Ασκησεις Βασικης Αλγεβρας

Αποστολος Μπεληγιαννης

Απόστολος Μπεληγιάννης

ΚαθηγητήςΤµήµα Μαθηµατικών

Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων

Ασκήσεις Βασικής ΄Αλγεβρας

Ιωαννινα∆εκεµβριος 2015

Ασκήσεις Βασικής ΄Αλγεβρας

ΣυγγραφήΑπόστολος Μπεληγιάννης

Κριτικός αναγνώστηςΝικόλαος-Θεοδόσιος Μαρµαρίδης

Copyright ©ΣΕΑΒ, 2015

Το παρόν έργο αδειοδοτείται υπό τους όρους της άδειας Creative Commons Αναφορά ∆ηµιουργού - ΜηΕµπορική Χρήση - Παρόµοια ∆ιανοµή 3.0. Για να δείτε ένα αντίγραφο της άδειας αυτής επισκεφτείτε τον

ιστότοπο https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/

ΣΥΝ∆ΕΣΜΟΣ ΕΛΛΗΝΙΚΩΝ ΑΚΑ∆ΗΜΑΪΚΩΝ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΩΝ

Εθνικό Μετσόβιο ΠολυτεχνείοΗρώων Πολυτεχνείου 9, 15780 Ζωγράφου

http://www.kallipos.gr

ISBN: 978-960-603-259-2

https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/http://www.kallipos.gr

Στη Χριστίνα και στον ∆ηµήτρη

Περιεχόµενα

Πρόλογος 1

I Θεωρία Οµάδων 2

1 Σχέσεις Ισοδυναµίας, Πράξεις και Μονοειδή 31.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.1 Σχέσεις µερικής διάταξης . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.2 Το ∆ιάγραµµα Hasse ενός Μερικώς ∆ιατεταγµένου Συνόλου . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.3 Σχέσεις Ισοδυναµίας και ∆ιαµερίσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.4 Πράξεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1.5 Μονοειδή . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2 Παραδείγµατα . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.3 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.4 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2 Οµάδες και Υποοµάδες 532.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.1.1 Η ΄Εννοια της Οµάδας - Βασικές Ιδιότητες Οµάδων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.1.2 Στοιχειώδεις Ιδιότητες Οµάδων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.1.3 Ο Πίνακας Cayley µιας Οµάδας . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.1.4 Υποοµάδες . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.1.5 Το ∆ιάγραµµα Hasse των Υποοµάδων µιας Οµάδας . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.1.6 Τοµή Υποοµάδων και Υποοµάδες Παραγόµενες από Υποσύνολα - Κυκλικές Υποοµάδες 602.1.7 Χαρακτηριστικές Υποοµάδες µιας Οµάδας - Κανονικές Υποοµάδες . . . . . . . . . . . . 622.1.8 Ευθέα Γινόµενα Οµάδων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.1.9 Ισοµορφισµοί Οµάδων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.2 Παραδείγµατα . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692.3 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.4 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3 Το Θεώρηµα του Lagrange και οι Εφαρµογές του 1183.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

3.1.1 Τάξη Στοιχείου και Οµάδας . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1183.1.2 Πλευρικές Κλάσεις και το Θεώρηµα του Lagrange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1193.1.3 Η ∆οµή των Κυκλικών Οµάδων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

3.2 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.2.1 Τάξη στοιχείου και Οµάδας . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1233.2.2 Πλευρικές Κλάσεις, Τάξεις, και ∆είκτες . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

3.3 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

v

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ vi

4 Οµάδες Μεταθέσεων 1984.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1984.2 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2034.3 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

5 Οµάδες-Πηλίκα και τα Θεωρήµατα Ισοµορφισµών 2335.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

5.1.1 Κανονικές Υποοµάδες και Οµάδες-Πηλίκα . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2335.1.2 Τα Θεωρήµατα Ισοµορφισµών . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

5.2 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2375.3 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

II Θεωρία ∆ακτυλίων 311

6 ∆ακτύλιοι και Υποδακτύλιοι 3126.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

6.1.1 ∆ακτύλιοι και Υποδακτύλιοι . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3126.1.2 Παραδείγµατα και Κατασκευές ∆ακτυλίων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3146.1.3 Τύποι Στοιχείων και ∆ακτυλίων - Χαρακτηριστική ∆ακτυλίου . . . . . . . . . . . . . . . . 317

6.2 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3186.3 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344

7 Ιδεώδη, ∆ακτύλιοι-Πηλίκα και τα Θεωρήµατα Ισοµορφισµών 3507.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

7.1.1 Ιδεώδη . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3507.1.2 ∆ακτύλιοι Πηλίκα και τα Θεωρήµατα Ισοµορφισµών . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

7.2 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3547.3 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

8 ∆ακτύλιοι Πολυωνύµων και Σώµατα Κλασµάτων 3878.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

8.1.1 ∆ακτύλιοι Πολυωνύµων και Τυπικών ∆υναµοσειρών . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3878.1.2 Σώµατα Κλασµάτων . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

8.2 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3928.3 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

9 Πρώτα και Μέγιστοτικά Ιδεώδη 4089.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408

9.1.1 Μεγιστοτικά Ιδεώδη . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4089.1.2 Πρώτα Ιδεώδη . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

9.2 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4119.3 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

10 ∆ακτύλιοι Κυρίων Ιδεωδών και Περιοχές Μονοσήµαντης Ανάλυσης 43710.1 Συνοπτική Θεωρία . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437

10.1.1 Περιοχές Κυρίων Ιδεωδών . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43710.1.2 Περιοχές Μονοσήµαντης Ανάλυσης . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

10.2 Λυµένες Ασκήσεις . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44310.3 Προτεινόµενες Ασκήσεις Προς Λύση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

Ευρετήριο 464

Βιβλιογραφία 468

Πρόλογος

Το παρόν ϐιβλίο ασκήσεων είναι συνοδευτικό ενός τυπικού συγγράµατος ϐασικής ΄Αλγεβρας προπτυχιακούεπιπέδου, και σκοπός του είναι να ϐοηθήσει τον αναγνώστη, µέσω αναλυτικής επίλυσης ασκήσεων διάφορωνεπιπέδων δυσκολίας, ϑεµατικής και περιεχοµένου, να κατανοήσει τις ϑεµελιώδεις αρχές, τις τεχνικές και τιςµεθόδους της ϐασικής ΄Αλγεβρας.

Το κύριο µέρος του κειµένου είναι αφιερωµένο στην αναλυτική επίλυση ασκήσεων οι οποίες αφορούνδύο εκ των ϑεµελιωδέστερων δοµών της σύγχρονης ΄Αλγεβρας, της δοµής οµάδας και της δοµής δακτυλίου,καθώς και των εφαρµογών τους. Το κείµενο χωρίζεται σε δύο ϑεµατικά µέρη (Θεωρία Οµάδων και Θεωρία∆ακτυλίων) και αποτελείται από δέκα κεφάλαια.

Στο πρώτο Κεφάλαιο επιλύονται ασκήσεις από την γενική ϑεωρία σχέσων ισοδυναµίας, πράξεων, καιµονοειδών. Στο δεύτερο Κεφάλαιο επιλύονται ασκήσεις από τη στοιχειώδη ϑεωρία οµάδων και υποοµάδων.Το τρίτο Κεφάλαιο είναι αφιερωµένο στην επίλυση ασκήσεων οι οποίες σχετίζονται µε το Θεώρηµα τουLagrange και των εφαρµογών του. Στο τέταρτο Κεφάλαιο επιλύονται ασκήσεις από τη γενική ϑεωρία οµάδωνµεταθέσεων. Στο πέµπτο Κεφάλαιο επιλύονται ασκήσεις οι οποίες σχετίζονται µε τη ϑεωρία οµάδων πηλίκοκαι τη ϑεωρία οµοµορφισµών οµάδων, και δίνονται εφαρµογές των Θεωρηµάτων Ισοµορφισµών Οµάδων. Τοέκτο Κεφάλαιο είναι αφιερωµένο στην επίλυση ασκήσεων από τη γενική ϑεωρία δακτυλίων και υποδακτυλίων.Στο έβδοµο Κεφάλαιο επιλύονται ασκήσεις από τη ϑεωρία ιδεωδών και δακτυλίων πηλίκο, και ασκήσεις οιοποίες αποτελούν εφαρµογές των Θεωρηµάτων Ισοµορφισµών δακτυλίων. Στο όγδοο Κεφάλαιο επιλύονταιασκήσεις από τη γενική ϑεωρία πολυωνυµικών δακτυλίων και σωµάτων κλασµάτων. Στο ένατο Κεφάλαιοεπιλύονται ασκήσεις οι οποίες σχετίζονται µε τη ϐασική ϑεωρία πρώτων και µεγιστοτικών ιδεωδών ενόςδακτυλίου. Στο δέκατο Κεφάλαιο επιλύονται ασκήσεις µε ϐάση τη ϑεωρία δακτυλίων κυρίων ιδεωδών καιπεριοχών µονοσήµαντης ανάλυσης.

Σε κάθε κεφάλαιο παρατίθεται συνοπτική ϑεωρία, µε παραδείγµατα αλλά χωρίς αποδείξεις, η οποίαχρησιµοποιείται στην επίλυση των ασκήσεων. Η απαιτούµενη ϑεωρία στην πλήρη ανάπτυξή της µε απο-δείξεις µπορεί να ϐρεθεί σε οποιοδήποτε ϐιβλίο ϐασικής ΄Αλγεβρας, όπως τα ϐιβλία τα οποία παρατίθενταιστην ϐιβλιογραφία στο τέλος του κειµένου. Στη συνέχεια επιλύονται ασκήσεις διάφορων επιπέδων δυσκολίαςκαι ϑεµατικής (ασκήσεις κατανόησης, ϑεωρητικές και υπολογιστικές ασκήσεις). Τέλος σε κάθε Κεφάλαιοπαρατίθεται σειρά ασκήσεων προς λύση. Συνολικά περιέχονται στο κείµενο περίπου 850 ασκήσεις : 430λυµένες ασκήσεις και 420 άλυτες ασκήσεις. Στον αναγνώστη συστήνεται να κατανοήσει σε ϐάθος την α-παιτούµενη ϑεωρία, και αφού µελετήσει τις µεθόδους οι οποίες χρησιµοποιούνται στην αναλυτική επίλυσητων ασκήσεων, να προσπαθήσει να λύσει όσο το δυνατόν µεγαλύτερο αριθµό ασκήσεων από αυτές οι οποίεςπροτείνονται προς λύση στο τέλος κάθε Κεφαλαίου.

