Algebraische Struktur

Dieser Artikel behandelt den in der universellen Algebra in seiner einfachsten Form definierten Begriff. Für allgemeinere Definitionen algebraischer Strukturen siehe universelle Algebra und für den informellen Gebrauch mathematische Struktur.

Der Begriff der algebraischen Struktur (oder universellen Algebra, allgemeinen Algebra oder nur Algebra) ist ein Grundbegriff und zentraler Untersuchungsgegenstand des mathematischen Teilgebietes der universellen Algebra. Eine algebraische Struktur ist gewöhnlich eine Menge, versehen mit Verknüpfungen auf dieser Menge. Eine Vielzahl der in der abstrakten Algebra untersuchten Strukturen wie Gruppen, Ringe oder Körper sind spezielle algebraische Strukturen.

Teilweise werden auch weitere Arten der Verknüpfungen zugelassen, sodass partielle Algebren, heterogene Algebren oder unendlichstellige Algebren untersucht werden.

Definition

Eine algebraische Struktur oder allgemeine Algebra ist ein geordnetes Paar

${\displaystyle \left(A,\left(f_{i}\right)_{i\in I}\right),}$

bestehend aus einer Menge ${\displaystyle A,}$ der Grundmenge oder Trägermenge der Algebra, und einer Familie ${\displaystyle \left(f_{i}\right)_{i\in I}}$ von inneren (endlichstelligen) Verknüpfungen, auch Grundoperationen oder fundamentale Operationen genannt, auf ${\displaystyle A.}$

Eine innere ${\displaystyle n}$-stellige Verknüpfung auf ${\displaystyle A}$ ist eine Funktion ${\displaystyle f\colon A^{n}\to A,}$ die ${\displaystyle n}$ Elemente ${\displaystyle a_{1},\dotsc ,a_{n}}$ aus ${\displaystyle A}$ immer auf ein Element ${\displaystyle f(a_{1},\dotsc ,a_{n})}$ aus ${\displaystyle A}$ abbildet. Eine nullstellige Verknüpfung auf ${\displaystyle A}$ kann als ein eindeutig bestimmtes, ausgezeichnetes Element in ${\displaystyle A,}$ eine Konstante, interpretiert werden.

Notationen

Konstanten werden meist mit einem speziellen Symbol (z. B. einem Buchstaben oder einem Zahlzeichen wie ${\displaystyle e,0,1}$) bezeichnet. Eine innere einstellige Verknüpfung ist eine Funktion von ${\displaystyle A}$ nach ${\displaystyle A,}$ die oft durch ein Symbol bezeichnet wird, das unmittelbar (d. h. ohne zusätzliche Klammern oder Trennzeichen) vor, hinter, über etc. das Element (Argument) geschrieben wird.

Beispiele: ${\displaystyle -a,\,a!,\,{\overline {a}},\,a^{-1}}$

Beim Bild einer zweistelligen Verknüpfung wird in der Regel das Verknüpfungssymbol zur Vereinfachung zwischen die beiden Argumente geschrieben.

Beispiele: ${\displaystyle a+b,a\cdot b,f\circ g}$ an Stelle von ${\displaystyle +(a,b),\cdot (a,b),\circ (f,g)}$

Meistens hat eine Algebra nur endlich viele fundamentale Operationen ${\displaystyle f_{1},\dotsc ,f_{m},}$ man schreibt dann für die Algebra einfach nur ${\displaystyle (A,f_{1},\dotsc ,f_{m}).}$

Der (Ähnlichkeits-) Typ (auch Signatur) einer Algebra ${\displaystyle \left(A,\left(f_{i}\right)_{i\in I}\right)}$ ordnet jedem Index ${\displaystyle i\in I}$ die jeweilige Stelligkeit ${\displaystyle n_{i}}$ der fundamentalen Operation ${\displaystyle f_{i}}$ zu, d. h., er ist eine Funktion ${\displaystyle \sigma \colon I\to \mathbb {N} _{0},\,i\mapsto \sigma (i):=n_{i}}$ für ${\displaystyle f_{i}\colon A^{n_{i}}\to A.}$ Der Typ kann ebenso als Familie geschrieben werden: ${\displaystyle \sigma =\left(n_{i}\right)_{i\in I}.}$^[1]

