§E1.4二項演算

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二つの元から同じ集合の元を一つ作る規則は、加法や乗法だけでなく、写像の合成にも現れる。二項演算を写像として捉えると、演算結果が同じ集合に属するという閉性と、結合律や可換律のような等式による条件とを区別することができる。単位元と逆元についても、等式の左右を明示することによって、存在と一意性に必要な仮定が明らかになる。

1 二項演算と演算表

定義 1.1.AAを集合とする。写像

∗ ⁣:A×A⟶A*\colon A\times A\longrightarrow A

をAA上の二項演算 (binary operation) という。∗((a,b))*((a,b))をa∗ba*bと書く。

B⊆AB\subseteq Aとする。任意のa,b∈Ba,b\in Bに対してa∗b∈Ba*b\in Bが成り立つとき、BBは∗*について閉じている (closed under an operation) という。

注意 1.2.AAを集合、∗ ⁣:A×A⟶A*\colon A\times A\longrightarrow AをAA上の二項演算、B⊆AB\subseteq Aを部分集合とする。BBが∗*について閉じていると仮定する。二項演算の終域がAAであることは、a,b∈Aa,b\in Aならばa∗b∈Aa*b\in Aであることを含む。部分集合BBについては、この性質を別に確認しなければならない。∗*をB×BB\times Bへ制限し、終域をBBとみなした写像はBB上の二項演算になる。

例 1.3. 次の規則が二項演算になるかを確かめる。

  1. 整数の加法は写像+ ⁣:Z×Z→Z+\colon\mathbb Z\times\mathbb Z\to\mathbb Zなので、Z\mathbb Z上の二項演算である。偶数全体の集合2Z2\mathbb Zは加法について閉じている。
  2. 自然数の減法はN\mathbb N上の二項演算ではない。たとえば2−3=−1∉N2-3=-1\notin\mathbb Nだからである。
  3. 集合XXから自分自身への写像全体をEnd⁡(X)\operatorname{End}(X)と書く。写像の合成(§E1.1 定義 2.1)は ∘ ⁣:End⁡(X)×End⁡(X)⟶End⁡(X)\circ\colon\operatorname{End}(X)\times\operatorname{End}(X)\longrightarrow\operatorname{End}(X) を定めるので、End⁡(X)\operatorname{End}(X)上の二項演算である。

定義 1.4.A={a1,…,an}A=\{a_1,\ldots,a_n\}を有限集合とし、∗*をAA上の二項演算とする。行と列にAAの元を並べ、ii行jj列にai∗aja_i*a_jを記した表を、∗*の演算表 (operation table) という。有限集合上の二項演算は、その演算表によって指定することができる。

例 1.5.A={0,1,2}A=\{0,1,2\}上の演算⊕\oplusを次の表で定める。

⊕\oplus 00 11 22
00 00 11 22
11 11 22 00
22 22 00 11

各欄がAAの元なので、この表はAA上の二項演算を定める。x⊕yx\oplus yはx+yx+yを33で割った余りであり、余りを取る操作は加法と両立するので、整数の加法の結合律から⊕\oplusは結合的である。また、00の行と列には見出しの元がそのまま並ぶので、00は単位元である。

2 演算が満たす法則

定義 2.1.∗*をAA上の二項演算とする。

  • 任意のa,b,c∈Aa,b,c\in Aに対して(a∗b)∗c=a∗(b∗c)(a*b)*c=a*(b*c)が成り立つとき、∗*は結合的 (associative) であるという。
  • 任意のa,b∈Aa,b\in Aに対してa∗b=b∗aa*b=b*aが成り立つとき、∗*は可換 (commutative) であるという。

これらの等式を、それぞれ結合律 (associative law)、可換律 (commutative law) という。

例 2.2.XXを集合とする。§E1.1 命題 2.2により、End⁡(X)\operatorname{End}(X)上の合成は結合的である。

X={0,1}X=\{0,1\}とし、s(0)=1,s(1)=0s(0)=1,s(1)=0、c(0)=c(1)=0c(0)=c(1)=0と定める。このとき(s∘c)(0)=1(s\circ c)(0)=1であるが(c∘s)(0)=0(c\circ s)(0)=0なので、写像の合成は一般には可換ではない。

例 2.3. 整数の減法はZ\mathbb Z上の二項演算であるが、(1−2)−3=−4(1-2)-3=-4と1−(2−3)=21-(2-3)=2が異なるので結合的ではない。また、1−2=−11-2=-1と2−1=12-1=1が異なるので可換でもない。

