Csoporthat´ asok

Matematikai tanulm´anyainkban gyakran el˝ofordul´o jelens´eg, hogy bizonyos fajta transzform´aci´ok csoportot alkotnak, vagy hogy egy csoportot eleve va-lamif´ele strukt´ur´at meg˝orz˝o lek´epez´esek seg´ıts´eg´evel defini´alunk. Ebben a szakaszban ¨osszegy˝ujtj¨uk az ezzel kapcsolatos alapvet˝o fogalmakat ´es ¨ ossze-f¨ugg´eseket.

6.1.1. Defin´ıci´o (Csoporthat´as).LegyenGcsoport ´esX tetsz˝oleges

nem-¨ures halmaz. Azt mondjuk, hogyGhat azX halmazon (vagy hogyG transz-form´aci´ocsoportX-en), ha adott egy

G×X → X , (g, x) →gx lek´epez´es, amelyre

(1) mindenx∈X-re 1x=x, ´es

(2) mindeng, h∈G-re ´es mindenx∈X-re (gh)x=g(hx) teljes¨ul.

Jel¨olj¨uk SX-szel az X → X bijekt´ıv lek´epez´esek csoportj´at a kompoz´ıci´o m˝uvelet´ere n´ezve. (Amikor X v´eges halmaz, akkor SX az Sn szimmetrikus csoporttal izomorf, ahol n = |X|.) K¨ozvetlen¨ul ellen˝orizhet˝o, hogy minden g ∈ G-re a ϕ(g) : X → X, ϕ(g)

(x) = gx lek´epez´es bijekt´ıv (m´egpedig az inverze ϕ(g⁻¹)), ´es az ez´altal defini´alt ϕ :G→ SX lek´epez´es homomor-fizmus. Az is r¨ogt¨on l´athat´o, hogyϕ egy´ertelm˝uen meghat´arozzaGhat´as´at X-en, ez´ert egy ilyen ϕ : G → SX homomorfizmus megad´asa tekinthet˝o a csoporthat´as egyen´ert´ek˝u defin´ıci´oj´anak.

Ha p´eld´aulGeleveSX r´eszcsoportja, akkor aG-t identikusan ¨onmag´ara k´ e-pez˝o homomorfizmus aGcsoport hat´as´at defini´aljaX-en ; eztGterm´eszetes hat´as´anak szok´as nevezni. Az al´abb k¨ovetkez˝o p´eld´ak t¨obbs´ege is term´eszetes hat´as.

6.1.2. P´eld´ak

• HaX affin t´er, akkor az Aff (X) csoport hatX-en.

• HaV vektort´er, akkor aGL(V) csoport hatV-n.

• HaX metrikus t´er, akkor azI(X) izometriacsoport hatX-en.

• HaV euklideszi vektort´er, akkor az O(V) ortogon´alis csoport hatV-n.

• HaE euklideszi t´er, akkor a Sim (E) csoport hatE-n.

• LegyenS az affin alterek halmaza azX affin t´erben. Ekkor az Aff (X) csoport hat azS halmazon.

• Legyen G a g¨omb¨ok halmaza az E euklideszi t´erben, ekkor a Sim (E) csoport hat aG halmazon.

• AzM(E) M¨obius-csoport hat azE⁺ inverz´ıv t´eren. Az el˝oz˝o p´eld´ahoz hasonl´oanM(E) azE-beli g¨omb¨ok ´es affin alterek alkotta halmazon is hat.

• Tetsz˝olegesGcsoport hat a saj´at alaphalmaz´an baleltol´asokkal ((g, h)7→

gh), jobbeltol´asokkal ((g, h)7→hg⁻¹), illetve konjug´al´asokkal ((g, h)7→

ghg⁻¹). Az ut´obbit (amelyn´el az els˝o kett˝ovel ellent´etben aGelemei ´ al-tal induk´alt transzform´aci´ok automorfizmusok aGcsoportban) szok´as Gadjung´alt hat´as´anak nevezni.

• HaG=NoH szemidirekt szorzat, akkorH hat azN csoporton a (G-beli) konjug´al´asokkal. Itt isH elemei automorfizmusokk´ent hatnak az N csoporton. Nevezetes t´eny, hogy aGcsoport rekonstru´alhat´o ennek a hat´asnak az ismeret´eben. (Akkor kapunk direkt szorzatot, ha a hat´as trivi´alis, azaz mindenh∈H-ra identikus.)

