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¿Por qué es tan común en las matemáticas la propiedad distributiva?

Acabo de leer este post en el que se da un argumento geométrico para la ley distributiva de los números reales, que me ha gustado: http://math.stackexchange.com/a/466397/241685

Sin embargo, la ley distributiva viene de todas partes, no sólo para los números. Intersección de conjuntos y distribuye más de la unión, el interior de los productos de distribuir a través de adición de vectores, cuña de productos de distribuir a través de adición de vectores, anillo de multiplicación y distribuye más de anillo de la adición, la multiplicación de la matriz distribuye sobre la suma de la matriz, etc.

Es que somos intencionalmente en el estudio de sistemas que generalizar la ley distributiva de los números, o es que los sistemas de estudio que son interesantes suceder a generalizar la ley distributiva? Y de cualquier forma, ¿por qué es este el caso?

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celtschk Puntos 13058

Vamos a empezar muy fundamentalmente. Muchas de las matemáticas se refiere sobre conjuntos de objetos y conjuntos de funciones de asignación de uno o más de los objetos de uno a otro.

Veamos ahora el caso de que tenemos un conjunto de $X$ y una función de $f$ toma dos elementos de ese conjunto y le da una tercera, que es, $f:X\times X\to X$. Tenga en cuenta que esto es sólo una función arbitraria actuar sobre dos elementos de un conjunto arbitrario. Ahora bien, si tenemos una función de este tipo a menudo, nos gusta escribir $f(x,y)$ en un ligeramente más sencillo formulario. Esto por lo general es algo como $x*y$, $x\cdot y$ o, simplemente,$xy$, pero especialmente si $f(x,y)=f(y,x)$ (y en algunos casos raros, incluso si no), no es raro escribir $f(x,y)=x+y$. Bueno, por lo general, quieren un par de otras condiciones, pero por el momento no necesitamos ni aquellos. Así que en este punto, todo lo que nos importa es que el $x+y$ toma dos elementos de un conjunto $X$, y le da otro elemento del mismo conjunto de $X$.

Ahora echemos un vistazo a dos conjuntos de $X$$Y$, ambos vienen con sus propios $+_X$ $+_Y$ (esto incluye el caso de que $X=Y$$+_X=+_Y$). Ahora, como con cualquiera de los dos conjuntos, se puede considerar funciones de$X$$Y$. Sin embargo, hay ciertas funciones que son especiales: a Saber, las funciones de $\phi:X\to Y$ que respeten nuestras adiciones. Es decir, $\phi(x+y)=\phi(x)+\phi(x)$. Ahora bien, si hacemos esto mucho, nos puede gustar a omitir los paréntesis siempre que sea posible, es decir, escribir la función de la aplicación como producto de la función y el argumento. El ejemplo más importante de esto es que los operadores de álgebra lineal. Si hacemos eso, la mencionada ley se lee: $$\phi(x+y) = \phi x + \phi y$$ Voila, un distributiva de la ley!

Pero espere, hay más: Dadas dos funciones $\phi:X\to Y$$\chi:X\to Y$, es natural que se pregunte acerca de la función de $x\mapsto \phi(x)+\chi(x)$. Ahora esto le da una función operativo en funciones de $X\to Y$, que tiene dos funciones y devuelve una nueva función. Que la nueva función es exactamente la función que se aplica a $\phi$ $\chi$ a su argumento y, a continuación, añade que el resultado. Es natural considerar que la función en funciones también como la suma (el término técnico es "pointwise además"), y de nuevo denota con $+$. Así, utilizando el producto de la notación de función de la aplicación, que nos tienen, por definición, $$(\phi + \chi)x = \phi x + \chi x$$ Listo, otro distributiva de la ley!

OK, así que ahora, ¿de dónde los números? Bien, ahora vamos a considerar uno de los requisitos adicionales que no he hablado anteriormente: es decir, nosotros también requieren de una operación que queremos llamar a $+$ que es asociativa, es decir, $(a+b)+c = a+(b+c)$. Esto significa que cuando se suman muchas cosas, básicamente, puede omitir los paréntesis.

