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普遍ふへん代数だいすうがく

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数学すうがくいち分野ぶんやとしての普遍ふへん代数だいすうがく(ふへんだいすうがく、えい: Universal algebra)あるいは一般いっぱん代数だいすうがく(いっぱんだいすうがく、えい: general algebra)は、構造こうぞうの「モデル」となるれいについてではなく代数だいすうてき構造こうぞうそのものについて研究けんきゅうする分野ぶんやである。たとえば、その研究けんきゅう対象たいしょうとして個々ここぐんかんがえるのではなく群論ぐんろんそのものをその研究けんきゅう対象たいしょうとするのである。

基本きほんてきかんがかた[編集へんしゅう]

普遍ふへん代数だいすうがくでいう代数だいすう (algebra)(代数だいすうけい)あるいは代数だいすうてき構造こうぞう (algebraic structure) とは、集合しゅうごう AA うえ演算えんざん算法さんぽう)をわせてかんがえたものをう。A うえn-こう演算えんざんとは、An もと引数ひきすうり、Aひとつのもとかえ写像しゃぞうである。したがってれいこう演算えんざんたんAもとのこと、あるいは定数ていすう意味いみすることになる(これはしばしば a などのラテン小文字こもじあらわされる)。単項たんこう演算えんざんたんA から A への写像しゃぞうのことであり、これはその引数ひきすうのまえに ~x のように記号きごうくことでしばしばあらわされる。こう演算えんざんはしばしば中置ちゅうち記法きほうしたがって x * y のように引数ひきすうあいだ記号きごうく。変数へんすうこうすう特定とくていでもいい)の場合ばあいには、通常つうじょう写像しゃぞう記法きほうしたがって、引数ひきすうコンマ区切くぎってパーレンくくった f(x,y,z) や f(x1,...,xn) のようなかたをする。特定とくてい場面ばめんでは、無限むげんこう演算えんざん英語えいごばん意味いみ場合ばあいもあり、適当てきとう無限むげん添字そえじ集合しゅうごう Jもちいて のような記法きほうもちいられることもある(完備かんびたば代数だいすう理論りろんなど)。代数だいすうについて言及げんきゅうするひとつの方法ほうほうは、どのようなかた Ωおめが代数だいすう英語えいごばんであるかを明示めいじすることである。ここで Ωおめが はその代数だいすう演算えんざんのアリティ(こうすう)をあらわ自然しぜんすう順序じゅんじょぐみである。

等式とうしきけい[編集へんしゅう]

演算えんざん特定とくていしたあとは、その代数だいすう内在ないざいてき性質せいしつというのは公理系こうりけいによってさらに限局げんきょくされることになるが、普遍ふへん代数だいすうがくではこういった公理系こうりけいとして等式とうしき等式とうしきりつ等式とうしき法則ほうそく)によってあたえるのが普通ふつうである。たとえば、こう演算えんざんたいする結合けつごうせい公理こうり等式とうしき x * (y * z) = (x * y) * z によってさだめられる。この公理こうり集合しゅうごう A任意にんいもと x, y, zたいしてたされることが意図いとされている。

代数だいすう多様たようせい[編集へんしゅう]

等式とうしきによって定義ていぎすることのできる代数だいすうてき構造こうぞうは、代数だいすう多様たようせいとして総称そうしょうされ、普遍ふへん代数だいすうがくいち対象たいしょうとして代数だいすう多様たようせい研究けんきゅうするものもあれば、普遍ふへん代数だいすうがく研究けんきゅう対象たいしょう代数だいすう多様たようせいのみ調しらべれば十分じゅうぶんかんがえるものもある[よう出典しゅってん]

代数だいすう多様たようせいについて調しらべるための制約せいやくとしてのぞかれるものとして:

このせま意味いみでの定義ていぎにおいて普遍ふへん代数だいすうがくは、典型てんけいてきには演算えんざんのみをもつ構造こうぞうのみをあつかう(かた英語えいごばん函数かんすう記号きごうふくむが、等式とうしき以外いがい関係かんけい記号きごうふくまない)のであるから、これらの構造こうぞうについてべる言葉ことばとしては等式とうしきのみをもちいるような、モデル理論りろん特別とくべつ分科ぶんかかんがえることができる。

