grupo (matemática)

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Grupo (matemática) Las posibles manipulaciones del  Cubo de Rubik  forman un gru-  po. En  álgebra abstracta, un  grupo es una  estructura alge- braica que consta de un  conjunto con una operación que combina cualquier pareja de sus elementos para formar un tercer elemento. Para que se pueda calicar como un grupo, el conjunto y la operación deben satisfacer algu- nas condiciones llamadas  axiomas de grupo, estas condi- ciones son: tener la  propiedad asociativa, tener elemento identidad  y  elemento simétrico. Mientras que estas ca- racterísticas son familiares a muchas estructuras mate- máticas, como los diferentes sistemas de  números  (por ejemplo los enteros provistos de la operació n de  adición forman una estructura de grupo), la formulación de los axiomas o postulados se separa de la naturaleza concreta del grupo y su funcionamiento. Esto favorece, en  álgebra abstracta  y en otras diversas disciplinas, trabajar con ob- jetos de génesis matemáticas muy diferentes de una ma- nera exible y dinámica, mientras se conserv an aspectos de sistema fundamentales de muchos objetos. La apari- ción de los gru pos en numerosa s áre as (ta nto de ntr o co mo fuera de las matemáticas) los convierte en un principio central en torno al cual se perlan y se establecen las ma- temáticas contemporáneas. [1][2] Los grupos comparten un parentesco fun damental con la noción de simetría. Un grupo de simetría codica las ca- racterísticas de simetría de un  objeto geométrico: consis- te en el conjunto de transformaciones que dejan inalte- rado el objeto, y la operación de combinar dos de estas transformaciones realizando una tras otra. Tales grupos de simetría, especi almente los  grupos de Lie continuos, tienen un papel importante en muchas disciplinas como la top ol ogí a. Los gru pos de matrices, por e je mpl o, se pue - den utilizar para entender las leyes físicas fundamentales en que se basan la relatividad y los fenómenos de simetría en la química molecular. El concepto de un grupo surgió del estudio de  ecuaciones algebraicas en una incógnita, comenzando con  Évariste Galois durante los años 1830. Después de contribuciones desde otros campos como la teoría de números y la geo- metría, la noción de grupo se generalizó y se estableció rm emen te alr ed edo r de 1870. La mod ern a teo ría de gru - pos  (una disciplina matemática muy activa) estudia los grupos en sí. [nota 1] Con el n de explorar los grupos, los matemáti cos han id ead o diversas noc io ne s co n tal de divi- dir gru pos en su bs is temas más peq ueñ os, más co mpr en si- bles, como subgrupos, grupos cociente y grupos simple s. Además de sus propiedades abstractas, los teóricos de los grupos también estudian las maneras en que un grupo se puede expresar en forma concreta (sus  representaciones de grupo), tanto desde un punto de vista teórico como de un punto de vista computacional. Una teoría especial- mente rica fue desarrollada para grupos nitos y culminó con la clasicación de los grupos simples nitos  comple- tada en 1983. [nota 2] Asimismo, desde mediados de 1980, la teorí a de grupo s geométri cos , qu e es tudi a lo s gr up os de generación nita como  objetos geométricos, se ha con- vertido en un área particularmente activa en la amplia teoría de grupos. 1 Denición e il ust rac n 1.1 Primer e jemp lo: núme ros enter os Uno de los grupos más familiares es el conjunto de los números enteros «Z» que consiste en los números: ..., 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3, ... [3] Laspropi eda de s de la adi ci ón de en teros si rve n com o mo- delo para los axiomas de grupo abstractos que se dan en la denición más abajo. 1. Para cual quie r par de enter os  a y b, la suma a + b es también un entero. En otras palabras, el proceso de ad ic ión de do s en te ros a la ve z nu nc a pu ed e pr od uc ir un resultado que no sea un entero. Esta propiedad se conoce como clausura respecto la adición. 1

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Grupo (matemática)

Las posibles manipulaciones del  Cubo de Rubik  forman un gru- po.