Στο τέλος του κειµένου παρατίθεται ενδεικτική ϐιβλιογραφία η οποία χρησιµοποιήθηκε στη συγγραφήτων σηµειώσεων και η οποία µπορεί να αποτελέσει ϐάση για µια περαιτέρω µελέτη των κύριων στοιχείων τηςΣύγχρονης ΄Αλγεβρας και των εφαρµογών της από τον ενδιαφερόµενο αναγνώστη.

Στο κείµενο ϑεωρούµε γνωστές στοιχειώδεις έννοιες και αποτελέσµατα καθώς και συµβολισµούς απότα σύνολα και τη ϑεωρία διαιρετότητας ακεραίων, και υποθέτουµε ότι ο αναγνώστης έχει οικειότητα µε τασυνήθη σύνολα αριθµών: το σύνολο N των ϕυσικών αριθµών, το σύνολο Z των ακεραίων αριθµών, το σύνολοQ των ϱητών αριθµών, το σύνολο R των πραγµατικών αροθµών, και το σύνολο C των µιγαδικών αριθµών.

Απόστολος ΜπεληγιάννηςΙωάννινα, ∆εκέµβριος 2015

1

Μέρος I

Θεωρία Οµάδων

2

Κεφάλαιο 1

Σχέσεις Ισοδυναµίας, Πράξεις καιΜονοειδή

1.1 Συνοπτική Θεωρία

Στην παρούσα ενότητα υπενθυµίζουµε εν συντοµία ϐασικές έννοιες και αποτελέσµατα αναφορικά µε: (α)τις σχέσεις µερικής διάταξης και των επαγόµενων διαγραµµάτων Hasse ενός µερικώς διατεταγµένου συνό-λου, (β) τις σχέσεις ισοδυναµίας και των διαµερίσεων επί ενός συνόλου, (γ) τις διµελείς πράξεις και τωνεπαγόµενων διαγράµµάτων Cayley µιας πράξης. Τέλος υπενθυµίζουµε τις ϐασικές έννοιες, ιδιότητες, καιαποτελέσµατα µονοειδών και των οµοµορφισµών τους.

Σύνολα Αριθµών: Από τώρα και στο εξής ϑα χρησιµοποιούµε τα εξής οικεία σύµβολα:

N= {1,2, · · · ,n, · · ·}, N0 = {0,1,2, · · · ,n, · · ·}, Nn = {1,2, · · · ,n}Z= { · · · ,−n, · · · ,−1,0,1, · · · ,n, · · · ,}, Q= { a

b| a,b ∈Z, b 6= 0

}για τα σύνολα: N των ϕυσικών αριθµών, N0 των ϕυσικών αριθµών µαζί µε το 0, Nn των n πρώτων ϕυσικώναριθµών, Z των ακεραίων αριθµών, και Q των ϱητών αριθµών.

Επιπρόσθετα συµβολίζουµε µε R το σύνολο των πραγµατικών αριθµών και µε C το σύνολο των µιγαδικώναριθµών, και ϑεωρούµε γνωστές τις ϐασικές στοιχειώδεις ιδιότητες των συνόλων αριθµών: N, Z, Q, R, και C.

1.1.1 Σχέσεις µερικής διάταξης

΄Εστω X και Y δύο µη-κενά σύνολα. Μια (διµελής) σχέση R από το σύνολο X στο σύνολο Y είναι έναυποσύνολο R του καρτεσιανού γινοµένου X ×Y , δηλαδή R ⊆ X ×Y . Μια σχέση R επί του συνόλου Xκαλείται σχέση επί του X .

Συµβολισµός: Αν R είναι µια σχέση από το σύνολο X στο σύνολο Y , και (x, y) ∈ R ⊆ X ×Y , τότε ϑαγράφουµε:

x R y ή x ∼R y ή x ≡ y(R)Οι σηµαντικότερες ιδιότητες τις οποίες µπορεί να ικανοποιεί ή να µην ικανοποιεί µια σχέση R επί ενός

µη-κενού συνόλου X είναι οι ακόλουθες :

∀x ∈ X : (x, x) ∈R (ανακλαστική ιδιότητα)∀x, y ∈ X : (x, y) ∈R =⇒ (y, x) ∈R (συµµετρική ιδιότητα)

∀x, y ∈ X : (x, y) ∈R και (y, x) ∈R =⇒ x = y (αντισυµµετρική ιδιότητα)∀x, y, z ∈ X : (x, y) ∈R και (y, z) ∈R =⇒ (x, z) ∈R (µεταβατική ιδιότητα)

3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 4

Οι κυριότερες κατηγορίες σχέσεων οι οποίες ορίζονται επί ενός συνόλου είναι οι σχέσεις µερικής διάταξης,οι απεικονίσεις, και οι σχέσεις ισοδυναµίας.

Ορισµός 1.1.1. Μια σχέση R ⊆ X × X επί του συνόλου X καλείται σχέση µερικής διάταξης αν η Rικανοποιεί (α) την ανακλαστική ιδιότητα, (β) την αντισυµµετρική ιδιότητα, και (γ) την µεταβατική ιδιότητα.

Συνήθως µια σχέση µερικής διάταξης R επί ενός συνόλου X συµβολίζεται µε ένα από τα παρακάτωσύµβολα

≤, 4, ., /, j, E, l, -, · · ·΄Ετσι ϑα γράφουµε x 4R y αντί (x, y) ∈R αν η R είναι µια σχέση µερικής διάταξης επί του συνόλου X . Ανείναι µάλιστα σαφές για ποια σχέση µερικής διάταξης R πρόκειται, τότε γράφουµε απλώς x 4 y. Γενικά, ανx, y ∈ X , τότε γράφουµε:

x ≺R y, αν x 4R y και x 6= yΜια σχέση µερικής διάταξης «4» επί του X καλείται σχέση ολικής διάταξης αν επιπλέον ικανοποιείται

η ακόλουθη ιδιότητα :∀x, y ∈ X : είτε x 4 y ή y 4 x

΄Ενα µερικώς διατεταγµένο σύνολο είναι ένα Ϲεύγος (X ,4) όπου το X είναι ένα µη-κενό σύνολο και«4» είναι µια σχέση µερικής διάταξης επί του X . ΄Ενα ολικώς διατεταγµένο σύνολο είναι ένα Ϲεύγος (X ,4)όπου το X είναι ένα µη-κενό σύνολο και «4» είναι µια σχέση ολικής διάταξης επί του X . Σηµειώνουµε ότιαν Y ⊆ X είναι ένα µη-κενό υποσύνολο του X , τότε το Ϲεύγος (Y ,4′) είναι ένα µερικώς διατεταγµένο σύνολο,όπου «4′» συµβολίζει τον περιορισµό στο Y της σχέσης µερικής διάταξης «4» επί του X . Με άλλα λόγια ησχέση «4′» ορίζεται, ∀y1, y2 ∈ Y , ως εξής : y14′ y2 αν και µόνον αν y14 y2.

΄Εστω (X ,4) ένα µερικώς διατεταγµένο σύνολο. Θεωρούµε ένα µη-κενό υποσύνολο S ⊆ X του X .(α) ΄Ενα άνω ϕράγµα για το S είναι ένα στοιχείο x ∈ X έτσι ώστε : s 4 x, ∀s ∈ S. ΄Ενα ελάχιστο άνω

ϕράγµα για το S είναι ένα άνω ϕράγµα z ∈ X για το S έτσι ώστε z 4 y για κάθε άλλο άνω ϕράγµα yγια το S. Προφανώς ένα ελάχιστο άνω ϕράγµα για το S, αν υπάρχει, είναι µοναδικό. Το ελάχιστοι άνωϕράγµα του συνόλου S, συµβολίζεται µε

∨S, και αν S = {a,b}, τότε ϑα γράφουµε: ∨S = a ∨b.

(β) ΄Ενα κάτω ϕράγµα για το S είναι ένα στοιχείο x ∈ X έτσι ώστε : x 4 s, ∀s ∈ S. ΄Ενα µέγιστο κάτωϕράγµα για το S είναι ένα κάτω ϕράγµα w ∈ X για το S έτσι ώστε y 4w για κάθε άλλο κάτω ϕράγµα yγια το S. Προφανώς ένα µέγιστο κάτω ϕράγµα για το S, αν υπάρχει, είναι µοναδικό. Το µέγιστο κάτωϕράγµα του συνόλου S, συµβολίζεται µε

∧S, και αν S = {a,b}, τότε ϑα γράφουµε: ∧S = a ∧b.

Για µελλοντική χρήση, σηµειώνουµε τον ακόλουθο ορισµό ο οποίος περιγράφει µια σηµαντική κλάσηµερικώς διατεταγµένων συνόλων.

Ορισµός 1.1.2. ΄Ενα µερικώς διατεταγµένο σύνολο (X ,4) καλείται σύνδεσµος1, αν κάθε Ϲεύγος στοιχείωντου a,b ∈ X , υπάρχει το µέγιστο κάτω ϕράγµα a ∧b στο X , και το ελάχιστο άνω ϕράγµα a ∨b στο X .

΄Ενας σύνδεσµος (X ,4) καλείται πλήρης σύνδεσµος, αν κάθε µη-κενό υποσύνολο S ⊆ X , έχει µέγιστοκάτω ϕράγµα

∧S στο X , και ελάχιστο άνω ϕράγµα

∨S στο X .

Κλείνουµε την παρούσα ενότητα µε µια ισχυρότατο αποδεικτικό εργαλείο. Υπενθυµίζουµε πρώτα ότι έναστοιχείο m σε ένα µερικώς διατεταγµένο σύνολο (X ,4) καλείται µεγιστοτικό στοιχείο, αν : ∀x ∈ X , m4 x=⇒ m = x.

