Grup Abelian

Dalam matematika, grup Abelian, juga disebut grup komutatif, adalah grup dimana hasil penerapan grup operasi ke dua elemen grup tidak bergantung pada urutan penulisannya. Artinya, operasi grup adalah komutatif. Dengan tambahan sebagai operasi, bilangan bulat dan bilangan riil membentuk grup abelian, dan konsep grup abelian dapat dilihat sebagai generalisasi dari contoh ini. Grup Abelian dinamai matentikawan awal abad ke-19 Niels Henrik Abel.

Konsep grup abelian mendasari struktur aljabar fundamental, seperti bidang, gelanggang, ruang vektor, dan aljabar. Teori grup abelian umumnya lebih sederhana dari teori rekan non-abelian, dan grup abelian hingga sangat dipahami dan diklasifikasikan.

Definisi 

Grup abelian adalah himpunan  dengan operasi  yang menggabungkan dua elemen  dan  dari  untuk membentuk elemen lain dari  dilambangkan . Simbol  adalah placeholder umum untuk operasi diberikan secara konkret. Untuk memenuhi syarat sebagai grup abelian, himpunan dan operasi  harus memenuhi lima persyaratan yang dikenal sebagai aksioma grup abelian:

Penutupan Untuk ,  dengan , hasil operasi  dengan .
Asosiatif Untuk , , dan  dalam , persamaan .
 Elemen identitas Elemen  dalam , maka untuk semua elemen  dengan  adalah persamaan .
 Elemen invers Untuk  dengan , elemen  dalam  maka , dimana  adalah elemen identitas.
 Komutatif Untuk ,  dengan , .

Grup operasi merupakan grup tersebut tidak komutatif disebut "grup non-abelian" atau "grup non-komutatif".

Fakta

Notasi 

Ada dua ketentuan notasi utama untuk grup abelian pada aditif dan perkalian.

Umumnya, notasi perkalian adalah notasi umum untuk grup, sedangkan notasi penjumlahan adalah notasi umum untuk modul dan gelanggang. Notasi aditif digunakan untuk menekankan bahwa grup tertentu adalah abelian, setiap kali grup abelian dan non-abelian beberapa pengecualian penting adalah dekat gelanggang dan grup terurut sebagian, dimana operasi ditulis secara aditif bahkan ketika non-abelian.

Tabel perkalian 
Untuk memverifikasi bahwa grup hingga adalah abelian dengan tabel (matriks) yang dikenal sebagai tabel Cayley. Dengan cara menggunakan tabel perkalian. Jika grup  di bawah   entri tabel ini menggunakan produk .

Grup tersebut adalah abelian jika dan hanya jika tabel tersebut simetris dengan diagonal utama. Karena grup tersebut adalah abelian jika dan hanya jika  untuk , jika di luar  entri tabel sama dengan  entri untuk , yaitu tabel simetris dengan diagonal utama.

Contoh 
 Untuk bilangan bulat dan operasi penambahan  dilambangkan , operasi + menggabungkan dua bilangan bulat untuk membentuk bilangan bulat ketiga, penambahan bersifat asosiatif, sedangkan nol adalah identitas aditif, setiap bilangan bulat  dengan menggunakan aditif invers,  dan operasi penambahan bersifat komutatif karena  untuk dua bilangan bulat  dan .
 Setiap grup siklik  adalah abelian, karena jika ,  dengan , maka . Maka bilangan bulat, , membentuk grup abelian dengan penambahan, sebagai contoh bilangan bulat modulo  dan .
 Setiap gelanggang adalah grup abelian dengan operasi penjumlahan. Dalam gelanggang komutatif elemen invers atau unit membentuk abelian grup perkalian. Secara khusus, bilangan riil adalah grup abelian di bawah penjumlahan, dan bilangan riil bukan nol adalah grup abelian dalam perkalian.
 Setiap subgrup dari grup abelian adalah normal, maka setiap subgrup adalah grup hasil bagi. Subgrup, hasil, dan jumlah langsung adalah grup abelian. Grup abelian sederhana hingga merupakan grup siklik dari  urutan prima.
 Konsep grup abelian dan modul-. Lebih khusus, setiap modul- adalah grup abelian dengan operasi penjumlahan, dan setiap grup abelian adalah modul di atas gelanggang bilangan bulat  dengan cara unik.

