กรุป (คณิตศาสตร์)

กรุป (อังกฤษ: group) ในพีชคณิตนามธรรม คือ เซตกับการดำเนินการทวิภาค เช่น การคูณหรือการบวก ซึ่งสอดคล้องกับสัจพจน์ชุดหนึ่งซึ่งเรียกว่าสัจพจน์ของกรุป ตัวอย่างของกรุปที่ง่ายที่สุดคือ เซตของจำนวนเต็มภายใต้การบวกปรกติ ซึ่งเป็นกรุปแบบหนึ่ง สาขาของคณิตที่ศึกษาเกี่ยวกับกรุปโดยเฉพาะเรียกว่า ทฤษฎีกรุป แต่กรุปยังปรากฏในสาขาอื่น ๆ ทั้งในคณิตศาสตร์สาขาอื่น ๆ และศาสตร์อื่น ๆ นอกเหนือจากคณิตศาสตร์

การหมุนหน้าของลูกบาศก์ของรูบิกประกอบกันเป็นกรุป เรียกว่า กรุปลูกบาศก์ของรูบิก

กรุปเป็นเครื่องมือที่สำคัญในการศึกษาสมมาตรของวัตถุในรูปแบบต่าง ๆ หลักการที่ว่า "สมมาตรของวัตถุใด ๆ ก่อให้เกิดกรุป" เป็นหลักพื้นฐานของคณิตศาสตร์มากมาย ตัวอย่างโดยตรงคือกรุปสมมาตรของวัตถุ ซึ่งเป็นเครื่องมือหนึ่งในการอธิบายสมมาตรของวัตถุเชิงเรขาคณิต กรุปสมมาตรมีสมาชิกประกอบไปด้วยการแปลง (การหมุน การพลิกรูป การสะท้อน ฯลฯ) ที่คงรูปทรงของวัตถุนั้น ลีกรุปเป็นกรุปสมมาตรชนิดหนึ่งที่ปรากฏในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค กรุปปวงกาเรเป็นลีกรุปที่มีสมาชิกเป็นสมมาตรของกาลอวกาศในสัมพัทธภาพพิเศษ ในขณะที่กรุปจุดสามารถอธิบายสมมาตรของโมเลกุลเคมีได้

กรุปมีจุดกำเนิดเริ่มแรกจากการศึกษาสมการเชิงพหุนาม ในช่วงคริสต์ทศวรรษที่ 1830 เอวาริสต์ กาลัวเป็นคนแรกที่ใช้คำว่า กรุป (Groupe ในภาษาฝรั่งเศส) เรียกกรุปสมมาตรของรากของพหุนาม ซึ่งปัจจุบันเราเรียกกรุปเหล่านั้นว่า กรุปกาลัว ตั้งแต่นั้นมามีการศึกษากรุปจากสาขาอื่น ๆ ในคณิตศาสตร์ เช่น ทฤษฎีจำนวน และ เรขาคณิต ก่อนที่แนวความคิดเกี่ยวกับกรุปทั่ว ๆ ไปจะได้รับการนิยามในช่วงปีคริสต์ศักราชที่ 1870 ในช่วงเวลาเดียวกันกับที่คณิตศาสตร์พัฒนาไปในทิศทางที่เป็นนามธรรมขึ้นเรื่อย ๆ ทฤษฎีกรุปจึงเป็นสาขาสำคัญของพีชคณิตนามธรรม

ในปัจจุบัน ทฤษฎีกรุปสมัยใหม่ศึกษากรุปในตัวมันเอง ซึ่งนำไปสู่แนวคิดมากมาย เช่น สับกรุป กรุปผลหาร และ กรุปเชิงเดี่ยว นอกจากนี้นักคณิตศาสตร์ยังศึกษากรุปในมุมมองที่เป็นรูปธรรมมากขึ้น และสามารถระบุได้อย่างเจาะจง การศึกษานี้นำไปสู่ทฤษฎีตัวแทนและทฤษฎีกรุปเชิงการคำนวณ

นิยามพื้นฐาน

กรุป ${\displaystyle (G,\ast )}$  ประกอบด้วย เซตไม่ว่าง ${\displaystyle G}$  กับ การดำเนินการทวิภาค ${\displaystyle \ast \colon G\to G}$  ซึ่งสอดคล้องกับสัจพจน์ทุกข้อต่อไปนี้

