Актуальность темы
В начале двадцатого века были заложены основы теории линейно упорядоченных множеств, было введено понятие формально вещественного поля, получен критерий линейной упорядочиваемое&tradeполя и структурные теоремы для линейно упорядоченного поля, начата классификация сечений в упорядоченных полях. Кантор ввёл понятие вполне упорядоченного множества и приступил к изучению кардиналов и ординалов [28]. Хан [33] заложил основополагающие понятия, вошедшие потом в арсенал теории упорядоченных алгебраических систем, такие как архимедовы и неархимедовы величины, неархимедовы упорядоченные группы и тела. В 1900 году в своём знаменитом докладе на математическом конгрессе Гильберт сформулировал вопрос о представимости положительного многочлена в виде суммы квадратов многочленов [21]. Публикации по этой проблеме оказались стимулом к изучению упорядоченных полей. Благодаря работе Дедекинда. [30], математики стали широко использовать понятие сечения во множествах рациональных и вещественных чисел.
Строение сечений в упорядоченном поле несёт существенную информацию о свойствах самого поля, поэтому логика исследований упорядоченных полей со временем привела к некоторой классификации сечений в упорядоченных полях [15- 16]. В теории линейно упорядоченных полей существенною роль играют различные замыкания з’порядоченного поля [27].
Одним из центральных вопросов в теории упорядоченных полей является установление изоморфизма двух упорядоченных полей. Здесь оказались плодотворными методы теории моделей. В частности, Тарским была установлена полнота теории вещественно замкнутого поля [46]. Одновременно с развитием теории упорядоченных полей развивалась и теория упорядоченных групп. При этом изучались линейно упорядоченные группы [10] и их разные модификации, в частности, частично упорядоченные группы [31] и решеточно упорядоченные группы [11- 12- 29]. Одним из направлений в теории упорядоченных групп явилась теория циклически упорядоченных групп [3- 40- 45]. Ригер исследовал топологию циклически упорядоченных групп, Сверчковский получил структурную теорему для циклически упорядоченных групп. Забарина и Пестов [5- 6] сформулировали и доказали критерий циклической упорядочиваемости группы. Различные подходы к обобщению понятия линейного порядка по размерности предпринимались многими математикамми, начиная с Кантора [28], работы которого были продолжены Шварцем [42], Риссом [41], Вагнером [47]. Следующим шагом в обобщении линейного порядка послужили работы.
Шпернера [43- 44] по так называемым функциям порядка. В основу определения функции порядка у Шпернера положена идея о взаимном расположении точки и гиперплоскости в? г~мерном аффинном пространстве. В последующем при определении функции ориентации аффинного пространства Глок [32] использовалаксиоматический подход. Идея обобщения линейного порядка, но размерности получила последовательное развитие в независимых работах JI. Новака и Г. Г. Пестова. Новак строит аксиоматическую теорию n-упорядоченных множеств [36- 38- 39] и применяет ее для исследования ноля комплексных чисел [37]. Пестов Г. Г. и Терре А. И. строят теорию двумерно упорядоченных множеств и полей, а также теорию n-упорядоченных множеств [13- 14- 18- 19- 22- 24]. В частности, они вводят понятие /г-мерной грани (^-симплекса) и fc-мерной плоскости [20- 26]. Терре закладывает основы теории некоммутативных двумерно упорядоченных колец [23] и тел [25]. Забарина А. И. изучает циклически упорядоченные группы как группы с двумерным порядком [4]. В [7] доказано, что множество элементов конечных порядков в двумерно упорядоченной группе есть её нормальный делитель. Пестов для циклически упорядочиваемых групп получил новую структурную теорему, отличную от теоремы Сверчковского [17]. В работах [8- 9] начато изучение n-мерно упорядоченных групп.
Данная работа является логическим продолжением этого направления исследований.
Цель работы,.
1. Задать алгоритм перехода от линейного упорядочивания группы к го-мерному упорядочиванию для произвольного натурального п.
2. Доказать, что естественный 4-мерный порядок на группе кватернионов совместим с алгебраической структурой группы.
3. Доказать существование счётного множества конечных групп, допускающих 4-мерное упорядочивание.
4. Построить пример нестандартного двумерного порядка на мультипликативной группе комплексных чисел.
5. Доказать теорему о симплексах, порождающих /^-плоскость в го-мерно упорядоченной группе.
