Конгруэнции Фраттини универсальных алгебр
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования
"Гомельский государственный университет
имени Франциска Скорины"
Математический факультет
Кафедра алгебры и геометрии
Курсовая работа
КОНГРУЭНЦИИ ФРАТТИНИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ АЛГЕБР
Исполнитель:
студентка группы H.01.01.01 М-43
Селюкова Н.В.
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
профессор кафедры Алгебры и геометрии
Монахов В. С.
Гомель 2004
Содержание
Введение
1. Основные определения, обозначения и используемые результаты
2. Свойства централизаторов конгруэнции универсальных алгебр
3. Конгруэнция Фраттини, подалгебра Фраттини и их свойства
Список литературы
Введение
Одно из направлений исследований самых абстрактных алгебраических систем, в частности, универсальных алгебр, связано с изучением, определенным образом выделенных подсистем таких систем. Например, в группах - это силовские подгруппы, подгруппа Фраттини, подгруппа Фиттинга, в алгебрах Ли --- это подалгебра Картана, Фраттини и т.д. Разработка новых методов исследований мультиколец, универсальных алгебр, нашедших свое отображение в книге Л. А. Шеметкова и А. Н. Скибы ``Формации алгебраических систем''(1), дает мощный импульс в реализации этого направленияи в универсальных алгебрах. В этой курсовой работе решается задача, связанная с изучением свойств подалгебр Фраттини и конгруэнции Фраттини универсальных алгебр, принадлежащих некоторому фиксированному мальцевскому многообразию. В частности, получены новые результаты, указывающие на связь подалгебры Фраттини с фраттиниевой конгруэнцией (теоремы (4)и(5)). Установлено одно свойство подалгебры Фраттини нильпотентной алгебры (теорема(2)). Как следствие, из полученных результатов следуют аналогичные результаты теории групп и мультиколец.
Перейдем к подробному изложению результатов курсовой работы, состоящей из введения, трех параграфов и списка литературы, состоящего из пяти наименований.
1
носит вспомагательный характер. Здесь
приведены все необходимые определения,
обозначения и используемые в дальнейшем
результаты.
2
носит реферативный характер. Здесь
приводятся с доказательствами результаты
работ [??], касающееся свойств централизаторов
конгруэнций.
3
является основным. На основе введенного
здесь понятия --- конгруэнции Фраттини,
устанавливаются некотоые свойства
подалгебры Фраттини универсальной
алгебры. В частности, доказывается, что
подалгебра Фраттини нильпотентной
алгебры
нормальна в
(теорема(3)).
1. Основные определения и используемые результаты
Определение
1.1[??]
Пусть
--- некоторое непустое множество и пусть
,
отображение
-ой
декартовой степени
в себя, тогда
называют
-арной
алгебраической операцией.
Определение
1.2[??]
Универсальной
алгеброй
называют систему
состоящую из некоторого множества
с заданной на нем некоторой совокупностью
операций
.
Определение
1.3[??]
Пусть
--- некоторая универсальная алгебра и
(
),
тогда
называют подалгеброй
универсальной алгебры
,
если
замкнута относительно операций из
.
• Для
любой операции
,
где
и
.
• Для
любой операции
элемент
фиксируемый этой операцией в
принадлежит
.
Определение
1.4
Всякое подмножество
называется бинарным
отношением
на
.
Определение 1.5 Бинарное отношение называется эквивалентностью, если оно:
• рефлексивно
• транзитивно
и
• симметрично
Определение
1.6
Пусть
некоторая эквивалентность на
,
тогда через
обозначают множество
.
Такое множество называют класс разбиения
по эквивалентности
содержащий элемент
.
Множество всех таких классов разбиения
обозначают через
и называют фактормножеством
множества
по эквивалентности
.
Определим
-арную
операцию на фактормножестве
следующим образом:
Определение
1.7
Эквивалентность
на алгебре
называется ее конгруэнцией
на
,
если выполняется следующее условие:
Для
любой операции
для любых элементов
таких, что
имеет место
.