En álgebra abstracta, un  grupo es una estructura alge-braica que consta de un conjunto con una operación quecombina cualquier pareja de sus elementos para formarun tercer elemento. Para que se pueda calificar como ungrupo, el conjunto y la operación deben satisfacer algu-nas condiciones llamadas axiomas de grupo, estas condi-ciones son: tener la propiedad asociativa, tener elementoidentidad y  elemento simétrico. Mientras que estas ca-racterísticas son familiares a muchas estructuras mate-máticas, como los diferentes sistemas de números (porejemplo los enteros provistos de la operación de adiciónforman una estructura de grupo), la formulación de losaxiomas o postulados se separa de la naturaleza concreta

del grupo y su funcionamiento. Esto favorece, en álgebraabstracta y en otras diversas disciplinas, trabajar con ob-jetos de génesis matemáticas muy diferentes de una ma-nera flexible y dinámica, mientras se conservan aspectosde sistema fundamentales de muchos objetos. La apari-ción de losgruposen numerosas áreas (tanto dentro comofuera de las matemáticas) los convierte en un principiocentral en torno al cual se perfilan y se establecen las ma-temáticas contemporáneas.[1][2]

Los grupos comparten un parentesco fundamental con lanoción de simetría. Un grupo de simetría codifica las ca-racterísticas de simetría de un objeto geométrico: consis-

te en el conjunto de transformaciones que dejan inalte-rado el objeto, y la operación de combinar dos de estastransformaciones realizando una tras otra. Tales grupos

de simetría, especialmente los grupos de Lie continuos,tienen un papel importante en muchas disciplinas comola topología. Los grupos de matrices, porejemplo, se pue-den utilizar para entender las leyes físicas fundamentalesen que se basan la relatividad y los fenómenos de simetríaen la química molecular.

El concepto de un grupo surgió del estudio de ecuacionesalgebraicas en una incógnita, comenzando con ÉvaristeGalois durante los años 1830. Después de contribucionesdesde otros campos como la teoría de números y la geo-

metría, la noción de grupo se generalizó y se estableciófirmemente alrededor de 1870. La moderna teoríade gru-pos (una disciplina matemática muy activa) estudia losgrupos en sí.[nota 1] Con el fin de explorar los grupos, losmatemáticoshan ideado diversas nociones con tal de divi-dir grupos en subsistemas más pequeños, más comprensi-bles, como subgrupos, grupos cociente y grupos simples.Además de sus propiedades abstractas, los teóricos de losgrupos también estudian las maneras en que un grupo sepuede expresar en forma concreta (sus representacionesde grupo), tanto desde un punto de vista teórico comode un punto de vista computacional. Una teoría especial-

mente rica fue desarrollada para grupos finitos y culminócon la clasificación de los grupos simples finitos comple-tada en 1983.[nota 2] Asimismo, desde mediados de 1980,la teoría de grupos geométricos, que estudia los grupos degeneración finita como objetos geométricos, se ha con-vertido en un área particularmente activa en la ampliateoría de grupos.

1 Definición e ilustración

1.1 Primer ejemplo: números enteros

Uno de los grupos más familiares es el conjunto de losnúmeros enteros «Z» que consiste en los números:

..., −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, ...[3]

Las propiedades de la adición de enteros sirven como mo-delo para los axiomas de grupo abstractos que se dan enla definición más abajo.

1. Para cualquier par de enteros a y b, la suma a + b estambién un entero. En otras palabras, el proceso de

adición de dos enteros a la vez nunca puede producirun resultado que no sea un entero. Esta propiedad seconoce como clausura respecto la adición.

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2   2 NOTACIÓN 

2. Para todos los enteros a, b  y  c , (a + b) + c = a +(b + c). Expresado en palabras, sumando primeroa y  b, y entonces sumando el resultado con c da elmismo resultado final que sumando  a  junto con elresultado de sumar b y c , esta propiedad se conocecomo propiedad asociativa.

3. Si es un entero cualquiera, entonces 0 + a = a + 0= a. Del cero se deduce el elemento identidad de laadición puesto que al sumarse a cualquier entero dael mismo entero.

4. Para cada entero a, hay un entero b tal que a + b = b+ a = 0. El entero b se denomina elemento simétricodel entero a y se expresa como -a.