Λήµµα 1.1.3 (Λήµµα του Zorn). ΄Εστω (X ,4) ένα µερικώς διατεταγµένο σύνολο και υποθέτουµε ότι κάθε ολικώςδιατεταγµένο υποσύνολο S του X έχει ένα άνω ϕράγµα στο X . Τότε το (X ,4) έχει µεγιστοτικό στοιχείο. ■

1Σύνδεσµος : Ελληνική απόδοση του όρου ‘‘lattice’’.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 5

1.1.2 Το ∆ιάγραµµα Hasse ενός Μερικώς ∆ιατεταγµένου Συνόλου

΄Ενα µερικώς διατεταγµένο σύνολο (X ,4) µπορεί να περιγραφεί από ένα διάγραµµα, το οποίο καλείταιδιάγραµµα Hasse του (X ,4), το οποίο αποτελείται από κορυφές και ακµές, και το οποίο περιέχει όλες τιςουσιώδεις πληροφορίες σχετικά µε το X ως µερικώς διατεταγµένο σύνολο.

Για τον ορισµό του διαγράµµατος Hasse χρειαζόµαστε την έννοια της κάλυψης στοιχείων του X . ΄Εστωx, y δύο στοιχεία του µερικώς διατεταγµένου συνόλου (X ,4). Το διάγραµµα Hasse του (X ,4) έχει ωςκορυφές σηµεία τα οποία είναι σε «1-1» και «επί» αντιστοιχία µε τα στοιχεία του X . ∆ύο κορυφές τουδιαγράµµατος οι οποίες αναπαριστούν τα στοιχεία x, y του X , ενώνονται µε µια ακµή, αν το y είναι κάλυψητου x, δηλαδή x ≺ y και δεν υπάρχει στοιχείο z ∈ X έτσι ώστε x ≺ z ≺ y, και τότε τοποθετούµε τη κορυφή yυπεράνω της κορυφής x. Γενικά οι κορυφές του διαγράµµατος Hasse οι οποίες αντιστοιχούν στα στοιχείατού X τοποθετούνται στο διάγραµµα κατά τέτοιον τρόπο, ώστε αν τα x, y είναι στοιχεία του X µε x ≺ y, τότεη κορυφή η οποία αντιστοιχεί στο x να κείται χαµηλότερα από την κορυφή που αντιστοιχεί στο y. Χάρινευκολίας από τώρα και στο εξής ταυτίζουµε τις κορυφές του διαγράµµατος Hasse του µερικώς διατεταγµένουσυνόλου (X ,4) µε τα στοιχεία του X .

1.1.3 Σχέσεις Ισοδυναµίας και ∆ιαµερίσεις

΄Εστω X ένα µη-κενό σύνολο.

Ορισµός 1.1.4. Μια σχέση ισοδυναµίας επί του X είναι µια σχέση R ⊆ X ×X επί του X , η οποία ικανοποιείτις ακόλουθες τρεις ιδιότητες : (α) την ανακλαστική ιδιότητα, (β) τη συµµετρική ιδιότητα, και (γ) τη µεταβατικήιδιότητα :

∀x ∈ X : (x, x) ∈R (ανακλαστική ιδιότητα)∀x, y ∈ X : (x, y) ∈R =⇒ (y, x) ∈R (συµµετρική ιδιότητα)

∀x, y, z ∈ X : (x, y) ∈R και (y, z) ∈R =⇒ (x, z) ∈R (µεταβατική ιδιότητα)΄Οπως και στο εδάφιο τών σχέσεων, αντί (x, y) ∈ R, συχνά ϑα χρησιµοποιούµε έναν εκ των παρακάτω

συµβολισµών:x R y ή x ∼R y ή x ≡ y(R)

΄Εστω R µια σχέση ισοδυναµίας επί του συνόλου X . Αν x ∈ X , η κλάση ισοδυναµίας του x ως προς τηνR ορίζεται να είναι το ακόλουθο σύνολο:

[x]R ={

y ∈ X | y ∼R x} ⊆ X

Επειδή x ∼R x, έπεται ότι x ∈ [x]R και άρα η κλάση ισοδυναµίας κάθε στοιχείου x ∈ X είναι πάντοτεδιάφορη του κενού συνόλου.

Το σύνολο X /R όλων των κλάσεων ισοδυναµίας των στοιχείων του X

X /R = {[x]R ⊆ X | x ∈ X }ως προς τη σχέση ισοδυναµίας R, καλείται το σύνολο-πηλίκο του X ως προς την R. Σηµειώνουµε ότικάθε στοιχείο του X /R είναι ένα υποσύνολο του X , και εποµένως το σύνολο πηλίκο είναι µια συλλογήυποσυνόλων του X .

Η απεικόνιση κανονικής προβολής του X επί του συνόλου πηλίκο X /R του X ως προς τη σχέσηισοδυναµίας R ορίζεται να είναι η απεικόνιση

πR : X −→ X /R, πR(x) = [x]Rη οποία είναι προφανώς απεικόνιση «επί».

Σηµειώνουµε ότι αν x, y ∈ X , τότε :

x ∼R y ⇐⇒ x ∈ [y]R ⇐⇒ y ∈ [x]R ⇐⇒ [x]R = [y]R

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 6

Εποµένως αν y ∈ [x]R , τότε [x]R = [y]R και γι΄ αυτό κάθε στοιχείο y ∈ [x]R , καλείται αντιπρόσωπος τηςκλάσης ισοδυναµίας [x]R . Προφανώς, αφού x ∼R x, το x είναι ένας αντιπρόσωπος της κλάσης ισοδυναµίαςτου [x]R . Από την άλλη πλευρά, δύο κλάσεις ισοδυναµίας είτε ταυτίζονται είτε είναι ξένες :

Είτε [x]R = [y]R ή [x]R ∩ [y]R =;

Συνοψίζοντας, η συλλογή των κλάσεων ισοδυναµίας των στοιχείων του X ως προς τη σχέση ισοδυναµίας Rικανοποιεί τις παρακάτω ιδιότητες :

1. ∀x ∈ X : [x]R 6= ;.2. ∀x, y ∈ X : είτε [x]R = [y]R είτε [x]R ∩ [y]R =;.3. X =⋃x∈X [x]R .Οι παραπάνω ιδιότητες µας οδηγούν ϕυσιολογικά στην έννοια της διαµέρισης ενός συνόλου, µε την

έννοια του ακόλουθου ορισµού:

Ορισµός 1.1.5. Μια διαµέριση του µη-κενού συνόλου X είναι µια συλλογή υποσυνόλων ∆= {Ai | Ai ⊆ X }i∈I ,όπου I είναι ένα σύνολο δεικτών, έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι ακόλουθες ιδιότητης :

1. ∀i ∈ I : Ai 6= ;.2. ∀i , j ∈ I : i 6= j =⇒ Ai ∩ A j =;.3. X =⋃i∈I Ai .

Αν ∆= {Ai | i ∈ I} είναι µια διαµέριση του X , συχνά ϑα γράφουµε : X =∑i∈I Ai .Σηµειώνουµε για µελλοντική χρήση ότι αν ∆ = {Ai | Ai ⊆ X }i∈I είναι µια διαµέριση του πεπερασµένου

συνόλου X , τότε προφανώς το σύνολο δεικτών I και κάθε υποσύνολο Ai της διαµέρισης είναι πεπερασµένασύνολα και εποµένως επειδή το X είναι ξένη ένωση των Ai , ϑα έχουµε:

X = ∑i∈I

Ai =⇒ |X | =∑i∈I

|Ai |

όπου µε |X | συµβολίζουµε το πλήθος των στοιχείων του συνόλου X . Το ακόλουθο αποτέλεσµα δείχνει ότιυπάρχει στενή σχέση µεταξύ των διαµερίσεων επί ενός συνόλου X και των σχέσεων ισοδυναµίας οι οποίεςορίζονται επί του X .

Θεώρηµα 1.1.6. ΄Εστω X ένα µη-κενό σύνολο.

1. Αν R είναι µια σχέση ισοδυναµίας επί του X , τότε το σύνολο πηλίκο X /R = {[x]R ⊆ X | x ∈ X } ϑεωρούµενοως συλλογή υποσυνόλων του X αποτελεί µια διαµέριση ∆R του X .

2. ΄Εστω ότι ∆= {Ai | Ai ⊆ X }i∈I είναι µια διαµέριση του X , όπου I είναι ένα σύνολο δεικτών. Τότε ορίζονταςR∆ :=

{(x, y) ∈ X ×X | ∃ i ∈ I : x, y ∈ Ai

}αποκτούµε µια σχέση ισοδυναµίας R∆ επί του X .

Επιπλέον οι απεικονίσεις

Φ : D := {∆ιαµερίσεις ∆ του X } −→ S := {Σχέσεις ισοδυναµίας R επί του X }, Φ(∆) =R∆Ψ : S := {Σχέσεις ισοδυναµίας R επί του X } −→ D := {∆ιαµερίσεις ∆ του X }, Ψ(R) =∆R := X /R

ορίζουν µια «1-1» και «επί» αντιστοιχία µεταξύ του συνόλου D των διαµερίσεων του X και του συνόλου S τωνκλασεων ισοδυναµίας επί του X . Με άλλα λόγια :

R∆R =R και ∆R∆ =∆ ■

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 7

Παράδειγµα 1.1.7. 1. Για κάθε ϑετικό ακέραιο αριθµό n, ϑεωρούµε την ακόλουθη σχέση Rn επί τουσυνόλου Z των ακεραίων αριθµών:

∀x, y ∈Z : x ∼Rn y ⇐⇒ n | x − y

Τότε η R είναι µια σχέση ισοδυναµίας επί του Z η οποία συµπίπτει µε την σχέση ισοτιµίας mod n, ηοποία µας είναι γνωστή από την στοιχειώδη Θεωρία Αριθµών. Επιπλέον για κάθε ακέραιο x, η κλάσηισοδυναµίας του x ως προς την Rn είναι :

[x]n ={

y ∈Z | n | x − y}= {x +k ·n ∈Z | k ∈Z}= { · · · , x −2n, x −n, x, x +n, x +2n, · · ·}δηλαδή είναι η κλάση ισοτιµίας mod n. Το σύνολο πηλίκο Z/Rn συµβολίζεται µε Zn , και εύκολαϐλέπουµε ότι :

Z/ ∼Rn :=Zn ={[x]n ⊆Z | x ∈Z

}= {[0]n , [1]n , · · · , [n −1]n}2. ΄Εστω f : X −→ Y µια απεικόνιση µεταξύ των µη-κενών συνόλων X ,Y . Ορίζουµε µια σχέση επί του

