GROEPENTHEORETISCHE ONDERZOEKINGEN

DOOR

P.J.H. BAUDET




HOOFDSTUK I.

Groepen.


1. Operaties. Wij stellen ons voor, dat we te maken hebben met eene verzameling V van dingen of elementen en nemen aan, dat ons een wet is gegeven, volgens welke uit een element een element der verzameling kan worden afgeleid, en die aan de volgende drie voorwaarden voldoet:
a) Uit elk element der verzameling V wordt een volkomen bepaald element van V afgeleid;
b) uit verschillende elementen worden verschillende afgeleid;
c) bij elk element van V kan men minstens één element van V bepalen, zoodanig, dat dit laatste door toepassing van het beschouwde proces in het eerstgenoemde overgaat
1).
Men kan uit b) direct aflezen, dat eenzelfde element hoogstens uit één ander element ontstaat bij toepassing van ons proces, zoodat men, in verband met c) kan zeggen, dat de verzameling V juist één element bevat, dat door toepassing der handelwijze in een [pag. 2] voorgeschreven element van V overgaat. We merken nog op, dat a1) ons zegt, dat de resulteerende verzameling een deel van de oorspronkelijke is, terwijl uit c) blijkt, dat de oorspronkelijke verzameling een deel der resulteerende is, d.w.z. de oorspronkelijke en de resulteerende verzameling zijn identiek.
Voldoet een verrichte handelwijze aan de drie bovengenoemde voorwaarden a), b), c), dan zeggen we, dat we V eene operatie hebben doen ondergaan, of dat we op V eene operatie uitgeoefend hebben. Aan operaties komt de volgende eenvoudige eigenschap toe:
I. Oefent men op V eene operatie A uit, en op het resultaat eene operatie B, dan is dit proces aequivalent met ééne operatie, op V uitgeoefend.

Men ziet nl. direct in, dat dit proces voldoet aan de eischen, gesteld aan eene operatie.
De operatie, die bestaat in het achtereenvolgens uitoefenen der operaties A en B zullen wij aanduiden met A.B of AB (product van A en B).
Schrijven wij A=B, dan is hiermee bedoeld, dat de operaties A en B in het uitoefenen van hetzelfde proces bestaan. Men heeft thans de volgende eigenschap:
II. De operatieproducten zijn associatief, d.w.z. men heeft: A(BC) = (AB)C.

Men analyseere slechts de beteekenis dezer uitdrukking om tot het inzicht der juistheid te geraken. A(BC) is eene operatie, die daarin bestaat, dat men eerst A verricht en vervolgens eene operatie, die verkregen [pag. 3] wordt door achtereenvolgens de operaties B en C uit te oefenen, terwijl men bij (AB)C eerst A moet laten volgen door B en dan C heeft te verrichten.
Men doet dus in beide gevallen hetzelfde.
In een product van de gedaante (AB)C behoeft men tengevolge van de vorige eigenschap geen haakjes te schrijven en men ziet in, dat het product van een willekeurig aantal factoren een volkomen bepaalde betekenis heeft.
Komt in een product dezelfde operatie eenige malen achter elkaar voor, dan mogen we tengevolge van de vorige eigenschap de betreffende factoren samennemen. Wij noteeren dan met behulp van exponenten:

AA = A2, AAA = A3, .......


aan welke notatie, zooals men direct inziet, de eigenschappen

Ap.Aq, (1)
(Ap)q = Apq (2)


toekomen, waarbij A = A1 is.
Het is van belang ook te beschouwen die operatie, waarbij elk element van V door zichzelf wordt vervangen. Men noemt deze operatie de eenheidsoperatie of korter de eenheid, en wij noteeren deze met E. Men heeft

EA = A, AE = A. (3)


III. Is A eene willekeurige operatie, dan bestaat er eene operatie A', die voldoet aan de betrekkingen

AA' = E, A'A = E. (4)


