Обратный элемент

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В математике понятие обратного элемента обобщает понятия противоположных ( −x ) и обратных ( 1/ x ) чисел.

Учитывая операцию , обозначенную здесь , и единичный элемент, обозначаемый e , если x y = e , говорят, что x является левой инверсией y , а y является правой инверсией x . (Единичный элемент — это такой элемент, что x * e = x и e * y = y для всех x и y , для которых определены левые части. [1] )

Когда операция ассоциативна имеет как левый обратный , , если элемент x так и правый обратный, то эти два обратных элемента равны и уникальны; их называют обратным элементом или просто обратным . Часто для указания операции добавляется прилагательное, например, в аддитивной инверсии , мультипликативной инверсии и функциональной инверсии . В данном случае (ассоциативная операция) обратимым элементом является элемент, имеющий обратный. В кольце , обратимый элемент также называемый единицей , — это элемент, обратимый при умножении (это не двусмысленно, поскольку каждый элемент обратим при сложении).

Обратные обычно используются в группах , где каждый элемент обратим, и в кольцах , где обратимые элементы также называются единицами . Они также часто используются для операций, которые не определены для всех возможных операндов, таких как обратные матрицы и обратные функции . Это было обобщено на теорию категорий , где по определению изоморфизм является обратимым морфизмом .

Слово «инверсия» происходит от латинского , слова inversus что означает «перевернутый», «перевернутый». Это может происходить из случая дробей , где (мультипликативное) обратное получается путем замены числителя и знаменателя (обратного дроби). является ).

Определения и основные свойства [ править ]

Понятия обратного элемента и обратимого элемента обычно определяются для бинарных операций , которые определены везде (то есть операция определена для любых двух элементов своей области определения ). Однако эти концепции также часто используются с частичными операциями , то есть операциями, которые не определены везде. Типичными примерами являются умножение матриц , композиция функций и композиция морфизмов в категории . Отсюда следует, что общие определения ассоциативности и единичного элемента должны быть распространены на частичные операции; этому посвящены первые подразделы.

В этом разделе X — это множество (возможно, собственный класс ), над которым определена частичная операция (возможно, полная), которая обозначается

Ассоциативность [ править ]

Частичная операция ассоциативна , если

для каждого x , y , z в X , для которого определен один из членов равенства; равенство означает, что другой член равенства также должен быть определен.

Примерами неполных ассоциативных операций являются умножение матриц произвольного размера и композиция функций .

Элементы идентичности [ править ]

Позволять быть возможно частичной ассоциативной операцией над множеством X .

Элемент идентичности или просто идентичность — это элемент e такой, что

для любых x и y , для которых определены левые части равенств.

Если e и f - два единичных элемента такие, что определено, то (Это следует непосредственно из определения, по )

Отсюда следует, что общая операция имеет не более одного единичного элемента, и если e и f — разные тождества, то не определен.

Например, в случае умножения матриц существует одна n × n единичная матрица размера для каждого положительного целого числа n , и две единичные матрицы разного размера не могут быть перемножены вместе.

Аналогично, функции идентичности являются элементами идентичности для функции композиции , а композиция функций идентичности двух разных наборов не определена.

Левая и правая инверсия [ править ]

Если где e — единичный элемент, говорят, что x левый обратный элемент y , а y правый обратный элемент x .

Левая и правая инверсия не всегда существуют, даже если операция тотальная и ассоциативная. Например, сложение — это полная ассоциативная операция над неотрицательными целыми числами , которая имеет 0 в качестве аддитивного тождества , а 0 — единственный элемент, который имеет аддитивную инверсию . Отсутствие обратных чисел является основной мотивацией преобразования натуральных чисел в целые.

Элемент может иметь несколько левых инверсий и несколько правых инверсий, даже если операция является тотальной и ассоциативной. Например, рассмотрим функции преобразования целых чисел в целые числа. Функция удвоения имеет бесконечно много левых обратных функций при композиции , которые представляют собой функции, которые делят на два четные числа и присваивают любое значение нечетным числам. Аналогично, каждая функция, которая отображает n в любой из или является правой обратной функцией , функция пола которая отображает n в или в зависимости от того, является ли n четным или нечетным.

В более общем смысле, функция имеет левую обратную для композиции функций тогда и только тогда, когда она инъективна , и она имеет правую обратную тогда и только тогда, когда она сюръективна .