Общая методика исследования. В диссертации используются методы линейной алгебры, теории функций вещественного (комплексного) переменного, методы нестандартного анализа, теория линейно упорядоченных групп. В работе также используются введённые Пестовым определения функции n-мерного порядка и n-мерно упорядоченных алгебраических систем для п > 1.
Научная новизна. Все основные результаты диссертации являются новыми. Основными результатами можно считать следующие.
1. Построен нестандартный 2-порядок на мультипликативной группе комплексных чисел.
2. Доказана 4-упорядочиваемость тела кватерниона.
3. Построен З-иорядок на поле комплексных чисел.
4. Доказана теорема о симплексах, порождающих плоскость. Получен критерий того, что плоскость в n-упорядоченной группе является подгруппой.
5. Построен алгоритм перехода от линейного порядка на группе к п-мерному для каждого натурального п.
Теоретическая и практическая ценность. Полученные результаты представляют научный интерес для специалистов в области упорядоченных алгебраических систем. Результаты могут быть использованы в научных исследованиях, в университетских спецкурсах для студентов и аспирантов.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Международных конференциях «Мальцевские чтения» в 2006 и 2008 годах (Институт математики имени С. Л. Соболева СО РАН, г. Новосибирск), на Всероссийской научной студенческой конференции (Ставрополь: СевКавГТУ, 2006), на 1Х-ой (2007) и Х-ой (2008) Межрегиональной молодёжной конференции преподавателей, студентов и школьников «Математика, её содержание, методы и, значение (ТГУ), на Научной конференции молодых учёных, аспирантов и студентов ММФ, посвящённой трёхсотлетию со дня рождения Леонарда Эйлера (апрель 2007, ТГУ), на Х-ой (май 2006 г.), ХИ-ой (апрель 2008 г.), ХШ-ой (апрель 2009 г.) Всероссийских конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и образование» (ТГПУ), на Всероссийской конференции по математике и механике, посвящённой 130-летию Томского государственного университета и 60-летию механико-математического факультета (Томск, сентябрь 2008 г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 71 странице и состоит из списка обозначений, введения, трёх глав и списка использованной литературы. Главы состоят из параграфов. Нумерация формул привязана к главам. Библиография включает 55 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.
Введение
Во введении изложена история вопроса, педставлен обзор результатов, связанных с тематикой диссертации, сформулированы основные результаты.
Первая глава посвящена определению n-мерного порядка, рассмотрению частных олз’чаев п-унорядоченных алгебраических систем.
Структура порядка тесно связана с геометрией, поэтому постараемся перенести как можно больше понятий и результатов из геометрии Евклида в геометрию n-упорядоченных множеств и групп. Если отбросить в Гильбертовской аксиоматике Евклидовой геометрии [2] аксиомы непрерывности и архимедовости и обобщить оставшиеся аксиомы на п-мерное пространство, то получим основные аксиомы порядка дискретных множеств. Поэтому теорию п-у п о ряд о чей н ых множеств мы должны строить так, чтобы все Гильбертовские аксиомы порядка (точнее их аналоги в строящейся геометрии пупорядоченных множеств) были доказуемы, т. е. они должны являться аксиомами или теоремами. Например, если предположить, что мы уже дали определение 3-упорядоченного множества, затем сформулировали определение 2-мерной плоскости р, прямой 1(а, ь), проходящей через точки а, Ь, то в построенной теории должно быть справедливо утверждение а, Ье l (a, b) С р.
Исходя из этих соображений, проводились исследования по определению п-упорядоченного множества < 5,? >. В конечном счете, Пестовым Г. Г. была выдвинута идея о реализации некоторого конечного множества точек М С S в К". При таком подходе задания 7> порядка вся аксиоматика порядка скрыта в реализации. Определим вначале стандартную функцию п-порядка.
Определение 1.1.1. Пусть х = (х-х2 .]xn+i) — кортеж-столбец точек Rn, Х{ = (a-j-д. т. е. Xij — j-а, я координата г-ого вектора (координаты вектора записаны в строку). Тогда кортеж х можно рассматривать как матрицу размером п х (п +1) над Ж. Обозначим через Еп+i столбец из (n +1) единицы. Функцию.
7]п (х) = сг (Еп+1,х) назовём стандартной функцией? г-порядка.
Теперь на основании стандартной функции 7г-порядка построим определение n-мерной функции порядка.
Определение 1.1.2. Пусть задано отображение С '• Sn+1 —> {—1,0,1}, где |5| > п + 1. Если для каждого, А С S, А < 2п + 1 существует инъекция ф: А —> Шп такая, что для каждого х G A (n+1)xn выполнено.