Определение
1.8
Если
и
--- конгруэнции на алгебре
,
,
то конгруэнцию
на алгебре
назовем фактором
на
.
тогда
и только тогда, когда
.
или
или 1 --- соответственно наименьший и
наибольший элементы решетки конгруэнций
алгебры
.
Лемма
1.1 (Цорна).
Если любая цепь частично упорядоченного
множества
содержит максимальные элементы, то и
само множество
содержит максимальные элементы.
Определение
1.9
Пусть
--- бинарное отношение на множестве
.
Это отношение называют частичным
порядком на
,
если оно рефлексивно, транзитивно,
антисимметрично.
Определение 1.10 Множество с заданным на нем частичным порядком называют частично упорядоченным множеством.
Теорема
Мальцев А.И.
Конгруэнции
на универсальной алгебре
перестановочны тогда и только тогда,
когда существует такой тернарный
оператор
,
что для любых элементов
выполняется равенство
.
В этом случае оператор
называется мальцевским.
Определение
1.11
Алгебра
называется нильпотентной,
если существует такой ряд конгруэнций
,
называемый центральным,
что
для любого
.
Определение
1.12
Подалгебра алгебры
называется собственной,
если она отлична от самой алгебры
.
Определение
1.13
Подалгебра
универсальной алгебры
называется нормальной
в
,
если
является смежным классом по некоторой
конгруэнции
алгебры
.
Определение
1.14
Пусть
и
--- универсальные алгебры с одной и той
же сигнатурой, отображение
называется гомоморфизмом,
если
1)
и
имеет место
;
2)
,
где
и
элементы фиксируемой операцией
в алгебрах
и
соответственно.
Определение
1.15
Гомоморфизм
называется изоморфизмом
между
и
,
если обратное к нему соответствие
также является гомоморфизмом.
Теорема
Первая теорема об изоморфизмах
Пусть
- гомоморфизм,
--- конгруэнция, тогда
.
Теорема
Вторая теорема об изоморфизмах
Пусть
--- есть
-алгебра,
--- подалгебра алгебры
и
--- конгруэнция на
.
Тогда
является подалгеброй алгебры
,
--- конгруэнцией на
и
.
Теорема
Третья теорема об изоморфизмах
Пусть
--- есть
-алгебра
и
и
--- такие конгруэнции на
,
что
.
Тогда существует такой единственный
гомоморфизм
,
что
.
Если
,
то
является конгруэнцией на
и
индуцирует такой изоморфизм
.
2. Свойства централизаторов конгруэнции универсальных алгебр
Определение
2.1
Пусть
и
--- конгруэнции на алгебре
.
Тогда
централизует
(записывается:
),
если на
существует такая конгруэнция
,
что:
1) из
всегда
следует
2) для
любого элемента
всегда
выполняется
3)
если
то
Под
термином "алгебра" в дальнейшем
будем понимать универсальную алгебру.
Все рассматриваемые алгебры предполагаются
входящими в фиксированное мальцевское
многообразие
.
Следующие свойства централизуемости, полученные Смитом [??], сформулируем в виде леммы.
Лемма
2.1
[??] Пусть
.
Тогда:
1)
существует единственная конгруэнция
,
удовлетворяющая определению 2.1;
2)
;
3)
если
то
Из
леммы 2.1. и леммы Цорна следует, что для
произвольной конгруэнции
на алгебре
всегда существует наибольшая конгруэнция,
централизующая
.
Она называется централизатором
конгруэнции
в
и обозначается
.
В
частности, если
,
то централизатор
в
будем обозначать
.
Лемма
2.2
[??] Пусть
,
--- конгруэнции на алгебре
,
,
,
.
Тогда справедливы следующие утверждения:
1)
;
2)
,
где
;
3) если выполняется одно из следующих отношений:
4) из
всегда следует
Доказательство:
1)
Очевидно, что
--- конгруэнция на
,
удовлетворяющая определению 2.1. В силу
пункта 1) леммы 2.1. и
.
