泛代数 すう ,也称普 ひろし 适代数学 すうがく (英語 えいご :Universal algebra ),研究 けんきゅう 通用 つうよう 於所有 しょゆう 代數 だいすう 結構 けっこう 的 てき 理論 りろん ,而不是 ぜ 代數 だいすう 結構 けっこう 的 てき 模型 もけい 。舉個例 れい 子 こ ,並 なみ 不 ふ 是 ぜ 將 はた 特殊 とくしゅ 的 てき 個別 こべつ 的 てき 群 ぐん 作為 さくい 個體 こたい 分別 ふんべつ 來 らい 學習 がくしゅう ,而是將 はた 整 せい 個 こ 群 ぐん 論 ろん 的 てき 理論 りろん 作為 さくい 學習 がくしゅう 的 てき 主題 しゅだい 。
基本 きほん 思想 しそう [ 编辑 ]
從 したがえ 泛代数 すう 角度 かくど 來 らい 看 み ,代數 だいすう 是 ぜ 擁 よう 有 ゆう 一 いち 組 くみ 運算 うんざん 元 もと 的 てき 集合 しゅうごう A。在 ざい A上 うえ 的 てき n元 もと 運算 うんざん 是 ぜ 以n個 こ A的 てき 元素 げんそ 為 ため 輸入 ゆにゅう 並 なみ 返 かえし 回 かい 一 いち 個 こ A的 てき 元素 げんそ 的 てき 函數 かんすう 。这样,0元 げん 运算(空 そら 运算)可 か 简单表示 ひょうじ 为A的 てき 一 いち 个元素 げんそ 或 ある 常数 じょうすう ,通常 つうじょう 用 よう a表示 ひょうじ 。一元 いちげん 运算是 ぜ 简单的 てき 从A到 いた A的 てき 函数 かんすう ,常用 じょうよう 置 おけ 于参数 すう 前 まえ 的 てき 符号 ふごう 表示 ひょうじ ,如~x。二元 にげん 运算通常 つうじょう 用 よう 置 おけ 于参数 すう 间的 てき 符号 ふごう 表示 ひょうじ ,如x*y。元 もと 数 かず 更 さら 高 だか 或 ある 不 ふ 确定的 てき 运算通 どおり 常用 じょうよう 函数 かんすう 符号 ふごう 表示 ひょうじ ,参 さん 数 すう 放 ひ 在 ざい 括 くく 号 ごう 中 ちゅう ,例 れい 如f(x, y, z)或 ある f(x1 ,...,xn )。那 な 么,讨论代数 だいすう 的 てき 一种方式就是将其称为某
Ω おめが
{\displaystyle \Omega }
类代数 すう ,其中
Ω おめが
{\displaystyle \Omega }
是 ぜ 自然 しぜん 数 すう 的 てき 有 ゆう 序 じょ 数列 すうれつ ,表示 ひょうじ 代数 だいすう 运算的 てき 元 もと 数 かず 。不 ふ 过也有 ゆう 研究 けんきゅう 者 しゃ 允 まこと 许无穷元运算,如
⋀
α あるふぁ
∈
J
x
α あるふぁ
{\displaystyle \textstyle \bigwedge _{\alpha \in J}x_{\alpha }}
,其中J是 ぜ 无穷指 ゆび 标集 ,是 ぜ 完全 かんぜん 格 かく 代 だい 数理 すうり 论中的 てき 一 いち 种运算 さん 。
等式 とうしき [ 编辑 ]
定 てい 义了运算后 きさき ,代数 だいすう 的 てき 性 せい 质由公理 こうり 进一 いち 步 ほ 定 じょう 义,在 ざい 泛代数 すう 中 ちゅう 通常 つうじょう 用 よう 恒等 こうとう 式 しき 或 ある 等式 とうしき 法 ほう 则的形 まとがた 式 しき 。例 れい 如二 に 元 げん 运算的 てき 结合律 りつ ,可 か 由 よし 等式 とうしき x ∗ (y ∗ z ) = (x ∗ y ) ∗ z 给出。
