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代數究竟是什麼?

一旦你把群、環、格都看成帶有固定元數運算的集合,它們就不再像彼此獨立的世界。來認識簽名、項與恆等式——你學過的每一種結構的語法。

一個定義統攬一切

在第一卷裡,你一次研究一種結構,證明關於的定理。泛代數注意到這些證明常常共享一副骨架,而這副骨架本身可以直接研究。一個代數是一個非空集合 A 連同一族運算,每個運算有固定的元數 n(一個函數 A^n → A)。零元運算(元數為 0)不過是選定的一個常元。運算符號連同其元數的列表稱為簽名(或類型)。

用這種語言來說,群是簽名為 (·, ⁻¹, e)、元數為 (2, 1, 0) 的代數:一個二元乘法、一個一元求逆、一個零元單位。的簽名是 (∨, ∧),兩者皆為二元。的簽名是 (+, ·, −, 0),元數為 (2, 2, 1, 0)。重點不在於新奇——而在於一旦你固定了簽名,子結構、同態與商的概念就被強制確定下來,對於該類型的每一種結構都完全相同。

項與恆等式

給定一個簽名與一組變量 X,是任何由變量與運算符號按元數規則構造出的合式表達式。項是語法;它們組成我們將稱為項代數的自由對象。恆等式是兩個項之間的形式等式 s ≈ t,而一個代數滿足它,是指對變量的每一種取值該等式都成立。結合律 x·(y·z) ≈ (x·y)·z 是一條恆等式;格的吸收律 x ∨ (x ∧ y) ≈ x 也是。

為什麼堅持公理必須是恆等式,而不是任意的一階語句?因為恆等式被我們關心的所有構造保持——子代數、積、同態像。構成的類*不是*等式類(x ≠ 0 → x·x⁻¹ = 1 用到了蘊含與不等式),這恰恰說明了為何體的子環未必是體,以及為何體的積不是體。由等式公理化的類性質要好得多,刻畫它們正是伯克霍夫定理(第 4 篇)。

Signature of a group: F = { · (arity 2), inv (arity 1), e (arity 0) }

Three terms in variables x, y, z:
  t1 = ·(x, ·(y, z))          -- usually written x(yz)
  t2 = ·(·(x, y), z)          -- usually written (xy)z
  t3 = ·(x, inv(x))           -- usually written x x^{-1}

Group axioms as identities (s approx t):
  associativity:  ·(x, ·(y,z))  approx  ·(·(x,y), z)
  right identity: ·(x, e)        approx  x
  right inverse:  ·(x, inv(x))   approx  e

Check in A = Z/6Z under addition (so '·' is +, 'inv' is negation, e = 0):
  assign x = 5. Then ·(x, inv(x)) = 5 + (-5) = 5 + 1 = 6 = 0 = e.   OK
  The identity x x^{-1} approx e holds for ALL x in Z/6Z, hence Z/6Z
  satisfies it. A single failing assignment would refute the identity.
項是純語法;恆等式只有在每一種取值下都成立時才被滿足。

從第一卷延續下來的內容

  1. 子代數是對所有運算(含常元,故永不為空)封閉的子集。對群而言這還原為子群;對環而言,當 1 是零元運算時,即為含 1 的子環。
  2. 同態 f: A → B 是保持每個運算的映射:對每個運算符號 ω 有 f(ω(a₁,…,aₙ)) = ω(f(a₁),…,f(aₙ))。這一行就涵蓋了群、環、格的同態
  3. 同態的像是 B 的子代數,同態的複合仍是同態——這兩點抽象地證明一次,永不重證。