism de $M$ a $N$, entonces cada frase positiva (es decir, una oración construida utilizando sólo $∀,∃,∧,∨,=$, es decir, no la negación o la implicación), que es cierto para $M$ también es cierto para $N$. Por ejemplo, un grupo abelian es una frase positiva, dando Lee Mosher's ejemplo de la prueba de que un grupo de nonabelian a través de un homomorphism en un nonabelian grupo.

Pero, de hecho, esta idea es mucho más ampliamente aplicable que puede parecer a primera! Por ejemplo, la prueba de que el 15 de rompecabezas en su estado resuelto, pero con cualquiera de los dos números intercambiados no puede ser resuelto se basa en la invariante de la paridad de la permutación de las 16 plazas así como de la distancia de la plaza vacía de su ubicación final. La paridad de la permutación en $S_n$ es sólo un homomorphism de $S_n$ a $\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}$, y esta invariante es muy útil en muchos de los resultados no sólo en la combinatoria, sino también en álgebra lineal (como Leibniz del determinante de la fórmula).

Sólo para dejar en claro cómo la idea se muestra en invariantes, supongamos que tenemos un rompecabezas y quiere demostrar que no hay secuencia de movimientos que puede conducir a un estado determinado. A continuación, se puede considerar que la estructura de $M$ de los estados con una función de símbolo para cada movimiento posible. Entonces la afirmación de que una de las secuencias de movimientos es una solución puede ser expresada como una ecuación de la forma "$y = f_1(f_2(\cdots f_k(x)\cdots))$". Un invariante $i$ es un homomorphism en $M$. En algunos casos, podemos encontrar una $i$ donde $i(f_k(x)) = i(x)$ por cada estado $x$, lo que da "$i(y) = i(x)$". Pero podemos, en general, quiere razonar acerca de las clases de equivalencia de los estados de acuerdo a $i$. Por ejemplo, muchos de permutación rompecabezas tienen paridades, que deben ser corregidos adecuadamente antes de los conmutadores pueden ser utilizadas para resolverlos.

Otro ejemplo es la liquidación de una trayectoria continua que evite el origen alrededor del origen. Deje $A$ el conjunto de continuo caminos que no pasan por el origen. Deje $s$ ser un ternario relación en $A$ tal que $s(P,Q,R)$ fib $P$ termina en donde $Q$ comienza y $R$ es el resultado de unir $P$ a $Q$. Hay un homomorphism $w$ de $(A,s)$ a $\mathbb{R}$ con la adición relación, de tal manera que el $w(C)∈\mathbb{Z}$ por cualquier camino cerrado $C∈A$. Devanado se utiliza en una prueba de la 2d teorema del valor intermedio.

Además, homomorphisms son útiles en la construcción de nuevas estructuras. Por ejemplo, un campo de $F$ puede ser extendido por el que se adhiere a la raíz de un polinomio irreducible $p$ sobre $F$, pero que muestra este hace uso de la homomorphism $j$ de $F[X]$ a $F[X]/(p·F[X])$ conseguir $p(j(X)) = j(p(X)) = j(0)$. Para otro ejemplo, la construcción de los reales a través de secuencias de Cauchy racionales podría decirse que requiere la noción de la división en clases, donde en cada clase cualquiera de los dos tienen pointwise diferencia va a cero, y efectivamente lo estamos demostrando que no hay un homomorphism en secuencias de Cauchy racionales cuyo núcleo es el conjunto de secuencias que se vaya a cero. Suena familiar (primer teorema de isomorfismo)?

Si nos fijamos en otras estructuras algebraicas, también tenemos el determinante de las matrices cuadradas, que es un homomorphism de la matriz de anillo en el subyacente anillo, y esto es muy útil en muchas pruebas. Cada módulo es esencialmente un anillo de homomorphisms en un abelian anillo. En geometría, puede ser útil el uso de la proyección de 3d a 2d, como en la prueba de Desargue del teorema. Aquí la proyección es un homomorphism que respeta la colinealidad.

