Gruppentheorie (Mathematik)

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Die Gruppentheorie als mathematische Disziplin untersucht die algebraische Struktur von Gruppen.

Anschaulich besteht eine Gruppe aus den Symmetrien eines Objekts oder einer Konfiguration zusammen mit jener Verknüpfung, die durch das Hintereinanderausführen dieser Symmetrien gegeben ist. So bilden beispielsweise die Drehungen eines regelmäßigen LaTeX: n-Ecks in der Ebene, mit denen die Figur auf sich selbst abgebildet werden kann, eine Gruppe mit LaTeX: n Elementen. Um dieses Konzept allgemein zu fassen, hat sich eine knappe und mächtige Definition herausgebildet: Demnach ist eine Gruppe eine Menge zusammen mit einer zweistelligen inneren Verknüpfung (durch die jedem geordneten Paar von Elementen eindeutig ein Element dieser Menge als Resultat zugeordnet wird), wenn diese Verknüpfung assoziativ ist und es ein neutrales Element gibt sowie zu jedem Element ein Inverses. So bildet zum Beispiel auch die Menge der ganzen Zahlen zusammen mit der Addition eine Gruppe.

Die systematische Untersuchung von Gruppen begann im 19. Jahrhundert und wurde durch konkrete Probleme ausgelöst, zunächst durch die Frage nach der Lösbarkeit von algebraischen Gleichungen, später durch die Untersuchung geometrischer Symmetrien. Dementsprechend stand zunächst die Untersuchung konkreter Gruppen im Vordergrund; erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden verstärkt abstrakte Fragestellungen untersucht. Wichtige Beiträge stammen unter anderem von Évariste Galois und Niels Henrik Abel in der Algebra sowie Felix Klein und Sophus Lie in der Geometrie. Eine der herausragenden mathematischen Leistungen des 20. Jahrhunderts ist die Klassifikation aller endlichen einfachen Gruppen, also der unzerlegbaren Bausteine aller endlichen Gruppen.

Die große Bedeutung der Gruppentheorie für viele Gebiete der Mathematik und ihrer Anwendungen resultiert aus ihrer Allgemeinheit, denn sie umfasst in einer einheitlichen Sprache sowohl geometrische Sachverhalte (Bewegungen des Raumes, Symmetrien etc.) als auch arithmetische Regeln (Rechnen mit Zahlen, Matrizen etc.). Vor allem in der Algebra ist der Begriff der Gruppe von grundlegender Bedeutung: Ringe, Körper, Moduln und Vektorräume sind Gruppen mit zusätzlichen Strukturen und Eigenschaften. Methoden und Sprechweise der Gruppentheorie durchziehen daher viele Gebiete der Mathematik. In Physik und Chemie treten Gruppen überall dort auf, wo Symmetrien eine Rolle spielen (z. B. Invarianz physikalischer Gesetze, Symmetrie von Molekülen und Kristallen). Zur Untersuchung solcher Phänomene liefern die Gruppentheorie und die eng verwandte Darstellungstheorie die theoretischen Grundlagen und eröffnen wichtige Anwendungen.

Zugang ohne mathematische Voraussetzungen

Gruppen werden in der Mathematik verwendet, um das Rechnen mit Zahlen zu verallgemeinern. Entsprechend besteht eine Gruppe aus einer Menge von Dingen (z. B. Zahlen, Symbolen, Objekten, Bewegungen) und einer Rechenvorschrift (eine Verknüpfung, in diesem Artikel als LaTeX: * dargestellt), die angibt, wie mit diesen Dingen umzugehen ist. Diese Rechenvorschrift muss dabei bestimmten Regeln genügen, den sogenannten Gruppenaxiomen, die im Folgenden erklärt werden.