Secara umum, matriks bahkan matriks invers, tidak membentuk grup abelian dalam perkalian karena perkalian matriks umumnya tidak komutatif. Namun, beberapa grup matriks adalah grup abelian dalam perkalian matriks, salah satu contohnya adalah grup  pada matriks rotasi.

Catatan sejarah 

Camille Jordan menamai grup abelian setelah matematikawan asal norsk Niels Henrik Abel, karena Abel menemukan bahwa komutatifitas grup polinomial bahwa akar polinomial dapat dihitung dengan menggunakan akar.

Sifat 
Jika  adalah bilangan asli dan  adalah elemen dari grup abelian  yang ditulis secara aditif, maka  bisa didefinisikan sebagai  () dan . Dengan cara ini,  sebagai modul di atas gelanggang  dari bilangan bulat. Maka, modul lebih dari   diidentifikasikan dengan grup abelian.

Teorema tentang grup abelian (yaitu modul di atas domain ideal utama ) digeneralisasikan ke teorema tentang modul melalui domain ideal prinsipal arbitrer. Contoh tipikal adalah klasifikasi grup abelian yang dihasilkan secara hingga merupakan spesialisasi dari teorema struktur untuk modul yang dihasilkan secara hingga di atas domain ideal utama. Dalam kasus grup abelian yang dihasilkan secara hingga, teorema tersebut bahwa grup abelian terbagi sebagai jumlah langsung dari grup torsi dan grup abelian bebas. Yang pertama dapat ditulis sebagai jumlah langsung dari banyak grup bentuk tak hingga  untuk prima , dan yang terakhir adalah jumlah langsung dari banyak salinan .

Jika  adalah dua homomorfisme grup di antara grup abelian, kemudian jumlah semua , ditentukan oleh  adalah homomorfisme (ini tidak tentu benar jika  adalah grup non-abelian). Himpunan  dari semua homomorfisme grup dari  hingga  merupakan grup abelian dalam itu sendiri.

Agak mirip dengan dimensi dari ruang vektor, setiap grup abelian memiliki peringkat. Ini didefinisikan sebagai kardinalitas maksimal dari satu himpunan elemen bebas linear (di atas bilangan bulat) grup. Grup abelian hingga dan grup torsi memiliki peringkat nol, dan setiap grup abelian dengan peringkat nol adalah grup torsi. Bilangan bulat dan bilangan rasional memiliki peringkat satu, serta setiap bukan nol subgrup aditif dari rasio. Di sisi lain, grup perkalian dari rasio bukan nol memiliki pangkat tak hingga, karena ini adalah grup abelian bebas dengan himpunan bilangan prima sebagai basis (dari hasil dari teorema fundamental aritmetika).

Pusat  dari grup  adalah himpunan elemen dengan setiap elemen . Grup  adalah abelian jika dan hanya jika sama dengan pusatnya . Pusat dari grup  merupakan karakteristik subgrup abelian dari . Jika grup hasil bagi  grup dengan pusat siklik  adalah abelian.

Grup abelian hingga 
Grup siklik dari bilangan bulat modulo ,  termasuk di antara contoh pertama grup. Ternyata grup abelian hingga trivial adalah isomorfik dari sejumlah langsung grup siklik hingga dari tatanan pangkat utama, dan tatanan ini ditentukan secara unik, membentuk sistem invarian kompleks. Grup automorfisme dari grup abelian hingga dapat dijelaskan secara langsung dalam istilah invarian. Teori ini pertama kali dikembangkan pada makalah tahun 1879 oleh Georg Frobenius, Ludwig Stickelberger, dan kemudian disederhanakan dan digeneralisasikan untuk modul yang dihasilkan secara halus, membentuk bab penting dari aljabar linear.

Setiap grup tatanan utama isomorfik ke grup siklik dan adalah abelian. Setiap grup yang urutannya adalah kuadrat dari bilangan prima juga adalah abelian. Maka, untuk setiap bilangan prima  (isomorfisme hingga) tepat dua grup tatanan , yaitu  dan .