συνόλου X ως εξής :R f =

{(x, y) ∈ X ×X | f (x) = f (y)}

Τότε η σχέση R f είναι µια σχέση ισοδυναµίας επί του X , και επιπλέον ∀x ∈ X :

[x]R f = f −1{

f (x)}= {x ′ ∈ X | f (x) = f (x ′)}

Η απεικόνιση f επάγει µια «1-1» και «επί» απεικόνιση

f : X /R f −→ Im( f ), f ([x]R f ) = f (x)

Η σχέση ισοδυναµίας R f καλείται η επαγόµενη από την f σχέση ισοδυναµίας επί του X .p

Είναι εύκολο να δούµε ότι η τοµή σχέσεων ισοδυναµίας επί ενός συνόλου X είναι επίσης σχέση ισοδυ-ναµίας επί του X . Αντίθετα η ένωση µιας οικογένειας σχέσεων ισοδυναµίας Ri , όπου i ∈ I , επί του X , ωςυποσύνολα του X × X , είναι µια σχέση επί του X αλλά γενικά δεν είναι σχέση ισοδυναµίας επί του X . Ηµικρότερη σχέση ισοδυναµίας επί του X η οποία περιέχει την ένωση R :=⋃i∈I Ri είναι η εξής :

〈R〉 :=⋂{T ⊆ X ×X | T : σχέση ισοδυναµίας επί του X και R ⊆T }Γενικότερα, για κάθε σχέση R ⊆ X × X επί ενός συνόλου X , η σχέση 〈R〉 είναι η µικρότερη σχέση

ισοδυναµίας επί του X η οποία περιέχει την σχέση R και καλείται η σχέση ισοδυναµίας επί του X ηοποία παράγεται από τη σχέση R.

Η τελευταία Πρόταση της παρούσης ενότητας δίνει µια περιγραφή των στοιχείων της σχέσης ισοδυναµίαςη οποία παράγεται από µια σχέση επί ενός συνόλου.

Πρόταση 1.1.8. ΄Εστω ότι X είναι ένα σύνολο και ότι R είναι µια σχέση επί του X . Η σχέση ισοδυναµίας 〈R〉επί του X η οποία παράγεται από τη σχέση R έχει την ακόλουθη περιγραφή:

〈R〉 = {(a,b) ∈ X ×X | a = b ή ∃n ≥ 0 και x0, · · · , xn ∈ X : x1 = a, xn = b, και :(xk , xk+1) ∈R ή (xk+1, xk ) ∈R, 1 ≤ k ≤ n

} ■1.1.4 Πράξεις

΄Εστω X ένα µη-κενό σύνολο. Μια (διµελής) πράξη επί ενός συνόλου X είναι µια απεικόνιση

µ : X ×X −→ X , (x, y) 7−→ µ(x, y)

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 8

Συµβολισµός: Παραδοσιακά και χάριν απλότητας µια πράξη µ επι ενός συνόλου X παρίσταται, µε έναεκ των συµβόλων:

µ = ∗, ◦, •, #, ?, +, −, ·, ...Αντίστοιχα, το αποτέλεσµα µ(x, y) της πράξης µ στο Ϲεύγος στοιχείων (x, y) του X , συµβολίζεται ως εξής :

µ(x, y) = x ∗ y, x ◦ y, x • y, x#y, x? y, x + y, x − y, x · y, x y, ...

Ακολουθώντας την παραπάνω παράδοση, από τώρα και στο εξής ϑα συµβολίζουµε µια πράξη µ επί του X µετο σύµβολο «?», και εποµένως το αποτέλεσµα µ(x, y) της πράξης µ επί του Ϲεύγους στοιχείων (x, y) ∈ X ×X ,ϑα συµβολίζεται µε x? y. Αργότερα ϑα απλοποιήσουµε περαιτέρω τον συµβολισµό µας.

Για τους σκοπούς των σηµειώσεων, ένα Ϲεύγος (X ,?) ή µια τριάδα (X ,?, ·) όπου «?» και «·» είναι διµελείςπράξεις επί ενός µη-κενού συνόλου X , ϑα καλείται αλγεβρική δοµή. Οι περισσότερο σηµαντικές ιδιότητεςτις οποίες µπορεί να ικανοποιεί, ή µπορεί να µην ικανοποιεί, µια διµελής πράξη «?» σε µια αλγεβρική δοµή(X ,?) είναι οι ακόλουθες.

Ορισµός 1.1.9. ΄Εστω «?» µια (δοµελής) πράξη επί ενός συνόλου X .

1. Η πράξη «?» καλείται προσεταιριστική αν ισχύει :

∀x, y, z ∈ X : x? (y ? z) = (x? y)? z

2. Η πράξη «?» καλείται µεταθετική αν ισχύει :

∀x, y ∈ X : x? y = y ?x

Η προσεταιριστικότητα κατά κύριο λόγο, αλλά και η µεταθετικότητα µιας πράξης «?» επί ενός συνόλουX , έχει σηµαντικές συνέπειες στην µελέτη ιδιοτήτων του Ϲεύγους (X ,?).

Το επόµενο αποτέλεσµα µας επιτρέπει να ορίσουµε µονοσήµαντα στοιχεία της µορφής a1?a2? · · ·?anσε ένα σύνολο X εφοδιασµένο µε µια προσεταιριστική πράξη «?». ∆ηλαδή όλες οι δυνατές οµαδοποιήσειςτων στοιχείων a1, a2, · · · , an , µε εισαγωγή παρενθέσεων, οι οποίες είναι απαραίτητες για τον υπολογισµό τουστοιχείου a1?a2? · · ·?an µας δίνουν το ίδιο αποτέλεσµα. Ανάλογα, αν το σύνολο X είναι εφοδιασµένο µεµια προσεταιριστική και µεταθετική πράξη «?», τότε δυνατοί συνδυασµοί στοιχείων ai1 ? ai2 ? · · ·? ain τουX , όπου i1, i2, · · · , in είναι οι αριθµοί 1,2, · · · ,n ενδεχοµένως µε διαφορετική σειρά, οι οποίοι µπορούν ναορισθούν µε χρήση της πράξης «?» και των στοιχείων a1, a2, · · · , an , ορίζουν το ίδιο στοιχείο του X .Πρόταση 1.1.10. ΄Εστω «?» µια προσεταιριστική πράξη επί του µη κενού συνόλου X , και έστω a1, a2, · · · , anένα πεπερασµένο πλήθος στοιχείων του X .

1. (Ο Γενικός Προσεταιριστικός Νόµος) Το στοιχείο a1?a2? · · ·?an είναι µονοσήµαντα ορισµένο.2. (Ο Γενικός Μεταθετικός Νόµος) Αν η πράξη «?» είναι µεταθετική, τότε για κάθε µετάθεση σ του συνόλου

{1,2, · · · ,n}, δηλαδή για κάθε «1-1» και «επί» απεικόνιση σ : {1,2, · · · ,n} −→ {1,2, · · · ,n}, ισχύει ότι :

aσ(1)?aσ(2)? · · ·?aσ(n) = a1?a2? · · ·?an ■

΄Εστω «?» µια διµελής (προσεταιριστική) πράξη επί του µη-κενού συνόλου X . Σε αρκετές περιπτώσειςτο σύνολο X διαθέτει διακεκριµένα στοιχεία τα οποία ικανοποιούν σηµαντικές ιδιότητες. Οι περισσότεροσηµαντικές ιδιότητες είναι οι ακόλουθες :

Ορισµός 1.1.11. ΄Εστω «?» µια προσεταιριστική πράξη επί ενός συνόλου X .

1. ΄Ενα στοιχείο e ∈ X καλείται ουδέτερο ή ταυτοτικό στοιχείο του X ως προς την πράξη «?», αν ισχύει :

∀x ∈ X : x?e = x = e?x

Το στοιχείο e, αν υπάρχει, είναι µοναδικό.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 9

2. Υποθέτουµε ότι υπάρχει ουδέτερο στοιχείο e ∈ X ως προς την πράξη «?». ΄Ενα στοιχείο x ∈ X καλείταιαντιστρέψιµο ως προς την πράξη «?», αν υπάρχει στοιχείο x ′ ∈ X έτσι ώστε :

x?x ′ = e = x ′?x

∆εδοµένου του στοιχείου x ∈ X , το στοιχείο x ′, αν υπάρχει, είναι µοναδικό και καλείται αντίστροφο (ήαντίθετο) του x. Το σύνολο όλων των αντιστρέψιµων ή αντίθετων στοιχείων για την πράξη «?»επί του X συµβολίζεται µε :

U(X ,?) = {x ∈ X | ∃x ′ ∈ X : x?x ′ = e = x ′?x}Η ακόλουθη Πρόταση περιγράφει κάποιες ϐασικές ιδιότητες αντιστρέψιµων στοιχείων.

Πρόταση 1.1.12. ΄Εστω ότι «?» είναι µια προσεταιριστική πράξη επί ενός συνόλου X , και υποθέτουµε ότιυπάρχει ουδέτερο στοιχείο e ∈ X ως προς την πράξη «?».

1. Το ουδέτερο στοιχείο e είναι µοναδικό. ∆ηλαδή αν ² ∈ X είναι ένα άλλο στοιχείο του X έτσι ώστε²?x = e = x?², τότε e = ².

2. ΄Εστω x ∈ X ένα στοιχείο για το οποίο υπάρχει αντίστροφο x ′ ως προς την πράξη «?». Τότε το αντίστροφοστοιχείο x ′ του x είναι µοναδικό. ∆ηλαδή αν x ′′ ∈ X είναι ένα άλλο στοιχείο του X έτσι ώστε x ′′?x = e =x?x ′′, τότε x ′ = x ′′.