Esto significa, en particular, que si repetidamente agregar algo para , como $b+b+b+\dots+b$, lo que importa es cuántas $b$s que tienes en esa suma. Por lo tanto volvemos a introducir una nueva multiplicación, esta vez con un entero positivo $n$: $$nb = \underbrace{b+b+\dots+b}_{n\text{terms}}$$ Tenga en cuenta que esto también podría ser visto como una interpretación de la entero $n$ como una función que toma un argumento $b$ y devuelve una suma de $n$ $b$s. Es decir, hemos funciones \begin{align} 1&:x\mapsto x\\ 2&:x\mapsto x+x\\ 3&:x\mapsto x+x+x\\ &\vdots \end{align} Ahora nos preguntamos: ¿Son estas "número de funciones" de las funciones que respecto a la adición de la estructura? Bien, vamos a probar por ejemplo con $3$: \begin{align} 3(x+y) &= (x+y)+(x+y)+(x+y) && \text{Definition of multiplication with %#%#%}\\ &= x+y+x+y+x+y && \text{because we require associativity}\\ &= x+x+x+y+y+y && \text{because we earlier required *commutativity* (%#%#%)}\\ &= 3x + 3y && \text{again, definition of multiplication} \end{align} El mismo funciona de curso con cualquier $3$ (una estricta prueba matemática es ligeramente más implicado). Por lo tanto tenemos: $x+y=y+x$$ De nuevo, un distributiva de la ley.

Ahora, mediante la interpretación de los números como de las funciones como en el anterior, obtenemos una adición, es decir pointwise adición. Y por supuesto, tenemos que el número normal de adición. Pero no es difícil comprobar que los dos adiciones, de hecho, dan resultados idénticos, es decir, pueden considerarse como la misma suma.

Pero para pointwise además, ya sabemos que hay una ley distributiva, lo que lleva también a multiplicaciones con números: $n$$

OK, ahora vamos a considerar el caso en que $$n(x+y) = nx + ny$ es en realidad un conjunto de números por sí mismo, y $$(m+n)x = mx + nx$ es el normal de la adición de números. Entonces, evidentemente, usted recuperar la costumbre de la multiplicación, y la correspondiente ley distributiva.

Para la distribución, las leyes se producen naturalmente, en muchos contextos que sólo requieren que una operación binaria existe sin hacer ningún otro requisito, y preguntar acerca de las operaciones que respecto de la operación, y para las operaciones que implican números, sólo con el requisito adicional de que la suma es asociativa y conmutativa (dos cosas que generalmente la demanda de las operaciones que llamamos "suma").

7voto

Dac0 Puntos 1191

La propiedad distributiva es sólo una condición de compatibilidad de entre las operaciones. Si usted tiene dos operaciones es lógico pedir una condición que permitirá que estas operaciones se ajuste sin problemas junto, es decir, si usted tiene una suma y una multiplicación es muy natural para pedir que $$(a+b)v=av+bv.$$ Es claro que esa no es la única forma posible de combinar dos de la operación, pero es bastante natural. También podríamos no requieren son compatibles en todos, pero es claro que la suave combinación de dos estructuras diferentes en voz alta el surgimiento de propiedades maravillosas (mira la compatibilidad de la solicitud entre la estructura del grupo junto con el colector de la estructura que broght para el estudio de la Mentira de los Grupos). Así que es lógico imponer una compatibilidad de la condición y el estudio de lo que sucede cuando se satisfaga esta condición.

De una forma muy eficaz para ver este problema específico de la distributividad es ver a través de la relación entre los módulos y la representación, pero no estoy seguro de si usted está familiarizado con este lenguaje. Si es así puedo editar el post explicando.


EDIT: voy a explicar cómo ver este compatibilidad de uso de los módulos, sólo para la finalización de la causa. Los módulos son la generalización de los espacios vectoriales donde usted tiene un anillo en lugar de un campo escalar (significa que usted no tiene inverso multiplicativo sobre el campo escalar), para nuestro propósito que usted puede pensar en ellos como espacio vectorial de que va a funcionar de todos modos. Como usted puede comprender, de ser una generalización de los espacios vectoriales, son muy muy de la estructura fundamental de las matemáticas. Por lo tanto, créanme que no estamos hablando de algún tipo de exóticos olvidado y esotérico de la construcción, estamos hablando en un idioma diferente de algo tan básico que incluso incluyen espacios vectoriales como corolario.

Yo te daré la definición y, a continuación, analizar donde la distributividad parte viene. Un módulo es un anillo de $R$ (que será nuestro campo escalar) que actúa sobre un grupo abelian $M$ que será llamado el módulo. Las leyes de esta acción tiene que satisfacer son estos:

  1. $r\left(m+n\right)=rm+rn$;
  2. $r\left(sm\right)=\left(rs\right)m$;
  3. $\left(r+s\right)m=rm+sm$;
  4. $1m=m$.

