Кіріспе
Жалпы алгебралық құрылымдар теориясы. Универсалды алгебра (кейде жалпы алгебра деп аталады) – алгебралық құрылымдардың мысалдарының ("үлгілерінің") емес, алгебралық құрылымдардың өзінің зерттелуімен айналысатын математика саласы. Мысалы, нақты топтарды зерттеу нысаны ретінде қарастырудың орнына, универсалды алгебрада топтар класын зерттеу нысаны ретінде қарастырады.
Universal algebra (sometimes called general algebra) is the field of mathematics that studies algebraic structures themselves, not examples ("models") of algebraic structures. For instance, rather than take particular groups as the object of study, in universal algebra one takes the class of groups as an object of study.
Негізгі идея
Универсалды алгебрада алгебра (немесе алгебралық құрылым) – A жиынымен бірге A жиынындағы операциялар жиынтығы.
Арити
A-ға қатысты n-арлық операция – A-ның n элементін қабылдап, A-ның бір элементін қайтаратын функция. Осылайша, 0-арлық операция (немесе нөлдік операция) A-ның бір элементі немесе тұрақты сан түрінде, көбінесе a сияқты әріппен белгіленуі мүмкін. 1-арлық операция (немесе унарлық операция) – A-дан A-ға дейінгі функция, көбінесе оның аргументінің алдына қойылған символмен көрсетіледі, мысалы ~x. 2-арлық операция (немесе екілік операция) жиі оның аргументтерінің арасында орналасқан символмен (инфикс жазу деп те аталады) белгіленеді, мысалы x ∗ y. Жоғары немесе белгісіз арлық операциялар әдетте функциялық символдармен көрсетіледі, аргументтер жақшаларға жазылып, үтірмен бөлінеді, мысалы f(x, y, z) немесе f(x1, ..., xn). Алгебра туралы сөйлеудің бір жолы – оны белгілі бір типтегі алгебра деп атау, онда алгебра операцияларының арлығын көрсететін натурал сандардың реттелген тізбегі болады. Дегенмен, кейбір зерттеушілер шексіз операцияларға да рұқсат етеді, мысалы, J – шексіз индекс жиыны, бұл толық торлардың алгебралық теориясындағы операция.
Теңдеулер
Операциялар белгіленгеннен кейін алгебраның мәні аксиомалармен нақтыланады, олар жалпы алгебрада көбінесе теңдестіктер немесе теңдеу заңдары түрінде келеді. Мысалы, екілік операцияның ассоциативтік аксиомасы x ∗ (y ∗ z) = (x ∗ y) ∗ z теңдеуімен берілген. Аксиома A жиынының барлық x, y және z элементтері үшін орындалуы тиіс.
Мысалдар
Математиканың көптеген таралған алгебралық жүйелері әртүрліліктердің мысалдары болып табылады, бірақ бұл әрқашан көзге көріне бермейді, себебі қалыпты анықтамалар жиі квантификацияны немесе теңсіздіктерді қолданады.
Басқа мысалдар
Алгебралық құрылымдардың көпшілігі – әмбебап алгебралардың мысалдары. Сақиналар, жартылай топтар, квазитоптар, группоидтар, магмалар, циклдар және тағы да басқалары. Белгілі бір өрістегі векторлық кеңістіктер және белгілі бір сақинадағы модульдер де әмбебап алгебралар болып табылады. Оларда екілік қосылу және өріс немесе сақинаның әрбір элементі үшін бір скалярлық көбейту операторларының жиыны бар. Реляциялық алгебралардың мысалдарына жартылай торлар, торлар және Буль алгебралары жатады.
