В алгебре гомоморфизм — это сохраняющее структуру отображение между двумя алгебраическими структурами одного и того же типа (например, двумя группами , двумя кольцами или двумя векторными пространствами ). Слово гомоморфизм происходит из древнегреческого языка : ὁμός ( homos ) — «тот же самый» и μορφή ( morphe ) — «форма» или «очертание». Однако, по-видимому, это слово было введено в математику из-за (неправильного) перевода немецкого ähnlich, означающего «похожий», на ὁμός, означающего «тот же самый». [1] Термин «гомоморфизм» появился ещё в 1892 году, когда его приписали немецкому математику Феликсу Клейну (1849–1925). [2]
Гомоморфизмы векторных пространств также называются линейными отображениями , и их изучение является предметом линейной алгебры .
Понятие гомоморфизма было обобщено под названием морфизм на многие другие структуры, которые либо не имеют базового множества, либо не являются алгебраическими. Это обобщение является отправной точкой теории категорий .
Гомоморфизм может быть также изоморфизмом , эндоморфизмом , автоморфизмом и т. д. (см. ниже). Каждый из них может быть определен таким образом, что его можно обобщить на любой класс морфизмов.
Гомоморфизм — это отображение между двумя алгебраическими структурами одного и того же типа (например, двумя группами, двумя полями, двумя векторными пространствами), сохраняющее операции структур. Это означает отображение между двумя множествами , снабженными одной и той же структурой, такой, что если — операция структуры (предполагаемая здесь для упрощения как бинарная операция ), то
для каждой пары элементов . [ примечание 1] Часто говорят, что сохраняет операцию или совместимо с операцией.
Формально отображение сохраняет операцию арности , определенную на обоих и , если
для всех элементов в .
Операции, которые должны сохраняться гомоморфизмом, включают 0-арные операции , то есть константы. В частности, когда элемент идентичности требуется типом структуры, элемент идентичности первой структуры должен быть отображен в соответствующий элемент идентичности второй структуры.
Например:
Алгебраическая структура может иметь более одной операции, и для сохранения каждой операции требуется гомоморфизм. Таким образом, отображение, сохраняющее только некоторые операции, не является гомоморфизмом структуры, а только гомоморфизмом подструктуры, полученной путем рассмотрения только сохраненных операций. Например, отображение между моноидами, сохраняющее операцию моноида, но не единичный элемент, не является гомоморфизмом моноида, а только гомоморфизмом полугруппы.
Обозначения операций не обязательно должны быть одинаковыми в источнике и цели гомоморфизма. Например, действительные числа образуют группу для сложения, а положительные действительные числа образуют группу для умножения. Экспоненциальная функция
удовлетворяет
и, таким образом, является гомоморфизмом между этими двумя группами. Это даже изоморфизм (см. ниже), поскольку его обратная функция , натуральный логарифм , удовлетворяет
и также является групповым гомоморфизмом.
Действительные числа представляют собой кольцо , имеющее как сложение, так и умножение. Множество всех матриц 2×2 также является кольцом, относительно сложения матриц и умножения матриц . Если мы определим функцию между этими кольцами следующим образом:
где r — действительное число, то f — гомоморфизм колец, поскольку f сохраняет оба сложения:
и умножение:
В качестве другого примера, ненулевые комплексные числа образуют группу при операции умножения, как и ненулевые действительные числа. (Ноль необходимо исключить из обеих групп, поскольку он не имеет мультипликативного обратного числа , которое требуется для элементов группы.) Определим функцию от ненулевых комплексных чисел до ненулевых действительных чисел с помощью
То есть, — это абсолютное значение (или модуль) комплексного числа . Тогда — гомоморфизм групп, поскольку он сохраняет умножение:
Обратите внимание, что f не может быть расширен до гомоморфизма колец (от комплексных чисел до действительных чисел), поскольку он не сохраняет сложение:
В качестве другого примера диаграмма показывает гомоморфизм моноида из моноида в моноид . Из-за разных названий соответствующих операций свойства сохранения структуры, которым удовлетворяют , равны и .
Композиционная алгебра над полем имеет квадратичную форму , называемую нормой , которая является групповым гомоморфизмом из мультипликативной группы в мультипликативную группу .