В теории категорий правые обратные также называются секциями , а левые обратные называются ретракциями .

Реверс [ править ]

Элемент обратим относительно операции, если он имеет левую обратную и правую обратную.

В общем случае, когда операция ассоциативна, левый и правый обратный элемент равны и уникальны. Действительно, если l и r являются соответственно левым обратным и правым обратным x , то

Обратный элемент обратимого — это его уникальный левый или правый инверсный элемент.

Если операция обозначается как сложение, то обратный или аддитивный обратный элемент x обозначается В противном случае обратная величина x обычно обозначается или, в случае коммутативного умножения Если между несколькими операциями может возникнуть путаница, перед экспонентой можно добавить символ операции, например, в Обозначения обычно не используется для композиции функций , поскольку может использоваться для мультипликативного обратного .

Если x и y обратимы и определено, то является обратимым, а его обратным является

Обратимый гомоморфизм называется изоморфизмом . В В теории категорий обратимый морфизм также называется изоморфизмом .

В группах [ править ]

Группа , — это набор с ассоциативной операцией который имеет единичный элемент и для которого каждый элемент имеет обратный.

Таким образом, обратная — это функция от группы к себе, которую также можно рассматривать как операцию арности . Это также инволюция , поскольку инверсией обратного элемента является сам элемент.

Группа может действовать на множество как преобразования этого множества. В этом случае обратный элемента группы определяет преобразование, обратное преобразованию, определенному то есть преобразование, которое «отменяет» преобразование, определенное

Например, группа кубиков Рубика представляет собой конечные последовательности элементарных ходов. Обратная такая последовательность получается путем применения инверсии каждого хода в обратном порядке.

В моноидах [ править ]

Моноид это множество с ассоциативной операцией , имеющее единичный элемент .

Обратимые элементы в моноиде образуют группу при операции моноида.

Кольцо — это моноид для кольцевого умножения. В этом случае обратимые элементы также называются единицами и образуют группу единиц кольца.

Если моноид не является коммутативным , могут существовать необратимые элементы, имеющие левый инверсный или правый инверсный (а не оба, так как в противном случае элемент был бы обратимым).

Например, набор функций из множества в себя является моноидом при композиции функций . В этом моноиде обратимыми элементами являются биективные функции ; элементы, имеющие левые обратные, являются инъективными функциями , а элементы, имеющие обратные справа, — сюръективными функциями .

Учитывая моноид, можно расширить его, добавив инверсию к некоторым элементам. Обычно это невозможно для некоммутативных моноидов, но в коммутативном моноиде можно добавлять обратные элементы к элементам, имеющим свойство отмены (элемент x имеет свойство отмены, если подразумевает и подразумевает ). Такое расширение моноида допускается конструкцией группы Гротендика . Это метод, который обычно используется для построения целых чисел из натуральных чисел , рациональных чисел из целых чисел и, в более общем плане, поля частных целой области , а также локализации коммутативных колец .

В кольцах [ править ]

Кольцо это алгебраическая структура с двумя операциями — сложением и умножением , которые обозначаются как обычные операции над числами.

При сложении кольцо является абелевой группой , а это означает, что сложение коммутативно и ассоциативно ; он имеет тождество, называемое аддитивным тождеством и обозначаемое 0 ; и каждый элемент x имеет обратный, называемый аддитивным обратным и обозначаемый x . Из-за коммутативности понятия левых и правых инверсий бессмысленны, поскольку они не отличаются от инверсий.

При умножении кольцо является моноидом ; это означает, что умножение ассоциативно и имеет тождество, называемое мультипликативным тождеством и обозначаемое 1 . умножения Обратимый элемент называется единицей . Обратная или мультипликативная обратная (во избежание путаницы с аддитивными обратными) единицы x обозначается или, когда умножение коммутативно,

Аддитивная единица 0 никогда не является единицей, за исключением случаев, когда кольцо является нулевым кольцом , которого является 0 уникальным элементом .

Если 0 — единственная неединица, кольцо является полем, если умножение коммутативно, или телом в противном случае.

В некоммутативном кольце (т. е. кольце, умножение которого некоммутативно) необратимый элемент может иметь один или несколько левых или правых обратных. Так обстоит дело, например, с линейными функциями из бесконечномерного векторного пространства в себя.