• การเปลี่ยนหมู่: สำหรับทุก ${\displaystyle a,b}$  และ ${\displaystyle c}$  ใน ${\displaystyle G}$  จะได้ว่า ${\displaystyle (a\ast b)\ast c=a\ast (b\ast c)}$ 
• การมีสมาชิกเอกลักษณ์: มีสมาชิก ${\displaystyle e}$  ใน ${\displaystyle G}$  ที่ทำให้สำหรับทุก ${\displaystyle a}$  ใน ${\displaystyle G}$  จะได้ว่า ${\displaystyle e\ast a=a\ast e=a}$  เรียก ${\displaystyle e}$  ว่าเป็นสมาชิกเอกลักษณ์ (identity) ของ ${\displaystyle (G,\ast )}$ 
• สมาชิกผกผัน: สำหรับทุก ${\displaystyle a}$  ใน ${\displaystyle G}$ , จะมีสมาชิก ${\displaystyle b}$  ใน ${\displaystyle G}$  ที่ทำให้ ${\displaystyle a\ast b=b\ast a=e}$  เมื่อ ${\displaystyle e}$  คือสมาชิกเอกลักษณ์ และเรียก ${\displaystyle b}$  ดังกล่าวว่าเป็นสมาชิกผกผันของ ${\displaystyle a}$  สามารถพิสูจน์ได้ว่า สมาชิกผกผันในกรุปจะมีได้เพียงตัวเดียว และนิยมเขียนสมาชิกผกผันของ ${\displaystyle a}$  ด้วย ${\displaystyle a^{-1}}$ 

บางครั้งผู้เขียนอาจกำหนดสัจพจน์ที่กรุปต้องสอดคล้องเพิ่มเติม เพื่อเน้นย้ำความเป็นการดำเนินการทวิภาคของ ${\displaystyle \ast }$ 

• สมบัติปิด: สำหรับทุก ${\displaystyle a,b}$  ใน ${\displaystyle G}$  จะได้ว่า ${\displaystyle a\ast b\in G}$  ด้วย

เมื่อเป็นที่เข้าใจ อาจละการเขียนตัวดำเนินการ และเรียกกรุป ${\displaystyle (G,\ast )}$  แทนด้วย ${\displaystyle G}$  แทน

ความคิดพื้นฐานในทฤษฎีกรุป

อันดับของกรุปและสมาชิก

อันดับของกรุป G นิยมเขียนเขียนแทนด้วย |G| หรือ o(G) หมายถึงจำนวนสมาชิกในเซต G ถ้าอันดับเป็นจำนวนไม่จำกัด กรุปนั้นเป็นกรุปอนันต์ เขียนว่า |G| = ∞

อันดับของสมาชิก a ในกรุป G คือจำนวนเต็ม n ที่น้อยที่สุดที่ทำให้ aⁿ = e โดยที่ aⁿ คือ a คูณตัวมันเอง n ครั้ง (หรือองค์ประกอบที่เหมาะสมอื่นๆ ขึ้นอยู่กับตัวดำเนินการของกรุป) ถ้า n ไม่ปรากฏ จะเรียกได้ว่า a มีอันดับเป็นอนันต์

ควร G

อาบีเลียนกรุป

กรุป G เรียกได้ว่าเป็น อาบีเลียนกรุป (หรือกรุปสลับที่) ถ้าการดำเนินการเป็นแบบสลับที่ได้ คือสำหรับทุกๆ a,b ใน G , a * b = b * a

คำว่า อาบีเลียน (Abelian) ตั้งขึ้นเป็นเกียรติแด่นักคณิตศาสตร์ นีลส์ อะเบล (Niels Abel)

กรุปวัฏจักร

กรุปวัฏจักร คือกรุปซึ่งสมาชิกของมันอาจถูกก่อกำเนิดโดยการประกอบที่ต่อเนื่องกันของการดำเนินการซึ่งนิยามโดยกรุปจะถูกใช้กับสมาชิกเดี่ยวของ กรุปนั้น สมาชิกเดี่ยวนี้เรียกว่า ตัวก่อกำเนิดหรือสมาชิกปฐมฐานของกรุปนั้น

กรุปวัฏจักรการคูณซึ่ง G เป็นกรุป และ a เป็นตัวก่อกำเนิด

${\displaystyle G=\{a^{n}\mid n\in \mathbb {Z} \}}$ 

กรุปวัฏจักรการบวก ตัวก่อกำเนิดเป็น a

${\displaystyle G'=\{n*a\mid n\in \mathbb {Z} \}}$ 

ถ้าการประกอบที่ต่อเนื่องกันของการดำเนินการซึ่งนิยามโดยกรุปถูกใช้กับสมาชิกไม่ปฐมฐานของกรุป กรุปย่อยวัฏจักรจะถูกก่อกำเนิด อันดับของ กรุปย่อยวัฏจักรแบ่งอันดับของกรุปนั้น ดังนั้นถ้าอันดับของกรุปเป็นจำนวนเฉพาะ สมาชิกทุกตัวยกเว้นสมาชิกเอกลักษณ์จะเป็นสามชิกปฐมฐานของกรุป

