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

• Название: Мир математики: m. 35 Пока алгебра не разлучит нас. Теория групп и ее применение.
• Автор: Хавьер Фресан
• Издательство: «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0730-4

В 1881 году французский ученый Анри Пуанкаре писал: «Математика — всего лишь история групп». Сегодня мы можем с уверенностью утверждать, что это высказывание справедливо по отношению к разным областям знаний: например, теория групп описывает кристаллы кварца, атомы водорода, гармонию в музыке, системы защиты данных, обеспечивающие безопасность банковских транзакций, и многое другое. Группы повсеместно встречаются не только в математике, но и в природе. Из этой книги читатель узнает об истории сотрудничества (изложенной в форме диалога) двух известных ученых — математика Андре Вейля и антрополога Клода Леви-Стросса. Их исследования объединила теория групп.

---

Разновидности брака (1,0,0,1)

Клан отцов (1,0,0)

Клан матери (1,1,1)

Клан детей (0,1,1)

Основная причина, по которой мы выбрали эти обозначения из единиц и нулей, заключается в том, что теперь мы можем выразить отношения родства с помощью циклической группы ℤ/2. Чтобы обеспечить максимальную точность, все нули и единицы следовало бы записать в квадратных скобках, но не будем усложнять обозначения. Благодаря выбранной нотации предыдущий пример можно обобщить, применив две леммы, приведенные ниже.

Лемма 1. В браке разновидности (a, b, с, d) жена принадлежит к клану (а, b + 1, c + d)

В самом деле, мужчины, вступающие в брак по правилу (a,b, с, d), принадлежат к клану (a, b, с). Заметим, что вне зависимости от формулы брака представители кланов А и В всегда будут жениться между собой, равно как и представители кланов С и D.

Так как а = 0 для клана А или В, а = 1 для клана С или D, то первое число в обозначении женщины и мужчины будет одинаковым. Посмотрим, что произойдет со вторым числом. Для этого вновь отметим, что вне зависимости от формулы брака мужчины из кланов А и С будут жениться на женщинах из кланов В и D. Следовательно, если b = 0, то второе число в обозначении женщины будет равно 1.

79

Аналогично, мужчины из кланов В и D вступают в брак с женщинами из кланов А и С. Следовательно, если b = 1, то второе число в обозначении женщины будет равно 0. В обоих случаях b заменяется на b + 1, так как 0 + 1 = 1 и 1 + 1 = 0на ℤ/2.

Осталось посмотреть, как изменится третья координата, обозначающая подгруппу клана. Это единственное число, зависящее от формул (I) и (II). В первом случае, то есть при d = 0, все мужчины вступают в брак с женщинами из своей же подгруппы, следовательно, третье число не изменится. Тем не менее, согласно формуле (II), то есть при d = 1, подгруппы меняются, однако это равносильно сложению d с последней координатой. Лемма доказана! Путем аналогичных рассуждений можно определить клан детей в зависимости от клана матери. Докажем:

Лемма 2. Дети женщины клана (х, у, z) принадлежат клану (х + 1, у, х + z + 1).

Теперь, когда мы знаем, как клан женщины определяет разновидность ее брака и как разновидность брака передается от матери к детям, мы можем объединить эти результаты и описать зависимость клана потомков от разновидности брака родителей. Допустим, что дан брак (а, b, с, d). По первой лемме жена принадлежит к клану (а, b + 1, с + d).

Если теперь подставим во вторую лемму х = а, у = b + 1, z = c + d,

то получим, что дети будут принадлежать к клану (а + 1, b + 1, а + с + d + 1).

Имеем:

Лемма 3. Дети от брака разновидности (а, b, с, d) принадлежат к клану (а + 1, b + 1, а + с + d + 1).

ЛЕВИ-СТРОСС: Следовательно, для определения функций f и g нам не хватает одного — правила, описывающего, как выбор формулы (I) или (II) передается по наследству от родителей к детям. Результаты практических исследований показывают, что возможны четыре ситуации:

(1) Дети следуют той же формуле, что и родители.

(2) Дети следуют обратной формуле.

80

(3) Сыновья следуют той же формуле, дочери — обратной.

(4) Дочери следуют той же формуле, сыновья — обратной.

ВЕЙЛЬ: Обозначим каждый из этих случаев двумя индексами (р, q). Если сыновья придерживаются той же формулы, что и родители, то р = 0, в противном случае р = 1; аналогично определяется q для дочерей. Таким образом, четыре упомянутых вами варианта обозначаются (0, 0), (1,1), (0,1) и (1, 0). Обратите внимание, что если брак описывается формулой, которая обозначается координатой d, то сыновья будут следовать правилу d + р, дочери — d + q. Теперь мы можем описать функцию /. Начнем с брака (а, b, с, d). По лемме 3 дети от этого брака принадлежат к клану (а + 1, b + 1, а + с + d + 1). С учетом изложенных выше рассуждений, их формула брака будет равна d 4- р. Следовательно:

f(а, b, с, d) = (а+1, b+1, а + с + d + 1, d + р).

Чтобы определить g, нужно выполнить еще одно действие. Мы знаем, что дочери от брака (а, b, с, d) принадлежат клану (а + 1, b + 1, а + с + d + 1), однако первые три координаты в обозначении брака обозначают не их клан, а их будущего мужа. Следовательно, нужно определить, к какому клану принадлежат мужчины, которые женятся на женщинах из клана (а + 1,b + 1,а + с + d +1)по формуле d + q.

Для этого нам потребуется утверждение, дополняющее лемму 1. Напомню, как звучит эта лемма (сменим обозначения во избежание путаницы):

Лемма 1. В браке разновидности (х, у z, t) жена принадлежит к клану (х, у + 1, z + t).

