Кіріспе

Математикада автоморфизм – математикалық объектінің өзіне-өзінің изоморфизмі. Ол, белгілі бір мағынада, объектінің симметриясы болып табылады және оның барлық құрылымын сақтай отырып, объектіні өзіне бейімдеудің бір жолы. Объектінің барлық автоморфизмдері жиынтығы автоморфизм тобы деп аталатын топты құрайды. Бұл, шартты түрде айтқанда, объектінің симметрия тобы.

Анықтама

Алгебралық құрылымда, мысалы, топта, сақинада немесе векторлық кеңістікте, автоморфизм – объектінің өзіне біржақты сәйкестік гомоморфизмі. (Гомоморфизмнің анықтамасы алгебралық құрылымның түріне байланысты; мысалы, топ гомоморфизмін, сақина гомоморфизмін және сызықтық операторды қараңыз.) Көбірек жалпылап айтқанда, кез келген санаттағы объект үшін автоморфизм – бұл объектінің өзіне кері морфизмі бар морфизм; яғни, морфизм автоморфизм болады, егер X-тің сәйкестік морфизмі болатын морфизм болса. Алгебралық құрылымдар үшін екі анықтама эквивалентті; осы жағдайда сәйкестік морфизмі – жай ғана сәйкестік функциясы және оны көбінесе тривиалды автоморфизм деп атайды.

Автоморфизм тобы

X объектісінің автоморфизмдері морфизмдердің композициясы бойынша топты құрайды, бұл топ X объектісінің автоморфизмдер тобы деп аталады. Бұл категорияның анықтамасынан тікелей шығады. C санатындағы X объектісінің автоморфизмдер тобы көбінесе AutC(X) деп белгіленеді, немесе егер санасы контексттен түсінікті болса, жай ғана Aut(X) деп белгіленеді.