Негізгі конструкциялар
Біз , , түрі бекітілген деп есептейміз. Одан кейін әмбебап алгебрада үш негізгі құрылым бар: гомоморфты бейне, субальгебра және көбейтінді. Екі алгебра A және B арасындағы гомоморфизм – h : A → B функциясы, ол A жиынынан B жиынына жібереді, және кез келген операция fA үшін A-да және сәйкес fB үшін B-да (мысалы, n арғылығы бар), h(fA(x1, …, xn)) = fB(h(x1), …, h(xn)) теңдігі орындалады. (Функция қай алгебрадан екені контекстен түсінікті болған жағдайда, f-тің индекстері жіберіліп тасталады.) Мысалы, егер e тұрақты болса (нөлдік операция), онда h(eA) = eB. Егер ~ бірлік операция болса, онда h(~x) = ~h(x). Егер ∗ екілік операция болса, онда h(x ∗ y) = h(x) ∗ h(y). және т.с.с. Гомоморфизмдермен қолданылатын әр түрлі амалдар, сондай-ақ гомоморфизмдердің белгілі бір ерекше түрлерінің анықтамалары «Гомоморфизм» бөлімінде келтірілген. Атап айтқанда, алгебраның гомоморфты бейнесін алуға болады, h(A). A субальгебрасы – A-ның барлық операциялары бойынша жабық A жиынының ішкі жиыны. Алгебралық құрылымдар жиынының көбейтіндісі – координата бойынша анықталған операциялары бар жиындардың картезиялық көбейтіндісі.
Кейбір негізгі теоремалар
Изоморфизм теоремалары, топтардың, сақиналардың, модульдердің және т.б. изоморфизм теоремаларын қамтиды. Бірхоффтың HSP теоремасы, алгебралар класы гомоморфты бейнелерге, субальгебраларға және кез келген тікелей көбейтуге қатысты жабық болса ғана, ол әртүрлілік болып табылады.
Мақсаттар мен өтініштер
Жалпы алгебраның біріктіру әдісімен қатар, терең теоремалар, маңызды мысалдар мен қарсы мысалдар да ұсынады. Ол алгебраның жаңа кластарын зерттеуді бастауға ниеттенгендерге пайдалы құрал болып табылады. Әмбебап алгебра тұрғысынан әдістерді қайта құру арқылы (мүмкін болса), кейбір нақты алгебра кластары үшін ойлап табылған әдістерді басқа алгебра кластарына қолдануға мүмкіндік береді, содан кейін оларды басқа кластарға қатысты түсіндіруге болады. Ол сондай-ақ түсініктерді нақтылауға көмеседі; Дж.Д.Х.Смиттің айтуынша, "нақты бір аяда шатас және күрделі көрінетін нәрсе, дұрыс жалпы аяда қарапайым және түсінікті болуы мүмкін". Атап айтқанда, жалпы алгебра моноидтар, сақиналар және торларды зерттеуге қолданылуы мүмкін. Жалпы алгебра пайда болғанға дейін көптеген теоремалар (әсіресе изоморфизм теоремалары) осы кластардың бәрінде жеке-жеке дәлелденген, бірақ жалпы алгебраның арқасында оларды алгебралық жүйенің кез келген түрі үшін бір рет дәлелдеуге болады. Төменде сілтеме берілген Хиггинстің 1956 жылғы мақаласы нақты алгебралық жүйелердің кең ауқымы үшін оның аясын жақсы дамытты, ал оның 1963 жылғы мақаласы ішінара анықталған операциялары бар алгебраларды талқылауымен ерекшеленеді, мұндай мысалдарға категориялар мен группоидтар жатады. Бұл жоғары өлшемді алгебра тақырыбына алып келеді, оны домендері геометриялық шарттармен анықталған ішінара операциялары бар алгебралық теорияларды зерттеу ретінде анықтауға болады. Осылардың нақты мысалдары – жоғары өлшемді категориялар мен группоидтардың әртүрлі түрлері.