簇 むらが [ 编辑 ]
由 よし 等式 とうしき 定 てい 义的代数 だいすう 结构集合 しゅうごう 称 しょう 作 さく 簇 むらが 或 ある 等 とう 价类 。
将 はた 研究 けんきゅう 范围限 げん 制 せい 在 ざい 簇 むらが ,就排除 はいじょ 了 りょう
等式 とうしき 类研究 けんきゅう 可 か 看 み 作 さく 是 ぜ 模型 もけい 论的 てき 一 いち 支 ささえ ,通常 つうじょう 处理只 ただ 有 ゆう 运算的 てき 结构(类型中 ちゅう 可 か 以有函数 かんすう 的 てき 符号 ふごう ,但 ただし 不能 ふのう 有 ゆう 等式 とうしき 以外 いがい 的 てき 关系的 てき 符号 ふごう )。谈论这种结构的 てき 语言只 ただ 使用 しよう 等式 とうしき 。
其不包含 ほうがん 所有 しょゆう 广义代数 だいすう 结构 。例 れい 如,有 ゆう 序 じょ 交换群 ぐん 涉 わたる 及序关系,因 いん 此不属 ぞく 于这个范畴。
域 いき 类也不 ふ 属 ぞく 于等式 しき 类,因 いん 为没有 ゆう 类型能 のう 把 わ 所有 しょゆう 域 いき 法 ほう 则写成 なり 等式 とうしき (域 いき 中元 ちゅうげん 素的 すてき 逆 ぎゃく 适于所有 しょゆう 非 ひ 零 れい 元素 げんそ ,因 いん 此不能 ふのう 把 わ 逆 ぎゃく 加入 かにゅう 类型中 ちゅう )。
这样限 げん 制 せい 的 てき 一 いち 个好处是,泛代数 すう 研究 けんきゅう 的 てき 结构可 か 定 てい 义在任 ざいにん 何 なん 具有 ぐゆう 有限 ゆうげん 积 的 てき 范畴 中 なか 。例 れい 如,拓 つぶせ 扑群只 ただ 是 これ 拓 つぶせ 扑空间 范畴中 ちゅう 的 てき 一 いち 个群。
例 れい 子 こ [ 编辑 ]
大 だい 多数 たすう 泛代数 すう 系 けい 统都是 ぜ 簇 むらが 的 てき 例 れい 子 こ ,但 ただし 不 ふ 总是很明显,因 いん 为通常 つうじょう 的 てき 定 てい 义往往涉及量化 か 或 ある 不等式 ふとうしき 。
群 ぐん [ 编辑 ]
以群 ぐん 的 てき 定 てい 义为例 れい 。通常 つうじょう ,一个群的定义由二元运算*完成 かんせい ,并遵循以下 か 公理 こうり :
结合律 りつ : x ∗ (y ∗ z ) = (x ∗ y ) ∗ z ;  ;形式 けいしき 化 か :∀x ,y ,z . x ∗(y ∗z )=(x ∗y )∗z .
单位元 もと :存在 そんざい 一 いち 个元素 げんそ e ,使 つかい 得 とく 对每个x 。都 みやこ 有 ゆう e ∗ x = x = x ∗ e ;  ;形式 けいしき 化 か :∃e ∀x . e ∗x =x =x ∗e .
逆 ぎゃく 元素 げんそ :很容易 ようい 看 み 出 で 单位元 もと 是 ぜ 唯一 ゆいいつ 的 てき ,一般 いっぱん 记作e 。那 な 么对每 ごと 个x ,都 みやこ 有 ゆう 元素 げんそ i 使 つかい x ∗ i = e = i ∗ x ;  ;形式 けいしき 化 か :∀x ∃i . x ∗i =e =i ∗x .