Von einer Gruppe spricht man, falls für eine Menge zusammen mit einer Verknüpfung je zweier Elemente dieser Menge, hier geschrieben als LaTeX: a * b, die folgenden Anforderungen erfüllt sind:

  1. Die Verknüpfung zweier Elemente der Menge ergibt wiederum ein Element derselben Menge. (Abgeschlossenheit)
  2. Für die Verknüpfung ist die Klammerung unerheblich, das heißt, es gilt LaTeX: (a * b) * c = a * (b * c) für alle LaTeX: a,b,c. (Assoziativgesetz)
  3. Es gibt ein Element LaTeX: e in der Menge, das bezüglich der Verknüpfung nichts bewirkt, also ein LaTeX: *-neutrales Element: LaTeX: a * e = e * a = a für alle LaTeX: a.
  4. Zu jedem Element LaTeX: a gibt es bezüglich der Verknüpfung ein Umkehr-Element, also ein LaTeX: *-inverses Element LaTeX: a^*. Dieses hat die Eigenschaft, beim Verknüpfen mit LaTeX: a das neutrale Element zu ergeben: LaTeX: a^* * a = a * a^* = e.

Man beachte: Falls auf der Menge von mehreren Verknüpfungen die Rede ist, etwa LaTeX: * und LaTeX: \circ, dann gibt es mehrere neutrale und inverse Elemente, jeweils passend zur Verknüpfung. Wenn aus dem Kontext klar ist, dass nur eine bestimmte Verknüpfung gemeint ist, dann spricht man kurz von dem neutralen Element LaTeX: e und dem inversen Element LaTeX: a^* zu LaTeX: a ohne die Verknüpfung nochmals explizit zu erwähnen.

  • Wenn man zudem noch die Operanden vertauschen darf, wenn also stets LaTeX: a * b = b * a gilt, dann liegt eine abelsche Gruppe vor, auch kommutative Gruppe genannt. (Kommutativgesetz)

Beispiele für abelsche Gruppen sind

  • die ganzen Zahlen LaTeX: \Z mit der Addition LaTeX: + als Verknüpfung und der Null als neutralem Element,
  • die rationalen Zahlen LaTeX: \Q ohne Null mit der Multiplikation LaTeX: \cdot als Verknüpfung und der Eins als neutralem Element. Die Null muss hierbei ausgeschlossen werden, da sie kein inverses Element besitzt: „1/0“ ist nicht definiert.

Die sehr allgemeine Definition von Gruppen ermöglicht es, nicht nur Mengen von Zahlen mit entsprechenden Operationen als Gruppen aufzufassen, sondern auch andere mathematische Objekte mit geeigneten Verknüpfungen, die die obigen Anforderungen erfüllen. Ein solches Beispiel ist die Menge der Drehungen und Spiegelungen (Symmetrietransformationen), durch die ein regelmäßiges n-Eck auf sich selbst abgebildet wird, mit der Hintereinanderausführung der Transformationen als Verknüpfung (Diedergruppe).

Definition einer Gruppe

Hauptartikel: Gruppe (Mathematik)

Eine Gruppe ist ein Paar LaTeX: (G,*). Dabei ist LaTeX: G eine Menge und LaTeX: * eine zweistellige Verknüpfung bezüglich LaTeX: G. Das heißt, dadurch wird die Abbildung LaTeX: *\colon G \times G \to G, (a,b) \mapsto a*b beschrieben. Zudem müssen die folgenden Axiome für die Verknüpfung erfüllt sein, damit LaTeX: (G,*) als Gruppe bezeichnet werden kann:

Eine Gruppe LaTeX: (G,*) heißt abelsch oder kommutativ, wenn zusätzlich das folgende Axiom erfüllt ist:

Andernfalls, d. h., wenn es Gruppenelemente LaTeX: a,b \in G gibt, für die LaTeX: a*b \ne b*a ist, heißt die Gruppe LaTeX: (G,*) nichtabelsch.

Beispiele

Bekannte Beispiele für Gruppen sind:

Eine ausführlichere Aufzählung finden Sie in der Liste kleiner Gruppen.

Grundkonzepte der Gruppentheorie

Ordnung einer Gruppe

Die Mächtigkeit (Kardinalität) LaTeX: |G| der Trägermenge der Gruppe nennt man Ordnung der Gruppe oder kurz Gruppenordnung. Für endliche Mengen ist dies einfach die Anzahl der Elemente.