Megjegyz´es. Leggyakrabban az X halmazon valamilyen strukt´ura is adott (p´eld´aul topologikus, differenci´alhat´o, metrikus, line´aris, vagy egy´eb algebrai strukt´ura, esetleg ezekb˝ol egyszerre t¨obb is), ´es a G csoport ezt a strukt´ u-r´at meg˝orz˝o lek´epez´esekkel hat. Ennek megfelel˝oen besz´elhet¨unk folytonos, differenci´alhat´o, izometrikus, line´aris stb. csoporthat´asokr´ol. A fenti p´eld´ak legt¨obbje is ilyen jelleg˝u.

6.1.3. Defin´ıci´o (Invari´ans halmaz, hat´as lesz˝uk´ıt´ese). Tegy¨uk f¨ol, hogy aGcsoport hat azX halmazon. EgyY ⊆X r´eszhalmazt invari´ansnak (vagyG-invari´ansnak) nevez¨unk, ha minden g ∈G-re ´esx∈ Y-ra gx ∈Y. (Ilyenkor sz¨uks´egk´eppen mindeng∈G-re nemcsakgY ⊆Y, hanem gY =Y is teljes¨ul, ´ugyhogyY akkor ´es csak akkor invari´ans, haGY =Y.)

HaY ⊆ X invari´ans, akkor tekinthetj¨uk a Gcsoport hat´as´at csup´an az Y halmazon. Ilyenkor besz´el¨unk aG-hat´asnak azY-ra t¨ort´en˝o lesz˝uk´ıt´es´er˝ol.

6.1.4. P´eld´ak

• A 6.1.2-beli hatodik p´eld´aban az X-beli hipers´ıkok Aff (X)-invari´ans halmazt alkotnakS-ben.

• EgyGcsoport valamely r´eszcsoportja akkor ´es csak akkor norm´aloszt´o, ha az adjung´alt hat´asra n´ezveG-invari´ans.

6.1.5. Defin´ıci´o (Orbit). Tegy¨uk f¨ol, hogy a G csoport hat az X halma-zon. A minim´alis nem¨ures invari´ans halmazokat a hat´as orbitjainak (vagy G-orbitoknak) nevezz¨uk. Vezess¨uk be a∼rel´aci´ot az X halmazon a k¨ ovet-kez˝ok´eppen : x, y ∈X eset´en legyenx ∼y, ha l´etezik olyan g ∈ G, melyre gx =y. R¨ogt¨on l´athat´o, hogy ∼ ekvivalenciarel´aci´o, amely szerint az ekvi-valenciaoszt´alyok ´eppen a G-orbitok. Ha x ∈ X tetsz˝oleges elem, akkor az x-et tartalmaz´o orbitra (amelyetxorbitj´anak is nevez¨unk) bevezetj¨uk aGx jel¨ol´est ; nyilv´anGx={gx:g∈G}.

6.1.6. P´eld´ak

• A 6.1.2-beli els˝o, ¨ot¨odik, hetedik ´es nyolcadik p´eld´aban szerepl˝o cso-porthat´asnak egyetlen orbitja van. Ha egy csoport ¨onmag´an bal- vagy jobbeltol´asokkal hat, akkor is egyetlen orbit keletkezik.

• A m´asodik p´eld´aban (hacsak aV vektort´er nem trivi´alis) pontosan k´et orbit van : az egyik csak a 0 elemet tartalmazza, a m´asik az ¨osszes nemz´erus vektorb´ol ´all.

• A negyedik p´elda orbitjai az orig´o k¨or¨uli hiperg¨omb¨ok ´es a{0}halmaz.

• A hatodik p´eld´aban az orbitok ´ugy ´allnak el˝o, hogy valamely 0≤k≤

≤dimX-re az ¨osszes k-dimenzi´os affin alteret tekintj¨uk.

• AGcsoport adjung´alt hat´as´an´al aG-orbitok ´eppen aG-beli konjug´ al-toszt´alyok.

• Ha az S¹ ⊂ C komplex egys´egk¨or szorz´assal hat a komplex t´erbeli S^2d−1⊂C^d egys´egg¨omb¨on, akkor a hat´as orbitjai Clifford-p´arhuzamos f˝ok¨or¨ok. Speci´alisan, ha d = 2, akkor az orbitok Hopf-f´ele k¨orsereget alkotnak.