(有人 ゆうじん 也使用 しよう “封 ふう 闭 ”公理 こうり ,即 そく 只 ただ 要 よう x ∗ y 都 と 属 ぞく 于A ,则x*y 也属于,但 ただし 这里称 しょう *为二元运算已经暗示了这一点。)
群 ぐん 的 てき 这一定义并不直接符合泛代数,因 いん 为单位 い 元和 げんな 逆 ぎゃく 元素 げんそ 并非纯粹从“对所有 しょゆう ”元素 げんそ 普遍 ふへん 成立 せいりつ 的 てき 等式 とうしき 规律表 ひょう 述 じゅつ ,而还涉 わたる 及存在 そんざい 量 りょう 词“存在 そんざい ……”。除 じょ 了 りょう 二 に 元 げん 运算∗,还可指定 してい 空 そら 运算e 和 わ 一 いち 元 げん 运算~,~x 通常 つうじょう 写 うつし 作 さく x −1 。这样,公理 こうり 变为:
结合律 りつ :x ∗ (y ∗ z ) = (x ∗ y ) ∗ z .
单位元 もと :e ∗ x = x = x ∗ e ;形式 けいしき 化 か :∀x . e ∗x =x =x ∗e .
逆 ぎゃく 元素 げんそ :x ∗ (~x ) = e = (~x ) ∗ x  ;形式 けいしき 化 か :∀x . x ∗~x =e =~x ∗x .
总结来 らい 说,通常 つうじょう 的 てき 定 てい 义有
单一二 に 元 げん 运算
1个等式法 しきほう 则(结合律 りつ )
2个量化 か 法 ほう 则(单位元 もと 与 あずか 逆 ぎゃく 元 もと )
而按泛代数 すう ,则有
3种运算 さん :1种二 に 元 げん 运算,1种一 いち 元 げん 运算,1种零运算
3个等式法 しきほう 则(结合律 りつ 、单位元 もと 、逆 ぎゃく 元 もと )
没 ぼつ 有 ゆう 量 りょう 化 か 法 ほう 则(最 さい 外 そと 层的全 ぜん 称 しょう 量 りょう 词除外 じょがい ,这在簇 むらが 中 ちゅう 是 ぜ 允 まこと 许的)
关键点 てん 是 ぜ ,额外的 てき 运算没 ぼつ 有 ゆう 增加 ぞうか 信 しん 息 いき ,而是唯 ただ 一地遵循了群的通常定义,虽然没 ぼつ 有 ゆう 唯一 ゆいいつ 指定 してい 单位元 もと e ,但 ただし 很简单就能 のう 证明它是唯一 ゆいいつ 的 てき ,每 まい 个逆 ぎゃく 元素 げんそ 也唯一 いち 。
泛代数 すう 观点非常 ひじょう 适合范畴论。例 れい 如,在 ざい 范畴论中定 てい 义群 ぐん 对象 时,若 わか 对象可能 かのう 不 ふ 是 ぜ 集合 しゅうごう ,就必须用到 いた 等式 とうしき 法 ほう 则(在 ざい 一般范畴中是有意义的),而非量 りょう 化 か 法 ほう 则(指 ゆび 单个元素 げんそ )。此外,逆 ぎゃく 元和 がんわ 单位元 もと 在 ざい 范畴中 ちゅう 被 ひ 指定 してい 为态射 しゃ 。例 れい 如,拓 つぶせ 扑群中 なか 的 てき 逆 ぎゃく 不 ふ 仅必须逐元素 げんそ 存在 そんざい ,还要给出连续映射 い (态射)。有人 ゆうじん 还要求 ようきゅう 恒等 こうとう 映 うつ 射 い 也要闭包(上 うえ 纤维化 か )。
其他例 れい 子 こ [ 编辑 ]
大 だい 部分 ぶぶん 代数 だいすう 结构都 と 可 か 作 さく 为泛代数 だいすう 的 てき 例 れい 子 こ 。
关系代数 だいすう 的 てき 例 れい 子 こ 有 ゆう 半 はん 格 かく 、格 かく 与 あずか 布 ぬの 尔代数 すう 。
基本 きほん 构造[ 编辑 ]
假 かり 设
Ω おめが
{\displaystyle \Omega }
类固定 こてい 。泛代数 すう 中有 ちゅうう 三 さん 种基本 きほん 构造:同 どう 态像、子 こ 代数 だいすう 与 あずか 积。
两个代数 だいすう A、B之 の 间的同 どう 态是 これ 函数 かんすう h : A → B ,使 つかい 得 とく 对A中 なか 的 てき 每 まい 个n元 もと 运算f A 和 かず 对应的 てき B中 ちゅう n元 もと 运算f B ,都 みやこ 有 ゆう h (f A (x 1 ,...,x n )) = f B (h (x 1 ),...,h (x n ))(若 わか 可 か 以看出 で 函数 かんすう 来 き 自 じ 哪个代数 だいすう ,则f的 てき 上下 じょうげ 标就可 か 去 さ 掉)。例 れい 如,若 わか e 是 ぜ 常数 じょうすう (空 そら 运算),那 な 么 h (e A ) = e B 。若 わか ~是 ぜ 一 いち 元 げん 运算,那 な 么h (~x ) = ~h (x )。若 わか ∗是 ぜ 二 に 元 げん 运算,那 な 么h (x ∗ y ) = h (x ) ∗ h (y ),以此类推。我 わが 们可以取代数 だいすう 的 てき 同 どう 态像h (A )。