En un sentido amplio, un trivial homomorphism reduce a una estructura más simple, respetando algunas operaciones y propiedades, y al hacerlo puede revelar características principales de la estructura original o permitir la transferencia de conocimientos acerca de la estructura inicial de conocimientos acerca de la imagen.

5voto

Shinwari Puntos 11

Libre monoid morfismos son estudiados en su propio derecho, en ciencias de la computación, ya que pueden utilizarse para imitar máquinas de Turing. Esto nos lleva a la famosa, fácil-a-decisión estatal problema llamado "Post de correspondencia del problema".

Deje $g, h: \Sigma^*\rightarrow\Delta^*$ ser dos monoid homomorphisms. El ecualizador de $g$ e $h$ es el conjunto de puntos donde ellos están de acuerdo, así que el conjunto $\operatorname{Eq}(g, h):=\{x\in\Sigma^*\mid g(x)=h(x)\}$. En 1946, Post codificado máquinas de Turing en monoid morfismos y, a través de la detención problema, resultó el siguiente:

Teorema. Es indecidible en general si $\operatorname{Eq}(g, h)$ es trivial o no.

La decisión subyacente problema se llama Post de correspondencia del problema, y es relativamente un tema estándar de ciencias de la computación a los estudiantes a aprender acerca de. Porque es tan fácil de estado (en comparación con la detención problema, o incluso a la palabra problema para sus objetos preferidos), que a menudo se utiliza en las pruebas de undecidability, por ejemplo, undecidability de la matriz de mortalidad problema. Para aplicaciones concretas, véase T. Harju y J. Karhumäki. "Morfismos." Manual de lenguajes formales. Springer, Berlín, Heidelberg, 1997. 439-510.

Permite terminar con un problema abierto. El decidability de Correos del correspondencia problema es dependiente del tamaño de $\Sigma$. Por ejemplo, es claramente decidable si $|\Sigma|=1$, mientras que es un teorema que es decidable para $|\Sigma|=2$. En 2015, se ha demostrado por Neary (doi) para ser indecidible para $|\Sigma|=5$.

Problema. Es el Post de correspondencia del problema decidable para $|\Sigma|=3$, y para $|\Sigma|=4$?

4voto

Joe Puntos 391

Una idea importante aquí es la Yoneda Lema, que dice (vagamente) que cualquier pregunta acerca de los objetos, cuya respuesta es invariante bajo isomorfismo de esos objetos puede ser convertida en una pregunta acerca de cómo ciertas composiciones de morfismos se comportan. Esto es útil porque significa que responder a preguntas concretas acerca de los objetos matemáticos se pueden reducir a responder resumen de las preguntas acerca de las propiedades algebraicas de la composición de la operación en una categoría (no importa lo que los objetos o los morfismos en realidad son en este momento!). Esto probablemente no es lo que buscaba, pero es la razón por la que la categoría de "teórico de la consigna de que lo que realmente cuenta es la morfismos no de los objetos" es tan penetrante, así que espero que ayude un poco.

3voto

Studer Puntos 1050

No se trata de grupos, pero aquí es un ejemplo. C$^*$-álgebras son álgebras de más de $\mathbb C$ que también llevan una involución $a\longmapsto a^*$, y un submultiplicative norma en virtud de la cual son completos; y la involución y de la norma están relacionados por $\|a^*a\|=\|a\|^2$.

Resulta que uno puede mostrar que para cualquier C$^*$-álgebra $A$ siempre hay un espacio de Hilbert $H$ y un inyectiva $*$-homomorphism $\pi:A\to B(H)$. La manera de demostrar este resultado notable es primero encontrar, para cada valor distinto de cero $a\in A$, un espacio de Hilbert $H_a$ e una $*$-homomorphism $\pi_a:A\to B(H_a)$ con $\pi(a)\ne0$ (esto se conoce como el GNS de la construcción). Tomando la suma directa de todas estas representaciones, uno obtiene una inyectiva uno (de los fieles, en la jerga).

Este es el principal ejemplo, pero el uso de representaciones (es decir, $*$-morfismos en algunos $B(H)$) es una ocurrencia regular en el área.

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