Zum letzten Gebiet muss ich leider etwas ausholen; es handelt sich um die sogenannten
einfachen, endlichen Gruppen.
Eine Gruppe ist grob gesprochen eine Menge, auf der eine Verknüpfung definiert, wobei es immer ein neutrales sowie inverse Element gibt. Ein einfaches Beispiel ist die Addition + auf den ganzen Zahlen, wobei das neutrale Element die 0 ist, und das inverse Element zu einer Zahl das negative dieser Zahl ist. Also
z + 0 = z
z + (-z) = 0
Die zu Beginn diskutierten endlichen Zahlkörper liefern zwei endliche Gruppen, eine bezüglich der Addition und eine bezüglich der Multiplikation; dabei betrachtet man aus verschiedenen Gründen immer einen endlichen Zahlkörper zu einer Primzahl p.
Bezüglich der Addition + handelt es sich bei der Menge {0 … p-1} um eine so genannte
zyklische Gruppe, d.h. dass alle Gruppenelemente durch genau ein Element erzeugt werden, in diesem Fall gerade die 1. Für zwei Elemente und die Addition gilt
x = 1 + 1 + … 1 (x mal, ggf. modulo p)
y analog
x + y analog
Bezüglich der Multiplikation • müssen wir die Menge auf {1 … p-1} einschränken.
An diesem Beispiel können wir uns ansehen, was der Begriff der Einfachheit bedeutet. Eine Gruppe G ist genau dann
einfach, wenn sie keine nicht-triviale Untergruppe H enthält, die ein Normalteiler ist; triviale Untergruppen sind dabei die Gruppe, die nur die 1 enthält, sowie die Gruppe selbst. Im Falle p = 5 ist
H = {1, 4}
eine derartige Untergruppe, denn
1 • 1 = 1
1 • 4 = 4
4 • 4 = 16 = 15 + 1 = 1 (mod 5)
Eine Untergruppe H ist ein
Normalteiler, wenn für alle Gruppenelemente g aus G gilt, dass
g H g' = H
d.h. also dass für jedes h aus H das Ergebnis wieder in h liegt; man spricht auch von einer
invarianten Untergruppe. Ich bezeichne dabei mit g' das zu g inverse Element, also gg' = 1.
Nun ist diese Gruppe jedoch
abelsch, d.h. zwei Gruppenelemente vertauschen bei Multiplikation, es gilt das Kommutativgesetz (im Allgemeinen sind Gruppen nicht-abelsch)
Damit ist automatisch
g h g' = gg' h = h
Und damit ist im Falle dieser Gruppen jede Untergruppe auch ein Normalteiler.
Man kann nun zeigen, dass die Konstruktion für p = 5 auf alle anderen Primzahlen p > 5 übertragbar ist, d.h. in allen diesen Fällen existieren nicht-triviale Normalteiler. Die einzige Ausnahme ist p = 3, wobei der Normalteiler H = {1,2} identisch mit der Gruppe G und demnach trivial ist.
Die Normalteiler sind insofern interessant, als sich aus diesen Untergruppen die Gesamtgruppen rekonstruieren lassen. Es genügt also, nur die einfachen Gruppen zu betrachten.
Worauf läuft das Ganze nun hinaus?
Man kann alle endlichen einfachen Gruppen klassifizieren, wobei drei unendliche Klassen und eine endliche Klasse existiere. Die erste unendliche Klasse – die
zyklischen Gruppen – haben wir gerade kennengelernt.
1) Jede einfache, endliche, zyklische Gruppe ist isomorph zur Gruppe der Addition über einem Zahlkörper zu einer Primzahl p.
Speziell für unser Beispiel gilt G = ({1,2}, •) ~ ({0,1},+).
Auf die anderen beiden unendlichen Klassen (2) alternierende bzw. symmetrische Gruppen und (3) Gruppen von Lie-Typ werde ich ebenfalls noch eingehen. Bei (2) handelt es sich um Permutationen, (3) sind verwandt mit den Lie-Gruppen, wobei es sich bei letzteren um unendliche kontinuierliche Gruppen handelt – zum Beispiel die Rotationsgruppen SO(N) im N-dim. euklidischen Raum. (3) wird dadurch endlich, dass man die Lie-Algebra behält, die Parameter aber auf endliche Körper einschränkt – und das sind gerade wieder die bekannten Zahlkörper mit {0, 1, … p-1} und +, •.
Bei der Gelegenheit noch zwei Hinweise: Man stellt sich diese Gruppen oft als Operationen auf anderen Elementen vor, zum Beispiel vertauscht man "etwas" oder man rotiert "etwas"; die Klassifizierung erfolgt völlig frei von diesem "etwas", ähnlich wie bei den zyklischen Gruppen, wo wir gar kein "etwas" betrachten mussten. Dies etwas führt uns direkt zur sogenannten Darstellung von Gruppen, zum Beispiel assoziieren wir mit Rotationen oft Matrizen; wiederum erfolgt die Klassifizierung jedoch völlig unabhängig von diesen Darstellungen.
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