Untergruppen

Ist LaTeX: H eine Teilmenge der Trägermenge LaTeX: G einer Gruppe LaTeX: (G,*) und ist LaTeX: (H,*) selbst eine Gruppe, so nennt man LaTeX: H eine Untergruppe von LaTeX: G, Bezeichnung LaTeX: H \leq G.

Hierzu ein wichtiger Satz (Satz von Lagrange): Die Ordnung jeder Untergruppe LaTeX: H einer endlichen Gruppe LaTeX: G ist ein Teiler der Ordnung der Gruppe LaTeX: G. Ist speziell LaTeX: |G| eine Primzahl, dann hat LaTeX: G nur die (trivialen) Untergruppen LaTeX: \{e\} (bestehend aus dem neutralen Element) und LaTeX: G selbst.

Zyklische Gruppen

Gibt es in LaTeX: G ein Element LaTeX: a so, dass man jedes Element als Potenz LaTeX: a^n (mit einer ganzen Zahl LaTeX: n, die auch negativ sein darf) schreiben kann, so nennt man LaTeX: G eine zyklische Gruppe und LaTeX: a erzeugendes Element.

Ordnung von Elementen

Ergibt ein Element LaTeX: a der Gruppe, endlich viele Male (LaTeX: n-mal) mit sich selbst verknüpft, das neutrale Element 1, d. h., gibt es ein LaTeX: n\in\N mit LaTeX: a^n = 1, so nennt man das kleinste derartige LaTeX: n > 0 die Ordnung des Elements LaTeX: a. In diesem Fall spricht man von einem Element endlicher Ordnung oder Torsionselement. Falls kein solches LaTeX: n existiert, sagt man, dass LaTeX: a unendliche Ordnung hat. In beiden Fällen entspricht die Ordnung des Elements der Ordnung der von ihm erzeugten Untergruppe.

Wegen des Satzes von Lagrange folgt: In einer endlichen Gruppe ist die Ordnung jedes Elements endlich, und ein Teiler der Gruppenordnung.

Die kleinste positive Zahl LaTeX: n, mit der LaTeX: a^n=1 für jedes Gruppenelement LaTeX: a gilt, wird Gruppenexponent genannt.

Nebenklassen

Definiert man auf der Gruppe LaTeX: (G,*) mit einer Untergruppe LaTeX: (H,*) die Relation LaTeX: \sim durch

LaTeX: a \sim b \; :\Longleftrightarrow \; \exists \, h \in H\colon \, b = a * h,

erhält man eine Äquivalenzrelation auf LaTeX: G. Die Äquivalenzklasse zu einem Element LaTeX: a \in G (d. h. die Menge aller Elemente LaTeX: b, die zu LaTeX: a in der Relation LaTeX: \sim stehen), ist die Menge

LaTeX: \{a*h \mid h \in H\}.

Für diese Menge schreibt man LaTeX: a*H oder LaTeX: aH. Da diese Menge alle Elemente von LaTeX: G enthält, die dadurch entstehen, dass das Element LaTeX: a mit allen Elementen aus LaTeX: H verknüpft wird, heißt sie die Linksnebenklasse,[1] Alternativbezeichnung Linksrestklasse,[2] von LaTeX: H nach dem Element LaTeX: a.

Wenn man andererseits eine Relation LaTeX: a \backsim b durch

LaTeX: a \backsim b \; :\Longleftrightarrow \; \exists \, h \in H\colon \, b = h * a

definiert, dann ist dies im Allgemeinen eine andere Äquivalenzrelation und die Menge der zu LaTeX: a äquivalenten Elemente in LaTeX: G jetzt

LaTeX: \{h*a \mid h \in H\},

die durch Rechtsverknüpfung der Elemente aus LaTeX: H mit dem Element LaTeX: a entsteht. Sie wird mit LaTeX: H*a oder LaTeX: Ha bezeichnet und Rechtsnebenklasse, Alternativbezeichnung Rechtsrestklasse, von LaTeX: H nach dem Element LaTeX: a genannt.