[pag. 4] Denken we ons, dat op V de operatie A wordt uitgeoefend. Bij een willekeurig element v van V is er dan krachtens c) een element v1 van V te vinden, waaruit het door toepassing van A wordt afgeleid/ Zooals wij reeds opmerkten is v1 bovendien een volkomen bepaald element.
Wij gaan nu elk element v van V vervangen door het bijbehoorende element v1, en beweren, dat dit proces, dat we A' noemen, eene operatie is. Uit het voorafgaande van ons betoog blijkt reeds, dat het proces A' aan het postulaat a) voldoet. Bovendien ontstaan uit verschillende elementen v, v' door deze handelwijze verschillende elementen v1, v1', daar door A, in veband met a) eenzelfde element in één volkomen bepaald element wordt overgevoerd. Hieruit blijkt, dat het geconstrueerde proces A' aan b) voldoet. Zij tenslotte v1 een willekeurig element van V, dat door toepassing van A in v overgaat (zie a)), dan blijkt, dat er een element (nl. v) bestaat, dat door toepassing van A' het voorgeschreven element v1 oplevert. Aan het postulaat c) is dus eveneens voldaan, zoodat wij er toe besluiten, dat A' eene operatie is.
Bechouw nu de operatie AA'. Een willekeurig element v van V worde door A overgevoerd in v1. Dan zal A' het element v1 overvoeren in v, zoodat de operatie AA' elke element v invariant laat, d.w.z. zoodat
AA' = E

Evenzoo behandelen we de operatie A'A. Door A' wordt een willekeurig element v1 van V vervangen door een element v, dat de eigenschap heeft, dat v door A in v1 wordt overgevoerd. Hieruit volgt [pag. 5]
A'A = E

IV. De in III beschouwde operatie A' is door elk der betrekkingen (4) volkomen bepaald.

Heeft men toch AB = E, dan volgt hieruit:
A'(AB) = A'E,
(A'A)B = A'E,
EB = A',
B = A'.

Evenzoo besluit men uit CA = E tot
CAA' = EA',
C = A'.

De ondubbelzinnig gedefinieerde operatie A' heet de inverse operatie van A en men ziet direct in, dat A de inverse van A' is. Men noteert de inverse operatie van A als A- 1, die van Ap als A-p, terwijl het voor de hand ligt Ao = E te nemen.
Men moet thans echter aantoonen, dat de betrekkingen (1) en (2) geldig blijven voor de nieuw ingevoerde exponenten. Is minstens één der in die formules voorkomende exponenten gelijk aan nul, dan is de juistheid evident. Voor de behandeling der overige gevallen merken we eerst op, dat
(A-p)-1 = Ap, A-p = (A- 1)p (p>0),

waarvan de eerste betrekking geen betoog behoeft, terwijl de tweede een bijzonder geval der volgende eigenschap is:
V. De inverse der operatie A1A2 .... Ap- 1Ap is Ap-1Ap-1-1 .... A2-1A1- 1.
Dit volgt uit de evidente identiteit [pag. 6]
A1A2 .... Ap- 1ApAp- 1Ap-11 .... A2-1A1- 1 = E.

Veronderstellen wij thans p, q beide positief, dan is
(Ap)-q = [(Ap)q]-1 = (Apq)-1 = A-pq = Ap.-q,
(A-p)q = [(A-1)p]q = (A-1)pq = A-pq = A-p.q,
(A-p)-q = [(A-p)-1]q = (Ap)q = Apq = A-p.-q.

Hiermede is (2) voor alle gevallen aangetoond. Voorts is
A-pA-q = (A-1)p.(A- 1)q = (A-1)p+q = A-p-q.

Heeft men een product van de gedaante Ap.A-q, A-p.Aq, dan hebben wij te onderscheiden de gevallen p > q, p = q, p < q.
In het tweede geval is
ApA-p = E = A0 = Ap-p.

Is p>q, dan heeft men
Ap.A-q = Ap-q(Aq.A-q) = Ap-q,

terwijl voor p < q de bewijsvoering luidt:
Ap.A-q = Ap.(A-1)p. (A-1)q-p = ApA-p.Ap-q = Ap-q.

Evenzoo verloopt de bewijsvoering in het geval A-p.Aq.
Ook de formule (1) is thans voor alle gevallen bewezen.

VI. De vergelijkingen AX=B en XA=B hebben steeds en slechts eene oplossing.

Is aan AX=B voldaan, dan heeft men
A-1AX = A-1B,
X = A-1B.