6.1.7. Defin´ıci´o (Tranzit´ıv hat´as).Azt mondjuk, hogy aGcsoport tran-zit´ıvan hat az X halmazon, ha a G-hat´asnak egyetlen orbitja van X-ben, azaz b´armely x, y ∈X elemekhez tal´alhat´o olyan g ∈ Gcsoportelem, hogy gx=y.

6.1.8. P´eld´ak

• A 6.1.6-beli els˝o pontban felsorolt csoporthat´asok tranzit´ıvak.

• B´armely csoporthat´asnak egy orbitra t¨ort´en˝o lesz˝uk´ıt´ese tranzit´ıv.

6.1.9. Defin´ıci´o (Stabiliz´ator). Tegy¨uk f¨ol, hogy a G csoport hat az X halmazon. Valamelyx∈X elem stabiliz´ator´an aG_x={g ∈G:gx=x} ≤

≤Gr´eszcsoportot ´ertj¨uk.

6.1.10. P´eld´ak

• HaE euklideszi t´er ´esP ∈E, akkorI(E)P =O(EP).

• B´armelyE euklideszi t´erreM(E)_∞= Sim (E).

• B´armelyGcsoport adjung´alt hat´as´an´al a stabiliz´atorok az elemek cent-raliz´atorai.

A k¨ovetkez˝o ´all´ıt´as az orbitok ´es stabiliz´atorok k¨oz¨ott fenn´all´o alapvet˝o ¨ ossze-f¨ugg´est r¨ogz´ıti. Ezen alapulnak a v´eges csoportelm´elet egyes lesz´aml´al´asi tech-nik´ai, valamint ezt haszn´alja majd a 6.2.10. T´etel bizony´ıt´asa is.

6.1.11. ´All´ıt´as.Tegy¨uk f¨ol, hogy aGcsoport hat az X halmazon ´es legyen x∈X tetsz˝oleges. Ekkor :

(1) B´armelyg∈G-reG_gx=gG_xg⁻¹, ez´ert ugyanahhoz az orbithoz tartoz´o elemek stabiliz´atorai konjug´altak.

(2) Jel¨olje G/Gx a Gx r´eszcsoporthoz tartoz´o bal oldali mell´ekoszt´alyok halmaz´at. Ekkor a gGx 7→ gx hozz´arendel´es bijekci´ot l´etes´ıt a G/Gx

halmaz ´es aGx orbit k¨oz¨ott.

Bizony´ıt´as :(1) : B´armelyh∈Gx-re (ghg⁻¹)(gx) =gxmutatja, hogygGxg⁻¹

⊆ Ggx. A ford´ıtott tartalmaz´as az ugyanilyen elven ad´od´o g⁻¹Ggxg ⊆ Gx

formul´aval egyen´ert´ek˝u.

(2) : Vegy¨uk ´eszre, hogyg, h∈G-regGx=hGxpontosan akkor ´all fenn, ami-korh⁻¹g∈G_x, azaz amikorgx=hx. Ez mutatja egyr´eszt, hogy agG_x7→gx lek´epez´es j´ol defini´alt, m´asr´eszt, hogy injekt´ıv. A sz¨urjektivit´as nyilv´ anva-l´o.

6.1.12. K¨ovetkezm´eny. B´armely X-beli elem orbitj´anak a sz´amoss´aga a stabiliz´ator index´evel egyenl˝o.

6.1.13. Defin´ıci´o (Szabad hat´as). Azt mondjuk, hogy a G csoport sza-badon hat az X halmazon, ha b´armely X-beli elem stabiliz´atora trivi´alis.

Szok´as ezt ´ugy is mondani, hogy Gfixpontmentesen hatX-en.

6.1.14. Defin´ıci´o (Egyszeresen tranzit´ıv hat´as). Kiemelt fontoss´aggal b´ırnak azok a csoporthat´asok, amelyek egyszerre szabadok ´es tranzit´ıvak.

Ezeket egyszeresen tranzit´ıv hat´asoknak is szok´as nevezni. AGcsoport teh´at pontosan akkor hat egyszeresen tranzit´ıvan azXhalmazon, ha b´armelyx, y∈

∈X-re egy´ertelm˝uen l´etezik olyang∈Gcsoportelem, hogygx=y.

Ilyenkor b´armelyx₀∈X elem r¨ogz´ıt´es´evel ag7→gx₀lek´epez´es bijekt´ıvG´es Xk¨oz¨ott, ´esX-etG-vel izomorf csoportt´a teszi, amelynekx₀az egys´egeleme.