Nebenklassen werden benutzt, um den Satz von Lagrange zu beweisen, um die Begriffe Normalteiler und Faktorgruppe zu erklären und um Gruppenoperationen zu studieren.

Doppelnebenklassen

Sind zwei Untergruppen LaTeX: K und LaTeX: H gegeben, so erhält man eine Äquivalenzrelation durch

LaTeX: a \sim b \; :\Longleftrightarrow \; \exists \, k \in K, \, h \in H\colon \, b = k * a * h.

Die Äquivalenzklasse zu LaTeX: a\in G ist

LaTeX: \{k*a*h \mid k \in K, h \in H\}

Für diese Menge schreibt man LaTeX: K*a*H oder LaTeX: KaH und nennt sie die LaTeX: (K,H)-Doppelnebenklasse zu LaTeX: a.

Normalteiler

Ist für jedes Element LaTeX: a \in G die linke Nebenklasse von LaTeX: H gleich der rechten, d. h. LaTeX: aH=Ha, so nennt man LaTeX: H einen Normalteiler von LaTeX: G, Bezeichnung LaTeX: H \trianglelefteq G.

In einer abelschen Gruppe ist jede Untergruppe ein Normalteiler. Der Kern jedes Gruppenhomomorphismus ist ein Normalteiler.

Faktorgruppe

Die Linksnebenklassen (oder auch die Rechtsnebenklassen) bezüglich einer Untergruppe teilen die Gruppe (als Menge angesehen) in disjunkte Teilmengen auf. Ist die Untergruppe sogar ein Normalteiler, so ist jede Linksnebenklasse zugleich eine Rechtsnebenklasse und wird ab jetzt nur Nebenklasse genannt.

Ist LaTeX: H ein Normalteiler von LaTeX: G, dann kann man auf der Menge LaTeX: G/H der Nebenklassen eine Verknüpfung definieren:

LaTeX: a_1H * a_2H := \left(a_1 * a_2\right)H

Die Verknüpfung ist wohldefiniert, d. h., sie ist nicht abhängig von der Wahl der Repräsentanten LaTeX: a_1 und LaTeX: a_2 in ihrer Nebenklasse. (Ist LaTeX: H kein Normalteiler, dann gibt es Nebenklassen mit Repräsentanten, die verschiedene Ergebnisse produzieren.)

Zusammen mit dieser induzierten Verknüpfung bildet die Menge der Nebenklassen eine Gruppe, die Faktorgruppe LaTeX: G/H. Die Faktorgruppe ist eine Art vergröbertes Abbild der originalen Gruppe.

Klassifikation der endlichen einfachen Gruppen

Eine nicht-triviale Gruppe heißt einfach, wenn sie keine Normalteiler außer der trivialen Gruppe und sich selbst hat. Beispielsweise sind alle Gruppen von Primzahlordnung einfach. Die einfachen Gruppen spielen eine wichtige Rolle als „Grundbausteine“ von Gruppen. Seit 1982 sind die endlichen einfachen Gruppen vollständig klassifiziert. Jede gehört entweder zu einer der 18 Familien endlicher einfacher Gruppen oder ist eine der 26 Ausnahmegruppen, die auch als sporadische Gruppen bezeichnet werden.

Beispiel

Rubiks Zauberwürfel als Beispiel einer endlichen nicht-abelschen Gruppe

Manche Eigenschaften endlicher Gruppen lassen sich mit dem Zauberwürfel veranschaulichen, der seit seiner Erfindung vielfach im akademischen Unterricht eingesetzt wurde, weil die Permutationen der Ecken- und Kantenelemente des Würfels ein sichtbares und handgreifliches Beispiel einer Gruppe darstellen.

Anwendungen

Chemie

Punktgruppen

Die Menge der möglichen Positionen der Atome der Moleküle in ihrer Gleichgewichtskonformation lässt sich mit Hilfe von Symmetrieoperationen (Einheitselement, Spiegelung, Drehung, Inversion, Drehspiegelung) auf sich selbst abbilden. Die Symmetrieoperationen lassen sich zu Gruppen, den sogenannten Punktgruppen zusammenfassen.