De operatie A-1B bestaat steeds, daar A-1 bestaat [pag. 7] (III) en voldoet aan de vergelijking AX=B daar AA-1B = EB = B.
Evenzoo heeft de vergelijking XA=B als eenige oplossing X=BA-1. Hieruit volgt in 't bijzonder, dat de eenheidsoperatie door elk der vergelijkingen (3) ondubbelzinnig gedefinieerd is.

VII. De eenige operatie, die voldoet aan de vergelijking X2 = X, is de eenheidsoperatie.

Is aan X2 = X voldaan, dan heeft men
X2X-1 = XX-1,
X = E,

terwijl het duidelijk is, dat E aan de gegeven vergelijking voldoet.

2. Dubbeleenwaardige correspondentie. Laat gegeven zijn twee elementenverzamelingen V, V' en vormen wij uit de elementen dezer verzamelingen alle mogelijke paren, bestaande uit één element van V en één element van V'. Beschouwen wij nu een deelverzameling dezer elementenparenverzameling, dan zeggen wij, dat wij tusschen de verzamelingen V en V' eene correspondentie hebben opgesteld. Men noemt hierbij correspondeerende elementen elementen, die in eenzelfde paar der beschouwde parenverzameling voorkomen.
In 't bijzonder interesseert ons het geval, waarbij de verzamelingen V, V' zoodanig zijn, dat het mogelijk is, de correspondentie zoo in te richten, dat elk element der beide verzamelingen in juist één paar optreedt. In dit geval spreekt men van eene dubbelwaardige correspondentie [pag. 8].
Het kan gebeuren, dat de verzamelingen V en V' gemeenschappelijke elementen bezitten. In dat geval moet men onderscheid maken, of men zoo'n gemeenschappelijk element op het oogenblik, waarop men er over spreekt, als tot V of tot V' behoorend beschouwt. Houdt men dit onderscheid nauwkeurig in 't oog, dan kunnen de verzamelingen V en V' zonder bezwaar uit dezelfde elementen bestaan.
We merken op, dat elke operatie A, op een elementenverzameling V toegepast, eene dubbeleenwaardige correspondentie definieert tusschen de verzameling V en eene verzameling V' bestaande uit dezelfde elementen, indien men als correspondeerend met elk element v van V beschouwt dat element v' van V', dat door toepassing van A uit v verkregen wordt. De juistheid dezer bewering volgt direct uit de operatie- postulaten.
Het is duidelijk, dat de operatie A-1 aanleiding zou geven tot dezelfde correspondentie, indien men haar op V' laat inwerken. Willen wij de wijze van ontstaan der correspondentie nader aangeven, dan zullen wij nog toevoegen, op welke der verzamelingen de operatie uitgeoefend is, en deze verzameling zullen wij dan de oorspronkelijke noemen.
Omgekeerd definieert elke dubbeleenwaardige correspondentie tusschen twee verzamelingen V, V', bestaande uit dezelfde elementen twee operaties A, A' (=A-1) uitgeoefend resp. op de verzamelingen V, V', indien men voor A (resp. A') het proces neemt, waarbij uit elk element v (resp. v') van V (V') wordt afgeleid het element v' (v) dat in V' (V) met v (v') correspondeert, en men ziet direct in, dat dit proces eene operatie is [pag. 9].
Wil men nader aangeven, of men de operatie A, dan wel A' wenscht te beschouwen, dan behoeft men slechts aan te duiden, welke der verzamelingen V, V' als oorspronkelijke genomen moet worden.
Men kan dus de beschouwingen over operaties terugvoeren op die van dubbeleenwaardige correspondenties en omgekeerd. Hiervan zal in n°. 11 gebruik gemaakt worden.

3. Definitie der groepen. Wij beschouwen thans een stelsel van operaties, dat aan de volgende voorwaarden voldoet:
a) het stelsel bevat tenminste ééne operatie;
b) is aan a) voldaan, dan komt de eenheidsoperatie in het stelsel voor;
c) bevat het stelsel meer dan ééne operatie, en zijn A, B twee willekeurige van elkaar verschillende operaties van het stelsel, dan behoort ook de operatie X, gedefinieerd door AX=B tot het stelsel.