よりひろ意味いみ代数だいすうてき構造こうぞうあつかうならば、そのすべてがいまったような議論ぎろん範疇はんちゅうおさまることは期待きたいできようはずもなく、たとえば順序じゅんじょぐん順序じゅんじょ関係かんけいふくむから、普遍ふへん代数だいすうがく主流しゅりゅうとしては研究けんきゅう対象たいしょうにならない。

より基本きほんてき制約せいやくとして、普遍ふへん代数だいすうがくではからだのクラスを研究けんきゅうすることはできない。これは、からだ公理系こうりけいをすべて等式とうしきとしてくようなかた(つまりさんごうけい)が存在そんざいしないことによる(ぎゃくもと存在そんざい任意にんいの「れいげん」にたいして定義ていぎされるから、この反転はんてん演算えんざんかた単純たんじゅん追加ついかすることができない)。

このような制約せいやくがあることの利点りてんは、普遍ふへん代数だいすうがくにおいて研究けんきゅうされる構造こうぞうが、有限ゆうげんせき任意にんいけんにおいて定義ていぎできることである。たとえば、位相いそうぐん位相いそう空間くうかんけんにおけるぐんぐん対象たいしょう英語えいごばん)である。

れい[編集へんしゅう]

数学すうがくにおける通常つうじょう代数だいすうけい大半たいはん代数だいすう多様たようせいれいだが、それらの定義ていぎにはりょう不等式ふとうしきもちいられていることも普通ふつうなので、たしかめるのはかならずしもあきらかなことではない。

ぐん[編集へんしゅう]

本節ほんぶしでの説明せつめい実際じっさいにはどのようにもちいられるのかをるために、ぐん定義ていぎかんがえよう。ぐん通常つうじょう定義ていぎは、ひとつのこう演算えんざん ∗ にたいする以下いか公理系こうりけいによってあたえられる

  • 結合けつごうりつ: x ∗ (yz) = (xy) ∗ z; (形式けいしきすると ∀x,y,z. x ∗ (yz)=(xy) ∗ z)。
  • 単位たんいりつ: もと e存在そんざいして任意にんいもと xたいex = x = xeつ(形式けいしきすると ∃ex. ex = x = xe)。
  • 反転はんてんりつ: 単位たんいもとあきらかに唯一ゆいいつであり、この唯一ゆいいつ単位たんいもと eたいしてかく xxi = e = ixたす iつ(形式けいしきすると ∀xi. xi = e = ix)。

文献ぶんけんによっては演算えんざんたいする「閉性りつ」とばれる「xy がまたたい集合しゅうごう Aぞくする」という条件じょうけんもうけるものもあるが、普遍ふへん代数だいすうがく観点かんてんではこれはすでに ∗ をこう演算えんざんんだ時点じてんふくまれている。)

このぐん定義ていぎ普遍ふへん代数だいすうがく観点かんてんからは問題もんだいはらむものになっている。それは、単位たんいもとぎゃくもとかんする公理こうりにおいて、純粋じゅんすい等式とうしきのみであたえられるのではなくて、「~であるような…が存在そんざいする」といった箇所かしょがあることである。これでは不便ふべんなので、れいこう演算えんざん e単項たんこう演算えんざん ~ を追加ついかしてぐん性質せいしつ普遍ふへんりょうされた等式とうしきのみであらわそう。そうすれば、公理系こうりけい演算えんざんたいする以下いか条件じょうけん

  • 結合けつごうせい: x ∗ (yz) = (xy) ∗ z.
  • 単位たんいりつ: ex = x = xe; (形式けいしきすると ∀x. ex = x = xe).
  • 反転はんてんりつ: x ∗ (~x) = e = (~x) ∗ x. (形式けいしきすると ∀x. x ∗ ~x = e = ~xx).

(もちろん ~xわりに通常つうじょうとおり "x−1" といてもいい。これからかるのはちいさなアリティの演算えんざん記法きほうはいつもだい段落だんらくのようなかたちであるとはかぎらないということ。)

普通ふつう定義ていぎなにわったかならべると、

  • ひとつのこう演算えんざんさんごうけいが (2) であたえられる)
  • ひとつの等式とうしき法則ほうそく結合けつごうりつ
  • ふたつのりょうされた法則ほうそく単位たんいりつ反転はんてんりつ