Коммутативное кольцо (то есть кольцо, умножение которого коммутативно) может быть расширено путем добавления обратных элементов к элементам, которые не являются делителями нуля (то есть их произведение на ненулевой элемент не может быть 0 ). Это процесс локализации , который производит, в частности, поле рациональных чисел из кольца целых чисел и, в более общем плане, поле дробей области целого числа . Локализация также используется с делителями нуля, но в этом случае исходное кольцо не является подкольцом локализации; вместо этого он неинъективно отображается в локализацию.

Матрицы [ править ]

Умножение матриц обычно определяется для матриц над полем и напрямую распространяется на матрицы над кольцами , кольцами и полукольцами . Однако в этом разделе только матрицы над коммутативным кольцом рассматриваются из-за использования понятия ранга и определителя .

Если A матрица размера m × n (то есть матрица с m строками и n столбцами), а B матрица размера p × q , произведение AB определяется, если n = p , и только в этом случае. Единичная матрица , то есть единичный элемент для умножения матрицы, представляет собой квадратную матрицу (одинаковое число для строк и столбцов), все элементы главной диагонали которой равны 1 , а все остальные элементы равны 0 .

Обратимая матрица — это обратимый элемент при умножении матриц. Матрица над коммутативным кольцом R обратима тогда и только тогда, когда ее определитель равен единице в R (то есть обратим в R) . В этом случае ее обратная матрица может быть вычислена по правилу Крамера .

Если R — поле, определитель обратим тогда и только тогда, когда он не равен нулю. Поскольку случай полей более распространен, часто можно увидеть обратимые матрицы, определяемые как матрицы с ненулевым определителем, но это неверно для колец.

В случае целочисленных матриц (то есть матриц с целочисленными элементами) обратимая матрица — это матрица, обратная которой также является целочисленной матрицей. Такая матрица называется унимодулярной в отличие от матриц, обратимых над действительными числами . Квадратная целочисленная матрица является унимодулярной тогда и только тогда, когда ее определитель равен 1 или -1 , поскольку эти два числа являются единственными единицами в кольце целых чисел.

Матрица имеет левую обратную тогда и только тогда, когда ее ранг равен числу столбцов. Эта левая обратная не уникальна, за исключением квадратных матриц, где левая обратная равна обратной матрице. Точно так же правый обратный существует тогда и только тогда, когда ранг равен количеству строк; она не уникальна в случае прямоугольной матрицы и равна обратной матрице в случае квадратной матрицы.

Функции, гомоморфизмы и морфизмы [ править ]

Композиция — это частичная операция , которая обобщает гомоморфизмы алгебраических структур и морфизмы категорий в операции , которые также называются композицией и имеют много общих свойств с функциональной композицией.

В любом случае композиция ассоциативна .

Если и сочинение определяется тогда и только тогда, когда или, в случаях функции и гомоморфизма, В случаях функции и гомоморфизма это означает, кодобласть что равно или входит в область определения g . В случае морфизма это означает, кодобласть что равен области определения g .

Существует личность для каждого объекта X ( множества , алгебраической структуры или объекта также называется тождественной функцией ), который в случае функции .

Функция обратима тогда и только тогда, когда она является биекцией . Обратимый гомоморфизм или морфизм называется изоморфизмом. Гомоморфизм алгебраических структур является изоморфизмом тогда и только тогда, когда он является биекцией. Обратная биекция называется обратной функцией . В остальных случаях говорят об обратных изоморфизмах .

Функция имеет левую обратную или правую обратную тогда и только тогда, когда она инъективна или сюръективна соответственно. Гомоморфизм алгебраических структур, имеющий левую обратную или правую обратную, соответственно инъективен или сюръективен, но обратное неверно в некоторых алгебраических структурах. Например, обратное верно для векторных пространств , но не для модулей над кольцом: гомоморфизм модулей, который имеет левый обратный к правому обратному, называется соответственно расщепляемым эпиморфизмом или расщепляемым мономорфизмом . Эта терминология также используется для морфизмов в любой категории.

Обобщения [ править ]

В единой магме [ править ]

Позволять быть единичной магмой , то есть множеством с бинарной операцией и элемент идентификации . Если для , у нас есть , затем называется левой инверсией и называется правым обратным . Если элемент является одновременно левым и правым обратным , затем называется двусторонней инверсией или инверсией просто . Элемент с двусторонним обратным по называется обратимым в . Элемент, у которого обратный элемент только с одной стороны, является обратимым слева или обратимым справа .