Los enteros, junto con la operación «+», forman un obje-to matemático que pertenece a una clase vasta en la que

hay otros objetos que comparten aspectos estructuralessimilares. Para entender apropiadamente estas estructu-ras sin tratar con cada caso concreto por separado, sedesarrolla la definición abstracta siguiente que incluye elejemplo citado junto con muchos otros, uno de los cualeses el grupo de simetría detallado más abajo.

1.2 Definición

Un grupo es un par ordenado compuesto por un conjunto,G  y operación binaria cerrada en ''G'' «•» que componedos elementos cualesquiera a y b de G  para formar otroelemento notado como a • b o ab. Para poder calificar co-mo un grupo a (G, •), deben satisfacer cuatro axiomas:[4]

Cerradura o Clausura

Para todo a, b  de G , el resultado de la operacióna • b también pertenece a G .

∀a, b ∈  G   :   a · b ∈  G

Asociatividad

Para todos a, b y c  de G , se cumple la ecuación(a • b) • c = a • (b • c) .

Elemento neutro

Existe un elemento e de G , tal que para todoslos elementos  a de  G , se cumpla la ecuacióne • a = a • e = a . El elemento de identidadde un grupo G  se escribe a menudo como 1 o1G,[5] una notación heredada de la identidadmultiplicativa.

∃e ∀a ∈  G  :

  a · e  =

 e · a =

 a

Elemento inverso

Para todo a de G , existe un elemento b de G  talque a • b = b • a = e .

∀a ∈  G  ∃a−1 :   a · a−1 = a−1 · a   = e

El orden enelque sehace la operación degrupo puede ser

significativo. En otras palabras, el resultado de operar elelemento a con el elemento b no debe dar necesariamenteel mismo que operando b con a; la ecuación

a • b = b • a

puede no ser siempre cierta. Esta ecuación siempre secumple en el grupo de enteros con la adición: a + b = b +a para dos enteros cualesquiera (propiedad conmutativade la adición). Sin embargo, este grupo de simetría nosiempre se cumple como se especificará más abajo. Losgrupos para los cuales la ecuación a • b = b • a se cumple

siempre se denominan abelianos (en honor a Niels Abel).Así, el grupo de los enteros con la adición es abeliano,pero el grupo de simetría siguiente no lo es.

1.3 Segundo ejemplo: un grupo de sime-

tría

Las simetrías (esdecir, las rotaciones y las reflexiones) deun cuadrado forman un grupo llamado diédrico, y se ex-presa como D4. Un cuadrado tiene ocho simetrías. Estasson:

•  La operación identidad que lo deja todo como esta-ba, se expresa como id .

•  Rotaciones del cuadrado de 90°, 180 ° y 270 ° a laderecha, expresadascon r 1 , r 2 y r 3, respectivamente.

•  Reflexiones respecto a los ejes vertical y horizontal(fᵥ y f), o respecto de las dos diagonales (f y f).

2 Notación

Es frecuente utilizar a la hora de definir grupos dos nota-ciones:

•  La notación multiplicativa.

•  Operación: *, llamada producto. También es-crita como " · "

•  Elemento neutro: 1.

•  Elemento inverso: x−1 .

•  Como en la multiplicación normal, el signo  ·puede en muchas ocasiones no ser escrito, es

decir a · b =

 ab .

•  La notación aditiva.

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•  Operación: +, llamada suma.

•  Elemento neutro: 0.

•  Elemento opuesto de un elemento x del grupo:-x.

Históricamente la terminología multiplicativa precedió ala aditiva. La operación de grupo no es necesariamenteuna adición o una multiplicación en el sentido que nosresulta familiar en la aritmética elemental. Por ejemplo,una operación de grupo puede ser una sustitución o unarotación. Cualquier conjunto de elementos y una opera-ción que a dos elementos asocie una tercera en el con-junto, puede ser un grupo si cumple con las condicio-nes o propiedades de grupo pedidas. Sus elementos noson siempre números en el sentido ordinario de la arit-mética elemental. Asimismo en algunos casos puede sermás cómodo utilizar alguna de las dos notaciones y en

otros resulta indiferente. Es posible que se utilicen indis-tintamente, siempre y cuando esto no mueva a confusión.Cuando se trata de las operaciones familiares de suma ymultiplicación, es impropio usar una notación opuesta ala operación.