¿Por qué digo que es una manera eficiente para ver la distributividad de actuar? Porque si se mira de cerca, aquí tienes dos distributividad de relaciones (es decir, 1 y 3) y es el resultado evidente de que estas relaciones son relaciones de compatibilidad entre dos estructuras diferentes que son (el anillo, que es la actuación y el grupo abelian que será el módulo). En otras palabras, evidenciate los diferentes roles de las cosas que están en otros ejemplos identificados generalmente togheter. Ahora para entender aún mejor que podemos pasar de la representación a la notación evidenciating la acción de un elemento de anillo para el elemento del módulo, es decir, voy a escribir $\rho(r)m$ en lugar de $rm$, es decir, $$\rho\left(r\right)m=rm.$$ Entonces usted tiene la primera relación $r\left(m+n\right)=rm+rn$ (que es la condición de linealidad en espacios vectoriales), que será $$\rho(r)(m+n)=\rho(r)m+\rho(r)n,$$ evidenciating this as a compatibility condition between the action of $R$ and the group operation on $M$. Mientras que la tercera condición $\left(r+s\right)m=rm+sm$ es leer $$\rho(r+s)(m) =\rho(r)(m)+\rho(s)(m),$$ que es solo la solicitud de la acción de ser un homomorphism de abelian grupos (usted quiere tener algo que en $M$ se comporta como $R$). Así como usted puede ver esta notación evidenciate las condiciones de compatibilidad entre los dos tipos de estructura que están subrayadas cuando pedimos la ley distributiva. Desafortunadamente, si usted no es el uso de este lenguaje probablemente no apreciar la connaturalidad de la construcción.

Un último pensamiento para confundir, sin duda: cualquier anillo de $R$ puede ser pensado como un módulo sobre la misma, así como un complejo de la línea puede ser pensado como un espacio vectorial de dimensión 1 sobre el complejo campo. Y eso es exactamente lo que debe pensar cuando usted está pensando acerca de la ley distributiva. La cosa es que en cualquier anillo hay dos estructura que son radicalmente diferentes (multiplicativo y aditivo) y usted está tratando de pegamento que les regalaron. Si sustituye el módulo de $M$ con el anillo en sí $R$ y repetir los pasos que me has hecho te darás cuenta de la diferencia entre estos dos estructura y las condiciones de compatibilidad que estás pidiendo en 1. y 3. que se suele solicitar como la distributividad de la ley. Está claro que todo el asunto aquí es sólo ilustrativo, ya que tautologically ya comenzaron con un anillo, pero es pedagógicas para ilustrar las diferentes funciones de las dos partes de la estructura.

1voto

Hurkyl Puntos 57397

La propiedad distributiva es un caso especial de un tipo más general de la conmutatividad , es decir, cuando el resultado de un cálculo no depende del orden de hacer las cosas.

Considere la posibilidad de la cuadrícula:

$$ \boxed{b}\boxed{c\phantom{b\!\!}} $$

Hay dos operaciones que usted desea hacer:

  • En cada columna, se aplican "multiplicar (a la izquierda) por $a$"
  • En cada fila, se aplican ", además de"

Si usted hace la primera operación de la primera, y la segunda operación en segundo lugar, la secuencia de los cálculos es $$ \boxed{b}\boxed{c\phantom{b\!\!}} \longrightarrow \boxed{ab}\boxed{ac\phantom{b\!\!}} \longrightarrow \boxed{ab + ac} $$ Si se realizan las dos operaciones, la otra manera alrededor, su cálculo se va $$ \boxed{b}\boxed{c\phantom{b\!\!}} \longrightarrow \boxed{b + c} \longrightarrow \boxed{a(b + c)} $$ El distributiva ley dice que estos dos operaciones de conmuta — que la de dos maneras diferentes que usted puede aplicar las operaciones tanto de producir el mismo resultado, por lo que usted tiene $$ ab + ac = a(b+c) $$

0voto

Rod Puntos 11

Si usted tiene un Abelian semigroup $(M,+)$ y otra función $\cdot : M^2 \to A$ donde $(A,+)$ es también Abelian semigroup, hay uno muy "obvio" manera de hacer $+$ $\cdot$ 'trabajar con cada uno de los otros': requerir algunas cosas para ser morfismos $M\to A$ y estas cosas son los mapas:

$$x\cdot \_ : M \to A, y\mapsto x\cdot y$$ $$\_\cdot y : M \to A, x\mapsto x\cdot y$$

donde $x,y\in M$. Esa es su distributividad allí. Si se acepta la noción de 'morfismos' como natural, sin duda esto es natural.

(Creo que esto incluye todos los ejemplos, salvo, quizás, la cuña de producto, ya que no sé lo que es).

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