Элементы единой магмы может иметь несколько левых, правых или двусторонних инверсий. Например, в магме, заданной таблицей Кэли

* 1 2 3
1 1 2 3
2 2 1 1
3 3 1 1

элементы 2 и 3 имеют по две двусторонние инверсии.

Единая магма, в которой все элементы обратимы, не обязательно должна быть петлей . Например, в магме заданный таблицей Кэли

* 1 2 3
1 1 2 3
2 2 1 2
3 3 2 1

каждый элемент имеет уникальную двустороннюю инверсию (а именно самого себя), но не является циклом, поскольку таблица Кэли не является латинским квадратом .

Точно так же цикл не обязательно должен иметь двусторонние инверсии. Например, в цикле, заданном таблицей Кэли

* 1 2 3 4 5
1 1 2 3 4 5
2 2 3 1 5 4
3 3 4 5 1 2
4 4 5 2 3 1
5 5 1 4 2 3

единственный элемент с двусторонним обратным - это единичный элемент 1.

Если операция ассоциативен , то если элемент имеет как левый обратный, так и правый обратный, они равны. Другими словами, в моноиде (ассоциативной единой магме) каждый элемент имеет не более одного обратного (как определено в этом разделе). В моноиде множество обратимых элементов представляет собой группу , называемую единиц группой и обозначается или Н 1 .

В полугруппе [ править ]

Определение в предыдущем разделе обобщает понятие инверсии в группе относительно понятия идентичности. Также возможно, хотя и менее очевидно, обобщить понятие обратного, отбросив единичный элемент, но сохранив ассоциативность; то есть в полугруппе .

В полугруппе S элемент x называется (фон Неймановым) регулярным, существует такой элемент z если в S , что xzx = x ; z иногда называют псевдообратным . Элемент y называется (просто) обратным элементу x , если xyx = x и y = yxy . У каждого регулярного элемента есть хотя бы один обратный элемент: если x = xzx , то легко проверить, что y = zxz является обратным элементом x , как определено в этом разделе. Еще один легко доказуемый факт: если y является обратным к x , то e = xy и f = yx являются идемпотентами , то есть ee = e и ff = f . Таким образом, каждая пара (взаимно) обратных элементов порождает два идемпотента, и ex = xf = x , ye = fy = y , и e действует как левое тождество на x , в то время как f действует как правое тождество, а левый / правые роли поменялись местами для y . Это простое наблюдение можно обобщить с помощью Грина : каждый идемпотент e в произвольной полугруппе является левым тождеством для Re e и правым тождеством для L соотношений . [2] Интуитивное описание этого факта состоит в том, что каждая пара взаимно обратных элементов дает локальную левую идентичность и, соответственно, локальную правую идентичность.

В моноиде понятие обратного, определенное в предыдущем разделе, строго уже, чем определение, данное в этом разделе. Только элементы класса Грина H 1 имеют инверсию с точки зрения единой магмы, тогда как для любого идемпотента e элементы He . имеют инверсию, как определено в этом разделе Согласно этому более общему определению, обратные не обязательно должны быть уникальными (или существовать) в произвольной полугруппе или моноиде. Если все элементы регулярны, то полугруппа (или моноид) называется регулярной, и каждый элемент имеет хотя бы один обратный. Если каждый элемент имеет ровно один обратный, как определено в этом разделе, то полугруппа называется обратной полугруппой . Наконец, инверсная полугруппа только с одним идемпотентом является группой. Обратная полугруппа может иметь поглощающий элемент 0, поскольку 000 = 0, а группа — нет.

За пределами теории полугрупп уникальную инверсию, определенную в этом разделе, иногда называют квазиинверсией . В целом это оправдано, поскольку в большинстве приложений (например, во всех примерах в этой статье) сохраняется ассоциативность, что делает это понятие обобщением левого/правого обратного относительно тождества (см. Обобщенное обратное ).