Klasifikasi 
Teorema fundamental dari grup abelian hingga menyatakan bahwa setiap grup abelian hingga  dapat diekspresikan sebagai jumlah langsung subgrup siklik dari prima dengan urutan pangkat; hal tersebut dikenal sebagai teorema dasar untuk grup abelian hingga. Digeneralisasikan dengan teorema fundamental dari grup abelian yang dihasilkan secara hingga, dengan grup hingga menjadi kasus khusus ketika G memiliki nol peringkat; merujuk banyak generalisasi lebih lanjut.

Klasifikasi ini dibuktikan oleh Leopold Kronecker pada tahun 1870, meskipun tidak disebutkan dalam istilah teori-grup modern sampai sekarang, dan didahului oleh klasifikasi serupa dari bentuk kuadrat oleh Carl Friedrich Gauss pada tahun 1801; lihat sejarah untuk detailnya.

Grup siklik  dengan urutan  isomorfik dengan jumlah langsung dari  dan  jika dan hanya jika  dan  adalah koprima. Oleh karena itu, setiap grup abelian hingga  adalah isomorfik dengan jumlah langsung dari bentuk

dengan salah satu cara kanonik berikut:
 bilangan  adalah pangkat bilangan prima (tidak harus berbeda),
 bilangan  membagi , dimana  dibagi .

Sebagai contoh,  dapat dinyatakan sebagai jumlah langsung dari dua subgrup siklik tatanan 3 dan 5: . Hal yang sama dapat dikatakan untuk setiap grup abelian tatanan 15, yang mengarah pada kesimpulan bahwa semua grup abelian urutan 15 adalah isomorfis.

Untuk contoh lain, setiap grup abelian berorde 8 isomorfik untuk  (bilangan bulat 0 hingga 7 di bawah tambahan modulo 8),  (bilangan bulat ganjil 1 sampai 15 dalam perkalian modulo 16), atau .

Lihat pula daftar grup kecil untuk grup abelian hingga tatanan 30 atau kurang.

Automorfisme 
Menerapkan teorema fundamental untuk menghitung (dan terkadang menentukan) automorfisme dari grup abelian terbatas yang diberikan . Untuk menggunakan fakta bahwa jika  membagi sebagai jumlah langsung  dari subgrup koprima urutan, maka .

Dengan ini, teorema fundamental menunjukkan bahwa untuk menghitung grup automorfisme dari  itu cukup untuk menghitung grup automorfisme dari Sylow  subgrup secara terpisah (yaitu, semua jumlah langsung subkelompok siklik, masing-masing dengan urutan pangkat ). Perbaiki bilangan prima  dan anggaplah eksponen  dari faktor siklik dari subgrup Sylow  disusun dalam urutan yang meningkat:

untuk beberapa . Seseorang perlu menemukan automorfisme

Satu kasus khusus adalah ketika , maka hanya ada satu faktor daya utama siklik pada subgrup Sylow  dengan . Dalam hal ini teori automorfisme grup siklik hingga digunakan. Kasus khusus lainnya adalah kapan  trivial tetapi  untuk . Mempertimbangkan  menjadi bentuk

jadi elemen subgrup ini dapat dilihat sebagai terdiri dari ruang vektor berdimensi  di atas bidang hingga elemen  pada . Oleh karena itu, automorfisme subgrup ini diberikan oleh transformasi linear invers, maka

dimana  adalah grup linear umum yang sesuai, dengan mudah terbukti memiliki tatanan

Dalam kasus umum, dimana  dan  berubah-ubah, grup automorfisme lebih sulit ditentukan. Diketahui, bagaimanapun, bahwa jika mendefinisikan

dan

maka seseorang memilikinya secara khusus , , dan

Hal itu dapat memeriksa bahwa ini menghasilkan tatanan dalam contoh sebelumnya sebagai kasus khusus (lihat Hillar, C., & Rhea, D.).

Grup abelian yang dihasilkan tak hingga 

Grup abelian  tanpa batas jika himpunan elemen hingga (disebut generator)  sedemikian rupa maka setiap elemen grup adalah kombinasi linear dengan koefisien bilangan bulat elemen .