(Ha X-et ilyen m´odon azonos´ıtjuk G-vel, akkor a hat´as G baleltol´asaival t¨ort´enik.) Az egyszeresen tranzit´ıv csoporthat´assal ell´atott halmazra teh´at

´

ugy is gondolhatunk, mint olyan csoportra, amelyben

”elfelejtett¨uk”, hol van az egys´egelem.

6.1.15. P´eld´ak

• HaX affin t´er, akkor a hozz´a tartoz´oV =−→

X vektort´er addit´ıv csoport-ja az eltol´asok seg´ıts´eg´evel egyszeresen tranzit´ıvan hat X-en. K¨onny˝u meggondolni, hogy ez a tulajdons´ag az affin t´er fogalm´anak egyen´ert´ e-k˝u defin´ıci´ojak´ent is szolg´alhat : ha valamely vektort´er addit´ıv csoportja egyszeresen tranzit´ıvan hat egy halmazon, akkor ezen a halmazon

egy-´

ertelm˝uen l´etezik olyan affin strukt´ura, amelynek az eltol´asai ´eppen az adott hat´ast alkotj´ak.

• Ha X affin t´er, akkor az Aff (X) affin csoport egyszeresen tranzit´ıvan hat azX-beli rendezett affin b´azisok halmaz´an.

• Tetsz˝olegesV vektort´er eset´en aGL(V) ´altal´anos line´aris csoport egy-szeresen tranzit´ıvan hat aV-beli rendezett b´azisok halmaz´an.

• HaV euklideszi vektort´er, akkor azO(V) ortogon´alis csoport egyszere-sen tranzit´ıvan hat aV-beli rendezett ortonorm´alt b´azisok halmaz´an.

• LegyenE euklideszi t´er. Haf :E →E egybev´ag´os´ag ´es x:E →R^d ortonorm´alt koordin´atarendszer, akkor jel¨oljefxazx◦f⁻¹kompoz´ıci´ot (amely szint´en ortonorm´alt koordin´atarendszer). Az (f,x)7→fx hoz-z´arendel´es ´altal azI(E) izometriacsoport egyszeresen tranzit´ıv hat´as´at defini´altuk azE-beli ortonorm´alt koordin´atarendszerek halmaz´an.

• A d-dimenzi´os E euklideszi t´erben z´aszl´onak nevezz¨uk az olyan Z =

= (F₁, F₂, . . . , F_d) sorozatokat, ahol mindenk-ra F_k z´art f´elt´er egy k-dimenzi´osE-beli affin alt´erben, ´esF_k⊂∂F_k+1 (k= 1,2, . . . , d−1). Az I(E) izometriacsoport egyszeresen tranzit´ıvan hat azE-beli z´aszl´ok hal-maz´an. Ez az el˝oz˝o p´eld´ara hivatkozva legegyszer˝ubben abb´ol l´atszik, hogy bijekt´ıv kapcsolat l´etes´ıthet˝o az ortonorm´alt koordin´atarendszerek

´

es a z´aszl´ok k¨oz¨ott : a 4.2.3-beli jel¨ol´eseket haszn´alva azx:E→R^d or-tonorm´alt koordin´atarendszerhez illesztett z´aszl´onak mondjukZ-t, ha mindenk-ra az Fk f´elteret azhA0, A1, . . . A_k−1iaffin alt´er hat´arolja ´es Ak ∈Fk.

• Tetsz˝oleges csoportnak a saj´at alaphalmaz´an ak´ar bal-, ak´ar jobbelto-l´asokkal defini´alt hat´asa egyszeresen tranzit´ıv.

Megjegyz´es.A 6.1.15-beli utols´o p´elda az egyszeresen tranzit´ıv csoporthat´ a-sok ”protot´ıpusa” abban az ´ertelemben, hogy tulajdonk´eppen b´armely egy-szeresen tranzit´ıv hat´as ilyen alak´u. K´ezenfekv˝o ugyanis defini´alni a csoport-hat´assal ell´atott halmazok k¨or´eben az izomorfizmus fogalm´at, ´es a 6.1.14. De-fin´ıci´ot k¨ovet˝o ´eszrev´etel ´eppen azt mutatja, hogy egy egyszeresen tranzit´ıv csoporthat´as izomorf a csoportnak ¨onmag´an baleltol´asokkal defini´alt hat´as´ a-val.

In document Geometria (Pldal 185-190)