3. Αν x είναι ένα αντιστρέψιµο στοιχείο του x µε αντίστροφο το στοιχείο x ′, τότε το στοιχείο x ′ είναι αντι-στρέψιµο µε αντίστροφο το στοιχείο x:

x ∈U(X ,?) =⇒ x ′ ∈U(X ,?) και (x ′)′ := x ′′ = x

4. Αν x, y είναι δύο αντιστρέψιµα στοιχεία του X µε αντίστροφα στοιχεία x ′ και y ′ αντίστοιχα, τότε το στοιχείοx? y είναι αντιστρέψιµο και το αντίστροφό του είναι το στοιχείο y ′?x ′:

x, y ∈U(X ,?) =⇒ x? y ∈U(X ,?) και (x? y)′ = y ′?x ′ ■

΄Εχοντας στη διάθεσή µας ένα Ϲεύγος (X ,?), όπου «?» είναι µια (προσεταιριστική) πράξη επί του συνόλουX , µπορούµε να ορίσουµε ακέραιες δυνάµεις ή ακέραια πολλαπλάσια στοιχείων του X , ως εξής :

Ορισµός 1.1.13. Αν x ∈ X , και n ≥ 0, τότε ορίζουµε την n-οστή δύναµη ?n x του στοιχείου x ως προς τηνπράξη «?» ως εξής :

?n x :=

x?x? · · ·?x︸ ︷︷ ︸

n−παράγοντες, αν n ≥ 1

e, αν n = 0Αν επιπλέον το στοιχείο x έχει αντίστροφο ως προς την πράξη «?» το στοιχείο x ′ ∈ X , και n ≥ 1, τότε ορίζουµε :

?−n x := x ′?x ′? · · ·?x ′︸ ︷︷ ︸n−παράγοντες

Παρατήρηση 1.1.14. • (Πολλαπλασιαστικός Συµβολισµός) Αν ο συµβολισµός της διµελούς πράξης είναι «πολ-λαπλασιαστικός», δηλαδή προσοµοιάζει µε την συνήθη πράξη πολλαπλασιασµού σε ένα σύνολο αριθµών,οπότε χρησιµοποιούµε ως σύµβολο της διµελούς πράξης το σύµβολο «·», τότε ϑα γράφουµε ·n x := xn και οορισµός 1.1.13 παίρνει την ακόλουθη µορφή:

xn :=

x · x · · · · · x︸ ︷︷ ︸n−παράγοντες

, αν n ≥ 1

e, αν n = 0

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 10

Σηµειώνουµε ότι στον πολλαπλασιαστικό συµβολισµό, συνήθως το ουδέτερο στοιχείο e συµβολίζεται µε 1. Ανεπιπλέον το στοιχείο x έχει αντίστροφο ως προς την πράξη «·», τότε το αντίστροφο στοιχείο του x συµβολίζεταιµε x−1 ∈ X , και τότε, ∀n ≥ 1:

x−n := x−1 · x−1 · · · · · x−1︸ ︷︷ ︸n−παράγοντες

Το στοιχείο xn καλείται η n-οστή δύναµη (ϕυσική ή ακέραια) του x ως προς την πράξη «·».• (Προσθετικός Συµβολισµός) Αν ο συµβολισµός της διµελούς πράξης είναι «προσθετικός», δηλαδή προσο-

µοιάζει µε την συνήθη πράξη πρόσθεσης σε ένα σύνολο αριθµών, οπότε χρησιµοποιούµε ως σύµβολο τηςδιµελούς πράξης το σύµβολο «+», τότε ϑα γράφουµε +n x := nx και ο ορισµός 1.1.13 παίρνει την ακόλουθηµορφή:

nx :=

x +x +·· ·+x︸ ︷︷ ︸n−παράγοντες

, αν n ≥ 1

e, αν n = 0Σηµειώνουµε ότι στον προσθετικό συµβολισµό, συνήθως το ουδέτερο στοιχείο e συµβολίζεται και µε 0. Ανεπιπλέον το στοιχείο x έχει αντίστροφο ως προς την πράξη «+», τότε το αντίστροφο του x καλείται αντίθετοστοιχείο του x και συµβολίζεται µε −x ∈ X , και τότε, ∀n ≥ 1:

(−n)x := (−x)+ (−x)+·· ·+ (−x)︸ ︷︷ ︸n−παράγοντες

Το στοιχείο nx καλείται η n-οστό πολλαπλάσιο (ϕυσικό ή ακέραιο) του x ως προς την πράξη «+».Σηµειώνουµε ότι παραδοσιακά ο προσθετικός συµβολισµός για µια πράξη χρησιµοποιέιται συνήθως (αλλά

όχι πάντα) όταν η πράξη είναι µεταθετική. N

Χάριν απλότητας του συµβολισµού, στην ακόλουθη πρόταση, η οποία περιγράφει τις ϐασικές ιδιότητεςδυνάµεων στοιχείων, χρησιµοποιούµε τον πολλαπλασιαστικό συµβολισµό για µια πράξη ορισµένη επί ενόςσυνόλου.

Πρόταση 1.1.15. ΄Εστω ότι (X , ·) είναι ένα Ϲεύγος αποτελούµενο από ένα µη-κενό σύνολο X και µια προσε-ταιριστική πράξη «·» επί του X για την οποία υπάρχει ουδέτερο στοιχείο e ∈ X . Τότε για κάθε στοιχείο x ∈ X ϑαέχουµε :

1. Ισχύει ότι : xn+m = xn · xm , ∀n,m ∈N0. Αν το x είναι αντιστρέψιµο ως προς την πράξη «·», τότε :

∀n,m ∈Z : xn+m = xn · xm

2. Ισχύει ότι : (xn)m = xnm , ∀n,m ∈N0. Αν το x είναι αντιστρέψιµο ως προς την πράξη «·», τότε :

∀n,m ∈Z : (xn)m = xnm

Ιδιαίτερα αν το x είναι αντιστρέψιµο ως προς την πράξη «·» µε αντίστροφο το στοιχείο x−1, τότε :

∀n ∈Z : (xn)−1 = x−n = (x−1)n ■

1.1.4.1 Ο Πίνακας Cayley µιας ∆ιµελούς Πράξης

Θεωρούµε ένα Ϲεύγος (X ,?), όπου X = {x1, x2, · · · , xn} είναι ένα πεπερασµένο σύνολο και «?» είναι µια πράξηεπί του X . ΄Ολες οι ϐασικές πληροφορίες οι αποίες αφορούν την πράξη «?» εµπεριέχονται στο πίνακα Cayleyτης πράξης ο οποίος ορίζεται παρακάτω. Υπενθυµίζουµε πρώτα ότι αν A = (ai j ) είναι ένας n ×n πίνακας µεστοιχεία από ένα σύνολο X , τότε το στοιχείο ai j ϐρίσκεται στην τοµή της i -γραµµής και της j -στήλης.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 11

? x1 x2 · · · xi · · · xj · · · xnx1 x1 ? x1 x1 ? x2 . . . x1 ? xi . . . x1 ? x j . . . x1 ? xnx2 x2 ? x1 x2 ? x2 . . . x2 ? xi . . . x2 ? x j . . . x2 ? xn...

......

. . ....

......

......

xi xi ? x1 xi ? x2 · · · xi ? xi · · · xi ? x j · · · xi ? xn...

......

......

. . ....

......

xj x j ? x1 x j ? x2 · · · x j ? xi · · · x j ? x j · · · x j ? xn...

......

......

......

. . ....

xn xn ? x1 xn ? x2 · · · xn ? xi · · · xn ? x j · · · xn ? xn

Σχήµα 1.1: Ο πίνακας Cayley της αλγεβρικής δοµής (X ,?).

Ορισµός 1.1.16. Ο τετραγωνικός n ×n πίνακας C(X ,?) = (xi j ) στοιχείων του X , όπου :

xi j := xi ?x j , 1 ≤ i , j ≤ n

καλείται πίνακας Cayley της πράξης «?» ή της αλγεβρικής δοµής (X ,?), και παρίσταται όπως στο παραπάνωσχήµα 1.1:

Παρατήρηση 1.1.17. 1. ΄Οταν είναι γνωστός ο πίνακας Cayley C(X ,?) µιας αλγεβρικής δοµής (X ,?),τότε µπορεί να διαπιστωθεί αµέσως αν η πράξη «?» είναι µεταθετική ή όχι. Πράγµατι, είναι αρκετόνα παρατηρήσει κανείς ότι για κάθε i , j µε 1 ≤ i , j ,≤ n, τα στοιχεία xi j = xi ? x j και x j i = x j ? xi ,ϐρίσκονται συµµετρικά ως προς την κύρια διαγώνιο του πίνακα η οποία αποτελείται από τα στοιχείαxi i = xi ? xi , 1 ≤ i ≤ n. Συνεπώς η πράξη είναι µεταθετική αν και µόνο αν τα στοιχεία του πίνακαC(X ,?) που κείνται συµµετρικά ως προς την κύρια διαγώνιό του είναι ίσα.

Εποµένως η πράξη «?» επί του X είναι µεταθετική αν και µόνον αν ο πίνακας Cayley C(X ,?) τηςπράξης «?» είναι συµµετρικός2: C(X ,?) = t C(X ,?).

2. Αν X = {x1, x2, . . . , xn} είναι ένα σύνολο µε n στοιχεία, τότε κάθε πίνακας µε n γραµµές και n στήλες, οοποίος αποτελείται από στοιχεία τού X , ορίζει µια πράξη επί τού X ως ακολούθως:

? : X ×X −→ X , (xi , x j ) 7−→ xi ?x j := το στοιχείο τού X που ϐρίσκεται στην (i , j )-ϑέση τού πίνακα.

3. ΄Οταν υπάρχει ουδέτερο στοιχείο e ∈ X για την πράξη «?» επί του πεπερασµένου συνόλου X = {x1, x2, · · · ,xn

}, τότε, αναδιατάσσοντας αν είναι ανάγκη τα στοιχεία του X , µπορούµε να υποθέσουµε ότι e = x1.

Τότε ϑα έχουµε x1?xk = xk = xk?x1, 1 ≤ k ≤ n, και εποµένως η πρώτη γραµµή x1k = x1?xk , 1 ≤ k ≤ n,και η πρώτη στήλη xk1 = xk ? x1, 1 ≤ k ≤ n, του πίνακα Cayley στο Σχήµα 1.1 αποτελείται από ταστοιχεία x1, x2, · · · , xn µε την ίδια σειρά. N

1.1.4.2 Επαγόµενες Πράξεις

΄Εστω «∗» µια πράξη επί ενός µη-κενού συνόλου X . Αν S είναι ένα µη-κενό υποσύνολο του X , τότε για κάθεδύο στοιχεία s1, s2 του υποσυνόλου S, το στοιχείο s1? s2 ∈ X , δεν είναι απαραίτητα στοιχείο του S.