ควรระลึกไว้ด้วยว่า กรุปประกอบด้วยกรุปย่อยวัฏจักรซึ่งถูกก่อกำเนิดโดยสมาชิกแต่ละตัวในกรุป อย่างไรก็ตามกรุปซึ่งประกอบขึ้นจากกรุปย่อยวัฏจักรนั้น ตัวมันเองไม่จำเป็นที่จะต้องเป็นกรุปวัฏจักรเสมอไป ตัวอย่างเช่น กรุปไคลน์ไม่เป็นกรุปวัฏจักรแม้ว่าจะประกอบขึ้นมาจากกรุปวัฏจักรที่มีอันดับเป็น 2 ที่เหมือนกันสองกรุปก็ตามที

สัญกรณ์สำหรับกรุป

กรุปสามารถใช้สัญกรณ์ต่างๆ กันขึ้นอยู่กับบริบทและการดำเนินการ

• กรุปการบวก ใช้ + เพื่อแสดงถึงการบวก และเครื่องหมายลบ - แสดงถึงสมาชิกผกผัน เช่น a + (-a) = 0 ใน Z
• กรุปการคูณ ใช้ *,. หรือสัญลักษณ์ทั่วไป ${\displaystyle \circ }$  เพื่อแสดงถึงการคูณ และตัวยก ^-1 เพื่อแสดงสมาชิกผกผัน เช่น a*a^-1 = 1 เป็นเรื่องธรรมดาที่จะไม่เขียน * และเขียนเป็น aa^-1 แทน
• กรุปแบบฟังก์ชัน ใช้ • เพื่อแสดงการประกอบฟังก์ชัน และตัวยก ^-1 เพื่อแสดงสมาชิกผกผัน เช่น g • g^-1 = e เป็นเรื่องทั่วไปที่จะไม่เขียน • และเขียนเป็นgg^-1 แทน

การละเลยตัวดำเนินการเป็นเรื่องทั่วไปที่ยอมรับได้ และทิ้งให้ผู้อ่านรู้บริบทและการดำเนินการเอาเอง

เมื่อจะนิยามกรุป มีสัญกรณ์มาตรฐานที่ใช้วงเล็บในการนิยามกรุปและการดำเนินการของมัน ตัวอย่างเช่น (H, +) แสดงว่าเซต H เป็น กรุปภายใต้การบวก

สมาชิกเอกลักษณ์ e หรือบางครั้งก็เรียกว่า สมาขิกกลาง และบางครั้งก็ถูกแสดงโดยใช้สัญลักษณ์อืนๆ ขึ้นอยู่กับกรุปนั้นๆ :

• ในกรุปการคูณ สมาชิกเอกลักษณ์คือ 1
• ในกรุปเมทริกซ์หาตัวผกผันได้ สมาชิกเอกลักษณ์มักแทนด้วย I
• ในกรุปการบวก สมาชิกเอกลักษณ์อาจเขียนเป็น 0
• ในกรุปแบบฟังก์ชัน สมาชิกเอกลักษณ์มักใช้เป็น f₀

ตัวอย่างของกรุป

อาบีเลียนกรุป : จำนวนเต็มภายใต้การบวก

กรุปที่คุ้นเคยกันก็คือกรุปของจำนวนเต็มภายใต้การบวก ให้ Z เป็นเซตของจำนวนเต็ม {..., −4, −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, 4, ...} และให้สัญลักษณ์ + แสดงการดำเนินการบวก แล้ว (Z,+) เป็นกรุป

พิสูจน์ :

• สมบัติการปิด ถ้า a และ b เป็นจำนวนเต็ม แล้ว a+b ก็เป็นจำนวนเต็ม
• สมบัติการเปลี่ยนหมู่ ถ้า a b และ c เป็นจำนวนเต็มแล้ว (a + b) + c = a + (b + c)
• สมาชิกเอกลักษณ์ 0 เป็นจำนวนเต็ม สำหรับจำนวนเต็ม a ใดๆ 0 + a = a + 0 = a
• สมาชิกผกผัน ถ้า a เป็นจำนวนเต็มแล้ว -a สอดคล้องกับกฎการผกผัน a + (−a) = (−a) + a = 0

กรุปนี้เป็นอาบีเลียนกรุปด้วยเพราะ a + b = b + a

อ้างอิง

1. Mackey, George W. (1973). "Group Theory and Its Significance for Mathematics and Physics". Proceedings of the American Philosophical Society. 117 (5): 374–380. ISSN 0003-049X.