3 Tipos de grupos

•   Grupo abeliano   (o conmutativo). Se denominagrupo conmutativo o abeliano a aquel grupo que ve-rifica la Propiedad conmutativa, es decir  a   ·  b   =

b · a ∀a, b ∈  G

•   Grupo abeliano con torsión  Definición detorsión: Diremos que un elemento a  ∈  A po-see torsión o, que es de torsión, si para algúnn  ∈  N, an = 1 . Si a es de torsión, entoncesel menor número natural n con la propiedadan = 1 , coincide con el orden de a. Defini-ción de grupo abeliano con torsión: Un grupoabeliano A se dice con torsión si es igual a 0o si posee elementos no nulos de torsión.

•   Grupo abeliano de torsión. Un grupo abe-

liano A se dice de torsión si todo elemento deA es de torsión.

•  Grupo finito. Es un grupo con un número finito deelementos.

•   Grupo de Lie. Es un grupo que además tiene es-tructura de variedad diferenciable.

•   Grupo cíclico. Es un grupo conmutativo, finito oinfinito, que puede ser generado por multiplicaciónreiterada de un sólo elemento.

•  Grupo libre.

•  Grupos de Klein.

4 Ejemplos

•  La suma define estructura de grupo conmutativo enel conjunto de los números enteros (  Z  ), en el delos números racionales ( Q ), en los números reales( R ) y en los números complejos (C ). Los vectoreslibres del espacio, con la suma de vectores, formanun grupo conmutativo. La suma de matrices defineuna estructura de grupo conmutativo en las matri-ces con coeficientes reales (digamos) con un núme-ro de columnasy filas prefijado. Las funciones realesde variable real, con la suma de funciones, tambiénforman un grupo conmutativo, al igual que las suce-siones de números reales con la suma de sucesiones.

•  El producto define estructura de grupo conmutati-vo en los números racionales no nulos, los númerosreales positivos, los números complejos de módulo

1, etc.

•  Las matrices cuadradas de n columnas con coefi-cientes reales y determinante distinto de cero for-man un grupo con el producto de matrices, grupoque no es conmutativo cuando n>1.

Otros ejemplos de grupos no conmutativos se obtienenal considerar grupos de transformaciones, donde la ope-ración es la composición de aplicaciones y el elementoneutro es la identidad:

•  El grupo de los movimientos del espacio o grupo deisometría del espacio euclídeo, el grupo delas seme-janzas del plano o el grupo de las afinidades de unarecta (las aplicaciones de la forma x-->ax+b con adistinto de cero).

•  El grupo de Galileo, formado por las transformacio-nes del espacio y el tiempo que conservan los siste-mas de referencia inerciales).

•  El grupo de Lorentz de la teoría de la relatividad,etc.

•  El grupo de Poincaré de la teoría de campos cuánti-cos y clásicos, etc.

Todos estos últimos ejemplos lo son del concepto deGrupo de Lie, que son los grupos definidos por opera-ciones continuas sobre curvas superficies o variedades dedimensión mayor.

La importancia crucial de la teoría de grupos tan-to en   Física   como en   Matemática   radica en que losisomorfismos de cualquier estructura, de cualquier teo-ría, forman siempre un grupo y que, en los casos más im-portantes, los grupos están clasificados: se conocen listas

que agotan todos los que hay. La clasificación de los gru-pos de Lie, llevada a cabo esencialmente por Élie Cartan,es un punto culminante de la matemática europea, sólo

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4   9 FUENTES 

comparable a la construcción de los 5 poliedros regularesrealizada por la matemática griega. Al igual que ésta úl-tima es la determinación de todas las figuras geométricassimétricas posibles, la clasificación de grupos es la de-terminación de todas las posibles simetrías de cualquierestructura. Así, podemos conocer a priori  los grupos de

automorfismos de cualquier teoría geométrica. Además,de acuerdo con el Programa de Erlangen de Felix Klein,este grupo de automorfismos reconstruye la correspon-diente teoría geométrica.

Algo parecido sucede en Física, donde se ha descubier-to que el grupo de simetrías del lagrangiano de un siste-ma determina propiedades fundamentales asociadas a laspartículas elementales de dicho sistema. De hecho, aun-que aún no conozcamos las teorías físicas por venir, laclasificación de grupos de Lie ya nos proporciona la listade los posibles grupos de simetrías infinitesimales.

