Lektion 1.3

Wichtige Beispiele für Gruppen

12 min Lesezeit

Jetzt, wo wir die Definition kennen, schauen wir uns konkrete Beispiele an. Diese Beispiele werden uns durch die gesamte Lineare Algebra begleiten.

Für jedes Beispiel verifizieren wir sorgfältig alle drei Gruppenaxiome.

Beispiel

Beispiel 1: (Z,+)(\mathbb{Z}, +) – Die additiven Gruppe der ganzen Zahlen

Die ganzen Zahlen mit Addition bilden eine Gruppe:

Assoziativität: (a+b)+c=a+(b+c)(a + b) + c = a + (b + c) (bekannt aus der Schule)

Neutrales Element: Die 00, denn a+0=0+a=aa + 0 = 0 + a = a.

Inverses zu aa: Das Element a-a, denn a+(a)=0a + (-a) = 0.

Diese Gruppe ist zudem abelsch, da a+b=b+aa + b = b + a für alle a,bZa, b \in \mathbb{Z} gilt.

(Z,+) ist eine abelsche Gruppe(\mathbb{Z}, +) \text{ ist eine abelsche Gruppe}
Beispiel

Beispiel 2: (Q{0},)(\mathbb{Q} \setminus \{0\}, \cdot) – Rationale Zahlen ohne Null

Die rationalen Zahlen ohne die Null bilden mit Multiplikation eine Gruppe:

Assoziativität: (ab)c=a(bc)(a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)

Neutrales Element: Die 11, denn a1=1a=aa \cdot 1 = 1 \cdot a = a.

Inverses zu aa: Der Kehrwert 1a\frac{1}{a}, denn a1a=1a \cdot \frac{1}{a} = 1.

(Q{0},) ist eine abelsche Gruppe(\mathbb{Q} \setminus \{0\}, \cdot) \text{ ist eine abelsche Gruppe}

Warum schließen wir die 00 aus? Weil 00 kein multiplikatives Inverses besitzt – es gibt kein xx mit 0x=10 \cdot x = 1.

Beispiel

Beispiel 3: Die Uhrengruppe

Erinnern wir uns an die Uhr: Die Zahlen 0, 1, 2, ..., 11 bilden mit der zyklischen Addition eine Gruppe. Nach 12 sind wir wieder bei 0.

Allgemeiner: Für jede natürliche Zahl n1n \geq 1 können wir die Zahlen 0,1,2,,n10, 1, 2, \ldots, n-1 betrachten und "zyklisch" addieren.

Neutrales Element: Die 00, denn a+0=aa + 0 = a.

Inverses zu kk: Die Zahl nkn - k, denn k+(nk)=n0k + (n-k) = n \equiv 0.

Diese Gruppe hat genau nn Elemente.

Fu¨n=5:3+4=7=2,Inverses zu 3 ist 2\text{Für } n = 5: \quad 3 + 4 = 7 = 2, \quad \text{Inverses zu } 3 \text{ ist } 2
Beispiel

Beispiel 4: Sym(D)\text{Sym}(D) – Die symmetrische Gruppe

Für eine Menge DD sei Sym(D)\text{Sym}(D) die Menge aller Bijektionen von DD nach DD. Mit der Komposition \circ als Verknüpfung ist dies eine Gruppe:

Assoziativität: (fg)h=f(gh)(f \circ g) \circ h = f \circ (g \circ h) (folgt aus der Assoziativität der Abbildungskomposition)

Neutrales Element: Die Identitätsabbildung IdD\text{Id}_D.

Inverses zu ff: Die Umkehrabbildung f1f^{-1}.

S3=Sym({1,2,3}) hat 3!=6 ElementeS_3 = \text{Sym}(\{1, 2, 3\}) \text{ hat } 3! = 6 \text{ Elemente}

Für D3|D| \geq 3 ist diese Gruppe nicht abelsch – die Reihenfolge der Hintereinanderausführung ist relevant.

Beispiel

Beispiel 5: Die triviale Gruppe

Die kleinstmögliche Gruppe ist {e}\{e\} mit ee=ee \cdot e = e. Sie hat nur ein Element und erfüllt trivialerweise alle Axiome.

{e}=1|\{e\}| = 1

Zusammenfassung

  • (Z,+)(\mathbb{Z}, +) und (Q{0},)(\mathbb{Q} \setminus \{0\}, \cdot) sind klassische Beispiele abelscher Gruppen

  • Die Uhrengruppe ist eine endliche zyklische Gruppe mit nn Elementen

  • Die symmetrische Gruppe Sym(D)\text{Sym}(D) mit Komposition ist i.A. nicht abelsch

  • Die Ordnung einer Gruppe ist die Anzahl ihrer Elemente

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

In der 10-Uhrengruppe (mit Zahlen 0, 1, ..., 9): Was ist das Inverse von 7?

Aufgabe 2Numerisch

Wie viele Elemente hat S4=Sym({1,2,3,4})S_4 = \text{Sym}(\{1, 2, 3, 4\})?