A 的 てき 子 こ 代数 だいすう 是 ぜ A 的 てき 子 こ 集 しゅう ,对A的 てき 所有 しょゆう 运算都 と 封 ふう 闭。某 ぼう 个代数 すう 结构集合 しゅうごう 的 てき 积,指 ゆび 的 てき 是 ぜ 集合 しゅうごう 在 ざい 坐 すわ 标上定 てい 义的运算的 てき 笛 ふえ 卡尔积 。
部分 ぶぶん 基本 きほん 定理 ていり [ 编辑 ]
同 どう 构基本 きほん 定理 ていり ,包括 ほうかつ 群 ぐん 、环 、模 も 等 ひとし 的 てき 同 どう 构定理 ていり 。
伯 はく 克 かつ 霍夫HSP定理 ていり ,其指出 で ,一类代数当且仅当在同态像、子 こ 代数 だいすう 与 あずか 任意 にんい 直 ちょく 积下封 ふう 闭时,可 か 以构成 なり 簇 むらが 。
动机与 あずか 应用 [ 编辑 ]
除 じょ 了 りょう 统一方法 ほうほう 之 の 外 そと ,泛代数 すう 还给出 で 了 りょう 深奥 しんおう 的 てき 定理 ていり 以及重要 じゅうよう 的 てき 示 しめせ 例 れい 和 わ 反例 はんれい ,为新代数 だいすう 研究 けんきゅう 提供 ていきょう 了 りょう 有用 ゆうよう 的 てき 框 かまち 架 か 。它可以将为某些代数 すう 发明的 てき 方法 ほうほう 转移到 いた 其他类的代数 だいすう ,方法 ほうほう 是 ぜ 用 よう 泛代数 すう (如果可能 かのう 的 てき 话)重 じゅう 新 しん 诠释之 の ,然 しか 后 きさき 将 はた 其解释为适用于其他 た 类别的 てき 方法 ほうほう 。它还澄 きよし 清 せい 了 りょう 概念 がいねん ;正 せい 如J.D.H. Smith所 しょ 说:“在 ざい 特定 とくてい 框 かまち 架 か 中 ちゅう 看 み 起 おこり 来 らい 杂乱而复杂的东西,在 ざい 适当的 てき 一般框架中可能会变得简单而明显”。
特 とく 别是,泛代数 すう 可用 かよう 于幺半群 ぐん 、环 和 わ 格 かく 的 てき 研究 けんきゅう 。在 ざい 泛代数 すう 之 の 前 まえ ,许多定理 ていり (最知 さいち 名 めい 的 てき 是 ぜ 同 どう 构基本 きほん 定理 ていり )是 ぜ 在 ざい 所有 しょゆう 类别中分 なかぶん 别证明 あかり 的 てき ,但 ただし 有 ゆう 了 りょう 泛代数 すう ,就可以对每 ごと 种代数 すう 系 けい 统进行 ぎょう 一 いち 次 じ 性 せい 证明。
下面 かめん 提 ひっさげ 到 いた 的 てき Higgins 1956年 ねん 的 てき 论文为一系列特定代数系统提供了框架而受到广泛关注,而他1963年 ねん 的 てき 论文则对具有 ぐゆう 仅部分 ぶぶん 定 てい 义运算 さん 的 てき 代数 だいすう 的 てき 讨论而备受瞩目 め ,典型 てんけい 的 てき 例 れい 子 こ 就是范畴和 わ 广群。这引出 で 了 りょう 高 こう 维代数 すう 的 てき 话题,可 か 定 てい 义为研究 けんきゅう 具有 ぐゆう 部分 ぶぶん 运算的 てき 代 だい 数理 すうり 论,其域是 ぜ 在 ざい 几何条件下 じょうけんか 定 てい 义的。著名 ちょめい 的 てき 例 れい 子 こ 是 ぜ 各 かく 种形式 しき 的 てき 高 だか 维范畴和广群。
约束满足问题 [ 编辑 ]
泛代数 すう 为约束满足问题 (CSP)提供 ていきょう 了 りょう 一 いち 种自然 しぜん 的 てき 语言。CSP是 ぜ 一类重要的计算问题:给定关系代数 だいすう A 和 かず 其上的 てき 句 く 子 こ
φ ふぁい
{\displaystyle \varphi }
,如何 いか 确定
φ ふぁい
{\displaystyle \varphi }
