Commutator (wiskunde)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

In de hogere algebra geeft een commutator aan, in welke mate de volgorde van twee elementen een rol speelt in het resultaat van een bewerking.

Motivering[bewerken]

De algebra onderscheidt verschillende structuren om op een abstract niveau "bewerkingen" te bestuderen, naar analogie met bijvoorbeeld de optelling van getallen of de vermenigvuldiging van matrices. Een groep bestaat uit een verzameling met een binaire operatie (een bewerking op telkens twee elementen) die aan vier axioma's voldoet. Een ring is een verzameling met twee binaire operaties die samen aan een iets ingewikkelder stel voorwaarden voldoen.

Een binaire operatie heet commutatief als ze symmetrisch is, dus als het resultaat niet afhangt van de volgorde waarin de twee elementen worden uitgevoerd:

a * b = b * a \,

De optelling van gehele getallen is commutatief, de aftrekking van gehele getallen en de vermenigvuldiging van vierkante matrices zijn dat niet.

Definitie (groep)[bewerken]

Zij G een groep, en noteer g-1 voor het invers element van een willekeurig element g. De commutator van twee gegeven elementen g en h, genoteerd [g,h], is het groepselement dat gevormd wordt door de samenstelling van, achtereenvolgens: het invers element van g, het invers element van h, het element g zelf, en het element h.

[g,h]=g^{-1}h^{-1}gh \,

Als G een abelse groep is, dat wil zeggen als de groepsbewerking commutatief is, dan mogen in bovenstaande formule het derde en het vierde lid van plaats verwisseld worden, en zijn dus alle commutatoren gelijk aan het neutraal element.

De commutator van g en h geeft aan, in welke mate de elementen g en h niet verwisselbaar zijn.

Voorbeeld[bewerken]

Beschouw de groep S3, de symmetrische groep (alle mogelijke permutaties) op drie elementen. De commutator van de verwisselingen (1 2) en (1 3) is

(1\ 2)(1\ 3)(1\ 2)(1\ 3)=(1\ 3\ 2)(1\ 3\ 2)=(1\ 2\ 3)

Commutatordeelgroep, abelianisering[bewerken]

De commutatordeelgroep van een groep is de ondergroep die wordt voortgebracht door alle commutatoren:

[G,G]=\langle\{[g,h]|g,h\in G\}\rangle

Een synoniem is gederiveerde of afgeleide ondergroep van G.

De commutatordeelgroep is een normaaldeler van G. De bijhorende factorgroep G/[G,G] is abels. Hij heet de geabelianeerde of de abelianisering van G. De commutatordeelgroep is de kleinst mogelijke normaaldeler van G waarvoor de factorgroep nog abels is.

Voorbeeld[bewerken]

De commutatordeelgroep van S3 is de alternerende groep A3, dit zijn de even permutaties. De factorgroep is C2, de cyclische groep met twee elementen.

Definitie (ring)[bewerken]

Bij een ring is de eerste binaire operatie (de abstracte optelling) per definitie commutatief. Het onderscheid tussen een commutatieve en een niet-commutatieve ring ligt bij de tweede binaire operatie, de abstracte vermenigvuldiging. Voor deze tweede bewerking heeft niet ieder element een invers element. De definitie van een ringcommutator is dan ook lichtelijk anders:

[g,h]=gh-hg \,

In een commutatieve ring zijn alle commutatoren gelijk aan het neutraal element voor de optelling, meestal 0 genoteerd.

Onderscheid tussen de twee commutatorbegrippen[bewerken]

Een groepscommutator en een ringcommutator mogen dan wel uitdrukking geven aan dezelfde intuïtie van "afwijking van commutativiteit", het zijn wel degelijk verschillende wiskundige begrippen. In sommige contexten bestaan ze allebei naast elkaar, en is het belangrijk het onderscheid uitdrukkelijk te maken. Een voorbeeld hiervan treedt op bij matrices. Inverteerbare vierkante nxn-matrices met elementen in een lichaam k vormen de groep GL(n,k) voor de matrixvermenigvuldiging. Ze behoren echter ook tot de ring knxn met de bewerkingen "optelling van matrices" en de matrixvermenigvuldiging.

De groepscommutator van de matrices \left(\begin{matrix}0&1\\1&0\end{matrix}\right) en \left(\begin{matrix}1&2\\3&4\end{matrix}\right) bedraagt


\left(\begin{matrix}0&1\\1&0\end{matrix}\right)\left(\begin{matrix}-2&1\\\frac{3}{2}&-\frac{1}{2}\end{matrix}\right)\left(\begin{matrix}0&1\\1&0\end{matrix}\right)\left(\begin{matrix}1&2\\3&4\end{matrix}\right)
=\left(\begin{matrix}\frac{3}{2}&-\frac{1}{2}\\-2&1\end{matrix}\right)\left(\begin{matrix}3&4\\1&2\end{matrix}\right)
=\left(\begin{matrix}4&5\\-5&6\end{matrix}\right)

Hun ringcommutator is daarentegen


\left(\begin{matrix}0&1\\1&0\end{matrix}\right)\left(\begin{matrix}1&2\\3&4\end{matrix}\right)
-\left(\begin{matrix}1&2\\3&4\end{matrix}\right)\left(\begin{matrix}0&1\\1&0\end{matrix}\right)
=\left(\begin{matrix}3&4\\1&2\end{matrix}\right)-\left(\begin{matrix}2&1\\4&3\end{matrix}\right)
=\left(\begin{matrix}1&3\\-3&-1\end{matrix}\right)

Verband tussen de twee commutatorbegrippen[bewerken]

In de context van Lie-groepen zijn beide commutatorbegrippen nauw met elkaar verweven. Met elke Lie-groep is een abstracte Lie-algebra geassocieerd. De elementen van de Lie-algebra zijn de generatoren van alle eenparametrische deelgroepen van de Lie-groep. Men noteert een dergelijke deelgroep met de exponentiële Bestand:

\mathbb{R}\to G:t\mapsto\exp(tA)

Nu blijkt dat de groepscommutator van twee dergelijke eenparameter-deelgroepen tot in tweede orde benaderd wordt door de exponentiële van de Lie-haak van de twee afzonderlijke generatoren:

\lim_{t\to0}\frac{1}{t^2}\left(\exp(-tA)\exp(-tB)\exp(tA)\exp(tB)-\exp(t^2[A,B])\right)=0

Dit volgt onder meer uit de Baker-Campbell-Hausdorff-formule:

 \ln \left ( e^{-tA} e^{-tB}e^{tA} e^{tB}\right )=t^2 [A,B]-\frac{t^3}{2!}[(A+B),[A,B]]+\frac{t^2}{3!}\left (   [A,[B,[B,A]]]/2+  [(A+B),[(A+B),[A,B]]] \right )+\cdots .

Als G een reële matrixgroep is (een deel-Liegroep van de algemene lineaire groep GL(n,\mathbb{R})), dan is exp de gebruikelijke exponentiële functie op vierkante matrices, gedefinieerd door bijvoorbeeld een machtreeks, en [A,B] is de ringcommutator in de ring \mathbb{R}^{n\times n} der reële vierkante matrices.