Misalkan  menjadi grup abelian bebas dengan basis  
Homomorfisme grup unik
 sebagai 

Homomorfisme ini adalah surjektif, dan kernel-nya dihasilkan secara halus (karena bilangan bulat membentuk gelanggang Noetherian). Pertimbangkan matriks  dengan entri bilangan bulat, sehingga entri dari kokernel ke  adalah koefisien dari generalisasi kernel . Maka, grup abelian bersifat isomorfik terhadap kokernel dari peta linear yang ditentukan . Sebaliknya, setiap matriks bilangan bulat mendefinisikan grup abelian yang dihasilkan secara hingga.

Oleh karena itu, studi tentang grup abelian yang dihasilkan hingga setara dengan studi tentang matriks bilangan bulat. Secara khusus, mengubah himpunan pembangkit  sama dengan mengalikan  sebelah kiri dengan matriks unimodular (yaitu, matriks bilangan bulat inversnya merupakan matriks bilangan bulat). Mengubah himpunan pembangkit kernel  sama dengan mengalikan  sebelah kanan dengan matriks unimodular.

Bentuk normal Smith dari  adalah sebuah matriks

dimana  dan  unimodular, dan  adalah matriks sehingga semua entri non-diagonal adalah nol, entri diagonal bukan-nol  adalah yang pertama, dan  adalah pembagi dari  untuk . Keberadaan dan bentuk normal Smith membuktikan bahwa grup abelian yang dihasilkan tak hingga  adalah jumlah langsung 
 
dimana  adalah jumlah baris nol di bagian bawah  (dan peringkat grup). Ini adalah teorema fundamental dari grup abelian yang dihasilkan secara hingga.

Adanya algoritma untuk bentuk normal Smith menunjukkan bahwa dalil dasar grup abelian yang dihasilkan tak hingga bukan hanya dalil eksistensi abstrak, tetapi menyediakan cara untuk menghitung ekspresi grup abelian yang dihasilkan secara terbatas sebagai jumlah langsung.

Grup abelian tak hingga 
Grup abelian tak hingga paling sederhana adalah grup siklik tak hingga . Grup abelian yang dihasilkan secara hingga  isomorfik jumlah langsung  salinan dari  dan grup abelian hingga, diuraikan menjadi jumlah langsung dari banyak grup siklik dari tatanan pangkat utama. Meskipun dekomposisinya tidak unik, bilangan  atau disebut peringkat dari , dan pangkat utama yang memberikan urutan puncak siklik hingga ditentukan secara unik.

Sebaliknya, klasifikasi grup abelian umum yang dihasilkan tanpa batas masih jauh dari lengkap. Grup divisibel yaitu grup abelian  dimana persamaan  sebagai solusi  untuk bilangan asli  dan elemen  dari , merupakan satu kelas penting dari grup abelian tak hingga yang dapat sepenuhnya dicirikan. Setiap grup divisibel adalah isomorfik ke jumlah langsung, dengan penjumlahan isomorfik sebagai  dan grup Prüfer  untuk berbagai bilangan prima , dan kardinalitas penjumlahan dari setiap jenis ditentukan secara unik. Selain itu, jika grup yang dapat dibagi  adalah subgrup dari grup abelian  maka  sebagai pelengkap langsung: subgrup  dari  sedemikian rupa maka . Dengan demikian, grup yang dapat dibagi adalah modul injeksi dalam kategori grup abelian, dan sebaliknya, setiap grup abelian injeksi dapat dibagi (kriteria Baer). Grup abelian tanpa subgrup yang dapat dibagi bukan nol disebut tereduksi.

Dua kelas khusus penting dari grup abelian tak hingga dengan sifat berlawanan secara diametris adalah grup torsi dan grup bebas torsi, dicontohkan oleh grup  (periodik) dan  (bebas torsi).