2Υπενθυµίζουµε ότι ο ανάστροφος πίνακας t A ενός πίνακα A = (ai j ), είναι ο πίνακας t A = (a j i ), δηλαδή στην τοµή της i -γραµµήςκαι της j -στήλης ϐρίσκεται το στοιχείο a j i του πίνακα A. Εξ΄ ορισµού ο πίνακας A είναι συµµετρικός αν συµπίπτει µε τον ανάστροφότου: A = t A.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 12

Το υποσύνολο S του X είναι κλειστό στην πράξη «?» επί του X , αν :

∀s1, s2 ∈ S : s1? s2 ∈ S

Η ακόλουθη Πρόταση περιγράφει τις κυριότερες ιδιότητες υποσυνόλων S ⊆ X κλειστών σε πράξεις «?»ορισµένων επί υπερκείµενων συνόλων X . Ιδιαίτερα έπεται ότι το επαγόµενο Ϲεύγος (S,?) κληρονοµεί αρκετέςαπό τις ιδιότητες τις οποίες διαθέτει το Ϲεύγος (X ,?).

Πρόταση 1.1.18. ΄Εστω «∗» µια πράξη επί ενός µη-κενού συνόλου X , και S ένα µη-κενό υποσύνολο του X ,το οποίο είναι κλειστό στην πράξη «∗». Τότε η πράξη «∗» επάγει µια πράξη «?S » επί του συνόλου S ως εξής,∀s1, s2 ∈ S: s1?S s2 = s1? s2. Επιπλέον :

1. Αν η πράξη «?» επί του X είναι προσεταιριστική ή µεταθετική, τότε η πράξη «?S » επί του S είναι προσεται-ϱιστική ή µεταθετική αντίστοιχα.

2. ΄Εστω e ∈ X ένα ουδέτερο στοιχείο για την πράξη «?» επί του X . Αν e ∈ S, τότε το e είναι ουδέτερο στοιχείογια την πράξη «?S » επί του S.

3. Υποθέτουµε ότι η πράξη «?» έχει ένα ουδέτερο στοιχείο e ∈ X έτσι ώστε e ∈ S , και έστω x ένα στοιχείο τουS για το οποίο υπάρχει ένα αντίστροφο στοιχείο x ′ ∈ X . Αν x ′ ∈ S, τότε το στοιχείο x ′ είναι ένα αντίστροφοστοιχείο του x για την πράξη «?S » επί του S. ■

1.1.4.3 Πράξεις συµβιβαστές µε σχέσεις ισοδυναµίας

΄Οπως ϑα δούµε αργότερα, σηµαντικό ϱόλο παίζουν πράξεις ? : X × X −→ X επί συνόλων X οι οποίες είναισυµβιβαστές µε µια δοσµένη σχέση ισοδυναµίας R ⊆ X ×X επί του συνόλου X , µε την έννοια του ακόλουθουορισµού.

Ορισµός 1.1.19. Η σχέση ισοδυναµίας R είναι συµβιβαστή µε την πράξη «?» επί του X αν ισχύει :

∀x, y, z, w ∈ X : x ∼R z και y ∼R w =⇒ x? y ∼R z?w

Η ακόλουθη Πρόταση εξηγεί γιατί η παραπάνω έννοια είναι σηµαντική.

Πρόταση 1.1.20. ΄Εστω ότι ? : X ×X −→ X είναι µια πράξη επί του συνόλου X , και έστω ότι R ⊆ X ×X είναιµια σχέση ισοδυναµίας επί του συνόλου X η οποία είναι συµβιβαστή µε την πράξη «?».

1. Ορίζοντας?̃ : X /R×X /R −→ X /R, ?̃([x]R , [y]R) := [x]R ?̃ [y]R = [x? y]R

αποκτούµε µια πράξη «?̃» επί του συνόλου-πηλίκο X /R.

2. Αν η πράξη «?» επί του X είναι προσεταιριστική ή µεταθετική, τότε η πράξη «?̃» επί του X /R είναιπροσεταιριστική ή µεταθετική αντίστοιχα.

3. ΄Εστω e ∈ X ένα ουδέτερο στοιχείο για την πράξη «?» επί του X . Τότε το στοιχείο [e]R ∈ X /R είναιουδέτερο στοιχείο για την πράξη «?̃» επί του X /R.

4. Υποθέτουµε ότι η πράξη «?» έχει ένα ουδέτερο στοιχείο e ∈ X , και έστω x ένα στοιχείο του X για τοοποίο υπάρχει ένα αντίστροφο στοιχείο x ′ ∈ X ως προς την πράξη «?». Τότε το στοιχείο [x ′]R είναι ένααντίστροφο στοιχείο του [x]R για την πράξη «?̃» επί του X /R. ■

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 13

1.1.5 Μονοειδή

Σύνολα τα οποία είναι εφοδιασµένα µε µια προσεταιριστική πράξη για την οποία υπάρχει ουδέτερο στοιχείοέχουν ευχάριστες ιδιότητες και επιπλέον πολλά γνωστά µας σύνολα είναι εφοδιασµένα µε τέτοιες πράξεις. Οακόλουθος ορισµός τυποποιεί αλγεβρικές δοµές αυτής της κατηγορίας.

Ορισµός 1.1.21. ΄Ενα Ϲεύγος (X ,?), όπου «?» είναι µια πράξη επί ενός συνόλου X καλείται µονοειδές, αν :

1. Η πράξη «?» είναι προσεταιριστική.

2. Υπάρχει ουδέτερο στοιχείο e για την πράξη «?» επί του X .

Το µονοειδές (X ,?) καλείται µεταθετικό µονοειδές, αν η πράξη «?» είναι µεταθετική. ΄Οταν το σύνολο Xείναι πεπερασµένο, ο πίνακας Cayley της πράξης «?» καλείται ο πίνακας Cayley του µονοειδούς (X ,?).

Παρατήρηση 1.1.22. ΄Οπως προκύπτει εύκολα, το ουδέτερο στοιχείο e ενός µονοειδούς (X ,?) είναι µονα-δικό, και αν x είναι ένα στοιχείο του X για το οποίο υπάρχει αντίστροφο στοιχείο x ′ = x−1, τότε το αντίστροφοστοιχείο είναι µοναδικό. N

Μια γενικότερη έννοια από την έννοια του µονοειδούς, είναι η έννοια της ηµιοµάδας : µια ηµιοµάδαείναι ένα Ϲεύγος (X ,?), όπου X είναι ένα µη-κενό σύνολο και «?» είναι µια προσεταιριστική πράξη επί τουX . ΄Ενα υποσύνολο S ⊆ X καλείται υποµονοειδές του X αν το υποσύνολο S είναι κλειστό στην πράξη «?»του X και περιέχει το ουδέτερο στοιχείο e του X .

Η επόµενη Πρόταση δείχνει τρόπους κατασκευής νέων µονοειδών από παλαιά.

Πρόταση 1.1.23. ΄Εστω (X ,?) ένα (µεταθετικό) µονοειδές µε ουδέτερο στοιχείο e.

1. Αν S ⊆ X είναι ένα υποµονοειδες του X , τότε το Ϲεύγος (S,?S ), όπου «?S » είναι η επαγόµενη πράξη, είναιένα (µεταθετικό) µονοειδές µε ουδέτερο στοιχείο e.

2. Αν R είναι µια σχέση ισοδυναµίας επί του X η οποία είναι συµβιβαστή µε την πράξη «?», τότε το Ϲεύγος(X /R,?̃), όπου «?̃» είναι η πράξη

?̃ : X /R×X /R −→ X /R, ([x]R , [y]R) 7−→ [x]R ?̃ [y]R = [x? y]Rείναι ένα (µεταθετικό) µονοειδές, το οποίο καλείται το µονοειδές πηλίκο του X ως προς του σχέσηισοδυναµίας R. ■

Για παράδειγµα, αν (X ,?) είναι ένα µονοειδές, τότε το υποσύνολο U(X ,?) το οποίο αποτελείται απότα αντιστρέψιµα στοιχεία του X είναι ένα υποµονοειδές του X . Στο σύνολο Z των ακεραίων µπορούν ναορισθούν δύο µονοειδή: το µονοειδές (Z,+) και το µονοειδές (Z, ·), όπου «+» και «·» είναι οι συνήθεις πράξειςπρόσθεσης και πολλαπλασιασµού ακεραίων. Για κάθε ϑετικό ακέραιο n, η σχέση ισοτιµίας «Rn», όπουxRn y αν και µόνον αν n | x − y, είναι µια σχέση ισοδυναµίας στο σύνολο Z η οποία είναι συµβιβαστή καιµε τις δύο πράξεις «+» και «·». ΄Ετσι ορίζεται το µονοειδές πηλίκο (Z/Rn , ·̃), για το οποίο γνωρίζουµε ότιZ/Rn =Zn . Επιπλέον αποκτούµε το υποµονοειδές (U(Zn), ·̃) των αντιστρέψιµων στοιχείων του (Zn , ·̃).