So wird zum Beispiel eine Gruppe meist als Struktur ${\displaystyle (G,\cdot ,1,{}^{-1})}$ aufgefasst, wobei ${\displaystyle G}$ die Trägermenge ist, ${\displaystyle \cdot }$ eine zweistellige Verknüpfung von ${\displaystyle G\times G}$ nach ${\displaystyle G,1}$ eine Konstante in ${\displaystyle G}$ und ^{${\displaystyle {}^{-1}}$} eine einstellige Verknüpfung von ${\displaystyle G}$ nach ${\displaystyle G.}$ Eine Gruppe ist damit eine Algebra vom Typ ${\displaystyle (2,0,1).}$

Bemerkungen

Jede Menge ${\displaystyle A}$ lässt sich zu einer trivialen Algebra ${\displaystyle (A,\operatorname {id} )}$ machen mit der identischen Abbildung ${\displaystyle \operatorname {id} \colon A\to A,a\mapsto a.}$ Alternativ kann man auch eine leere Indexmenge ${\displaystyle I}$ zulassen,^[2] sodass ${\displaystyle A}$ als eine triviale Algebra ${\displaystyle (A,())}$ mit einer leeren Familie ${\displaystyle ()=\emptyset }$ von Verknüpfungen aufgefasst werden kann.

Arten algebraischer Strukturen

Die jeweiligen Verknüpfungen von Algebren des gleichen Typs besitzen oft noch gemeinsame Eigenschaften, sodass man Algebren nach ihrem Typ und nach den Eigenschaften ihrer Verknüpfungen in verschiedene Klassen einteilen kann. Die Eigenschaften der konkret gegebenen Verknüpfungen einer Algebra spezifiziert man näher durch Axiome, die in der abstrakten Algebra (einem Teilgebiet der Mathematik) meist in Form von Gleichungen geschrieben werden und die Art der Algebra festlegen.

Ein Beispiel ist das Assoziativgesetz für eine innere zweistellige Verknüpfung ${\displaystyle *}$ auf einer Menge ${\displaystyle A\colon }$

${\displaystyle a*(b*c)=(a*b)*c}$ für alle Elemente ${\displaystyle a,b,c}$ aus ${\displaystyle A.}$

Erfüllt nun die zweistellige Operation ${\displaystyle \star }$ einer Algebra ${\displaystyle (S,\star )}$ dieses Axiom (ersetze ${\displaystyle *}$ durch ${\displaystyle \star }$ und ${\displaystyle A}$ durch ${\displaystyle S}$), dann gehört die Algebra ${\displaystyle (S,\star )}$ zur Klasse der Halbgruppen, das heißt, sie ist eine Halbgruppe.

Beispiele

Die meisten Strukturen, die in der Algebra betrachtet werden, sind algebraische Strukturen. Durch diese Fülle an Beispielen kann auch vom „Zoo“ der algebraischen Strukturen gesprochen werden.

Beispiel: Gruppen

Als Beispiel für die Definition einer algebraischen Struktur betrachten wir eine Gruppe. Üblicherweise ist eine Gruppe definiert als ein Paar ${\displaystyle (G,*),}$ bestehend aus einer Menge ${\displaystyle G}$ und einer zweistelligen Verknüpfung ${\displaystyle *,}$ sodass für alle ${\displaystyle x,y,z}$ in ${\displaystyle G}$ die folgenden drei Axiome erfüllt sind:

• ${\displaystyle x*(y*z)=(x*y)*z}$ (Assoziativität).
• Es gibt ein ${\displaystyle e}$ in ${\displaystyle G}$, sodass ${\displaystyle e*x=x=x*e}$ (Existenz eines neutralen Elementes).
• Zu jedem ${\displaystyle x}$ gibt es ein ${\displaystyle i}$ in ${\displaystyle G}$, sodass ${\displaystyle x*i=e=i*x}$ (Existenz inverser Elemente).