2)
--- конгруэнция на
,
удовлетворяющая определению
2.1.
Значит
3)
Пусть .
Тогда
Применим
к последним трем соотношениям мальцевский
оператор
такой, что
Тогда
получим
т.е.
Аналогичным образом показываются остальные случаи из пункта 3).
4)
Пусть
Тогда справедливы следующие соотношения:
Следовательно,
где
--- мальцевский оператор.
Тогда
то
есть .
Так
как
то
.
Таким
образом
.
Лемма доказана.
Следующий результат оказывается полезным при доказательстве последующих результатов.
Лемма.
2.3
[??] Любая подалгебра алгебры
,
содержащая диагональ
,
является конгруэнцией на алгебре
.
Доказательство:
Пусть
Тогда
из
следует,
что
Аналогичным
образом из
получаем,
что
Итак,
симметрично и транзитивно. Лемма
доказана.
Лемма
2.4
[??] Пусть
.
Тогда
для любой конгруэнции
на алгебре
.
Доказательство:
Обозначим
и определим на алгебре
бинарное отношение
следующим образом:
тогда
и только тогда, когда
где
Используя
лемму 2.3, нетрудно показать, что
--- конгруэнция на алгебре
,
причем
Пусть
то
есть
Тогда
и,
значит
Пусть,
наконец, имеет место
Тогда справедливы следующие соотношения:
применяя
мальцевчкий оператор
к этим трем соотношениям, получаем
Из
леммы 2.2 следует, что
Так
как
то
Значит,
Но
,
следовательно,
.
Итак,
и удовлетворяет определению 2.1. Лемма доказана.
Лемма
2.5
[??] Пусть
,
--- конгруэнции на алгебре
,
и
--- изоморфизм, определенный на
.
Тогда
для любого элемента
отображение
определяет изоморфизм алгебры
на алгебру
,
при котором
.
В
частности,
.
Доказательство.
Очевидно,
что
--- изоморфизм алгебры
на алгебру
,
при котором конгруэнции
,
изоморфны соответственно конгруэнциям
и
.
Так
как
то
определена конгруэнция
удовлетворяющая определению 2.1.
Изоморфизм
алгебры
на алгебру
индуцирует в свою очередь изоморфизм
алгебры
на алгебру
такой, что
для
любых элементов
и
,
принадлежащих
.
Но тогда легко проверить, что
--- конгруэнция на алгебре
,
изоморфная конгруэнции
.
Это
и означает, что
Лемма доказана.
Определение
2.2
[??] Если
и
--- факторы на алгебре
такие, что
то конгруэнцию
обозначим через
и назовем централизатором
фактора
в
.
Определение
2.3
[??] Факторы
и
назыавются перспективными,
если либо
либо
Теорема
[??]
Пусть
,
,
,
--- конгруэнции на алгебре
.
Тогда:
1)
если
,
то
2)
если
,
то
3)
если
,
и факторы
,
перспективны, то
4)
если
- конгруэнции на
и
,
то
где
,
.
Доказательство.
1) Так
как конгруэнция
централизует любую конгруэнцию и
,
то
2) Из
первого пункта лемы 2.2 следует, что
а в
силу леммы 2.4 получаем, что
Пусть
- изоморфизм
.
Обозначим
По
лемме 2.5
,
а по определению
Следовательно,
3)
Очевидно, достаточно показать, что для
любых двух конгруэнции
и
на алгебре
имеет место равенство
Покажем
вналале, что
Обозначим
.
Тогда, согласно определению 2.1. на алгебре
существует такая конгруэнция
,
что выполняются следующие свойства:
а)
если
,
то
б)
для любого элемента
,
в)
если
то
Построим
бинарное отношение
на алгебре
следующим образом:
тогда
и только тогда, когда
и
Покажем,
что
--- конгруэнция на
.