СМ =Т1п{Ф{х)), то (назовём функцией n-мерного порядка на множестве S. Пару < > назовём n-мерно упорядоченным множеством. Функцию ф в определении 1.1.2 в дальнейшем будем называть реализацией множества, А в Мп.
Понятия n-упорядоченных групп (колец, тел, полей) естественным образом строятся на базе понятия n-упорядоченных множеств.
Определение 1.1.3. Пусть G — группа, < G, С > - п-упорядоченное множество. Если для всех х &euro-Е Gn+1 и для всех а, (3 е G выполнено условие:
С (ахр) — ф), то < G, С > назовём n-упорядоченной группой.
Это определение эквивалентно определению Пестова Г. Г. (доклад на семинаре по упорядоченным алгебраическим системам при ММФ ТГУ, 1986 г.). Аналогичным образом определяются n-упорядоченное кольцо .и п-упорядоченное поле. Приведём примеры n-упорядоченных групп.
1. Свободная абелева группа с п образующими допускает п-упорядочивание.
2. Мультипликативная группа С4 =< i > допускает только 2-упорядочивание.
3. Четвертная группа Клейна V4 допускает только 3-упорядочивание.
Теорема 1.2.3. Для каждого натурального п на линейно упорядоченной группе < L, (д > можно задать n-мерный порядок.
С использованием идей нестандартного анализа, а также методов теории функций комплексного и вещественного переменных строится двумерный порядок на прямом произведении тороидальной группы и произвольной линейно упорядоченной группы.
Теорема 1.2.5. Пусть То — тороидальная группа, L — произвольная линейно упорядоченная группа, тогда ТЬ х L допускает 2-уиорядочивание.
Следствие 1.2.6. Мультипликативная группа комплексных чисел допускает нестандартный 2-порядок.
Вторая глава посвящена построению геометрии п-упорядоченных множеств и групп. В начале второй главы вводятся некоторые матричные преобразования: склеивание матриц, поэлементное возведение в степень, оператор выделения подматрицы и оператор подстановки матрицы в матрицу. Такие преобразования эффективно используются в пакете Mat-Lab [34]. Доказательства в теории го-упорядоченных множеств, как правило, сводятся к таким преобразованиям над матрицами. Пусть X — произвольная матрица. Вместо традиционной записи X{j иногда будем писать X{i, j). Запись set (X) в дальнейшем будет означать множество, состоящее из всех элементов матрицы X.
Склеивание матриц. Пусть матрицы X и Y имеют одинаковое количество строк. Тогда запись (X, Y) означает «приклеивание» к матрице.
X справа матрицы Y. Если матрицы X и Y имеют одинаковое количество столбцов, то запись означает «приклеивание» к матрице X снизу матрицы Y. Соответственно, запись (xi.хп) означает кортеж-строку, ж&bdquo-) — кортеж-столбец. При склеивании матриц (где это не вызовет недоразумения) будут опускаться скобки.
Оператор выделения подматрицы в матрице. В дальнейшем означает г-ую строку матрицы A, a V (j)A — j-ый столбец матрицы А. Запись означает матрицу размером т х п, у которой на месте (к, I) расположен элемент ji).
Оператор матричной подстановки J. Запись означает, что в матрице, А с помощью операторов о и V выделяется подматрица t>(?i,., i, n) v (ji, .jn)A и заменяется на матрицу В.
Определение 2.1.2. Если для квадратных матриц над линейно упорядоченным полем < P, Ci > выполнено то будем говорить, что эти матрицы сг-эквивалентны.
Ключевым понятием здесь является понятие симплекса. В аналитической геометрии под fc-еимплексом понимают А~-мерный тетраэдр. Однако такой подход к определению симплекса в n-упорядоченном множестве непригоден, так как наша цель — построить геометрию на дискретных множествах.
Определение 2.2.1. Пусть (M.Q есть n-мерно упорядоченное множество. Тогда подмножество L С М называется множеством точек общего положения в М, если для каждого множества, А С L, А < (п + 1), А signY0 = signYi существует такое множество В с М, что, А П В = 0, |(А- 5)| = (п + 1) и С (АВ) ф 0.
Определение 2.2.2. Пусть < > ~ n-упорядоченное множество. Если для кортежа A G Sk+1 существует кортеж В? S’l~k такой, что выполняется ?(/1- В) ф 0, то, А назовём fc-симплеском n-упорядоченного множества.