Шектілік қанағаттандыру проблемасы
Универсалды алгебра шектеулерді қанағаттандыру мәселесіне (CSP) табиғи тіл қамтамасыз етеді. CSP – бұл есептеу мәселелерінің маңызды класы, онда А реляциялық алгебрасы және осы алгебраға қатысты барлық мәнді сөйлем берілгенде, А-да осы сөйлемнің қанағаттандырылатынын анықтау қажет. А алгебрасы көбінесе бекітіледі, сондықтан CSPA мәселесінің мысалы – барлық мәнді сөйлем ғана болады. Кез келген есептеу мәселесін кейбір А алгебрасы үшін CSPA ретінде формулиреуге болады екендігі дәлелденді. Мысалы, n-түсті бояу мәселесін n элементі және бір ғана реляциясы – теңсіздік болатын алгебраның CSP ретінде қоюға болады. Дихотомиялық гипотеза (2017 жылдың сәуір айында дәлелденді) егер А – шекті алгебра болса, онда CSPA P немесе NP-толық болады деп мәлімдейді.
It is proved that every computational problem can be formulated as CSPA for some algebra A. For example, the n coloring problem can be stated as CSP of the algebra , i. e. an algebra with n elements and a single relation, inequality. The dichotomy conjecture (proved in April 2017) states that if A is a finite algebra, then CSPA is either P or NP complete.
Жалпылау
Универсалды алгебра категориялар теориясының әдістерін қолданып зерттелді. Бұл тәсілде операциялардың тізімі мен оларға бағынатын теңдеулерді жазудың орнына, Лаувир теориясы немесе жалпы алгебралық теория деп аталатын арнайы санаттарды қолдану арқылы алгебралық құрылымды сипаттауға болады. Сонымен қатар, алгебралық құрылымдарды монодтарды пайдалана отырып сипаттауға болады. Бұл екі тәсіл тығыз байланысты, әрқайсысының өз артықшылықтары бар. Атап айтқанда, кез келген Лаувир теориясы жиынтықтар санатында монодты тудырады, ал жиынтықтар санатындағы кез келген "шекті" монод Лаувир теориясынан шығады. Дегенмен, монод белгілі бір санаттағы алгебралық құрылымдарды сипаттайды (мысалы, жиынтықтар санаты), ал алгебралық теориялар шекті көбейтінділері бар санаттардың кең класындағы құрылымды сипаттайды. Категориялар теориясының соңғы дамуы – операда теориясы. Операда – әмбебап алгебраға ұқсас операциялар жиынтығы, бірақ теңдеулер тек айнымалылары бар өрнектер арасында ғана рұқсат етіледі, айнымалыларды қайталауға немесе жоюға рұқсат етілмейді. Осылайша, сақиналарды кейбір операдалардың «алгебралары» деп сипаттауға болады, бірақ топтарды емес, себебі 1=gg−1 = 1 заңы сол жақтағы g айнымалысын қайталайды, ал оң жақта оны жоққа шығарады. Бұл шектеу алғашқыда қиындық тудыруы мүмкін, бірақ операдалардың өз артықшылықтары бар: мысалы, ассоциативтік алгебра тұжырымдамасын алу үшін сақина мен векторлық кеңістік тұжырымдамаларын біріктіруге болады, бірақ топ пен векторлық кеңістік тұжырымдамаларын ұқсас түрде біріктіруге болмайды. Тағы бір даму – операторлар ішінара функциялар бола алатын ішінара алгебра. Кейбір ішінара функцияларды Лаувир теориясының жалпылауы – «негізінен алгебралық теориялар» арқылы қарастыруға болады. Универсалды алгебраның тағы бір жалпылауы – модель теориясы, оны кейде «универсалды алгебра + логика» деп атайды.