Een stelsel operaties, dat aan deze voorwaarden voldoet, wordt een groep genoemd. Wij willen een paar algemeene eigenschappen der groepen afleiden. Vooreerst ziet men direct in, dat een groep, die slechts ééne operatie bevat, uit de eenheidsoperatie E bestaat. Bovendien is de volgende eigenschap een direct gevolg der postulaten:
VIII. Zijn A, B twee willekeurige (verschillende of gelijke) operaties, behoorend tot een gegeven groep, dan behoort tot de groep ook de operatie X, gedefinieerd door AX=B.
Voorts heeft men: [pag. 10]
IX. Een groep bevat de inverse van elk harer operaties.
Is toch A een van de operaties der groep, dan heeft, krachtens VIII de vergelijking AX=E eene oplossing X=A-1, die tot de groep behoort.
X. Hebben A, B dezelfde beteekenis als in VIII, dan komt in de groep ook hun product AB voor.
Is A eene operatie der groep, dan is volgens IX ook A-1 eene operatie, die tot de groep behoort. Derhalve zal wegens VIII de oplossing der vergelijking
A-1X = B

mede tot onze groep behooren. Deze vergelijking heeft echter tot oplossing X=AB, waaruit het gestelde blijkt.
XI. Hebben A, B dezelfde beteekenis als in VIII, dan behoort tot de groep ook de operatie X, gedefinieerd door XA=B.
Men heeft X=BA-1, welke operatie wegens IX en X in de groep aanwezig is.
Wij hadden ook de eigenschappen IX en X als definitorisch kunnen beschouwen in plaats van b) en c) 2). Het voordeel van onze keuze is daarin gelegen, dat, waar, zooals bekend is, bij eindige groepen IX uit X kan worden afgeleid, onze postulaten b) en c) ook in dat geval van elkaar onafhankelijk zijn. Wij bewijzen dit nog in n°. 6 van dit hoofdstuk. In het tweede hoofdstuk zullen wij nog een andere mogelijkheid van opbouw ontwikkelen. Wegens de toepassing, welke wij [pag. 11] later zullen maken, vermelden we nog de thans vanzelfsprekende eigenschap:

XII. Is n een willekeurig geheel getal en A eene operatie van een groep, dan behoort An tot die groep.

4. Andere beschouwingswijze. Veelal wordt een groep gedefinieerd, zonder het begrip operatie als grondslag te nemen. Wij geven als voorbeeld de postulaten, opgesteld door DICKSON (Transactions of the American Mathematical Society, 1905), welke in dezen den grootst mogelijken eenvoud, bij onderlinge onafhankelijkheid, schijnen te bezitten. Men beschouwt een stelsel elementen a, b, c,...., waarbij eene wet gegeven is, om uit een tweetal elementen a, b (de volgorde, waarin deze geschreven worden, is hierbij essentieel) een derde element te bepalen. Dit proces noemt men de vermenigvuldiging der elementen en men schrijft, als het paar a, b het element c oplevert: ab=c.
Men zegt nu, dat de beschouwde elementen eene groep vormen, indien voldaan is aan de volgende voorwaarden:
a) Het stelsel bevat minstens één element;
b1) zijn a, b elementen van het stelsel, dan bestaat ab;
b2) het product ab is niet meer dan eenwaardig;
b3) Is ab minstens eenwaardig, dan maakt een der bepalingen deel uit van het stelsel;
c) zijn a, b, c elementen van het stelsel, zoodanig dat ook (ab)c en a(bc) er toe behooren, dan heeft men: (ab)c = a(bc);
d) er bestaat in het stelsel minstens één element e zoodanig [pag. 12], dat, als a een willekeurig element van het stelsel beduidt, steeds ae=a, indien ae tot het stelsel behoort;
e) zijn er elementen e, die de eigenschap, geformuleerd in d) bezitten, dan is er onder hen minstens één zoodanig, dat, als a een willekeurig element van het stelsel beduidt, er in het stelsel een element x te vinden is, dat voldoet aan ax=e.
De elementen e uit d) worden postmultiplicatorische eenheden genoemd.
Wij ontwikkelen even de eenvoudigste consequenties van dit stelsel postulaten en merken vooreerst op, dat b1, 2, 3) zich laten samenvatten tot:
Zijn a,b elementen der groep, dan is ook ab een element der groep.
Vervolgens heeft men:
Er bestaat slechts ééne postmultiplicatorische eenheid.
Is e een der postmultiplicatorische eenheden, die de eigenschap van e) bezitten, en is e1 een willekeurige postmultiplicatorische eenheid, dan bestaat er volgens e) in de groep een element x, dat voldoet aan e1x = e. Men heeft nu:
e1 = e1e = e1(e1x) = (e1e1)x = e1x = e.