だったものが、普遍ふへん代数だいすうがくてき定義ていぎでは

  • みっつの演算えんざん: ひとつはこうひとつは単項たんこうひとつはれいこうさんごうけいは (2,1,0) であたえられる)
  • みっつの等式とうしき法則ほうそく結合けつごうりつ単位たんいりつ反転はんてんりつ
  • りょうされた法則ほうそくし(変数へんすうたいする普遍ふへんりょう対象たいしょうがい

になっている。

これでちゃんとぐん定義ていぎあらわせているのかということをチェックするのは重要じゅうようなことである。普遍ふへん代数だいすうがくてき意味いみでのぐんひとつとってきたときに、通常つうじょう意味いみでのぐんとしてってきたときよりもおおくの情報じょうほうてくるというようなことはあってはならない。通常つうじょう定義ていぎにおいて単位たんいもと e一意いちいであるとことわっている(一意いちいでなくほか単位たんいもと e′ が存在そんざいするなられいこう演算えんざん eであるところのもとまぎらわしい)ことについて、普遍ふへん代数だいすうがくてき定義ていぎではなにっていないが、特段とくだんことわらずとも一意いちいせいることは古典こてんてき群論ぐんろん教科書きょうかしょにおける初歩しょほてき練習れんしゅう問題もんだいになるようなことなので、問題もんだいでない。ぎゃくもとについても同様どうようである。ゆえに、ぐん普遍ふへん代数だいすうがくてき定義ていぎ通常つうじょう定義ていぎおなじものになる。

一見いっけんすると、りょうされた法則ほうそく等式とうしきりつえることはたんかたちだけのちがいにもおもえるが、しかしこれはきわめて実利じつりてき結果けっかである(けんろんにおいてぐん対象たいしょう定義ていぎしようとするとき、かんがえているけん対象たいしょう集合しゅうごうでない場合ばあいには、それがもとつわけではないために、りょうされた法則ほうそく意味いみさないということもこりる。そこで一般いっぱんけん意味いみ性質せいしつとしての等式とうしき法則ほうそく使つかわなければならない)。さらにえば、普遍ふへん代数だいすうがく観点かんてんぎゃくもと単位たんいもと存在そんざいすることのみならず、それがけんしゃであることまで主張しゅちょうするのである。基本きほんてきれいである位相いそうぐんでは、ぎゃくもとかくもとたいして存在そんざいすることのみならず、ぎゃくもと対応たいおうさせる反転はんてん写像しゃぞう連続れんぞく写像しゃぞうとなることを要求ようきゅうする(文献ぶんけんによっては単位たんいもとについても、れいこう演算えんざんとしてそれが閉包へいほう含写ぞう英語えいごばんしたがってファイブレーション英語えいごばんとなることを要求ようきゅうする。これもまた位相いそう空間くうかんけんでの性質せいしつとして言及げんきゅうできるものである)。

基本きほんてき構成こうせいほう[編集へんしゅう]

かた Ωおめが はいま固定こていしてかんがえるものとする。このときさん種類しゅるい基本きほんてき構成こうせいじゅん同型どうけいぞう部分ぶぶん代数だいすう直積ちょくせき(あるいはせき)についてべる。

ふたつの代数だいすう A, Bあいだじゅん同型どうけいとは A から B への写像しゃぞう h: A → B であって、A任意にんい演算えんざん fAたいして対応たいおうする(アリティ nひとしい)B演算えんざん fB存在そんざいして h(fA(x1,...,xn)) = fB(h(x1),...,h(xn)) をたすことをう(文脈ぶんみゃくからあきらかならば添字そえじるいいはしばしば省略しょうりゃくする)。たとえば e定数ていすうれいこう演算えんざん)ならば h(eA) = eBつということであり、単項たんこう演算えんざん ~ については h(~x) = ~h(x) がつということであり、こう演算えんざん ∗ ならば h(xy) = h(x) ∗ h(y) が成立せいりつするということであり、それ以上いじょうのアリティでも同様どうようである。じゅん同型どうけいについてべるべきことは、じゅん同型どうけい項目こうもくかれているような特定とくてい種類しゅるいじゅん同型どうけい同様どうように、それほどない。とくに、代数だいすうじゅん同型どうけいぞう h(A) は同種どうしゅ代数だいすうになる。

