В абстрактной алгебре , разделе математики , моноид — это множество, снабженное ассоциативной бинарной операцией и единичным элементом . Например, неотрицательные целые числа со сложением образуют моноид, единичный элемент которого равен 0 .
Моноиды — это полугруппы с единицей. Такие алгебраические структуры встречаются в нескольких разделах математики.
Функции из множества в себя образуют моноид относительно композиции функций. В более общем смысле, в теории категорий морфизмы объекта в себя образуют моноид, и, наоборот, моноид можно рассматривать как категорию с одним объектом.
В информатике и программировании набор строк, построенных из заданного набора символов, является свободным моноидом . Моноиды переходов и синтаксические моноиды используются при описании конечных автоматов . Моноиды трассировки и моноиды истории обеспечивают основу для исчислений процессов и параллельных вычислений .
В теоретической информатике изучение моноидов имеет основополагающее значение для теории автоматов ( теория Крона–Роудса ) и теории формального языка ( проблема высоты звезды ).
Историю предмета и некоторые другие общие свойства моноидов см. в разделе полугруппа .
Множество S, снабженное бинарной операцией S × S → S , которую мы будем обозначать • , является моноидом , если оно удовлетворяет следующим двум аксиомам:
Другими словами, моноид — это полугруппа с элементом тождества . Его также можно рассматривать как магму с ассоциативностью и тождеством. Элемент тождества моноида уникален. [a] По этой причине тождество рассматривается как константа , т.е. 0- арная (или нульарная) операция. Поэтому моноид характеризуется спецификацией тройки ( S , • , e ) .
В зависимости от контекста символ для бинарной операции может быть опущен, так что операция будет обозначена сопоставлением ; например, аксиомы моноида могут быть записаны как ( ab ) c = a ( bc ) и ea = ae = a . Эта запись не подразумевает, что умножаются числа.
Моноид, в котором каждый элемент имеет обратный, называется группой .
Подмоноид моноида ( M , •) — это подмножество N из M , замкнутое относительно операции моноида и содержащее единичный элемент e из M . [1] [b] Символически N является подмоноидом M , если e ∈ N ⊆ M , и x • y ∈ N всякий раз, когда x , y ∈ N . В этом случае N является моноидом относительно бинарной операции, унаследованной от M .
С другой стороны, если N является подмножеством моноида, который замкнут относительно операции моноида, и является моноидом для этой унаследованной операции, то N не всегда является подмоноидом, поскольку элементы идентичности могут различаться. Например, синглтон-множество {0} замкнуто относительно умножения и не является подмоноидом (мультипликативного) моноида неотрицательных целых чисел .
Говорят, что подмножество S из M порождает M, если наименьший подмоноид M , содержащий S, есть M. Если существует конечное множество, порождающее M , то M называется конечно порожденным моноидом .
Моноид, операция которого коммутативна, называется коммутативным моноидом (или, реже, абелевым моноидом ). Коммутативные моноиды часто записываются аддитивно. Любой коммутативный моноид наделяется своим алгебраическим предупорядочением ≤ , определяемым соотношением x ≤ y , если существует z такой, что x + z = y . [2] Порядковая единица коммутативного моноида M — это элемент u из M такой, что для любого элемента x из M существует v в множестве, порожденном u , такой, что x ≤ v . Это часто используется в случае, если M является положительным конусом частично упорядоченной абелевой группы G , и в этом случае мы говорим, что u является порядковой единицей G .
Моноид, для которого операция коммутативна для некоторых, но не для всех элементов, называется трассовым моноидом ; трассовые моноиды обычно встречаются в теории параллельных вычислений .
или, что то же самое
Умножение элементов в ⟨ f ⟩ затем задается композицией функций.
Если k = 0 , то функция f является перестановкой {0, 1, 2, ..., n −1} и дает единственную циклическую группу порядка n .
Аксиомы моноида подразумевают, что единичный элемент e уникален: если e и f являются единичными элементами моноида, то e = ef = f .
Для каждого неотрицательного целого числа n можно рекурсивно определить произведение любой последовательности ( a 1 , ..., an ) из n элементов моноида: пусть p 0 = e и пусть p m = p m −1 • a m для 1 ≤ m ≤ n .
В качестве частного случая можно определить неотрицательные целые степени элемента x моноида: x 0 = 1 и x n = x n −1 • x для n ≥ 1. Тогда x m + n = x m • x n для всех m , n ≥ 0 .
Элемент x называется обратимым , если существует элемент y такой, что x • y = e и y • x = e . Элемент y называется обратным к x . Обратные элементы, если они существуют, уникальны: если y и z являются обратными к x , то по ассоциативности y = ey = ( zx ) y = z ( xy ) = ze = z . [6]
Если x обратим, скажем, с обратным y , то можно определить отрицательные степени x, установив x − n = y n для каждого n ≥ 1 ; это делает уравнение x m + n = x m • x n верным для всех m , n ∈ Z .