定義 2.4.∗*をAA上の二項演算とする。元e∈Ae\in Aが任意のa∈Aa\in Aに対してe∗a=ae*a=aを満たすとき、eeを左単位元という。任意のa∈Aa\in Aに対してa∗e=aa*e=aを満たすとき、eeを右単位元という。左単位元かつ右単位元である元を単位元 (identity element) という。すなわち、単位元は任意のa∈Aa\in Aに対して

e∗a=a=a∗ee*a=a=a*e

を満たす。

eeを左単位元、右単位元または単位元として固定し、a∈Aa\in Aとする。元b∈Ab\in Aがb∗a=eb*a=eを満たすとき、bbをeeに関するaaの左逆元という。a∗b=ea*b=eを満たすとき、bbをeeに関するaaの右逆元という。左逆元かつ右逆元である元をeeに関するaaの逆元 (inverse element) という。すなわち、逆元は

a∗b=e=b∗aa*b=e=b*a

を満たす。

命題 2.5.AAを集合とし、∗*をAA上の二項演算とする。eeが∗*の左単位元であり、e′e'が∗*の右単位元であるならばe=e′e=e'である。とくに、∗*の単位元が存在するならばただ一つであり、そのとき左単位元も右単位元もその単位元に限る。

証明.eeが左単位元であることからe∗e′=e′e*e'=e'であり、e′e'が右単位元であることからe∗e′=ee*e'=eである。したがってe=e′e=e'である。単位元は左単位元かつ右単位元なので、二つの単位元に対してこの等式を適用すれば一致する。また、単位元eeが存在するとき、左単位元ffに対してはf=ef=eが、右単位元ggに対してはe=ge=gが、同じ等式から従う。▨

例 2.6.AAを二つ以上の元をもつ集合とし、x∗y=yx*y=yによってAA上の二項演算∗*を定める。任意のe,x∈Ae,x\in Aに対してe∗x=xe*x=xであるから、AAのすべての元が左単位元である。一方、e∈Ae\in Aが右単位元であるとすると、任意のx∈Ax\in Aに対してx=x∗e=ex=x*e=eとなり、AAは一元集合になる。したがって右単位元は存在せず、左単位元は一意ではない。

命題 2.7.AAを集合とし、∗*をAA上の結合的な二項演算、eeをその単位元とする。a∈Aa\in Aに左逆元bbと右逆元ccが存在するならばb=cb=cである。とくに、aaの逆元が存在するならば、その逆元はただ一つであり、これをa−1a^{-1}と書く。

証明.b∗a=eb*a=eおよびa∗c=ea*c=eとする。単位元、逆元および結合律の定義を順に用いると

b=b∗e=b∗(a∗c)=(b∗a)∗c=e∗c=cb=b*e=b*(a*c)=(b*a)*c=e*c=c

となる。二つの逆元はいずれも左逆元かつ右逆元なので、この等式を適用すれば一致する。▨

例 2.8.XXを集合とする。§E1.1 命題 2.2は、任意のf∈End⁡(X)f\in\operatorname{End}(X)に対してf∘id⁡X=f=id⁡X∘ff\circ\operatorname{id}_X=f=\operatorname{id}_X\circ fが成り立つことも与える。したがってid⁡X\operatorname{id}_XはEnd⁡(X)\operatorname{End}(X)上の合成の単位元である。

g∈End⁡(X)g\in\operatorname{End}(X)がid⁡X\operatorname{id}_Xに関するffの逆元であることは、g∘f=id⁡X=f∘gg\circ f=\operatorname{id}_X=f\circ gが成り立つこと、すなわちggがffの逆写像であることにほかならない。§E1.1 命題 3.8により、End⁡(X)\operatorname{End}(X)で逆元をもつ元は、ちょうどXXからXXへの全単射である。

例 2.9.A={e,a,b}A=\{e,a,b\}上の演算∗*を次の表で定める。

∗* ee aa bb
ee ee aa bb
aa aa ee ee
bb bb ee ee

eeの行と列には見出しの元がそのまま並ぶので、eeは単位元である。a∗a=ea*a=eであり、a∗b=e=b∗aa*b=e=b*aであるから、aaはaaとbbという相異なる二つの逆元をもつ。また、(a∗a)∗b=e∗b=b(a*a)*b=e*b=bとa∗(a∗b)=a∗e=aa*(a*b)=a*e=aが異なるので、この演算は結合的ではない。表は対角線について対称なので、この演算は可換である。