Beispielanwendungen

Physik

In der Quantenmechanik sind Symmetriegruppen als Gruppen von unitären oder antiunitären Operatoren realisiert. Die Eigenvektoren einer maximalen abelschen Untergruppe dieser Operatoren zeichnet eine physikalisch wichtige Basis aus, die zu Zuständen mit wohldefinierter Energie oder Impuls oder Drehimpuls oder Ladung gehört. Beispielsweise bilden in der Festkörperphysik die Zustände in einem Kristall mit einer fest gewählten Energie einen Darstellungsraum der Symmetriegruppe des Kristalls.

Geschichte

Die Entdeckung der Gruppentheorie wird Évariste Galois zugeschrieben, der die Lösbarkeit algebraischer Gleichungen durch Radikale (in heutiger Terminologie) auf die Auflösbarkeit ihrer Galois-Gruppe zurückführte. Galois’ Arbeit wurde erst 1846 postum veröffentlicht. Implizit spielte das Konzept einer Gruppe aber bereits bei Lagrange (Réflexions sur la résolution algébrique, 1771) und Gauß (Disquisitiones Arithmeticae, 1801) eine Rolle.

Im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts wurde die Gruppentheorie vor allem durch Felix Kleins Erlanger Programm und die von Sophus Lie entwickelte Theorie der kontinuierlichen Transformationsgruppen sowie auch Poincarés und Kleins Arbeiten über automorphe Funktionen zu einem zentralen Bestandteil der Mathematik. Aus dem Jahr 1881 stammt Poincarés bekanntes Zitat „Les mathématiques ne sont qu’une histoire des groupes.“ (Die Mathematik ist nur eine Geschichte der Gruppen.)

Eine abstrakte Definition von Gruppen findet sich erstmals 1854 bei Arthur Cayley:

„A set of symbols LaTeX: 1,\alpha,\beta,\ldots, all of them different, and such that the product of any two of them (no matter in what order), or the product of any one of them into itself, belongs to the set, is said to be a group. These symbols are not in general convertible [commutative] but associative, it follows that if the entire group is multiplied by any one of the symbols, either as further or nearer factor [left or right], the effect is simply to reproduce the group.“

Erst ab 1878 erschienen die ersten Arbeiten zur abstrakten Gruppentheorie. Cayley bewies, dass jede endliche Gruppe isomorph zu einer Gruppe von Permutationen ist und bemerkte in derselben Arbeit, dass es einfacher sei, Gruppen als abstrakte Gruppen statt als Gruppen von Permutationen zu betrachten. 1882 definierte Dyck erstmals Gruppen mittels Erzeugern und Relationen.

Siehe auch

Literatur

  • Pavel S. Alexandroff: Einführung in die Gruppentheorie. Deutsch, Frankfurt 2007, ISBN 978-3-8171-1801-4.
  • Hans Kurzweil, Bernd Stellmacher: Theorie der endlichen Gruppen. Eine Einführung. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-60331-X.
  • Thorsten Camps u. a.: Einführung in die kombinatorische und die geometrische Gruppentheorie. Heldermann, Lemgo 2008, ISBN 978-3-88538-119-8.
  • Oleg Bogopolski: Introduction to group theory. European Math. Soc., Zürich 2008, ISBN 978-3-03719-041-8.
  • Stephan Rosebrock: Anschauliche Gruppentheorie – Eine computerorientierte geometrische Einführung. Springer Spektrum, 2020, ISBN 978-3-662-60786-2.

Weblinks

 Wiktionary: Gruppentheorie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1.  Siegfried Bosch: Algebra. Springer, Berlin, ISBN 978-3-642-39566-6, S. 15.
  2.  Jürgen Wolfart: Einführung in die Zahlentheorie und Algebra. Vieweg+Teubner, Wiesbaden, ISBN 978-3-8348-1461-6, S. 36.
  3. siehe Atkins, de Paula, Physikalische Chemie, Wiley-VCH (2006), S. 462, Google-Lesevorschau


Dieser Artikel basiert (teilweise) auf dem Artikel Gruppentheorie (Mathematik) aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons Attribution/Share Alike. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.