Хавьер Фресан - Мир математики: m. 35 Пока алгебра не разлучит нас. Теория групп и ее применение.

Последний вариант можно сразу же исключить из рассмотрения: применив закон сокращения к равенству а2 = а, получим, что а = е, но мы уже отмечали, что а и е отличаются. Следовательно, существует всего одна группа второго порядка.

Группа второго порядка.

ЛЕВИ-СТРОСС: Я кое-что не понял: почему существует всего одна группа второго порядка? Ведь я могу заменить элемент а чем угодно.

ВЕЙЛЬ: Но таблица умножения не изменится. Важно не то, как выглядят элементы множества, а то, как они связаны между собой. Вспомните вашу историю с одуванчиком. Перестановки множества {1, 2, 3} не имеют ничего общего с преобразованиями, которые оставляют треугольник неизменным, но, как мы уже говорили, элементы обоих множеств можно объединить в пары так, что групповая операция будет корректной. С точки зрения структуры две эти группы будут неразличимы, изоморфны. Они подобны двум различным воплощениям одной и той же идеи

60

Платона — группы шестого порядка, отношения между элементами которой приведены в таблице. Понимаете?

ЛЕВИ-СТРОСС: Следовательно, существует всего одна «идея Платона» о группе третьего порядка?

ВЕЙЛЬ: Да, всего одна.

ЛЕВИ-СТРОСС: Дайте мне попробовать. Группа третьего порядка содержит е и два других элемента а и b, все ее элементы различны: G = {е, а, b}. Нам известно, что элементы группы связаны следующими отношениями: е * е = е, е*а = а*е = а и е*b = b*е = b. Попробуем вычислить значение а2. Так как это элемент группы, допустимы всего три варианта: a2 = е, a2 = а и a2 = b. Тем не менее мы вновь можем исключить из рассмотрения а2 = а — в этом случае по закону сокращения элемент а будет равен нейтральному элементу. Остается два варианта: а2 = е и а2 = b. Но это означает, что существуют две разновидности групп третьего порядка!

ВЕЙЛЬ: Ваши рассуждения следует немного уточнить. Допустим, что а2 = е.

Тогда таблица, описывающая эту группу, будет начинаться так:

Мы уже доказали, что таблица умножения группы — это латинский квадрат, поэтому в каждом столбце и каждой строке таблицы должны быть записаны все элементы группы. Во второй строке уже записаны а и е, следовательно, в третьей ячейке этой строки может находиться только b, но тогда в третьем столбце b будет записано дважды. Эту таблицу нельзя дополнить так, чтобы в каждой строке и в каждом столбце были записаны все элементы группы. Следовательно, таблица не может описывать группу, и вариант a2 = е исключен.

ЛЕВИ-СТРОСС: Таким образом, остается всего один вариант: a2 = b. Очень интересно! Следовательно, мы можем записать группу так: G = {е, а, a2}. Верно?

ВЕЙЛЬ: Осталось указать, каким будет результат операции над а и a2, то есть каким будет значение a3. Найти его очень просто: так как элемент a3 принадлежит группе, он может равняться только е, а или a2. Тем не менее, если бы a3 был равен одному из двух последних элементов, то, применив закон сокращения один или два

61

раза, мы получили бы, что a3 — нейтральный элемент. Поскольку это не так, у нас остается единственный вариант: а3 = е. Все группы третьего порядка изоморфны.

Эту группу мы уже видели в нашем примере с преобразованиями треугольника. Если вы внимательно посмотрите на составленную нами таблицу умножения, то увидите, что ее часть полностью совпадает с группой третьего порядка. Иногда внутри групп содержатся другие, более мелкие группы, образованные частью элементов исходной группы. Они называются подгруппами.

Подгруппа третьего порядка.

Такие группы, образованные степенями одного и того же элемента, называются циклическими, а сам элемент называется порождающим. Для произвольной группы G семейство порождающих элементов — это конечное множество элементов группы, на основе которых можно получить все остальные ее элементы. К примеру, поворот R и симметрия S — порождающие элементы группы преобразований треугольника. Чтобы лучше понять, что такое циклические группы, представьте себе циферблат часов. Каждые 12 часов стрелка вновь возвращается в исходное положение, поэтому при взгляде на часы нельзя определить, прошло какое-то время или нет.

Если выборы заканчиваются в 9 часов вечера, а подсчет голосов длится четыре часа, то никому не придет в голову сказать, что результаты будут известны в 21 + 4 = 25 часов.