Некоторые виды гомоморфизмов имеют особое название, которое также определено для общих морфизмов .
Изоморфизм между алгебраическими структурами одного и того же типа обычно определяется как биективный гомоморфизм. [ 3 ] : 134 [4] : 28
В более общем контексте теории категорий изоморфизм определяется как морфизм , имеющий обратный , который также является морфизмом. В конкретном случае алгебраических структур эти два определения эквивалентны, хотя они могут различаться для неалгебраических структур, которые имеют базовый набор.
Точнее, если
является (гомо)морфизмом, он имеет обратный, если существует гомоморфизм
такой что
Если и имеют базовые множества, и имеет обратное , то является биективным. Фактически, является инъективным , как следует , и является сюръективным , так как для любого из , имеем , и является образом элемента .
Обратно, если — биективный гомоморфизм между алгебраическими структурами, пусть — отображение такое, что — единственный элемент из , такой, что . Имеем и остается только показать, что g — гомоморфизм. Если — бинарная операция структуры, то для каждой пары , элементов из , имеем
и, таким образом, совместимо с Поскольку доказательство аналогично для любой арности , это показывает, что является гомоморфизмом.
Это доказательство не работает для неалгебраических структур. Например, для топологических пространств морфизм является непрерывным отображением , а обратное к биективному непрерывному отображению не обязательно является непрерывным. Изоморфизм топологических пространств, называемый гомеоморфизмом или бинепрерывным отображением , является, таким образом, биективным непрерывным отображением, обратное к которому также является непрерывным.
Эндоморфизм — это гомоморфизм, область определения которого равна области определения , или, в более общем смысле, морфизм , источник которого равен его цели. [3] : 135
Эндоморфизмы алгебраической структуры или объекта категории образуют моноид относительно композиции.
Эндоморфизмы векторного пространства или модуля образуют кольцо . В случае векторного пространства или свободного модуля конечной размерности выбор базиса индуцирует кольцевой изоморфизм между кольцом эндоморфизмов и кольцом квадратных матриц той же размерности.
Автоморфизм — это эндоморфизм, который также является изоморфизмом. [3] : 135
Автоморфизмы алгебраической структуры или объекта категории образуют группу относительно композиции, которая называется группой автоморфизмов структуры.
Многие группы, получившие название, являются группами автоморфизмов некоторой алгебраической структуры. Например, общая линейная группа — это группа автоморфизмов векторного пространства размерности над полем .
Группы автоморфизмов полей были введены Эваристом Галуа для изучения корней многочленов и являются основой теории Галуа .
Для алгебраических структур мономорфизмы обычно определяются как инъективные гомоморфизмы. [3] : 134 [4] : 29
В более общем контексте теории категорий мономорфизм определяется как морфизм , который можно отменить слева . [5] Это означает, что (гомо)морфизм является мономорфизмом, если для любой пары морфизмов из любого другого объекта в , то влечет .
Эти два определения мономорфизма эквивалентны для всех обычных алгебраических структур. Точнее, они эквивалентны для полей , для которых каждый гомоморфизм является мономорфизмом, и для многообразий универсальной алгебры , то есть алгебраических структур, для которых операции и аксиомы (тождества) определены без каких-либо ограничений (поля не образуют многообразия, поскольку мультипликативная инверсия определяется либо как унарная операция , либо как свойство умножения, которые в обоих случаях определены только для ненулевых элементов).
В частности, два определения мономорфизма эквивалентны для множеств , магм , полугрупп , моноидов , групп , колец , полей , векторных пространств и модулей .
Расщепляемый мономорфизм — это гомоморфизм, имеющий левый обратный , и, таким образом, он сам является правым обратным этого другого гомоморфизма. То есть, гомоморфизм является расщепляемым мономорфизмом, если существует гомоморфизм такой, что Расщепляемый мономорфизм всегда является мономорфизмом, для обоих значений мономорфизма . Для множеств и векторных пространств каждый мономорфизм является расщепляемым мономорфизмом, но это свойство не выполняется для большинства общих алгебраических структур.
В алгебре эпиморфизмы часто определяются как сюръективные гомоморфизмы. [3] : 134 [4] : 43 С другой стороны, в теории категорий эпиморфизмы определяются как сократимые справа морфизмы . [5] Это означает, что (гомо)морфизм является эпиморфизмом, если для любой пары морфизмов из в любой другой объект равенство влечет .