Пусть
для
.
Тогда
и
Так
как
--- конгруэнция, то для любой
-арной
операции
имеем
Очевидно,
что
и
Следовательно,
Очевидно,
что для любой пары
Значит,
Итак,
по лемме 2.3,
- конгруэнция на
.
Покажем теперь, что
удовлетворяет определению 2.1, то есть
централизует
.
Пусть
(??)
Тогда
Так
как
,
и
,
то
.
Следовательно,
удовлетворяет определению 2.1.
Если
,
то
значит,
Пусть,
наконец, имеет место (1) и
(??)
Тогда
Так
как
и
,
то
,
следовательно,
.
Из (2) следует, что
,
а по условию
.
Значит,
и поэтому
Тем
самым показано, что конгруэнция
удовлетворяет определению 2.1, то есть
централизует
.
Докажем обратное включение.
Пусть
Тогда
на алгебре
определена конгруэнция
удовлетворяющая определению 2.1. Построим
бинарное отношение
на алгебре
следующим образом:
(??)
тогда и только тогда, когда
(??)
и
,
.
Аналогично,
как и выше, нетрудно показать, что
--- конгруэнция на алгебре
.
Заметим, что из доказанного включения
в одну сторону следует, что
.
Покажем поэтому, что
централизует
.
Так
как
то
то
есть
удовлетворяет условию 1) определения
2.1.
Если
,
то
следовательно,
Пусть
имеет место (3) и
.
Так
как
то
Из
(4) следует, что
,
следовательно,
то
есть
На
основании леммы 2.2 заключаем, что
Следовательно,
.
А так
как
,
то
,
то есть
4)
Обозначим
.
Пусть
и удовлоетворяет определению 2.1.
Определим
бинарное отношение
на
следующим образом
тогда и только тогда, когда
Аналогично,
как и выше, нетрудно показать, что
--- конгруэнция, удовлетворяющая
определению 2.1.
Это
и означает, что
Теорема доказана.
Как следствия, из доказанной теоремы получаем аналогичные свойства централизаторов в группах и мультикольцах.
3. Конгруэнция Фраттини, подалгебра Фраттини и их свойства
Определение
3.1
Конгруэнция
универсальной алгебры
называется фраттиниевой,
если
,
для любой собственной подалгебры
из
;
Определение
3.2
Собственная подалгебра
универсальной подалгебры
называется максимальной,
если из того, что для некоторой подалгебры
выполняется
,
всегда следует, что либо
,
либо
.
Будем в дальнейшем рассматривать алгебры с условием максимальности и минимальности для подалгебр.
Теорема
Конгруэнция
универсальной алгебры
является фраттиниевой тогда и только
тогда, когда для любой максимальной
подалгебры
из
имеет место равенство
.
Доказательство:
Пусть
--- фраттиниева конгруэнция алгебры
и
--- максимальная подалгебра из
.
Так
как
и
,
то
.
Обратно.
Пусть
удовлетворяет свойству
и пусть
--- любая собственная подалгебра алгебры
.
Так
как выполняется условие максимальности
для подалгебр, то найдется такая
максимальная подалгебра
алгебры
,
что
,
но
.
Тем самым теорема доказана.
Определение
3.3
Пусть
--- конгруэнция на универсальной алгебре
,
тогда
называется конгруэнцией, порожденной
конгруэнцией
,
если
тогда и только тогда, когда существуют
такие, что
.
Определение
3.4
Конгруэнцией
Фраттини универсальной алгебры
назовем конгруэнцию, порожденную всеми
фраттиниевыми конгруэнциями алгебры
и будем обозначать
.
Теорема Конгруэнция Фраттини является фраттиниевой конгруэнцией.
Доказательство:
Из
теоремы (??) следует, что достаточно
показать выполнимость следующего
равенства
,
где
--- произвольная подалгебра алгебры
.