Тарих
Альфред Норт Уайтхедтің 1898 жылы жарық көрген «Альгебраның универсалдылығы туралы трактат» кітабында «универсалды алгебра» термині қазіргі мағынасында қолданылды. Уайтхед Уильям Роуэн Гамильтон мен Август Де Морганды осы саланың негізін қалаушылар деп, ал Джеймс Джозеф Сильвестрді терминнің авторы деп есептейді. Сол кезде Ли алгебралары мен гиперболалық кватерниондар сияқты құрылымдар алгебралық құрылымдарды тек ассоциативті көбейту класымен шектемеу қажеттігіне назар салды. Александр Макфарлейн шолуында: «Бұл еңбектің басты идеясы – әртүрлі әдістерді біріктіру немесе оларды қамту үшін қарапайым алгебраны жалпылау емес, олардың құрылымдарын салыстырып зерттеу» деп жазды. Сол уақытта Джордж Бульдің логикалық алгебрасы дәстүрлі сандық алгебраға күшті қарсылық көрсетті, сондықтан «универсалды» термині қанағаттанбаған сезімдерді басуға көмектесті. Уайтхедтің ерте жұмысы кватерниондарды (Гамильтонның еңбегі), Грассманның Ausdehnungslehre және Бульдің логикалық алгебрасын біріктіруге бағытталды. Уайтхед кітабында былай деп жазды: «Мұндай алгебралар жеке-жеке зерттеу үшін құнды, сонымен қатар олар салыстырмалы зерттеуге лайық, себебі олар символдық ойлаудың жалпы теориясына және әсіресе алгебралық символизмге жарық түсіреді. Салыстырмалы зерттеу алдымен жеке зерттеуді талап етеді, өйткені білімсіз салыстыру мүмкін емес». 1935-1950 жылдар аралығында көптеген мақалалар Беркоффтың жұмыстарында ұсынылған бағыттар бойынша жазылды, олар еркін алгебралар, конгруэнциялар және субальгебралардың торлары, гомоморфизм теоремалары туралы болды. Математикалық логиканың дамуы алгебраға қолдануға мүмкіндік берді, бірақ бұл процесс баяу болды; Анатолий Мальцевтің 1940 жылдары жариялаған нәтижелері соғыс салдарынан назарсыз қалды. 1950 жылы Кембриджде өткен Халықаралық математиктер конгресінде Тарскидің баяндамасы модельдік теориялық аспектілерді дамытудың жаңа кезеңін бастады, бұл жұмысты Тарскидің өзі, сондай-ақ Ц. Чанг, Леон Хенкин, Бьярни Йонссон, Роджер Линдон және басқалар жүзеге асырды. 1950 жылдардың соңында Эдвард Марчевский еркін алгебралардың маңыздылығын атап өтті, нәтижесінде Марчевскийдің өзі, Ян Мицельский, Владислав Наркевич, Витольд Нитка, Дж. Плонка, С. Сверчковский, К. Урбаник және басқалар еркін алгебралардың алгебралық теориясы бойынша 50-ден астам мақала жарияланды. 1963 жылы Уильям Лоувирдің диссертациясынан бастап, категориялар теориясының әдістері универсалды алгебрада маңызды рөл атқара бастады.
"Such algebras have an intrinsic value for separate detailed study; also they are worthy of comparative study, for the sake of the light thereby thrown on the general theory of symbolic reasoning, and on algebraic symbolism in particular. The comparative study necessarily presupposes some previous separate study, comparison being impossible without knowledge." In the period between 1935 and 1950, most papers were written along the lines suggested by Birkhoff's papers, dealing with free algebras, congruence and subalgebra lattices, and homomorphism theorems. Although the development of mathematical logic had made applications to algebra possible, they came about slowly; results published by Anatoly Maltsev in the 1940s went unnoticed because of the war. Tarski's lecture at the 1950 International Congress of Mathematicians in Cambridge ushered in a new period in which model theoretic aspects were developed, mainly by Tarski himself, as well as C. C. Chang, Leon Henkin, Bjarni Jónsson, Roger Lyndon, and others. In the late 1950s, Edward Marczewski emphasized the importance of free algebras, leading to the publication of more than 50 papers on the algebraic theory of free algebras by Marczewski himself, together with Jan Mycielski, Władysław Narkiewicz, Witold Nitka, J. Płonka, S. Świerczkowski, K. Urbanik, and others. Starting with William Lawvere's thesis in 1963, techniques from category theory have become important in universal algebra.