Uit ex = e volgt x = e; immers, voor elk willekeurig element a heeft men ax = (ae)x = a(ex) = ae = a, zoodat x een postmultiplicatorische eenheid is. Daar er niet meer dan eene postmultiplicatorische eenheid bestaat, besluit men tot x=e.
De postmultiplicatorische eenheid is tevens de eenige praemultiplicatorische eenheid. Zij a een element der groep en zij ea=b, zoodat ook b in de groep voorkomt [pag. 13]. Er bestaat dan in de groep een x zoodanig, dat bx=e, en een y zoodanig, dat xy=e. We hebben nu

e = bx = (ea)x = e(ax),

waaruit volgt, dat ax = e, zoodat ea = (ea)(xy) = e(ax)y = (ee)y = ey = (ax)y = a(xy) = ae = a.
Dat e de eenige praemultiplicatorische eenheid is, wordt op analoge wijze bewezen, als boven geschied is. Hiermede is aangetoond, dat er slechts ééne eenheid bestaat.
De vergelijking xa=e, waarin a een element der groep is, heeft juist eene oplossing x, element der groep.
Er bestaat volgens e) in de groep een element y, voldoende aan ay=e. Voorts bestaat er om dezelfde reden in de groep een element z, voldoende aan yz=e. Men heeft nu z = ez = ayz = ae = a, waaruit blijkt, dat het element y aan de vergelijking xa = e voldoet. Bovendien is, als x aan xa = e voldoet, xay = ey, of x = y. Hieruit volgt, dat zoowel x als y eenwaardig bepaald zijn. Het element a heeft dus één volkomen bepaald invers element. Wij noteeren dat element in 't vervolg met a-1.
De vergelijking xa=b, waarin a, b elementen der groep zijn, heeft juist eene oplossing x, element der groep.
Men heeft x = ba-1. Men merke nog op, dat we, tengevolge van de eenwaardigheid van x in deze eigenschap, uit ac = bc mogen besluiten tot a = b.
De vergelijking ax=b, waarin a, b elementen der groep zijn, heeft eene enkele oplossing x, element der groep.
Men heeft x = a-1b; tevens blijkt, dat uit ca = cb de betrekking a = b volgt [pag. 14].
In 't volgende duiden wij eene groep, die op de in dit nummer behandelde wijze gedefineerd is, met het woord elementengroep aan.

5. Terugvoering der tweede beschouwingswijze tot de eerste. Thans zullen wij aantoonen, dat elke elementengroep holoëdrisch isomorph is met een operatiegroep. Hiermede wordt bedoeld, dat men tusschen de elementen eener elementengroep en de operaties eener operatiegroep eene dubbeleenwaardige correspondentie kan opstellen, zoodanig, dat met het product van een willekeurig tweetal elementen der elementengroep correspondeert het product der correspondeerende operaties der operatiegroep. Hieruit blijkt dan, dat de elementengroep geen algemeener begrip is dan de operatiegroep.
Laat gegeven zijn een elementengroep met de elementen a, b, c,...., en denken we ons, dat men alle elementen onderwerpt aan eene postmultiplicatie met eenzelfde element p. Wij beweren, dat dit proces op te vatten is, als eene operatie P, uitgeoefend op de verzameling der elementen a, b, c,.... Immers, door multiplicatie met p ontstaat uit elk element een volkomen bepaald element der verzameling, terwijl uit ap = bp volgt a = b, zoodat verschillende elementen in verschillende overgaan. Dat ten slotte in de getransformeerde verzameling elk element der oorspronkelijke optreedt, is een gevolg van het feit, dat de vergelijking xp = a, voor alle waarden van a en p eene oplossing bezit, die tot de elementengroep behoort.
Wij zullen de operaties, bestaande in postmultiplicatie [pag. 15] met a, b, c,...., aanduiden door A, B, C,.... en bewijzen de volgende eigenschap:

De operatie, bestaande in postmultiplicatie met ab, is de operatie AB.