Мы знаем, что t = d + q, а (х, у + 1, 2 + t) = (а + 1, b + 1, а + с + d + 1), так как к этому клану принадлежит жена. Приравняв координаты, получим систему уравнений:

х = а +1, y + 1 = b + 1, z + d + q = a + c + d + 1,

где мы заменили f на d + q. Первое равенство не требует преобразований, так как значение х известно. Надеюсь, господин Леви-Стросс, что вы не забыли закон сокращения, который я уже объяснял. Если мы применим его к двум последним уравнениям, получим

81

y = b, z + q = a + c + 1.

Мы определили значение у. Чтобы вычислить z, заметим, что в циклической группе ℤ/2 результатом сложения любого элемента с самим собой всегда будет 0, так как 0 + 0 = 1 + 1 = 0. Так, если мы прибавим q к обеим частям равенства, получим z = a + c + q + 1. Таким образом, если женщина из клана

(а + 1, b + 1, а + с + d + 1)

вступает в брак по формуле d + q, ее разновидность брака будет такова:

g(a, b, с, d) = (a+ 1, b, a+ c + q + 1, d + q).

ЛЕВИ-СТРОСС: Теперь я вспомнил, почему мне пришлось обратиться к вам за помощью, господин Вейль.

ВЕЙЛЬ: Следует признать, господин Леви-Стросс, что мне также потребовалось немало времени, чтобы провести эти рассуждения. Важно, что теперь, когда мы определили функции f и g, мы можем автоматически ответить на ваш вопрос о том, как формулы (I) и (II) должны передаваться от родителей к детям, чтобы в следующем поколении мужчина мог жениться на дочери брата своей матери. Мы определили, что это свойство эквивалентно коммутативности композиции f и g. Произведем вычисления. С одной стороны, имеем:

g(f(a, b, с, d))=g(a +1, b + 1, a + c + d + 1, d + p)

= ((a +1) +1, b +1, (a + 1) + (a + c + d + 1)+ q + 1,(d + p) + q)

= (a, b +1, c + d + q + 1, d + p + q),

так как мы можем упростить слагаемые, которые фигурируют дважды в каждой из координат. С другой стороны, применив аналогичные упрощения, получим

f(g(a, b, с, d))=f(a+1, b, a + c + q + 1, d + q)

= ((a +1) +1, b +1, (a +1) + (a + c + q +1) +(d+q)+ 1,(d+q) +p)

= (a, b +1, c + d +1, d + p + q),

Таким образом, должно выполняться следующее условие:

(а, b + 1, c + d + g +1, d + p + g) = (а, b + 1, с + d +1, d + р + q).

82

Так как первая, вторая и четвертая координаты совпадают, необходимо рассмотреть только третью. Согласно закону сокращения из равенства

c + d + g + 1 = c + d + 1

следует, что q = 0. Напомню: это означает, что формула брака дочерей должна быть той же, что и формула брака их родителей. Следовательно, искомое условие выполняется только в тех обществах, где формула брака передается по модели (1) или (4). Иными словами, либо дети обоих полов сохраняют формулу брака родителей, либо же формулу брака родителей сохраняют только дочери, а сыновья следуют обратной формуле. Рассмотрим два этих случая.

В первом случае рассматриваемое общество очевидно является сократимым: так как формулы брака детей и родителей совпадают, разновидности брака, можно сказать, передаются по наследству. Так, племя делится на две части: в первой браки заключаются по формуле (I), во второй — по формуле (II). Как показано в таблице, порядок элементов f и g равен 4, но их квадраты совпадают:

ЛЕВИ-СТРОСС: Это означает, что в этом племени мужчина может жениться на дочери сестры своей матери.

ВЕЙЛЬ: Равенство f² = g² также означает, что группа, порожденная f и g, содержит не 16 элементов, как можно было бы ожидать, а всего 8: е, f, f², f3, g, fg, f²g и f3g. Следовательно, рассматриваемое общество является сократимым. Между прочим, рассматриваемая группа изоморфна группе ℤ/2 х ℤ/4.

ЛЕВИ-СТРОСС: Рассмотрим оставшийся случай, когда дочери придерживаются той же формулы заключения брака, что и родители, сыновья — обратной, следовательно, р = 1, q = 0. Таким образом, функции f и g будут равны:

f(а, b, с, d) = (а+1, b+1, а + с + d+1, d +1), g (a, b, c, d) = (a+1, b, a+c +1, d );

Функция g будет той же, что и в предыдущем случае. Мы уже знаем, что она является функцией четвертого порядка. Вычислим порядок функции f. Для этого применим ее несколько раз, пока не получим тождественное преобразование. Если я не ошибаюсь, достаточно применить ее дважды:

83

f²(а, b, с, d) = f(а+1, b+1, а+с+d+1, d+1)

= ((а+1)+1, (b+1)+1,(a+1) + (a+c+d+1)+(d+1)+1,(d+1)+1)

= (а, b, с, d),

а также использовать упрощения, которые вы продемонстрировали выше.

Более того, f и g независимы, следовательно, порожденная ими группа изоморфна группе ℤ/2 х ℤ/4. Этого достаточно, чтобы доказать: рассматриваемое племя является несократимым, так как в группе ℤ/2 х ℤ/4 недостаточно элементов восьмого порядка для преобразования 16 разновидностей брака между собой.

ВЕЙЛЬ: Поздравляю вас, господин Леви-Стросс! Вы все поняли! В этом случае также можно показать, что общество является сократимым, применив новый, более прямой метод, который я вам сейчас объясню. Рассмотрим брак вида (а, b, с, d). Согласно нашим расчетам, сыновья от этого брака вступят в брак по правилу (a +1,b +1,a + c + cf +1,cf +1).