Aufgabe 3Freitext

Zeige, dass (Z,)(\mathbb{Z}, -) mit der Subtraktion KEINE Gruppe bildet.

Lektion 1.3 · Gruppen
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Wichtige Beispiele für Gruppen

Jetzt, wo wir die Definition kennen, schauen wir uns konkrete Beispiele an. Diese Beispiele werden uns durch die gesamte Lineare Algebra begleiten.

Für jedes Beispiel verifizieren wir sorgfältig alle drei Gruppenaxiome.

Beispiel

Beispiel 1: (Z,+)(\mathbb{Z}, +) – Die additiven Gruppe der ganzen Zahlen

Die ganzen Zahlen mit Addition bilden eine Gruppe:

Assoziativität: (a+b)+c=a+(b+c)(a + b) + c = a + (b + c) (bekannt aus der Schule)

Neutrales Element: Die 00, denn a+0=0+a=aa + 0 = 0 + a = a.

Inverses zu aa: Das Element a-a, denn a+(a)=0a + (-a) = 0.

Diese Gruppe ist zudem abelsch, da a+b=b+aa + b = b + a für alle a,bZa, b \in \mathbb{Z} gilt.

(Z,+) ist eine abelsche Gruppe(\mathbb{Z}, +) \text{ ist eine abelsche Gruppe}
Beispiel

Beispiel 2: (Q{0},)(\mathbb{Q} \setminus \{0\}, \cdot) – Rationale Zahlen ohne Null

Die rationalen Zahlen ohne die Null bilden mit Multiplikation eine Gruppe:

Assoziativität: (ab)c=a(bc)(a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)

Neutrales Element: Die 11, denn a1=1a=aa \cdot 1 = 1 \cdot a = a.

Inverses zu aa: Der Kehrwert 1a\frac{1}{a}, denn a1a=1a \cdot \frac{1}{a} = 1.

(Q{0},) ist eine abelsche Gruppe(\mathbb{Q} \setminus \{0\}, \cdot) \text{ ist eine abelsche Gruppe}

Warum schließen wir die 00 aus? Weil 00 kein multiplikatives Inverses besitzt – es gibt kein xx mit 0x=10 \cdot x = 1.

Beispiel

Beispiel 3: Die Uhrengruppe

Erinnern wir uns an die Uhr: Die Zahlen 0, 1, 2, ..., 11 bilden mit der zyklischen Addition eine Gruppe. Nach 12 sind wir wieder bei 0.

Allgemeiner: Für jede natürliche Zahl n1n \geq 1 können wir die Zahlen 0,1,2,,n10, 1, 2, \ldots, n-1 betrachten und "zyklisch" addieren.

Neutrales Element: Die 00, denn a+0=aa + 0 = a.

Inverses zu kk: Die Zahl nkn - k, denn k+(nk)=n0k + (n-k) = n \equiv 0.

Diese Gruppe hat genau nn Elemente.

Fu¨n=5:3+4=7=2,Inverses zu 3 ist 2\text{Für } n = 5: \quad 3 + 4 = 7 = 2, \quad \text{Inverses zu } 3 \text{ ist } 2
Beispiel

Beispiel 4: Sym(D)\text{Sym}(D) – Die symmetrische Gruppe

Für eine Menge DD sei Sym(D)\text{Sym}(D) die Menge aller Bijektionen von DD nach DD. Mit der Komposition \circ als Verknüpfung ist dies eine Gruppe:

Assoziativität: (fg)h=f(gh)(f \circ g) \circ h = f \circ (g \circ h) (folgt aus der Assoziativität der Abbildungskomposition)

Neutrales Element: Die Identitätsabbildung IdD\text{Id}_D.

Inverses zu ff: Die Umkehrabbildung f1f^{-1}.

S3=Sym({1,2,3}) hat 3!=6 ElementeS_3 = \text{Sym}(\{1, 2, 3\}) \text{ hat } 3! = 6 \text{ Elemente}

Für D3|D| \geq 3 ist diese Gruppe nicht abelsch – die Reihenfolge der Hintereinanderausführung ist relevant.

Beispiel

Beispiel 5: Die triviale Gruppe

Die kleinstmögliche Gruppe ist {e}\{e\} mit ee=ee \cdot e = e. Sie hat nur ein Element und erfüllt trivialerweise alle Axiome.

{e}=1|\{e\}| = 1

Zusammenfassung

  • (Z,+)(\mathbb{Z}, +) und (Q{0},)(\mathbb{Q} \setminus \{0\}, \cdot) sind klassische Beispiele abelscher Gruppen

  • Die Uhrengruppe ist eine endliche zyklische Gruppe mit nn Elementen

  • Die symmetrische Gruppe Sym(D)\text{Sym}(D) mit Komposition ist i.A. nicht abelsch

  • Die Ordnung einer Gruppe ist die Anzahl ihrer Elemente