Αν (X1,?1), (X2,?2), · · · , (Xn ,?n) είναι µονοειδή, τότε το καρτεσιανό γινόµενο συνόλων ∏nk=1 Xk µπορείνα δοµηθεί σε µονοειδές :

Πρόταση 1.1.24. Με τους παραπάνω συµβολισµούς, το Ϲεύγος (∏n

k=1 Xk ,?), όπου

(x1, x2, · · · , xn)? (y1, y2, · · · , yn) =(x1?1 y1, x2?2 y2, · · · , xn ?n yn

)είναι µονοειδές, το ευθύ γινόµενο των µονοειδών (Xi ,?i ). Επιπρόσθετα :

U(n∏

k=1Xk ,?) =

n∏k=1

U(Xk ,?k ) ■

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 14

1.1.5.1 Οµοµορφισµοί µονοειδών

Λαµβάνοντας υπ΄ όψιν ότι η αλγεβρική δοµή ενός µονοειδούς (X ,?) καθορίζεται από την πράξη «?» επί τουX και το ουδέτερο στοιχείο της eX ∈ X , οδηγούµαστε ϕυσιολογικά στην έννοια του οµοµορφισµού µονοειδών(X ,?) και (Y ,∗) η οποία είναι η κάταλληλη έννοια σύγκρισης ή συσχέτισης µονοειδών.Ορισµός 1.1.25. ΄Εστω (X ,?) και (Y ,∗) δύο µονοειδή. Μια απεικόνιση f : X −→ Y καλείται οµοµορφισµόςµονοειδών αν:

∀x1, x2 ∈ X : f (x1?x2) = f (x1)∗ f (x2) και f (eX ) = eYόπου eX , αντίστοιχα eY , είναι το ουδέτερο στοιχείο του µονοειδούς X , αντίστοιχα του µονοειδούς Y . Το σύνολοόλων των οµοµορφισµών µονοειδών από το µονοειδές (X ,?) στο µονοειδές (Y ,∗) συµβολίζεται µε :

HomMon(X ,Y ) ={

f : X −→ Y | f : οµοµορφισµός µονοειδών}Γενικότερα αν τα Ϲεύγη (X ,?) και (Y ,∗) είναι ηµιοµάδες, δηλαδή οι πράξεις «?» και «∗» είναι προσεταιρι-

στικές αλλά δεν υπάρχει απαραίτητα ουδέτερο στοιχείο για τις πράξεις «?» και «∗» αντίστοιχα, τότε µια απεικό-νιση απεικόνιση f : X −→ Y καλείται οµοµορφισµός ηµιοµάδων αν: ∀x1, x2 ∈ X : f (x1?x2) = f (x1)∗ f (x2).Παράδειγµα 1.1.26. Τα ακόλουθα είναι ϐασικά παραδείγµατα οµοµορφισµών µονοειδών.

1. Θεωρούµε µονοειδή (X ,?) και (Y ,∗) µε ουδέτερα στοιχεία eX και eY αντίστοιχα.(αʹ) Η ταυτοτική απεικόνιση IdX : X −→ X είναι οµοµορφισµός µονοειδών.(ϐʹ) Η απεικόνιση e : X −→ Y , e(x) = eY , ∀x ∈ X , είναι οµοµορφισµός µονοειδών, ο οποίος καλείται ο

τετριµµένος οµοµορφισµός µονοειδών.

2. Αν (S,?) είναι υποµονοειδές του µονοειδούς (X ,?), δηλαδή το υποσύνολο S ⊆ X είναι κλειστό στηνπράξη «?» του X και eX ∈ S και άρα το Ϲεύγος (S,?) είναι µονοειδές µε την επαγόµενη πράξη, τότε ηαπεικόνιση έγκλεισης ιS : S −→ X , ιS (x) = x, είναι προφανώς ένας οµοµορφισµός µονοειδών.

3. ΄Εστω ότι (X ,?) είναι ένα µονοειδές και έστω ότι R είναι µια σχέση ισοδυναµίας επί του X η οποία είναισυµβιβαστή µε την πράξη «?». Θεωρούµε το µονοειδές πηλίκο (X /R,?̃). Τότε η απεικόνιση κανονικήςπροβολής

πR : X −→ X /R, πR(x) = [x]Rείναι ένας οµοµορφισµός µονοειδών ο οποίος καλείται κανονική προβολή του µονοειδούς X στοµονοειδές πηλίκο X /R.

4. Θεωρούµε µονοειδή (X1,?1), (X2,?2), · · · , (Xn ,?n) µε ουδέτερο στοιχείο ei αντίστοιχα, όπου 1 ≤ i ≤ n,και έστω (X = ∏nk=1 Xk ,?) το µονοειδές ευθύ γινόµενο, ϐλέπε την Πρόταση 1.1.24. Τότε για κάθεδείκτη k = 1,2, · · · ,n, η απεικόνιση προβολής

πk :n∏

k=1Xk −→ Xk , πk (x1, x2, · · · , xn) = xk

είναι ένας οµοµορφισµός µονοειδών. Οι οµοµορφισµοί µονοειδών πk , 1 ≤ k ≤ n, καλούνται οµοµορ-ϕισµοί κανονικής προβολής από το µονοειδές ευθύ γινόµενο (

∏nk=1 Xk ,?) στα µονοειδή παράγοντες

(Xk ,?k ).p

Η επόµενη πρόταση περιγράφει κάποιες ϐασικές ιδιότητες οµοµορφισµών µονοειδών.

Πρόταση 1.1.27. Ισχύουν τα ακόλουθα:

1. Σύνθεση οµοµορφισµών µονοειδών, όταν ορίζεται, είναι οµοµορφισµός µονοειδών.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 15

2. Αν f : (X ,?) −→ (Y ,∗) είναι ένας οµοµορφισµός µονοειδών και η απεικόνιση f είναι «1-1» και «επί»,τότε η αντίστροφη απεικόνιση f −1 : X −→ Y είναι ένας οµοµορφισµός µονοειδών. Κάθε οµοµορφισµόςµονοειδών f : (X ,?) −→ (Y ,∗) διατηρεί αντιστρέψιµα στοιχεία και εποµένως επάγει έναν οµοµορφισµόµονοειδών

U( f ) : U(X ,?) −→ U(Y ,∗), U( f )(x) = f (x) ■

Παράδειγµα 1.1.28. Αν f : (X ,?) −→ (Y ,∗) είναι ένας οµοµορφισµός µονοειδών, τότε ο f ορίζει δύο υπο-µονοειδή τα οποία διαδραµατίζουν σηµαντικό ϱόλο στην µελέτη του f : ένα υποµονοειδές του (X ,?) και έναυποµονοειδές του (Y ,∗):

1. Το υποσύνολοKer( f ) = {x ∈ X | f (x) = eY }

είναι ένα υποµονοειδές του X , το οποίο καλείται πυρήνας του f .

2. Το υποσύνολοIm( f ) = { f (x) ∈ Y | x ∈ X }

είναι ένα υποµονοειδές του Y , το οποίο καλείται εικόνα του f .p

Η κατάλληλη έννοια µε τη ϐοήθεια της οποίας µπορούµε να ταυτίσουµε δύο µονοειδή µε ϐάση ιδιότητεςοι οποίες απορρέουν από τα αξιώµατα, είναι η έννοια του ισοµορφισµού µονοειδών.

Ορισµός 1.1.29. ΄Ενας οµοµορφισµός µονοειδών f : (X ,?) −→ (Y ,∗) καλείται ισοµορφισµός µονοειδώναν η απεικόνιση f είναι απεικόνιση «1-1» και «επί», και τότε ϑα συµβολίζουµε :

f : (X ,?)∼=−→ (Y ,∗)

΄Ενας ισοµορφισµός µονοειδών f : (X ,?) −→ (X ,?) καλείται αυτοµορφισµός του (X ,?).

Γενικότερα ο οµοµορφισµός µονοειδών f : (X ,?) −→ (Y ,∗) καλείται :1. µονοµορφισµός µονοειδών αν η f είναι απεικόνιση «1-1».

Για παράδειγµα, αν S ένα υποµονοειδές του µονοειδούς (X ,?), τότε η απεικόνιση έγκλεισης ι : S −→ Xείναι ένας µονοµορφισµός µονοειδών.

2. επιµορφισµός µονοειδών αν η f είναι απεικόνιση «επί».

Για παράδειγµα, έστω ότι (X ,?) είναι ένα µονοειδές και έστω ότι R είναι µια σχέση ισοδυναµίας επίτου X η οποία είναι συµβιβαστή µε την πράξη «?». Τότε η απεικόνιση κανονικής προβολής, όπως στοΠαράδειγµα 1.1.26:

πR : X −→ X /R, πR(x) = [x]Rαπό το µονοειδές X στο µονοειδές πηλίκο X /R f είναι προφανώς επιµορφισµός µονοειδών.

Η σχέση ισοµορφίας «∼=» η οποία ορίζεται στην κλάση Mon όλων των µονοειδών ως εξής :

αν (X ,?), (Y ,∗) ∈ Mon τότε : (X ,?) ∼= (Y ,∗) ⇐⇒ υπάρχει ισοµορφισµός µονοειδών f : (X ,?) ∼=−→ (Y ,∗)

είναι µια σχέση ισοδυναµίας και διαµερίζει την κλάση Mon σε κλάσεις ισοδυναµίας, τις κλάσεις ισοµορφίαςµονοειδών. ΄Οπως µπορεί να διαπιστωθεί εύκολα, ισόµορφα µονοειδή, δηλαδή µονοειδή στην ίδια κλάσηισοµορφίας, έχουν κοινό πίνακα Cayley, καθώς και κοινές δοµικές ιδιότητες, δηλαδή ιδιότητες οι οποίεςαπορρέουν από τα αξιώµατα µονοειδούς. Αν τα µονοειδή (X ,?) και (Y ,∗) δεν είναι ισόµορφα, τότε ϑαγράφουµε: (X ,?)� (Y ,∗).

Η επόµενη Πρόταση δίνει έναν χρήσιµο χαρακτηρισµό ισοµορφισµού µονοειδών.

Πρόταση 1.1.30. Για µια απεικόνιση f : (X ,?) −→ (Y ,∗) µεταξύ µονοειδών, τα ακόλουθα είναι ισοδύναµα:

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 16

1. Η απεικόνιση f είναι ισοµορφισµός µονοειδών.

2. Η f είναι οµοµορφισµός µονοειδών και υπάρχει οµοµορφισµός µονοειδών g : Y −→ X έτσι ώστε :

f ◦ g = IdY και g ◦ f = IdX

Αν ισχύει µια από τις ισοδύναµες συνθήκες 1. και 2., τότε η απεικόνιση g στη συνθήκη 2. είναι µοναδική και

g = f −1 ■

Το ακόλουθο σηµαντικό ϑεµελιώδες ϑεώρηµα πιστοποιεί ότι κάθε οµοµορφισµός µονοειδών µπορείνα αναλυθεί ως σύνθεση ενός µονονοµορφισµού, ενός ισοµορφισµού και ενός επιµορφισµού µονοειδώνµε ϕυσικό τρόπο. Υπενθυµίζουµε ότι η σχέση ισοδυναµιας την οποία επάγει επί του X µια απεικόνισηf : X −→ Y , ορίζεται ως εξής : ∀x1, x2 ∈ X : x1 ∼R f x2 αν και µόνον αν f (x1) = f (x2).

Θεώρηµα 1.1.31 (Θεώρηµα Ισοµορφισµών για Μονοειδή). ΄Εστω f : (X ,?) −→ (Y ,∗) ένας οµοµορφισµός µο-νοειδών.