A部分ぶぶん代数だいすうとは A部分ぶぶん集合しゅうごうであって Aすべての演算えんざんしたじているものをう。また代数だいすうてき構造こうぞう適当てきとう集合しゅうごうせきはそれら集合しゅうごうデカルトつもる成分せいぶんごとの演算えんざん定義ていぎしたものである。

いくつかの基本きほん定理ていり[編集へんしゅう]

動機どうきけと応用おうよう[編集へんしゅう]

手法しゅほう一貫いっかんしていることにくわえて、普遍ふへん代数だいすうがくふか定理ていり重要じゅうようれい反例はんれいあたえてくれる。つまり、あたらしい代数だいすうのクラスを研究けんきゅうはじめるのにさいして有力ゆうりょく枠組わくぐみを提供ていきょうするのである。特定とくてい代数だいすうのクラスにたいして発明はつめいされた方法ほうほうを、普遍ふへん代数だいすうがくにおける言葉ことばいておいて、それぞれのクラスにおける言葉ことばとして解釈かいしゃくすれば、代数だいすうのクラスにも適用てきようするということができる。概念的がいねんてき分類ぶんるいということも可能かのうである(J.D.H. Smith がったように「特定とくてい枠組わくぐみでは乱雑らんざつ複雑ふくざつえることも、しん一般いっぱん立場たちばかられば単純たんじゅんなものとなる」)。

とく普遍ふへん代数だいすうがくモノイドたまきあるいはたば研究けんきゅう応用おうようすることができる。普遍ふへん代数だいすうがく以前いぜんにもさまざまな定理ていりもっと顕著けんちょなものは同型どうけい定理ていり)がそれぞれの分野ぶんやにおいて個別こべつ証明しょうめいされてきたけれども、普遍ふへん代数だいすうがくもちいればそれらはいち任意にんい代数だいすうけいたいしても証明しょうめいできてしまう。

ヒギンズは (Higgins 1956) において特定とくてい代数だいすうけい範囲はんいたいする枠組わくぐみをよく追及ついきゅうしていたが、(Higgins 1963) では部分ぶぶんてきにのみ定義ていぎされた演算えんざん代数だいすうについての議論ぎろん典型てんけいてきにはそれがけんぐんすこと)が特筆とくひつされる。ここから高次こうじもと代数だいすうがく英語えいごばん主題しゅだいまれ、それは幾何きかがくてき条件じょうけん定義ていぎされた定義ていぎいき部分ぶぶん演算えんざんをもつ代数だいすう理論りろん研究けんきゅうとして定義ていぎすることができる。これらの重要じゅうようれい様々さまざま高次こうじけん高次こうじぐんかたち存在そんざいする。

けんろんとオペラド[編集へんしゅう]

こうした方法ほうほうろんをより一般いっぱんすすめたものはけんろんにおいて効力こうりょく発揮はっきする。普遍ふへん代数だいすうがくにおいて演算えんざん公理こうりのリストがあたえられたとき、対応たいおうする代数だいすうとそのあいだじゅん同型どうけい全体ぜんたいは、それらを対象たいしょうとするけんす。けんろん普遍ふへん代数だいすうがくがカバーしていないおおくの状況じょうきょうにまで適用てきようできて、さまざまな定理ていりがその範囲はんい拡張かくちょうされる。ぎゃくに、普遍ふへん代数だいすうがくにおいて成立せいりつするおおくの定理ていりがすべてけんろんにおけるものへ一般いっぱんされるわけでもない。したがって、それぞれの分野ぶんやはそれぞれに有効ゆうこうである。

より演算えんざん一般いっぱんしたけんろん近年きんねん発展はってんは、オペラド理論りろんである(オペラドは普遍ふへん代数だいすうがくあつかうのと同様どうよう演算えんざん集合しゅうごう)。

歴史れきし[編集へんしゅう]

1898ねんあらわされたホワイトヘッド著書ちょしょ A Treatise on Universal Algebra において universal algebra という言葉ことば今日きょうでいうのと本質ほんしつてきおな意味いみ使つかわれていた。ホワイトヘッドはハミルトンド・モルガンらをこの主題しゅだい創始そうししゃとしてげ、この用語ようご自体じたいシルベスターつくったとしている[1]