Мысалдар

Жинақ теориясында X жиынының элементтерінің кездейсоқ пермутациясы автоморфизм болып табылады. X-тің автоморфизм тобы X-тің симметриялық тобы деп те аталады. Элементар арифметикада, қосу бойынша топ ретінде қарастырылатын бүтін сандар жиыны Z-дің бірегей тривиалды емес автоморфизмі бар: теріске шығару. Алайда, оны сақина ретінде қарастырғанда, ол тек тривиальды автоморфизмге ие. Жалпы алғанда, теріске шығару кез келген абельдік топтың автоморфизмі болып табылады, бірақ сақинаның немесе өрістің емес. Топтық автоморфизм — топтың өзіне қарай топтық изоморфизм. Бейресми түрде бұл топ элементтерінің пермутациясы, онда құрылым өзгермейді. Кез келген G тобы үшін G → Aut(G) табиғи топ гомоморфизмі бар, оның бейнесі ішкі автоморфизмдердің Inn(G) тобы және оның ядросы G-дің орталығы болып табылады. Осылайша, егер G-дің тривиальды орталығы болса, ол өзінің автоморфизмдер тобына енгізіледі. Сызықтық алгебрада V векторлық кеңістігінің эндоморфизмі — V → V сызықтық оператор. Автоморфизм — V-дегі инверттік сызықтық оператор. Егер векторлық кеңістіктің өлшемдері шекті болса, V-дің автоморфизм тобы жалпы сызықтық топпен бірдей, GL(V). (V-дің барлық эндоморфизмдерінің алгебралық құрылымы өзі V-мен бірдей базалық өрістегі алгебра болып табылады, оның инверттік элементтері тек GL(V-ден ғана тұрады.) Өріс автоморфизмі — өрістен өзіне біективті сақина гомоморфизмі. Рационал сандар өрісінің сәйкестендіруден басқа автоморфизмі жоқ, өйткені автоморфизм 0-дің қосу сәйкестігін және 1-дің көбейту сәйкестігін сақтауы керек; 1-дің шекті санының қосындысы, сондай-ақ осы сомалардың қосу инверстері сақталуы керек (яғни автоморфизм барлық бүтін сандарды сақтайды); соңында, әрбір рационал сан екі бүтін санның бөліндісі болғандықтан, барлық рационал сандар кез келген автоморфизммен сақталуы керек. Нақты сандар өрісінің сәйкестендіруден басқа автоморфизмі жоқ. Рационал сандар жоғарыда айтылғандай кез келген автоморфизммен сақталуы керек; автоморфизм теңсіздіктерді сақтауы керек, өйткені a < b a < b-ге эквивалентті және соңғы қасиет кез келген автоморфизммен сақталады; соңында, әрбір нақты сан сақталуы керек, өйткені ол рационал сандар тізбегінің ең төменгі жоғарғы шегі. Комплекс сандар өрісінің бірегей тривиалды емес автоморфизмі бар, ол күрделі конъюгацияға жібереді, бірақ егер таңдау аксиомасы қабылданса, шексіз (есепсіз) көптеген «жабайы» автоморфизмдер бар. Алгебралық өріс кеңейтімдерінің автоморфизмдерін зерттеу — Галуа теориясының бастапқы нүктесі және негізгі нысаны. Кватерниондардың (H) сақина ретіндегі автоморфизм тобы Skolem–Noether теоремасы бойынша ішкі автоморфизмдер болып табылады: a ↦ bab⁻¹ түріндегі бейнелеулер. Бұл топ SO(3)-ке изоморфты, ол 3 өлшемді кеңістіктегі айналулар тобы. Октониондардың (O) автоморфизм тобы ерекше Лай тобы G₂ болып табылады. Граф теориясында графтың автоморфизмі — шеттерін және шеттері жоқ түйіндерін сақтайтын түйіндердің пермутациясы. Атап айтқанда, егер екі түйін жиекпен қосылса, олардың пермутациядағы бейнелері де солай болады. Геометрияда автоморфизм кеңістіктің қозғалысы деп аталуы мүмкін. Арнайы терминология да қолданылады: Метриялық геометрияда автоморфизм — өзіндік изометрия. Автоморфизм тобы изометрия тобы деп те аталады. Риман беттерінің санатында автоморфизм — беттен өзіне бихоломорфтық бейнелеу (оған конформдық бейнелеу де дейді). Мысалы, Риман сферасының автоморфизмдері — Мёбиус түрлендірулері. Дифференциалданатын көптүрлі M-нің автоморфизмі — M-ден өзіне диффеоморфизм. Автоморфизм тобы кейде Diff(M) деп белгіленеді. Топологияда топологиялық кеңістіктер арасындағы морфизмдер үздіксіз бейнелеулер деп аталады, ал топологиялық кеңістіктің автоморфизмі — кеңістіктің өзіне гомеоморфизмі немесе өзіндік гомеоморфизм (гомеоморфизмдер тобын қараңыз). Бұл мысалда морфизмнің изоморфизм болуы үшін тек биективті болу жеткіліксіз.

Ішкі және сыртқы автоморфизмдер

Кейбір санаттарда – атап айтқанда, топтар, сақиналар және Ли алгебраларында – автоморфизмдерді "ішкі" және "сыртқы" автоморфизмдер деп аталатын екі түрге бөлу мүмкін. Топтар жағдайында ішкі автоморфизмдер – топтың өзінің элементтерімен конъюгациялау болып табылады. G тобының кез келген a элементі үшін, a-мен конъюгациялау φa : G → G операциясы арқылы беріледі: φa(g) = aga−1 (немесе a−1ga; қолданылуы әртүрлі). A арқылы конъюгациялаудың топтық автоморфизм екенін тексеру оңай. Ішкі автоморфизмдер Aut(G)-нің қалыпты кіші тобын құрайды, ол Inn(G) деп белгіленеді; бұл Гурсат леммасы деп аталады. Қалған автоморфизмдер сыртқы автоморфизмдер деп аталады. Aut(G) / Inn(G) бөлімдік тобы әдетте Out(G) арқылы белгіленеді; бұл жердегі тривиальды емес элементтер – сыртқы автоморфизмдерді қамтитын косеттер. Осы анықтама кез келген бірлік сақинада немесе алгебрада қолданылады, онда a – кез келген инверттелі элемент болып табылады. Ли алгебралары үшін анықтама сәл өзгеше.