能否 のうひ 在 ざい A 中 ちゅう 得 え 到 いた 满足。代数 だいすう A 通常 つうじょう 是 ぜ 确定的 てき ,因 いん 此CSPA 指 ゆび 实例仅为存在 そんざい 语句
φ ふぁい
{\displaystyle \varphi }
的 てき 问题。
可 か 以证明 あきら ,对某个代数 すう A ,每 まい 个计算 さん 问题都 と 可 か 表 ひょう 为CSPA 。[1]
例 れい 如,n色 いろ 问题 可 か 表 ひょう 述 じゅつ 为代数 すう
(
{
0
,
1
,
…
,
n
−
1
}
,
≠
)
{\displaystyle {\big (}\{0,1,\dots ,n-1\},\neq {\big )}}
的 てき CSP,即 そく 具有 ぐゆう
n
{\displaystyle n}
个元素 げんそ 和 わ 一 いち 个关系 けい 式 しき (不等式 ふとうしき )的 てき 代数 だいすう 。
二分 にぶん 猜想(2017年 ねん 4月 がつ 证明)指出 さしで ,若 わか A 是 ぜ 有限 ゆうげん 代数 だいすう ,则CSPA 要 よう 么是P 问题,要 よう 么是NP完全 かんぜん 问题。[2]
还可用 よう 范畴论 手段 しゅだん 研究 けんきゅう 泛代数 すう :可用 かよう 特殊 とくしゅ 的 てき 范畴描述代数 だいすう 结构,称 しょう 为劳维尔理论 或 ある 更 さら 广义的 てき 代数 だいすう 论 。相 あい 对地,也可用 よう 单子 描述代数 だいすう 结构。这两种方法 ほう 密 みつ 切 きり 相 しょう 关,各 かく 有 ゆう 优势。[3]
特 とく 别地,每 まい 个劳维尔理 り 论都在 ざい 集合 しゅうごう 范畴上 じょう 给出了 りょう 单子,而集合 しゅうごう 范畴的 てき 任 にん 何 なに “有限 ゆうげん ”单子都 と 产生于某个劳维尔理 り 论。单子描述的 てき 是 ぜ 特定 とくてい 范畴(如集合 しゅうごう 范畴)中 ちゅう 的 てき 代数 だいすう 结构,而代数 すう 论描述 じゅつ 的 てき 是 ぜ 一 いち 大 だい 类范畴(即 そく 有 ゆう 有限 ゆうげん 积的范畴)中 ちゅう 任 にん 何 なん 范畴的 てき 结构。
范畴论的最新 さいしん 发展是 ぜ 算 さん 元 もと 论 ——算 さん 元 もと 是 ぜ 一 いち 系列 けいれつ 运算,类似于泛代数 だいすう ,但 ただし 只 ただ 允 まこと 许在带变量的 りょうてき 表 ひょう 达式间建立 こんりゅう 等式 とうしき ,不 ふ 允 まこと 许重复或省略 しょうりゃく 变量。因 よし 此,环可悲描述 じゅつ 为某些算元 もと 的 てき 所 しょ 谓“代数 だいすう ”,但 ただし 不能 ふのう 描述为群,因 いん 为
g
g
−
1
=
1
{\displaystyle gg^{-1}=1}
在 ざい 左 ひだり 侧重复了变量g,在 ざい 右 みぎ 侧省略 りゃく 了 りょう 变量g。起 おこり 初 はつ 这似乎是个麻烦的限 げん 制 せい ,但 ただし 其结果 はて 是 ぜ ,算 さん 元 もと 有 ゆう 某 ぼう 些优势:例 れい 如,可 か 以统一环和向量空间,得 とく 到 いた 结合代数 だいすう ,但 ただし 无法统一环和向量空间。
另一处发展 てん 是 ぜ 偏 へん 代数 だいすう ,其中的 てき 运算可 か 以是偏 へん 函数 かんすう 。某 ぼう 些偏函数 かんすう 也可通 どおり 过所谓“本 ほん 质代数 すう 论”的 てき 劳维尔理论推广来处理。[4]
泛代数 すう 的 てき 另一种推广是模型 もけい 论 ,有 ゆう 时被描述为“泛代数 すう +逻辑”。[5]
相關 そうかん 條目 じょうもく [ 编辑 ]
脚注 きゃくちゅう [ 编辑 ]
^ Bodirsky, Manuel; Grohe, Martin, Non-dichotomies in constraint satisfaction complexity (PDF) , 2008 [2023-10-01 ] , (原始 げんし 内容 ないよう 存 そん 档 (PDF) 于2023-12-23)
^ Zhuk, Dmitriy. The Proof of CSP Dichotomy Conjecture. 2017. arXiv:1704.01914 [cs.cc ].