Множество всех обратимых элементов моноида вместе с операцией • образует группу .
Не каждый моноид находится внутри группы. Например, вполне возможно иметь моноид, в котором существуют два элемента a и b, такие, что a • b = a выполняется, даже если b не является единичным элементом. Такой моноид не может быть вложен в группу, потому что в группе умножение обеих сторон на обратный элемент a дало бы b = e , что неверно.
Моноид ( M , •) обладает свойством сокращения (или является сокращаемым), если для всех a , b и c из M равенство a • b = a • c влечет b = c , а равенство b • a = c • a влечет b = c .
Коммутативный моноид со свойством сокращения всегда может быть вложен в группу с помощью групповой конструкции Гротендика . Таким образом, аддитивная группа целых чисел (группа с операцией + ) строится из аддитивного моноида натуральных чисел (коммутативный моноид с операцией + и свойством сокращения). Однако некоммутативный сократимый моноид не обязан быть вложенным в группу.
Если моноид обладает свойством сокращения и является конечным , то он фактически является группой. [c]
Правые и левые сократительные элементы моноида, в свою очередь, образуют подмоноид (т.е. замкнуты относительно операции и, очевидно, включают единицу). Это означает, что сократительные элементы любого коммутативного моноида могут быть расширены до группы.
Свойство сокращения в моноиде не является необходимым для выполнения конструкции Гротендика — достаточно коммутативности. Однако, если коммутативный моноид не обладает свойством сокращения, гомоморфизм моноида в его группу Гротендика не является инъективным. Точнее, если a • b = a • c , то b и c имеют один и тот же образ в группе Гротендика, даже если b ≠ c . В частности, если моноид имеет поглощающий элемент , то его группа Гротендика является тривиальной группой .
Обратный моноид — это моноид, в котором для каждого a из M существует единственный a −1 из M , такой что a = a • a −1 • a и a −1 = a −1 • a • a −1 . Если обратный моноид является сокращаемым, то он является группой.
В противоположном направлении моноид без нулевой суммы — это аддитивно записанный моноид, в котором a + b = 0 подразумевает, что a = 0 и b = 0 : [7] эквивалентно, что никакой элемент, кроме нуля, не имеет аддитивного обратного.
Пусть M — моноид с бинарной операцией, обозначенной • , и единичным элементом, обозначенным e . Тогда (левый) M -акт (или левый акт над M ) — это множество X вместе с операцией ⋅ : M × X → X , которая совместима со структурой моноида следующим образом:
Это аналог в теории моноидов (левого) группового действия . Правые M -акты определяются аналогичным образом. Моноид с актом также известен как операторный моноид . Важные примеры включают системы переходов полуавтоматов . Полугруппу преобразований можно превратить в операторный моноид , присоединив тождественное преобразование.
Гомоморфизм между двумя моноидами ( M , ∗) и ( N , •) — это функция f : M → N такая, что
где e M и e N — тождества на M и N соответственно. Моноидные гомоморфизмы иногда просто называют моноидными морфизмами .
Не каждый гомоморфизм полугрупп между моноидами является гомоморфизмом моноидов, поскольку он может не отображать тождество в тождество целевого моноида, даже если тождество является тождеством образа гомоморфизма. [d] Например, рассмотрим [ Z ] n , множество классов вычетов по модулю n , снабженное умножением. В частности, [1] n является элементом тождества. Функция f : [ Z ] 3 → [ Z ] 6 , заданная формулой [ k ] 3 ↦ [3 k ] 6 , является гомоморфизмом полугрупп, поскольку [3 k ⋅ 3 l ] 6 = [9 kl ] 6 = [3 kl ] 6 . Однако f ([1] 3 ) = [3] 6 ≠ [1] 6 , поэтому гомоморфизм моноидов является полугрупповым гомоморфизмом между моноидами, который отображает тождество первого моноида в тождество второго моноида, и последнее условие не может быть опущено.
Напротив, гомоморфизм полугрупп между группами всегда является гомоморфизмом групп , поскольку он обязательно сохраняет тождество (потому что в целевой группе гомоморфизма тождественный элемент является единственным элементом x, таким что x ⋅ x = x ).
Биективный гомоморфизм моноидов называется изоморфизмом моноидов . Два моноида называются изоморфными, если между ними существует изоморфизм моноидов .
Моноидам можно задать представление , во многом таким же образом, как группы можно задать с помощью представления группы . Это делается путем указания набора генераторов Σ и набора отношений на свободном моноиде Σ ∗ . Это делается путем расширения (конечных) бинарных отношений на Σ ∗ до конгруэнтностей моноида, а затем построения фактормоноида, как указано выше.