Grup torsi 
Grup abelian disebut periodik atau torsi, jika setiap elemen memiliki terbatas tatanan. Jumlah langsung dari grup siklik hingga bersifat periodik. Meskipun pernyataan sebaliknya tidak benar secara umum, beberapa kasus khusus diketahui. Teorema Prüfer pertama dan kedua menyatakan bahwa jika  adalah grup periodik, dan memiliki eksponen terbatas, yaitu  untuk beberapa bilangan asli , atau dihitung dan tinggi- elemen  terbatas untuk setiap , maka  adalah isomorfik ke jumlah langsung dari grup siklik hingga. 
Kardinalitas himpunan sumsum langsung isomorfik ke  dalam dekomposisi invarian dari . Teorema ini kemudian dimasukkan dalam kriteria Kulikov. Di arah yang berbeda, Helmut Ulm menemukan perluasan dari teorema Prüfer kedua menjadi abelian grup- yang dapat dihitung dengan elemen ketinggian tak hingga: grup itu sepenuhnya diklasifikasikan melalui invarian Ulm mereka.

Grup bebas torsi dan campuran 
Grup abelian disebut bebas torsi jika setiap elemen bukan nol memiliki urutan tak hingga. Beberapa kelas dari grup abelian bebas torsi telah dipelajari secara ekstensif:

 Grup abelian bebas, yaitu jumlah langsung trivial 
 Kotorsion dan kompak secara aljabar grup bebas torsi bilangan -adik
 Grup tipis

Grup abelian tidak periodik atau bebas torsi disebut campuran. Jika  adalah grup abelian dan  adalah subgrup torsi, maka grup faktor  bebas torsi. Namun, secara umum subgrup torsi bukan merupakan penjumlahan langsung dari , jadi  adalah bukan isomorfik ke . Jadi teori grup campuran melibatkan lebih dari sekedar menggabungkan hasil tentang grup periodik dan bebas torsi. Grup aditif  bilangan bulat bebas torsi modul-.

Invarian dan klasifikasi 
Salah satu invarian dasar dari grup abelian tak hingga  adalah peringkat: kardinalitas dari himpunan independen linear maksimal dari . Grup abelian dengan peringkat 0 merupakan grup periodik, sedangkan grup abelian bebas torsi peringkat 1 harus merupakan subgrup dari  and can be completely described. Secara lebih umum, grup abelian bebas torsi dengan peringkat terbatas  adalah subgrup dari . Di sisi lain, grup bilangan bulat -adik  adalah grup abelian bebas torsi tanpa batas peringkat- dan grup  dengan  yang berbeda adalah non-isomorfik, jadi invarian bahkan tidak sepenuhnya sifat dari beberapa grup yang sudah dikenal.

Teorema klasifikasi untuk periodik yang dihasilkan tak hingga, habis dibagi, dapat dihitung, dan grup abelian bebas torsi peringkat 1 yang dijelaskan di atas semuanya diperoleh sebelum tahun 1950 dan membentuk dasar klasifikasi grup abelian tak hingga yang lebih umum. Alat teknis penting yang digunakan dalam klasifikasi grup abelian tak terbatas adalah subgrup murni dan dasar. Pengenalan berbagai invarian dari grup abelian bebas torsi telah menjadi salah satu jalan untuk kemajuan lebih lanjut. Lihat buku oleh Irving Kaplansky, László Fuchs, Phillip Griffith, dan David Arnold, serta prosiding konferensi tentang Teori Grup Abelian yang diterbitkan di Catatan Kuliah di Matematika untuk temuan yang lebih baru.

Grup aditif gelanggang 
Grup aditif dari sebuah gelanggang adalah grup abelian, tetapi tidak semua kelompok abelian adalah grup aditif gelanggang (dengan perkalian nontrivial). Beberapa topik penting dalam bidang studi ini adalah:
 Produk Tensor
 Hasil sudut pada grup bebas torsi yang dihitung
 Selah bekerja untuk menghilangkan batasan kardinalitas.

Catatan tentang tipografi 
Di antara kata sifat matematika yang diturunkan dari nama diri dari seorang matematikawan, Kata "abelian" jarang terjadi karena sering dieja dengan huruf kecil a, bukan huruf besar A, yang menunjukkan betapa konsep tersebut dalam matematika modern.

Lihat pula 

, grup non-abelian terkecil

Catatan

Referensi 
 
 
 
 
 
 
 
  Unabridged and unaltered republication of a work first published by the Cambridge University Press, Cambridge, England, in 1978.

Pranala luar 
 

Teori grup Abelian
Sifat grup
Niels Henrik Abel