1. Η σχέση ισοδυναµίας R f την οποία επάγει η απεικόνιση f επί του X είναι συµβιβαστή µε την πράξη τουµονοειδούς (X ,?) και εποµένως ορίζεται το µονοειδές πηλίκο (X /R f ,?̃).

2. Ο οµοµορφισµός f επάγει έναν ισοµορφισµό µονοειδών

f : (X /R f ,?̃)∼= // (Im( f ),∗) , f ([x]R f ) = f (x)

3. Ο οµοµορφισµός f είναι σύνθεση του επιµορφισµού πR f : X −→ X /R f , του ισοµορφισµού f : X /R f −→Im( f ) και του µονοµορφισµού i f : Im( f ) −→ Y , σχηµατικά το ακόλουθο διάγραµµα είναι µεταθετικό :

X

πR f

��

f // Y

X /R ff // Im( f )

i

OO δηλαδή : f = i f ◦ f ◦πR f ■

Για κάθε µη-κενό σύνολο X , ϑεωρούµε το Ϲεύγος (Map(X ),◦), όπου Map(X ) = { f : X −→ X | f : απεικόνιση}είναι το σύνολο των απεικονίσεων επί του X , και «◦» είναι η πράξη της σύνθεσης απεικονίσεων. Εύκολα ϐλέ-πουµε ότι το Ϲεύγος (Map(X ),◦) είναι ένα µονοειδές, ϐλέπε και το Παράδειγµα 1.2, το οποίο διαδραµατίζεισηµαντικό ϱόλο στη ϑεωρία µονοειδών όπως δείχνει η ανάλυση που ακολουθεί. Το υποµονοειδές των α-ντιστρέψιµων στοιχείων του µονοειδούς (Map(X ),◦) συµβολίζεται µε (S(X ),◦) και αποτελείται από όλες τιςαντιστρέψιµες, δηλαδή από όλες τις «1-1» και «επί», απεικονίσεις f : X −→ X .

΄Εστω ότι (X ,?) είναι ένα µονοειδές. Θεωρούµε την αριστερή κανονική αναπαράσταση του (X ,?):

L : X −→Map(X ), x 7−→ L(x) := Lx : X −→ X , y 7−→ Lx (y) = x? y

και την δεξιά κανονική αναπαράσταση του (X ,?):

R : X −→Map(X ), x 7−→ R(x) :=Rx : X −→ X , y 7−→ Rx (y) = y ?x

Θεωρούµε τα υποσύνολα Im(L) ⊆Map(X ) ⊇ Im(R), δηλαδή:

Im(L) = {Lx : X −→ X , Lx (y) = x? y | x ∈ X } και Im(R) = {Rx : X −→ X , Rx (y) = y ?x | x ∈ X }Κλείνουµε την παρούσα ενότητα µε το ακόλουθο αποτέλεσµα, γνωστό ως Θεώρηµα του Cayley για µονοειδή,το οποίο, µε χρήση κανονικών αναπαραστάσεων µονοειδών, µας επιτρέπει να ϑεωρήσουµε κάθε µονοειδέςως υποµονοειδές του µονοειδούς των απεικονίσεων επί ενός κατάλληλου συνόλου.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 17

Πρόταση 1.1.32 (Θεώρηµα του Cayley για µονοειδή). ΄Εστω (X ,?) ένα µονοειδές.

1. Η αριστερή κανονική αναπαράσταση L : (X ,?) −→ (Map(X ),◦) είναι «1-1», το υποσύνολο Im(L) είναι έναυποµονοειδές του (Map(X ),◦) και η L επάγει έναν ισοµορφισµό µονοειδών (X ,?) ∼= Im(L) ⊆Map(X ).Επιπλέον η απεικόνιση L επάγει έναν µονοµορφισµό µονοειδών L : U(X ,?) −→ S(X ).

2. Η δεξιά κανονική αναπαράσταση R : (X ,?op) −→ (Map(X ),◦) είναι «1-1», το υποσύνολο Im(R) είναι έναυποµονοειδές του (Map(X ),◦) και η R επάγει έναν ισοµορφισµό µονοειδών (X ,?op) ∼= Im(R) ⊆Map(X ).Επιπλέον η απεικόνιση R επάγει έναν µονοµορφισµό µονοειδών R : U(X ,?op) −→ S(X ). ■

Συχνά αναφερόµαστε στο υποµονοειδές Im(L) ⊆ Map(X ), αντίστοιχα Im(R) ⊆ Map(X ), ως η αριστερή,αντίστοιχα δεξιά, κανονική αναπαράσταση του µονοειδούς (X ,?).

1.2 Παραδείγµατα

Στην παρούσα παράγραφο συνοψίζουµε και περιγράφουµε για µελλοντική χρήση, ενδεικτικά παραδείγµατατα οποία αφορούν έννοιες οι οποίες εισήχθηκαν στις προηγούµενες παραγράφους, και ϑα είναι εν χρήσειστη συνέχεια των σηµειώσεων.

1. Θεωρούµε το Ϲεύγος (X ,+), όπου X είναι ένα εκ των συνόλων αριθµών N, N0, Z, Q, R, C, και «+» είναιη συνήθης πράξη πρόσθεσης αριθµών. Τότε η πράξη «+» είναι προσεταιριστική και µεταθετική. ΑνX =N, τότε για την πράξη «+» δεν υπάρχει ουδέτερο στοιχείο (αν υπήρχε ένα τέτοιο στοιχείο e ∈N, ϑαέπρεπε να ίσχυε e+x = x, ∀x ∈N, απ΄ όπου έπεται ότι e = 0, το οποίο είναι άτοπο διότι 0 ∉N). Αντίθετααν το σύνολο X είναι ένα εκ των N0, Z, Q, R, και C, τότε υπάρχει ουδέτερο στοιχείο, ο αριθµός 0, γιατην πράξη «+». Για τα σύνολα των αντίθετων (ή αντιστρέψιµων) στοιχείων του X ως προς την πράξη «+»,τα οποία γνωρίζουµε ότι είναι κλειστά στην πράξη του µονοειδούς, έχουµε:

U(N0,+) ={0}, U(Z,+) =Z, U(Q,+) =Q, U(R,+) =R, U(C,+) =C

Ιδιαίτερα ϐλέπουµε ότι το Ϲεύγος (N,+)) δεν είναι µονοειδές. Αντίθετα τα Ϲεύγη U(N0,+) ={0}, (Z,+),

(Q,+), (R,+), και (C,+) είναι µεταθετικά µονοειδή και ικανοποιούν την επιπρόσθετη ιδιότητα ότι όλατα στοιχεία τους είναι αντιστρέψιµα.

2. Θεωρούµε το Ϲεύγος (X , ·), όπου X είναι ένα εκ των συνόλων αριθµών N, Z, Q, R, C, και «·» είναι ησυνήθης πράξη πολαπλασιασµού αριθµών. Τότε η πράξη «·» είναι προσεταιριστική και µεταθετική,και υπάρχει ουδέτερο στοιχείο, ο αριθµός 1. Για τα σύνολα των αντιστρέψιµων στοιχείων ως προς τηνπράξη «·», τα οποία γνωρίζουµε ότι είναι κλειστά στην πράξη του µονοειδούς, έχουµε:

U(N, ·) = {1}, U(Z, ·) = {1,−1}, U(Q, ·) =Q∗, U(R, ·) =R∗, U(C, ·) =C∗,Ιδιαίτερα ϐλέπουµε ότι τα Ϲεύγη (N, ·), (Z, ·), (Q, ·), (R, ·), και (C, ·) είναι µονοειδή. Επιπρόσθετα τα Ϲεύγη({1}, ·), ({1,−1}, ·), (Q∗, ·), (R∗, ·), και (C∗, ·) είναι µεταθετικά µονοειδή και ικανοποιούν την επιπρόσθετηιδιότητα ότι όλα τα στοιχεία τους είναι αντιστρέψιµα.

3. Για κάθε ϑετικό ακέραιο n, ϑεωρούµε το σύνολο πηλίκο Zn ={[0]n , [1]n , · · · , [n −1]n

}του συνόλου των

ακεραίων Z ως προς τη σχέση ισοδυναµίας Rn η οποία ορίζεται ως εξής : ∀x, y ∈ Z: x ∼Rn y αν καιµόνον αν n | x−y. Βλέπουµε εύκολα ότι η συνήθης πράξη της πρόσθεσης «+» και η συνήθης πράξη τουπολλαπλασιασµού «·» επί του συνόλου Z είναι συµβιβαστή µε τη σχέση ισοδυναµίας Rn . Εποµένωςαπό τα µεταθετικά µονοειδή (Z,+) και (Z, ·), προκύπτουν τα µεταθετικά µονοειδή (Zn ,+) και (Zn , ·).

4. Θεωρούµε το Ϲεύγος (Map(X ),◦), όπου Map(X ) = { f : X −→ X | f : απεικόνιση} είναι το σύνολο τωναπεικονίσεων επί ενός µη-κενού συνόλου X , και «◦» είναι η πράξη της σύνθεσης απεικονίσεων :

◦ : Map(X )×Map(X ) −→ Map(X ), ( f , g ) 7−→ f ◦ g

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΣΧΕΣΕΙΣ ΙΣΟ∆ΥΝΑΜΙΑΣ, ΠΡΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΜΟΝΟΕΙ∆Η 18

Η πράξη της σύνθεσης «◦» είναι προσεταιριστική, αλλά γενικά δεν είναι µεταθετική. Η ταυτοτικήαπεικόνιση IdX αποτελεί ουδέτερο στοιχείο για την πράξη «◦», και για το σύνολο των αντιστρέψιµωνστοιχείων, έχουµε:

U(Map(X ),◦) = { f : X −→ X | f : απεικόνιση «1-1» και «επί»}= S(X )Ιδιαίτερα ϐλέπουµε ότι το Ϲεύγος (Map(X ),◦) είναι ένα, γενικά µη-µεταθετικό, µονοειδές. Επειδή τοσύνολο S(X ) είναι κλειστό στην πράξη «◦» της σύνθεσης, έπεται ότι το Ϲεύγος (S(X ),◦) είναι µονοειδέςτο οποίο ικανοποιεί την επιπρόσθετη ιδιότητα ότι όλα