^ Hyland, Martin; Power, John, The Category Theoretic Understanding of Universal Algebra: Lawvere Theories and Monads (PDF) , 2007 [2023-10-01 ] , (原始 げんし 内容 ないよう 存 そん 档 (PDF) 于2023-11-29)
^ nLab 的 てき Essentially algebraic theory 條目 じょうもく
^ C.C. Chang and H. Jerome Keisler. Model Theory. Studies in Logic and the Foundation of Mathematics 73 3rd. North Holland. 1990: 1. ISBN 0444880542 .
参考 さんこう 文献 ぶんけん [ 编辑 ]
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Birkhoff, Garrett, 1946. Universal algebra. Comptes Rendus du Premier Congrès Canadien de Mathématiques , University of Toronto Press, Toronto, pp. 310–326.
Burris, Stanley N., and H.P. Sankappanavar, 1981. A Course in Universal Algebra (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 ) Springer-Verlag. ISBN 3-540-90578-2 Free online edition .
Cohn, Paul Moritz, 1981. Universal Algebra . Dordrecht, Netherlands: D.Reidel Publishing. ISBN 90-277-1213-1 (First published in 1965 by Harper & Row)
Freese, Ralph, and Ralph McKenzie, 1987. Commutator Theory for Congruence Modular Varieties (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 ), 1st ed. London Mathematical Society Lecture Note Series, 125. Cambridge Univ. Press. ISBN 0-521-34832-3 . Free online second edition .
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Higgins, P.J., Algebras with a scheme of operators. Mathematische Nachrichten (27) (1963) 115–132.
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Jipsen, Peter, and Henry Rose, 1992. Varieties of Lattices (页面存 そん 档备份 ,存 そん 于互联网档案 あん 馆 ) , Lecture Notes in Mathematics 1533. Springer Verlag. ISBN 0-387-56314-8 . Free online edition .
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Smith, J.D.H., 1976. Mal'cev Varieties , Springer-Verlag.
Whitehead, Alfred North , 1898. A Treatise on Universal Algebra , Cambridge. (Mainly of historical interest. )
外部 がいぶ 链接[ 编辑 ]