5 Curiosidades

Un grupo puede tener infinitos elementos, (como Z  conla suma, o los números reales no nulos con el producto) opor el contrario tener un número finito de éstos.

Dado un número natural n, los restos que se obtienen aldividir por n (es decir, los números 0, 1, ..., n - 1) formanun grupo, donde la suma a + b es precisamente el resto aldividir la suma ordinaria por n. Este grupo se denota conZ/nZ y se suele llamar grupo de enteros módulo n. Así, el

grupo Z/12Z es el que usamos para calcular con las horasde un reloj, y  Z/24Z si queremos distinguir las horas dela mañana de la tarde.

Además, en Z/nZ el conjunto de los números primos re-lativos con n (denotado (Z/nZ)*) forma un grupo cuandola operación  ab es el resto al dividir por  n el productousual. Sin embargo, se puede definir un grupo para otrosnúmeros aunque no sean primos. Por ejemplo, el grupo(Z/12Z)* el cual sólo tiene 4 elementos. ¿Por qué sólo4 elementos? Porque puesto que para ser un grupo, cadaelemento ha de tener un inverso. Si tomamos algún nú-mero que tenga algún factor común con 12, por ejemplo

el 10, éste no puede ser multiplicado por otro número deforma que el resto de la división entre 12 sea 1. Es decir,10 no tendría inverso. Así, sólo son elementos del grupo(Z/12Z) aquellos números coprimos con 12. Si n hubiesesido primo, todos los menores que él serían coprimos conél, excepto el cero, luego su grupo tendría n - 1 elementos.

Se dice que un grupo es  cíclico si verifica estar generadopor un solo elemento; es decir, supongamos que un con-junto A es grupo con respecto a una operación *. Si existeun elemento g en A tal que cualquier otro elemento de Ase obtiene operando g o su inverso g−1 reiteradamente:

A   = {...,g−r,...,g−1, g0 = 1, g1 = g, g2,...,gr,...}   = {gr|r ∈ Z},

entonces se dice que (A,*) es un grupo cíclico y que g es

un generador de A, lo cual se denota por A=< g>.

La clasificación de grupos cíclicos afirma que los finitosson isomorfos a Z/nZ, y los infinitos con Z.

6 Historia

La definición de grupo (G, *) usando: la asociatividad,la existencia de elemento neutro , de elemento inverso yla noción de operación binaria, fue formulada por F.G.Frobenius, por primera oportunidad en 1887, advirtien-do que los teoremas que los demostraba dependían úni-camente de los axiomas propuestos y sin que tener queacudir al aparato de los gruposde permutaciones, que em-pleaban sus antecesores Cauchy, Jordan y Sylow.[6]

7 Véase también

•  grupo cíclico.

•  grupo lineal.

•   grupo de Lie, grupo uniparamétrico.

8 Notas

[1] En Mathematical Reviews se publican 3 224 artículos deinvestigación sobre teoría de grupos y sus generalizacio-nes, escritos durante el año 2005.

[2] La clasificación fue anunciada en 1983, pero las diferen-cias se encontraron en la prueba. Véase el teorema de cla-sificación de grupos simples para más información.

9 Fuentes

9.1 Referencias

[1] (Herstein, 1975, p. §2, p. 26)

[2] (Hall, 1967, p. §1.1, p. 1)

[3] (Lang, 2005, p. Apéndice 2, p. 360)

[4] (Herstein, 1975, p. §2, p. 27)

[5] Weisstein, Eric W. "Identity Element"; extraído de Math-World.

[6]  Introducción a la Teoría de Grupos ( 2009) Zaldívar, Fe-lipe ISBN 978-968-36-3591-4 y otros; pág. 17

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9.2 Bibliografía   5

9.2 Bibliografía

9.2.1 Referencias generales

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undergraduate-level exposition of the notions cove-red in this article.

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9.2.3 Referencias históricas

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9.2 Bibliografía   7

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8   10 ORIGEN DEL TEXTO Y LAS IMÁGENES, COLABORADORES Y LICENCIAS 

10 Origen del texto y las imágenes, colaboradores y licencias

10.1 Texto

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10.2 Imágenes

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10.3 Licencia del contenido

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