S, С > [20- 26].
Согласно определению 2.2.2, В есть симплекс, который будем называть дополняющим симплексом к А. Заметим, что при к = —1 кортеж, А вырождается в пустое множество, а В есть n-симплекс, который в дальнейшем будем называть максимальным.
Определение 2.2.3. Пусть, А — /с-симплеке гг-упорядоченного множества.
S, С >, (0 < к < п — 1). Множество pA = {xeS:aA-Sn~k-1-x) = Q} назовём /с-мерной плоскостью, порождённой симплексом, А [20- 26].
Теорема 2.2.4 (критерий принадлежности точки плоскости).
Пусть, А есть-симплекс гг-упорядоченного множества < S, С, >, кортеж В дополняет кортрж, А до невырожденного, т. е. £(ЛВ) ф 0, х G S. Тогда х принадлежит плоскости рА тогда и только тогда, когда для всех г — 1,., п—к выполнено.
С (Л- / В) = 0.
Следствие 2.2.5. Пусть (АВ) является n-симплексом-упорядоченного множества < S. (>, т. е. («(А: В) ф 0, х — произвольный элемент Sфункция ф реализует set{A В-х) в Ж.'1. Тогда х g ра Ф (х) е Кф (А).
Отметим лемму.
Лемма 2.2.6 (о не пересекающихся плоскостях). Пусть < S,? > n-упорядоченное множество. Если («(АВ) ф 0, то рА^рв —.
Эти результаты необходимы для доказательства теоремы о порождающих симплексах.
Теорема 2.2.10 (о порождающих симплексах).
Пусть, А — (ai-.- а&-), В = (&i-.-6,n) — симплексы я-упорядоченного множества < S, С >, причём set (B) С рл, тогда а) т < кб) рв С рлв) если set (A) = set (B), то рл = рв.
В третьем параграфе доказаны некоторые теоремы геометрии п-упорядоченных групп.
Теорема 2.3.2 (о движении плоскости). Пусть, А есть к-симплекс п-упорядоченной группы < G, С Е G, тогда ар Ар = раАВ.
Теорема 2.3.3. Пусть, А есть fc-симилекс n-упорядоченной группы • Для того, чтобы плоскость рА являлась подгруппой группы (7, необходимо и достаточно, чтобы, А А С Ра.
Теорема 2.3.4 (о пересекающихся плоскостях). Пусть А, Всимплексы n-упорядоченной группы < G, >. Тогда если рА П рв ф 0, то существует симплекс С такой, что рл^Рв — Рс¦
Иначе: если две плоскости в n-упорядоченной группе имеют общую точку, то их пересечение также есть плоскость в этой n-упорядоченной группе.
Таким образом, структура множества плоскостей в п-упорядоченной группе подобна структуре множества плоскостей n-мерного линейного пространства.
Третья глава посвящена конструированию различных п-упорядоченных групп, исходя из уже построенных ранее m-упорядоченных групп, где т <п.
В первом параграфе, используя идею Римана о стереографическом образе комплексной плоскости [1], задаём З-порядок на поле комплексных чисел. Теорема 3.1.2. Поле комплексных чисел С допускает 3-упорядочивание. Исследованию четырёхмерной упорядочиваем ости кватернионов посвящены следующие два параграфа.
Теорема 3.2.1. Тело кватернионов И допускает 4-упорядочивание. Теорема 3.3.2. Группа Гамильтона.
Qs = {±l,±i,±j,±k} допускает 4-упорядочивание.
Теорема 3.3.3. Существует бесконечно много неизоморфных конечных групп, допускающих 4-упорядочивание.
В заключении сформулированы некоторые гипотезы об п-мерно упорядоченных группах.
Заключение
.
В заключении сформулируем некоторые гипотезы.
Гипотеза 1. Если конечная группа допускает п-упорядочивание, то она не допускает m-унорядочивания для т ф п.
Гипотеза 2. Если n-упорядочепная группа бесконечна, то она допускает (n + 1 ^упорядочивание.
Гипотеза 3. Все конечные 4-упорядоченные группы изоморфны подгруппам мультипликативной группы кватернионов.
Гипотеза 4. Не существует конечных 3-упорядоченных групп, отличных от V4.
Все эти гипотезы являются целью дальнейших исследований.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору Пестову Герману Гавриловичу за постановку задач и постоянное внимание ко всем этапам данной работы.