そのころは、リー代数だいすうそうきょくよんげんすうといった構造こうぞうが、結合けつごうてき乗法じょうほうせいのクラスをえて代数だいすうてき構造こうぞう拡張かくちょうすることの必要ひつようせいしめすものとして注目ちゅうもくされていた。批評ひひょうとしてマクレーン英語えいごばんは "The main idea of the work is not unification of the several methods, nor generalization of ordinary algebra so as to include them, but rather the comparative study of their several structures." (「この仕事しごと主要しゅようなアイデアは複数ふくすう方法ほうほうろん統一とういつすることでも通常つうじょう代数だいすうがくをそれらをふくむように一般いっぱんするものでもないが、それらいくつかの構造こうぞう比較ひかくする研究けんきゅうである」)といている。おなじころ、通常つうじょうかず代数だいすうたいする強力きょうりょくなカウンターパートとしてのブール論理ろんり代数だいすうつくられており、「普遍ふへんてき」というかたりりつめた感覚かんかく緩和かんわするはたらきをした。

ホワイトヘッドの初期しょき成果せいかは(ハミルトンによる)よんげんすうグラスマン外積がいせき代数だいすう (Ausdehnungslehre) およびブールの論理ろんり代数だいすう統一とういつてきあつかおうとするものである。ホワイトヘッドは著書ちょしょ

"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."[2](そのような代数だいすうは、独立どくりつした詳細しょうさい研究けんきゅうたい内在ないざいてき価値かちっている。またそれらの比較ひかく研究けんきゅうも、それによって記号きごうてき推論すいろんとく代数だいすう記号きごうもちいた方法ほうほうろんかんする一般いっぱんろんとしむために、おおいに意味いみつ。比較ひかく研究けんきゅうはそれまでの独立どくりつしたいくつかの研究けんきゅう前提ぜんていとする必要ひつようがある。知識ちしきくして比較ひかく不可能ふかのうである)

いている。しかし、ホワイトヘッドはその一般いっぱん性質せいしつについてはなに結果けっかてはいない。この主題しゅだいかんする成果せいかバーコフ英語えいごばんオレ英語えいごばん普遍ふへん代数だいすうがくほんあらわす1930年代ねんだいはじめまでほとんどなかった。1940年代ねんだいや1950年代ねんだいメタ数学すうがくけんろん発展はってんはこの分野ぶんやすすめ、とくロビンソンタルスキモストフスキらやその学生がくせいらの結果けっかがある (Brainerd 1967)。

1935ねんから1950ねんあいだ期間きかんに、バーコフの論文ろんぶん示唆しさされた路線ろせん沿ったおおくの論文ろんぶんかれ、自由じゆう代数だいすう合同ごうどう部分ぶぶんだいすうたばじゅん同型どうけい定理ていりなどがあつかわれた。1940年代ねんだい数理すうり論理ろんりがく発展はってんから代数だいすうがくへの応用おうよう可能かのうになったけれども、それは非常ひじょうにゆっくりとしたものであった。それらの結果けっかが1940年代ねんだいマルチェフ英語えいごばんによって出版しゅっぱんされたけれども、戦争せんそう影響えいきょう注目ちゅうもくされなかった。1950ねんのケンブリッジにおける国際こくさいすう学者がくしゃ会議かいぎでのタルスキーの講義こうぎが、おもにタルスキー自身じしん、あるいは C.C. Chang、ヘンキンJónsson英語えいごばんリンドン英語えいごばんらによって展開てんかいされたモデル理論りろんてき側面そくめんでのあらたな研究けんきゅう時代じだい先駆さきがけとなった。

1950年代ねんだいわりに、マルチェフスキ英語えいごばん[3]は、自由じゆう代数だいすう重要じゅうようせい強調きょうちょうして、マルチェフスキ自身じしんと、Jan Mycielski, Władysław Narkiewicz, Witold Nitka, J. Płonka, S. Świerczkowski, K. Urbanik らによる自由じゆう代数だいすうかんする代数だいすうてき理論りろんについて50をえる論文ろんぶん出版しゅっぱんみちびいた。

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

注釈ちゅうしゃく[編集へんしゅう]

  1. ^ Grätzer, George. Universal Algebra, Van Nostrand Co., Inc., 1968, p. v.
  2. ^ Quoted in Grätzer, George. Universal Algebra, Van Nostrand Co., Inc., 1968.
  3. ^ Marczewski, E. "A general scheme of the notions of independence in mathematics." Bull. Acad. Polon. Sci. Ser. Sci. Math. Astronom. Phys. 6 (1958), 731–736.

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]