Aufgabe 2.1Z: Welche Tabellen beschreiben Gruppen?

From LNTwww

Additionstabellen für  $q = 3$

In dieser Aufgabe betrachten wir Mengen mit jeweils drei Elementen, allgemein bezeichnet mit  $\{z_0, \, z_1, \, z_2\}$. Die Elemente können dabei sein:

  • Zahlen, beispielsweise  $z_0 = 0, \ z_1 = 1, \ z_2 = 2$,
  • algebraische Ausdrücke wie  $z_0 = A, \ z_1 = B, \ z_2 = C$,
  • irgendwas, beispielsweise  $z_0 = \ "\hspace{-0.05cm}{\rm Apfel}\hspace{0.05cm}", \ z_1 = \ "\hspace{-0.05cm}{\rm Birne}\hspace{0.05cm}", \ z_2 = \ "\hspace{-0.05cm}{\rm Citrone}\hspace{0.05cm}"$.


Eine Gruppe  $(G, \ "+")$  hinsichtlich der Addition ergibt sich dann, wenn durch eine Tabelle die "$+$"–Verknüpfung zwischen je zwei Elementen so definiert wurde, dass folgende Bedingungen erfüllt sind (die Laufvariablen  $i, \ j, \ k$  können dabei jeweils die Werte  $0, \ 1, \ 2$  annehmen):

  • Für alle  $z_i ∈ G$ und $z_j ∈ G$  gilt  $(z_i + z_j) ∈ G$   ⇒   Closure–Kriterium. Die Bedingung muss auch für  $i = j$  erfüllt sein.
  • Für alle  $z_i, \ z_j, \ z_k$ gilt $(z_i + z_j) + z_k = z_i + (z_j + z_k)$   ⇒   Assoziativgesetz.
  • Es gibt ein  hinsichtlich Addition neutrales Element  ⇒   $N_{\rm A} ∈ G$, so dass für alle  $z_i ∈ G$  gilt:   $z_i + N_{\rm A} = z_i$.
  • Für alle $z_i ∈ G$ gibt es ein  hinsichtlich Addition inverses Element  ⇒   ${\rm Inv}_{\rm A}(z_i) ∈ G$, so dass  $z_i + {\rm Inv}_{\rm A}(z_i) = N_{\rm A}$  gilt.


Wird zudem für alle  $z_i ∈ G$  und  $z_j ∈ G$  noch das  Kommutativgesetz   ⇒   $z_i + z_j = z_j + z_i$  erfüllt, so spricht man von einer kommutativen Gruppe oder – nach dem norwegischen Mathematiker  Niels Hendrik Abel – von einer  Abelschen Gruppe.

Die Zahlenmenge  $\{0, \, 1, \, 2\}$  ist eine Abelsche (kommutative) Gruppe.

  • Entsprechend der grün umrandeten Additionstabelle in obiger Grafik ist hier die Addition modulo  $3$  zu verstehen.
  • Somit ist auch die Summe stets  $0, \ 1$ oder $2$.
  • Das neutrale Element ist  $N_{\rm A} = 0$  und das  zu $z_i$  inverse Element  ${\rm Inv}_{\rm A}(z_i) = -z_i$:
$${\rm Inv_A}(0) = 0 \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}{\rm Inv_A}(1) = (-1)\hspace{0.15cm}{\rm mod}\hspace{0.15cm}3 = 2 \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}{\rm Inv_A}(2) = (-2)\hspace{0.15cm}{\rm mod}\hspace{0.15cm}3 = 1 \hspace{0.05cm}.$$

In dieser Aufgabe sollen Sie überprüfen, ob auch die beiden weiteren in der obigen Grafik dargestellten Additionstabellen jeweils zu einer algebraischen Gruppe gehören.





Hinweise:



Fragebogen

1

Welche Aussagen ergeben sich aus der rot umrandeten Additionstabelle?

Das neutrale Element ist  $N_{\rm A} = {\rm C}$.
Die Inversen sind  $\rm Inv_A(A) = B, \ \ Inv_A(B) = A, \ \ Inv_A(C) = C$.
Es handelt sich hier um eine additive Gruppe  $(G, \ +)$.
Auch die Bedingung einer Abelschen Gruppe wird erfüllt.