Для бинарного отношения R ⊂ Σ ∗ × Σ ∗ определяется его симметричное замыкание как R ∪ R −1 . Это можно расширить до симметричного отношения E ⊂ Σ ∗ × Σ ∗ , определив x ~ E y тогда и только тогда, когда x = sut и y = svt для некоторых строк u , v , s , t ∈ Σ ∗ с ( u , v ) ∈ R ∪ R −1 . Наконец, берется рефлексивное и транзитивное замыкание E , которое затем является моноидной конгруэнцией.
В типичной ситуации отношение R просто задается как набор уравнений, так что R = { u 1 = v 1 , ..., u n = v n } . Так, например,
является эквациональным представлением для бициклического моноида , и
является пластическим моноидом степени 2 (он имеет бесконечный порядок). Элементы этого пластического моноида могут быть записаны как для целых чисел i , j , k , поскольку соотношения показывают, что ba коммутирует как с a , так и с b .
Моноиды можно рассматривать как особый класс категорий . Действительно, аксиомы, требуемые для операции моноида, в точности соответствуют аксиомам, требуемым для композиции морфизмов, когда они ограничены множеством всех морфизмов, источником и целью которых является заданный объект. [8] То есть,
Точнее, если задан моноид ( M , •) , можно построить малую категорию с единственным объектом, морфизмы которой являются элементами M. Композиция морфизмов задается моноидной операцией • .
Аналогично, гомоморфизмы моноидов являются просто функторами между категориями отдельных объектов. [8] Таким образом, эта конструкция дает эквивалентность между категорией (малых) моноидов Mon и полной подкатегорией категории (малых) категорий Cat . Аналогично, категория групп эквивалентна другой полной подкатегории Cat .
В этом смысле теорию категорий можно рассматривать как расширение концепции моноида. Многие определения и теоремы о моноидах можно обобщить на малые категории с более чем одним объектом. Например, фактор категории с одним объектом — это просто фактормоноид.
Моноиды, как и другие алгебраические структуры, также образуют свою собственную категорию Mon , объектами которой являются моноиды, а морфизмами — моноидные гомоморфизмы. [8]
Существует также понятие моноидного объекта , которое является абстрактным определением того, что является моноидом в категории. Моноидный объект в Set — это просто моноид.
В информатике многие абстрактные типы данных могут быть наделены моноидной структурой. В общем шаблоне последовательность элементов моноида « сворачивается » или «накапливается» для получения конечного значения. Например, многим итеративным алгоритмам необходимо обновлять некий «текущий итог» на каждой итерации; этот шаблон может быть элегантно выражен моноидной операцией. В качестве альтернативы ассоциативность моноидных операций гарантирует, что операцию можно распараллелить, используя префиксную сумму или аналогичный алгоритм, чтобы эффективно использовать несколько ядер или процессоров.
Для последовательности значений типа M с единичным элементом ε и ассоциативной операцией • операция свертывания определяется следующим образом:
Кроме того, любая структура данных может быть «свернута» аналогичным образом, учитывая сериализацию ее элементов. Например, результат «сворачивания» бинарного дерева может отличаться в зависимости от обхода дерева в прямом и обратном порядке .
Применение моноидов в информатике — это так называемая модель программирования MapReduce (см. Encoding Map-Reduce As A Monoid With Left folding). MapReduce в вычислениях состоит из двух или трех операций. При наличии набора данных «Map» состоит из отображения произвольных данных на элементы определенного моноида. «Reduce» состоит из свертывания этих элементов, так что в итоге мы получаем только один элемент.
Например, если у нас есть мультимножество , в программе оно представлено как отображение элементов на их номера. В этом случае элементы называются ключами. Количество различных ключей может быть слишком большим, и в этом случае мультимножество сегментируется . Чтобы завершить правильное сокращение, этап «Перемешивание» перегруппировывает данные между узлами. Если нам не нужен этот шаг, весь Map/Reduce состоит из отображения и сокращения; обе операции являются параллелизуемыми, первая из-за ее поэлементной природы, вторая из-за ассоциативности моноида.
Полный моноид — это коммутативный моноид, снабженный бесконечной операцией суммирования для любого набора индексов I , такого что [9] [10] [11] [12]
и
Упорядоченный коммутативный моноид — это коммутативный моноид M вместе с частичным порядком ≤ таким, что a ≥ 0 для каждого a ∈ M , и a ≤ b влечет a + c ≤ b + c для всех a , b , c ∈ M .
Непрерывный моноид — это упорядоченный коммутативный моноид ( M , ≤), в котором каждое направленное подмножество имеет наименьшую верхнюю границу , и эти наименьшие верхние границы совместимы с операцией моноида:
для каждого a ∈ M и направленного подмножества S множества M.
Если ( M , ≤) — непрерывный моноид, то для любого множества индексов I и набора элементов ( a i ) i ∈ I можно определить
и M вместе с этой бесконечной операцией суммы является полным моноидом. [12]