Вместо этого по достижении 24 часов нужно начать отсчет снова и добавить оставшийся час. Таким образом, итоги голосования будут известны в час ночи.

62

Существуют часы с циферблатами, разделенными на 12 и 24 деления, но ничто не мешает изготовить часы с произвольным числом делений, например n. Базовым множеством группы будет множество натуральных чисел, меньших n. Мы запишем эти числа в квадратных скобках, чтобы указать, что каждое из них в действительности обозначает несколько «часов» одновременно: [0], [1], [2] ... [n - 1].

Мне хотелось бы сказать, что операцией, определенной над двумя элементами множества, будет привычная нам операция сложения без квадратных скобок, однако в этом случае мы столкнемся с серьезной проблемой. Представьте, что n равно, например, 5. Тогда представленное выше множество будет иметь вид: [0], [1], [2], [3], [4]. Сумма элементов 3 и 4 будет равна 3 + 4 = 7, а это число не принадлежит множеству. Необходимо видоизменить операцию сложения. Будем обнулять счетчик всякий раз, достигая 5. В нашем примере с числами 3 + 2 = 5, после чего наступает следующий «день», и к полученному результату нужно добавить еще две единицы. Таким образом, [3] + [4] = [2]. Изменять некоторые другие суммы не потребуется: к примеру, 1 + 2 = 3, 3 меньше 5, следовательно, [1] + [2] = [3]. Тем не менее [2] + [3] = [0], а [2] + [4] = [1], так как из результата нужно вычесть 5.

Получим следующую таблицу.

Для любого числа n можно доказать, что эта видоизмененная операция сложения будет групповой операцией на множестве {[0], [1], [2] ...[n — 1]}. Это циклическая группа порядка n, или группа целых чисел со сложением по модулю n. Она обозначается Z/n.

ЛЕВИ-СТРОСС: Достаточно, господин Вейль. Настало время поговорить о браке!

63

Глава 4 Алгебраические браки

Чаще всего основная трудность для математика, столкнувшегося с прикладной задачей, — понять, о чем идет речь, м перевести исходные данные на собственный язык.

ЛЕВИ-СТРОСС: Теперь, когда вы объяснили мне основы теории групп, посмотрим, как ее можно применить при изучении структур родства. С чего начнем?

ВЕЙЛЬ: Мы начнем с очень простой модели и на ее примере постепенно покажем все принципы, необходимые для решения более общих задач. Допустим, что племя, которое мы изучаем, состоит из четырех кланов, которые, к примеру, могут поклоняться разным богам или контролировать разные территории. Так как структура брака не зависит от названий кланов, обозначим их буквами: А, В, С и D.

ЛЕВИ-СТРОСС: Вам будет интересно узнать, что когда я поселился среди индейцев намбиквара, они сразу же объяснили, что использовать собственные имена запрещено. Поэтому моим первым шагом при анализе структур родства стало обозначение членов племени различными символами во время переписи. Кроме того, я обозначал кланы буквами, а их отдельных членов — числами. В результате получилась статья, которую, можно сказать, бросало то в жар, то в холод: с холодными обозначениями вида А7 соседствовали комментарии «пышная женщина, всегда в хорошем настроении» или «тщеславный, самодовольный и не слишком умный человек».

ВЕЙЛЬ: Намбиквара... вот прекрасный пример общества, подготовленного для математиков! При решении некоторых задач сложнее всего правильно выбрать обозначения и перевести их на удобный нам язык. В нашем случае после того, как мы выделили четыре клана племени, нужно рассмотреть допустимые браки, которые мы обозначим M1, M2, М3... Обратите внимание, что для описания брака достаточно указать, к какому клану принадлежат мужчина и женщина.

65

К примеру, это могут быть мужчина А и женщина В.

ЛЕВИ-СТРОСС: Теперь нужно установить некоторые ограничения. Во-первых, все члены племени, как мужчины, так и женщины, должны иметь право вступать в брак. Это означает, что для любых мужчины и женщины из любого клана должно существовать как минимум одно правило М, которому они соответствуют.

Пока что все звучит вполне логично. Следующая гипотеза поможет сузить проблему, совершенно необъятную во всей своей полноте. Эта гипотеза связана, как вам известно, с названием моей диссертации: «Элементарные структуры родства».

Я называю элементарными племена, в которых каждому члену соответствует единственная допустимая разновидность брака, и процесс выбора супруга (супруги) происходит автоматически. Другой предельный случай — общества, подобные нашему, которые можно назвать сложными, где каждый брак заключается с учетом бесчисленного множества психологических, социальных, экономических и других факторов.