2

Ändert sich etwas gegenüber Teilaufgabe (1), wenn die Elemente  $\rm A, \ \ B, \ \ C$ nun für  "$\hspace{-0.01cm}\rm Apfel\hspace{0.01cm}$", "$\rm Birne$" und "$\rm Zitrone$"  stehen?

Ja.
Nein.

3

Welche Aussagen ergeben sich aus der blau umrandeten Additionstabelle?

Das neutrale Element ist  $N_{\rm A} = a$.
Die additiven Inversen sind  $\rm Inv_A(a) = a, \ \ Inv_A(b) = b, \ \ Inv_A(c) = c$.
Es handelt sich um eine Abelsche Gruppe.


Musterlösung

(1)  Es treffen alle Aussagen zu:

  • Das neutrale Element $N_{\rm A} = {\rm C}$ erkennt man aus der letzten Zeile der Additionstabelle.
  • Aus der Bedingung $z_i + {\rm Inv}_{\rm A}(z_i) = N_{\rm A} = {\rm C}$ erhält man:
  • $\rm Inv_A(A) = B$, da an der zweiten Stelle der ersten Zeile das einzige $\rm C$ steht,
  • $\rm Inv_A(B) = A$, da an der ersten Stelle der zweiten Zeile das einzige $\rm C$ steht,
  • $\rm Inv_A(C) = C$, da an der letzten Stelle der dritten Zeile das einzige $\rm C$ steht.
  • Das Assoziativgesetz überprüfen wir (unzulässigerweise) nur an einem einzigen Beispiel. Durch zweimalige Anwendung der Additionstabelle erhält man beispielsweise $\rm (A + B) + C = C + C=C$. Das gleiche Ergebnis ergibt sich für $\rm A + (B + C) = A + B = C$.


Damit sind alle Bedingungen für eine additive Gruppe erfüllt. Die Gültigkeit des Kommutativgesetzes erkennt man aus der Symmetrie der Additionstabelle zur Diagonalen. Damit ist die Gruppe auch "abelsch".

Übrigens: Die (rote) Additionstabelle ergibt sich aus der grünen Tabelle durch die Umbenennungen $0 → \rm C, \ 1 → A$ und $2 → \rm B$ und anschließender $\rm ABC$–Sortierung.


(2)  Richtig ist Nein:

  • Alle Aussagen sind allein durch die Additionstabelle bestimmt und nicht durch die Bedeutung der Elemente.
  • Auch der Autor dieser Aufgabe kann allerdings nicht tiefergehend begründen, warum die Modulo–3–Addition von "$\rm Apfel$" und "$\rm Birne$" das neutrale Element "$\rm Citrone$" ergibt.


(3)  Die beiden ersten Aussagen treffen zu im Gegensatz zur letzten:

  • Das Kommutativgesetz wird verletzt (keine Symmetrie bezüglich der Tabellendiagonalen). Beispielsweise gilt:
$$ {\rm a} + {\rm b} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} {\rm b} \hspace{0.5cm} \ne \hspace{0.5cm} {\rm b} + {\rm a} = {\rm c} \hspace{0.05cm},$$
$${\rm a} + {\rm c} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} {\rm c} \hspace{0.5cm} \ne \hspace{0.5cm} {\rm c} + {\rm a} = {\rm b} \hspace{0.05cm},$$
$${\rm b} + {\rm c} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} {\rm b} \hspace{0.5cm} \ne \hspace{0.5cm} {\rm c} + {\rm b} = {\rm c} \hspace{0.05cm} \hspace{0.05cm}.$$
  • Damit ist die hier betrachtete Verknüpfung keine Abelsche (kommutative) Gruppe.
  • Mehr noch, wegen der Verletzung des Assoziativgesetzes liegen hier bereits die Grundvoraussetzungen einer Gruppe nicht vor. Beispielsweise gilt:
$${\rm c} + ({\rm c} + {\rm c}) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} {\rm c} + {\rm a} = {\rm b} \hspace{0.05cm},$$
$$({\rm c} + {\rm c}) + {\rm c} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} {\rm a} + {\rm c} = {\rm c} \hspace{0.05cm}.$$