Напомним, что
Так
как
,
то существует такая конечная
последовательность фраттиниевых
конгруэнций
,
что
.
Это означает, что существует
последовательность элементов, что
.
Так
как
и
,
то
.
Аналогичным образом получаем, что
.
Следовательно,
.
Теорема доказана.
Напомним следующее определение из книги.
Определение
3.5
Пусть
--- множество всех максимальных подалгебр
алгебры
,
--- конгруэнция алгебры
,
порожденная всеми такими конгруэнциями
на
,
что
,
.
Лемма
3.1
[??] Конгруэнция
является фраттиниевой конгруэнцией на
и всякая фраттиниева конгруэнция на
входит в
.
Доказательство:
Пусть
--- произвольная собственная подалгебра
алгебря
.
Тогда найдется такая максимальная в
подалгебра
,
что
.
Значит,
и тем более
.
Следовательно,
фраттиниева конгруэнция на
.
Пусть
теперь
--- произвольная фраттиниева алгебры
,
--- произвольная максимальная подалгебра
из
.
Тогда
,
т.е.
.
Следовательно,
.
Лемма доказана.
Определение
3.6
Подалгебра
Фраттини
универсальной алгебры
называется пересечение всех максимальных
подалгебр из
,
и обозначается через
.
Теорема
Пусть
--- алгебра. Тогда
.
Доказательство:
От
противного. Предположим, что
.
Тогда существует элемент
такой, что
не принадлежит
.
Так как
,
то существует
и, следовательно,
для любой максимальной подалгебры
и
--- фраттиниева. Значит,
принадлежит любой максимальной подалгебре
из
.
Следовательно,
.
Теорема доказана.
Лемма
3.2
Пусть
--- максимальная подалгебра алгебры
такая, что
,
где
,
тогда
.
Доказательство:
Определим
бинарное отношение
на алгебре
следующим образом:
тогда и только тогда, когда существует
элементы
и
.
Как
показано в работе [??]
--- конгруэнция на алгебре
.
Покажем,
что
,
т.е.
является смежным классом по конгруэнции
.
Пусть
и пусть
.
В силу определения
найдутся такие элементы
и
,
что
Применим
мальцевский оператор
.
Отсюда получаем
Следовательно,
.
Лемма доказана.
Лемма
3.3
Пересечение нормальных подалгебр
алгебры
является нормальной подалгеброй алгебры
.
Теорема
Подалгебра
Фраттини нильпотентной алгебры
нормальна в
.
Доказательство:
Пусть
алгебра
--- нильпотентна, тогда она обладает
таким рядом конгруэнций,
,
где
.
Очевидно, что для любой максимальной
подалгебры
алгебры
всегда найдется такой номер
,
что
и
.
По
лемме 3.2.
.
Отсюда следует, что
.
Так как пересечение нормальных подалгебр
является нормальной подалгеброй, то
.
Теорема доказана.
Заключение
В
данной курсовой работе приведены с
доказательствами результаты работ[2],
касающееся свойств централизаторов
конгруэнций. А также на основе введенного
здесь понятия - конгруэнции Фраттини,
устанавливаются некотоые свойства
подалгебры Фраттини - универсальной
алгебры. В частности, доказано, что
подалгебра Фраттини нильпотентной
алгебры
нормальна в
.
Список использованной литературы
[1] Шеметков Л. А., Скиба А. Н., Формации алгебраических систем. --- М.: Наука, 1989. -- 256с.
[2]
Ходалевич А. Д., Универсальные алгебры
с
-центральными
рядами конгруэнций// Известия АН Беларуси.
Сер.
физ.-мат.
наук,
1994. N1. с.30--34
[3] Smith J. D. Mal'cev Varieties // Lect. Notes Math. 1976. V.554.
[4] Hodalevich A. D., Maximal sub>algebras of universal algebras --- Manuscript, 1994.
[5] Кон П. М., Универсальная алгебра. М.:Мир, 1968.--351с.