Сюръективный гомоморфизм всегда является сократимым справа, но обратное не всегда верно для алгебраических структур. Однако два определения эпиморфизма эквивалентны для множеств , векторных пространств , абелевых групп , модулей (см. ниже доказательство) и групп . [6] Важность этих структур во всей математике, особенно в линейной алгебре и гомологической алгебре , может объяснить сосуществование двух неэквивалентных определений.
Алгебраические структуры, для которых существуют несюръективные эпиморфизмы, включают полугруппы и кольца . Самый простой пример — включение целых чисел в рациональные числа , которое является гомоморфизмом колец и мультипликативных полугрупп. Для обеих структур это мономорфизм и несюръективный эпиморфизм, но не изоморфизм. [5] [7]
Широким обобщением этого примера является локализация кольца мультипликативным множеством. Каждая локализация является эпиморфизмом кольца, который, в общем случае, не является сюръективным. Поскольку локализации являются фундаментальными в коммутативной алгебре и алгебраической геометрии , это может объяснить, почему в этих областях определение эпиморфизмов как правосократимых гомоморфизмов обычно является предпочтительным.
Расщепляемый эпиморфизм — это гомоморфизм, имеющий правый обратный , и, таким образом, он сам является левым обратным этого другого гомоморфизма. То есть, гомоморфизм является расщепляемым эпиморфизмом, если существует гомоморфизм такой, что Расщепляемый эпиморфизм всегда является эпиморфизмом, для обоих значений эпиморфизма . Для множеств и векторных пространств каждый эпиморфизм является расщепляемым эпиморфизмом, но это свойство не выполняется для большинства общих алгебраических структур.
Подводя итог, можно сказать, что
последняя импликация — эквивалентность множеств, векторных пространств, модулей, абелевых групп и групп; первая импликация — эквивалентность множеств и векторных пространств.
Любой гомоморфизм определяет отношение эквивалентности на с помощью тогда и только тогда, когда . Отношение называется ядром . Это отношение конгруэнтности на . Фактор - множеству тогда можно задать структуру того же типа , что и , естественным образом, определив операции фактор-множества по , для каждой операции . В этом случае образ в при гомоморфизме обязательно изоморфен ; этот факт является одной из теорем об изоморфизме .
Когда алгебраическая структура является группой для некоторой операции, класс эквивалентности единичного элемента этой операции достаточен для характеристики отношения эквивалентности. В этом случае фактор по отношению эквивалентности обозначается как (обычно читается как « mod »). Также в этом случае именно , а не , называется ядром . Ядра гомоморфизмов данного типа алгебраической структуры естественным образом снабжены некоторой структурой. Этот структурный тип ядер совпадает с рассматриваемой структурой в случае абелевых групп , векторных пространств и модулей , но отличается и получил особое название в других случаях, таких как нормальная подгруппа для ядер гомоморфизмов групп и идеалы для ядер гомоморфизмов колец (в случае некоммутативных колец ядра являются двусторонними идеалами ).
В теории моделей понятие алгебраической структуры обобщается на структуры, включающие как операции, так и отношения. Пусть L — сигнатура, состоящая из символов функций и отношений, а A , B — две L -структуры. Тогда гомоморфизм из A в B — это отображение h из области A в область B, такое что
В частном случае только с одним бинарным отношением мы получаем понятие гомоморфизма графа . [8]
Гомоморфизмы также используются при изучении формальных языков [9] и часто кратко называются морфизмами . [10] При заданных алфавитах и функция такая, что для всех называется гомоморфизмом на . [примечание 2] Если является гомоморфизмом на и обозначает пустую строку, то называется -свободным гомоморфизмом, когда для всех в .
Гомоморфизм на , который удовлетворяет для всех, называется -равномерным гомоморфизмом. [11] Если для всех (то есть является 1-равномерным), то также называется кодированием или проекцией . [ требуется ссылка ]
Множество слов, образованных из алфавита, можно рассматривать как свободный моноид, порожденный . Здесь моноидная операция — это конкатенация , а элемент идентичности — пустое слово. С этой точки зрения гомоморфизм языка — это именно гомоморфизм моноида. [примечание 3]