Кіріспе

Симметрия геометрияда ғана емес, математиканың басқа салаларында да кездеседі. Симметрия – инварианттылықтың бір түрі: математикалық объектінің операциялар немесе түрлендірулер жиынтығы кезінде өзгермейтін қасиеті. Кез келген құрылымды объекті X қарастырғанда, симметрия – объектінің құрылымын сақтайтын, оны өзіне бейімдейтін түрлендіру. Бұл түрлі жолдармен жүзеге асуы мүмкін; мысалы, егер X қосымша құрылымы жоқ жиын болса, симметрия – жиынның өзіне биективті бейнелеуі болып табылады, бұл өз кезегінде топтардың ауысуларын тудырады. Егер X объектісі жазықтықтағы нүктелер жиынтығы болса және оның метрикалық құрылымы немесе кез келген басқа метрикалық кеңістігі болса, симметрия – бұл әрбір екі нүкте арасындағы қашықтықты сақтайтын, жиынды өзіне бейімдейтін биекция (яғни изометрия). Жалпы, математикадағы әрбір құрылымның өзіне тән симметриясы болады, олардың көптеген түрлері жоғарыда аталғандарда көрсетілген.

Геометриядағы симметрия

Негізгі геометрияда қарастырылатын симметрия түрлері: рефлексиялық симметрия, айналу симметриясы, жылжу симметриясы және жылғалау рефлексиялық симметрия. Олар туралы толық мәліметтер «Симметрия (геометрия)» мақаласында келтірілген.

Интеграциялау

−A-дан +A-ға дейінгі тақ функцияның интегралы нөлге тең, егер A шекті болса және функция интегралданатын болса (мысалы, −A мен A арасында тік асимптоталары болмаса). −A-дан +A-ға дейінгі жұп функцияның интегралы 0-ден +A-ға дейінгі интегралдың екі есесіне тең, егер A шекті болса және функция интегралданатын болса (мысалы, −A мен A арасында тік асимптоталары болмаса). n символдар жиынының n! (n факториал) мүмкін орналасулары болғандықтан, Sn симметриялық тобының реті (яғни элементтер саны) n! болады.

Симметриялық көптіктер

Симметриялық көпмүше – n айнымалыдағы P(X1, X2, ..., Xn) көпмүшесі, егер айнымалылардың кез келгенін ауыстырса, сол көпмүше алынады. Формальды түрде, P симметриялық көпмүше болып табылады, егер 1, 2, ..., n сандарының кез келген σ пермутациясы үшін P(Xσ(1), Xσ(2), ..., Xσ(n)) = P(X1, X2, ..., Xn) теңдігі орындалса. Симметриялық көпмүшелер бір айнымалыдағы көпмүшенің түбірлері мен оның коэффициенттері арасындағы байланысты зерттеуде табиғи түрде пайда болады, себебі коэффициенттер түбірлер арқылы берілген көпмүшелік өрнектермен өрнектелуі мүмкін, ал барлық түбірлер осы жағдайда бірдей рөл атқарады. Осы көзқарас бойынша, элементарлы симметриялық көпмүшелер – ең негізгі симметриялық көпмүшелер болып табылады. Теорема бойынша, кез келген симметриялық көпмүшені элементарлы симметриялық көпмүшелер арқылы өрнектеуге болады, яғни монондық көпмүшенің түбірлеріндегі кез келген симметриялық көпмүшелік өрнекті сол көпмүшенің коэффициенттері арқылы берілген көпмүшелік өрнек түрінде де жазуға болады.

Галуа теориясы

Полиномды қарастыра отырып, оның кейбір түбірлері әртүрлі алгебралық теңдеулермен байланысты болуы мүмкін. Мысалы, екі түбір үшін, А және В десек, 1=А² + 5В³ = 7 теңдігі орындалуы мүмкін. Галуа теориясының негізгі идеясы – түбірлердің кез келген алгебралық теңдеуін қанағаттандыратын, түбірлерді ауыстырғаннан кейін де сол теңдеуді қанағаттандыратын пермутацияларды (немесе қайта орналастыруларды) қарастыру. Маңызды талап – біз тек коэффициенттері рационал сандар болатын алгебралық теңдеулермен ғана шектелеміз. Осылайша, Галуа теориясы алгебралық теңдеулердегі ішкі симметрияларды зерттейді.