注意 2.10.例 2.9の演算は可換であり単位元をもつが、結合的ではなく、逆元は一意ではない。したがって命題 2.7から結合律の仮定を落とすことはできない。

3 冪

定義 3.1.AAを集合とし、∗*をAA上の二項演算、eeをその単位元とする。a∈Aa\in Aと非負整数nnに対して、

a0=e,an+1=an∗aa^0=e,\qquad a^{n+1}=a^n*a

によってaaの冪 (power) を定義する。

注意 3.2. 再帰an+1=an∗aa^{n+1}=a^n*aは積を左から順に括弧付けするので、この定義そのものは結合律を用いない。零乗を定めるためには単位元が必要である。

命題 3.3.AAを集合とし、∗*をAA上の結合的な二項演算、eeをその単位元とする。a∈Aa\in Aの冪を定義 3.1によって定めると、任意の非負整数m,nm,nに対して

am+n=am∗ana^{m+n}=a^m*a^n

が成り立つ。

証明.n=0n=0ではam+0=am=am∗e=am∗a0a^{m+0}=a^m=a^m*e=a^m*a^0である。am+n=am∗ana^{m+n}=a^m*a^nを仮定すると、冪の定義と結合律により

am+(n+1)=a(m+n)+1=am+n∗a=(am∗an)∗a=am∗(an∗a)=am∗an+1a^{m+(n+1)}=a^{(m+n)+1}=a^{m+n}*a=(a^m*a^n)*a=a^m*(a^n*a)=a^m*a^{n+1}

である。したがってすべての非負整数nnについて主張が成り立つ。▨

4 演習

問題 4.1.例 1.5の演算⊕\oplusについて、単位元と各元の逆元を求めよ。また、252^5を⊕\oplusに関する冪として計算せよ。

解答.

表の00の行と列には見出しの元がそのまま並ぶので、単位元は00である。0⊕0=00\oplus0=0、1⊕2=0=2⊕11\oplus2=0=2\oplus1なので、0,1,20,1,2の逆元はそれぞれ0,2,10,2,1である。冪については22=12^2=1、23=02^3=0、24=22^4=2、25=12^5=1となる。▨

問題 4.2.AAを集合、∗*をAA上の結合的な二項演算、eeをその単位元とする。任意のa∈Aa\in Aと任意の非負整数m,nm,nに対して(am)n=amn(a^m)^n=a^{mn}が成り立つことを証明せよ。

解答.

mmを固定する。n=0n=0では(am)0=e=a0=am⋅0(a^m)^0=e=a^0=a^{m\cdot0}である。(am)n=amn(a^m)^n=a^{mn}を仮定すると、冪の定義、帰納法の仮定および命題 3.3により

(am)n+1=(am)n∗am=amn∗am=amn+m=am(n+1)(a^m)^{n+1}=(a^m)^n*a^m=a^{mn}*a^m=a^{mn+m}=a^{m(n+1)}

である。したがってすべての非負整数nnについて主張が成り立ち、mmは任意であったから結論を得る。▨

問題 4.3.AAを集合、∗*をAA上の結合的な二項演算、eeをその単位元とする。a,b∈Aa,b\in Aがともに逆元をもつならば、a∗ba*bも逆元をもち

(a∗b)−1=b−1∗a−1(a*b)^{-1}=b^{-1}*a^{-1}

が成り立つことを証明せよ。

解答.

結合律を繰り返し用い、逆元と単位元の定義を適用すると

(a∗b)∗(b−1∗a−1)=a∗((b∗b−1)∗a−1)=a∗(e∗a−1)=a∗a−1=e(a*b)*(b^{-1}*a^{-1})=a*\bigl((b*b^{-1})*a^{-1}\bigr)=a*(e*a^{-1})=a*a^{-1}=e

であり、同じ手順で

(b−1∗a−1)∗(a∗b)=b−1∗((a−1∗a)∗b)=b−1∗(e∗b)=b−1∗b=e(b^{-1}*a^{-1})*(a*b)=b^{-1}*\bigl((a^{-1}*a)*b\bigr)=b^{-1}*(e*b)=b^{-1}*b=e

である。したがってb−1∗a−1b^{-1}*a^{-1}はeeに関するa∗ba*bの左逆元かつ右逆元であり、a∗ba*bは逆元をもつ。命題 2.7によりその逆元はただ一つなので、(a∗b)−1=b−1∗a−1(a*b)^{-1}=b^{-1}*a^{-1}である。▨

参考文献

  1. Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, Boston, 2011.二項演算、結合律、単位元および逆元の基本的な定式化を参考にした。
  2. David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., Wiley, 2004.演算表と基本法則の標準的な扱いを参考にした。

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