Dit is een direct gevolg van het associatieve postulaat der elementengroepen. Is toch c een willekeurig element, dan gaat c door AB over in (ca)b, terwijl de postmultiplicatie met ab het element c overvoert in c(ab). Krachtens c) van n°. 4 zijn echter de elementen (ca)b en c(ab) dezelfde.
Dat de groep-postulaten uit n°. 3 door de hierboven gedefinieerde operaties vervuld worden, volgt nu gemakkelijk: n°. 4 a) is al aequivalent met n°. 3 a), terwijl n°. 3 b) een gevolg is van het aanwezig zijn van de prae- en postmultiplicatorische eenheid e. Er rest nog te laten zien, dat bij gegeven operatie X, gedefinieerd door AX=B in het beschouwde stelsel aanwezig is. Bepaalt men het element x uit ax = b, dan zal de operatie X, bestaande uit de postmultiplicatie met x, krachtens XIII voldoen aan AX=B.
Waar hiermede aangetoond is, dat men kan volstaan met de beschouwing der operatiegroepen, moet er op gewezen worden, dat de beschouwingswijze uit n°. 4 ons diensten kan bewijzen bij het opstellen van abstracte groepen met gegeven eigenschappen. Zij leert ons de noodzakelijke en voldoende voorwaarden, waaraan een multiplicatie voor abstracte symbolen moet voldoen, opdat zij eene operatiegroep kan definieeren, holoëdrisch isomorph met deze. Men merke echter op, dat het onjuist zou zijn, in deze zinsnede [pag. 16] de woorden ,,holoëdrisch isomorph'' achterwege te laten.

6. Eindige groepen. Waar in dit proefschrift hoofdzakelijk van groepen met een eindig aantal operaties sprake zal zijn, willen we nog een postulaat toevoegen:
d) Het aantal operaties van het stelsel is eindig.
Groepen, die deze eigenschap bezitten, heeten eindige groepen. Het aantal elementen eener eindige groep wordt de orde der groep genoemd. Wij bewijzen nog de onafhankelijkheid der postulaten a) b) c) d).
Dat a) van b), c van d onafhankelijk is, is evident. De onafhankelijkheid van d) volgt uit het bestaan van oneindige groepen (groepen met aftelbaar of niet-aftelbaar aantal operaties).
Laat men uit een willekeurige eindige groep de eenheid weg, dan verkrijgt men een stelsel operaties, dat aan a), c), d) voldoet, doch niet aan b), terwijl alleen aan c) niet voldaan wordt door elk stelsel operaties, bestaande uit een eindig aantal van deze, waaronder de eenheidsoperatie, mits dat stelsel geen groep vormt. Hiermede is het bewijs der onafhankelijkheid geleverd.
We maken nog opmerkzaam op de volgende bekende eigenschap, die voor de toepassingen zich ten zeerste leent:
XIV. Een stelsel, bestaande uit een eindig aantal operaties, vormt eene groep, indien het product van elk tweetal harer operaties (gelijk of verschillende) tot het stelsel behoort 3) [pag. 17].
Aan het postulaat a) is voldaan. Praemultipliceert men nu alle operaties met eenzelfde willekeurige operatie A van het stelsel, dan zijn volgens VI de verkregen producten alle verschillend. Daar het aantal operaties van het stelsel eindig is, is dus het oorspronkelijke stelsel identiek met het stelsel, bestaande uit de producten. Zij thans B eene willekeurige operatie van het stelsel, dan behoort dus tot het stelsel de operatie X, gedefinieerd door A.X = B. Heeft men A [ongelijk aan] B, dan volgt uit deze bewering het voldaan zijn aan postulaat c), terwijl men voor B=A afleest, dat de eenheid tot het stelsel behoort, zoodat ook b) voor het beschouwde stelsel geldt.




Noten

1) Bevat V slechts een eindig aantal elementen, dan is deze laatste eisch een klaarblijkelijk gevolg van de beide voorgaande. Men merke voorts op, dat het postulaat a) op de volgende wijze te splitsen is:
a1) Uit de elementen van V, waarop het proces wordt toegepast, wordt uit elk element een volkomen bepaald element van V afgeleid.
a2) Het proces wordt op elk element van V toegepast.

2) Zie bijv. W. BURNSIDE: Theory of groups of finite order. Cambridge 1911.

3) H. WEBER, Lehrbuch der Algebra, Bd. II § 1.