Алгебралық нысандардың автоморфизмдері

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

Мысалдар

Жинақтар теориясында, X жиынының элементтерінің кез келген пермутациясы – автоморфизм болып табылады. X-тің автоморфизм тобы X-тің симметриялық тобы деп те аталады. Элементар арифметикада, қосылу бойынша топ ретінде қарастырылатын бүтін сандар жиыны Z, бірегей тривиалды емес автоморфизмге ие: теріс түріне ауыстыру. Дегенмен, оны сақина ретінде қарастырғанда, тек тривиалды автоморфизм ғана болады. Жалпы айтқанда, теріс түріне ауыстыру – кез келген абельдік топтың автоморфизмі болып табылады, бірақ сақинаның немесе өрістің емес. Топ автоморфизмі – топтың өзіне қарайтын топ изоморфизмі. Формальды түрде, бұл топ элементтерінің құрылымын өзгертпейтін пермутациясы. Кез келген G тобы үшін G → Aut(G) табиғи топ гомоморфизмі бар, оның бейнесі – ішкі автоморфизмдердің Inn(G) тобы, ал ядросы – G-нің орталығы. Осылайша, егер G-нің тривиалды орталығы болса, оны өзінің автоморфизмдер тобына енгізуге болады. Сызықтық алгебрада, V векторлық кеңістігінің эндоморфизмі – V → V сызықтық оператор. Автоморфизм – V-дегі инверттік сызықтық оператор. Егер векторлық кеңістік шекті өлшемді болса, V-нің автоморфизм тобы жалпы сызықтық топпен, GL(V) бірдей болады. Өріс автоморфизмі – өрістен өзіне біржақты сақина гомоморфизмі. Рационал сандар (Q) және нақты сандар (R) жағдайында тривиалды емес өріс автоморфизмдері жоқ. R-дің кейбір ішкі өрістерінде тривиалды емес өріс автоморфизмдері бар, бірақ олар R-дің барлығына тарамайды (өйткені R-де квадрат түбірі бар санның қасиетін сақтай алмайды). Комплекс сандар (C) жағдайында, R-ді R-ге жіберетін бірегей тривиалды емес автоморфизм бар: комплекс конъюгация, бірақ шексіз (санала алмайтын) көптеген «жабайы» автоморфизмдер бар (таңдау аксиомасын қабылдағанда). Өріс автоморфизмдері – өріс кеңейтулер теориясы үшін маңызды, әсіресе Галуа кеңейтулері үшін. Галуа кеңейтуі L/K жағдайында, L-нің барлық автоморфизмдерінің тобы, K нүктесін өзгеріссіз қалдыратын, кеңейтудің Галуа тобы деп аталады.

Симметриялық қатынас

Қатынас егер А-дан В-ға қатысты болса, сонымен қатар В-дан А-ға да қатысты болса, онда ол симметриялы деп аталады. Симметрия антисимметрияның тура керісі емес екенін ескеріңіз.

Ғарыштың изометриясы

Изометрия – метрикалық кеңістіктер арасындағы қашықтықты сақтайтын түрлендіру. Метрикалық кеңістік немесе жиын элементтері арасындағы қашықтықты анықтау схемасы берілгенде, изометрия элементтерді басқа метрикалық кеңістікке бейнелейтін трансформация болып табылады, осылайша жаңа метрикалық кеңістіктегі элементтер арасындағы қашықтық бастапқы метрикалық кеңістіктегі элементтер арасындағы қашықтыққа тең болады. Екі өлшемді немесе үш өлшемді кеңістікте екі геометриялық фигура, егер олар изометрия арқылы байланысты болса, конгруэнтті болып саналады: яғни, қатаң қозғалыс немесе қатаң қозғалыс пен көрістің қосындысы арқылы байланысты. Қатаң қозғалысқа байланысты қарағанда, олар тікелей изометрия арқылы байланысты болса тең болады. Изометрия геометриядағы симметрияның біртұтас анықтамасын құру үшін, сондай-ақ функциялар, ықтималдық таралымдары, матрицалар, тізбектер, графтар және т.б. үшін қолданылады.

Дифференциалдық теңдеулердің симметриясы

Дифференциалдық теңдеудің симметриясы – дифференциалдық теңдеуді өзгермейтін түрлендіру. Мұндай симметрияларды білу дифференциалдық теңдеуді шешуге көмектеседі. Дифференциалдық теңдеулер жүйесінің сызықтық симметриясы – дифференциалдық теңдеулер жүйесінің үздіксіз симметриясы. Сызықтық симметрияны білу реттілікті төмендету арқылы қалыпты дифференциалдық теңдеуді жеңілдетуге мүмкіндік береді. Қалыпты дифференциалдық теңдеулер үшін, Lie симметрияларының тиісті жиынтығын білу, бірінші интегралдар жиынтығын нақты есептеуге және интегралдаусыз толық шешім алуға мүмкіндік береді. Симметрияларды қарапайым дифференциалдық теңдеулердің өзара байланысты жиынтығын шешу арқылы табуға болады. Бұл теңдеулерді шешу көбінесе бастапқы дифференциалдық теңдеулерді шешуден гөрі әлдеқайда оңай.

Ықтималдық симметриясы

Мүмкін нәтижелердің шекті саны болған жағдайда, пермутацияларға (қайта белгілеулерге) қатысты симметрия дискретті біркелкі таралымды білдіреді. Мүмкін нәтижелердің нақты аралығы жағдайында, тең ұзындықтағы өзара алмасатын кіші аралықтарға қатысты симметрия үздіксіз біркелкі таралымға сәйкес келеді. Басқа жағдайларда, мысалы, "кездейсоқ бүтін санды алу" немесе "кездейсоқ нақты санды алу" сияқты, қайта атауларға немесе бірдей ұзын кіші аралықтарды алмасуға қатысты симметриялық ықтималдық таралымдар жоқ. Басқа орынды симметриялар бір нақты таралымды ерекшелендірмейді, яғни, максималды симметрияны қамтамасыз ететін бірегей ықтималдық таралымы жоқ. Бір өлшемдегі изометрияның бір түрі бар, ол ықтималдық таралымын өзгертпей қалдыра алады, яғни нүктеде, мысалы нөлде, көрініс тудырады. Оң нәтижелердегі кездейсоқтық үшін мүмкін симметрия – логарифм үшін де сол қағида қолданылады, яғни нәтиже мен оның кері шамасы бірдей таралымға ие. Алайда, бұл симметрия ешбір нақты таралымды ерекшелендірмейді. Жазықтықтағы немесе кеңістіктегі "кездейсоқ нүкте" үшін бастапқы нүктені таңдап, тиісінше дөңгелек немесе шар тәрізді симметриялы ықтималдық таралымын қарастыруға болады.