U -полугруппы [ править ]

Естественным обобщением обратной полугруппы является определение (произвольной) унарной операции ° такой, что ( а °)° = а для всех а из S ; это наделяет S алгеброй типа ⟨2,1⟩. Полугруппа, наделенная такой операцией, называется U -полугруппой . Хотя может показаться, что ° будет обратным к а , это не обязательно так. Чтобы получить интересное понятие(я), унарная операция должна каким-то образом взаимодействовать с полугрупповой операцией. два класса U -полугрупп: Изучены [3]

  • I -полугруппы , в которых аксиома взаимодействия аа ° а = а
  • *-полугруппы , в которых аксиома взаимодействия есть ( ab )° = b ° a °. операция называется инволюцией и обычно обозначается * Такая

Очевидно, что группа является одновременно I -полугруппой и *-полугруппой. Класс полугрупп, важный в теории полугрупп, — это вполне регулярные полугруппы ; это I -полугруппы, в которых дополнительно имеется аа ° = а ° а ; другими словами, каждый элемент имеет коммутирующий псевдообратный а °. Однако конкретных примеров таких полугрупп немного; большинство из них являются совершенно простыми полугруппами . Напротив, подкласс *-полугрупп, *-регулярные полугруппы (в смысле Дразина), дают один из наиболее известных примеров (уникальной) псевдообратной, инверсию Мура-Пенроуза . Однако в этом случае инволюция a * не является псевдообратной. Скорее, псевдообратным x является уникальный элемент y такой, что xyx = x , yxy = y , ( xy )* = xy , ( yx )* = yx . Поскольку *-регулярные полугруппы обобщают инверсные полугруппы, единственный элемент, определенный таким образом в *-регулярной полугруппе, называется обобщенной инверсией или инверсией Мура–Пенроуза .

Полукольца [ править ]

Примеры [ править ]

Во всех примерах в этом разделе используются ассоциативные операторы.

Связи с Галуа

Нижний и верхний сопряженные в (монотонной) связности Галуа , L и G квазиобратны друг другу; то есть LGL = L и GLG = G , и одно однозначно определяет другое. Однако они не являются левыми или правыми инверсиями друг друга.

Обобщенные обратные матрицы [ править ]

Квадратная матрица с записями в поле обратима (в множестве всех квадратных матриц одинакового размера при умножении матриц ) тогда и только тогда, когда ее определитель отличен от нуля. Если определитель равен нулю, то для него не может быть одностороннего обратного; поэтому левый инверсный или правый инверсный подразумевает существование другого. см. в разделе «Обратимая матрица» Дополнительную информацию .

В более общем смысле, квадратная матрица над коммутативным кольцом. обратима тогда и только тогда, когда ее определитель обратим в .

Неквадратные матрицы полного ранга имеют несколько односторонних обратных: [4]

  • Для у нас остались инверсы; например,
  • Для у нас есть правые обратные; например,

Левое обратное можно использовать для определения решения наименьшей нормы , что также является формулой наименьших квадратов для регрессии и определяется выражением

Ни одна матрица с недостатком ранга не имеет обратной (даже односторонней) обратной. Однако обратная матрица Мура-Пенроуза существует для всех матриц и совпадает с левой или правой (или истинной) обратной, если она существует.

В качестве примера обратных матриц рассмотрим:

Итак, поскольку m < n , мы имеем правый обратный: По компонентам вычисляется как

Левого обратного не существует, потому что

которая является сингулярной матрицей и не может быть инвертирована.

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Обычное определение единичного элемента было обобщено для включения тождественных функций в качестве единичных элементов для композиции функций и единичных матриц в качестве единичных элементов для умножения матриц .
  2. ^ Хауи, реквизит. 2.3.3, с. 51
  3. ^ Хоуи стр. 102
  4. ^ «Лекция профессора Массачусетского технологического института Гилберта Стрэнга по линейной алгебре № 33 - Левая и правая инверсия; псевдообратная» .

Ссылки [ править ]

  • М. Килп, У. Кнауэр, А. В. Михалев, Моноиды, действия и категории с приложениями к сплетениям и графам , Изложения Де Грюйтера по математике, том. 29, Вальтер де Грюйтер, 2000 г., ISBN   3-11-015248-7 , с. 15 (определение в единой магме) и с. 33 (защита в полугруппе)
  • Хауи, Джон М. (1995). Основы теории полугрупп . Кларендон Пресс . ISBN  0-19-851194-9 . содержит весь материал о полугруппах, кроме *-регулярных полугрупп.
  • Дразин М.П., ​​Регулярные полугруппы с инволюцией , Тр. Симп. о регулярных полугруппах (ДеКалб, 1979), 29–46.
  • Миюки Ямада, P-системы в регулярных полугруппах , Semigroup Forum , 24 (1), декабрь 1982 г., стр. 173–187.
  • Нордаль Т.Е. и Х.Е. Шейблих, Регулярные * полугруппы, Semigroup Forum , 16 (1978), 369–377.