Manchmal findet man noch die Forderung der „Abgeschlossenheit“, dass ${\displaystyle x*y}$ wieder in ${\displaystyle G}$ liegen soll, aber aus der Sicht eines Algebraikers beinhaltet der Begriff der „zweistelligen Verknüpfung“ diese Eigenschaft bereits.

Diese Definition hat aber die Eigenschaft, dass die Axiome nicht allein durch Gleichungen ausgedrückt werden, sondern auch den Existenzquantor in Form der Existenz eines neutralen Elementes und der Existenz inverser Elemente enthalten. Dadurch haben Gruppen in dieser Schreibweise Unterstrukturen, die keine Gruppen sind und bilden keine Varietät. In der allgemeinen Algebra versucht man deshalb, solche Axiome mittels Quantorenelimination zu vermeiden. Durch Ändern der Signatur lässt sich eine Gruppe auch ohne Existenzquantoren definieren: Wir definieren eine Gruppe als ein Quadrupel ${\displaystyle (G,*,e,{}^{-1})}$ mit einer Menge ${\displaystyle G,}$ einer zweistelligen Verknüpfung ${\displaystyle *,}$ einer Konstanten ${\displaystyle e}$ und einer einstelligen Verknüpfung ${\displaystyle {}^{-1}}$, die den folgenden Axiomen genügen:

• ${\displaystyle x*(y*z)=(x*y)*z}$
• ${\displaystyle e*x=x=x*e}$
• ${\displaystyle x*x^{-1}=e=x^{-1}*x}$

Es ist nun wichtig zu prüfen, ob damit auch die Definition einer Gruppe erreicht wurde. Tatsächlich sind die beiden Definitionen einer Gruppe gleichwertig.

Beispiel: Ringe und Körper

Algebraische Axiome der Gruppe	Ring	kommutativer Ring	Schiefkörper (Divisionsring)	Körper
Kommutativgesetz bzgl. der Addition (additiv-kommutative Gruppe)	Ja	Ja	Ja	Ja
Distributivgesetz	Ja	Ja	Ja	Ja
Kommutativgesetz bzgl. der Multiplikation (multiplikativ-kommutative Gruppe)	Nein	Ja	Nein	Ja
Multiplikativ Inverses existiert für jedes Element außer 0.	Nein	Nein	Ja	Ja

Jede der Strukturen (nicht-kommutative) Ringe, kommutative Ringe, Schiefkörper (auch: Divisionsring, Körper) und Körper lässt sich als algebraische Struktur ${\displaystyle (R,+,-,\cdot ,0,1)}$ beschreiben. Dabei sind ${\displaystyle +}$ und ${\displaystyle \cdot }$ zweistellige Funktionen, ${\displaystyle -}$ ist eine einstellige Funktion, ${\displaystyle 0}$ und ${\displaystyle 1}$ sind Konstanten. Diese vier Klassen von Strukturen unterscheiden sich lediglich in den Axiomen, die eine Struktur erfüllen muss.

Weitere Beispiele von algebraischen Strukturen

Hierarchie algebraischer Strukturen (obere erfüllen weniger, untere mehr Gesetze)

In der folgenden Liste werden alle (zweistelligen) Verknüpfungen, neutrale Elemente (= nullstellige Verknüpfungen), Inversenabbildungen (= einstellige Verknüpfungen) und Operatorbereiche angegeben.

Im normalen Gebrauch gibt man dagegen für algebraische Strukturen nur die mehrstelligen Verknüpfungen und die Operatorbereiche an (manchmal noch die neutralen Elemente), für alle anderen gibt es meist Standardnotationen.

Eine nicht vollständige Liste verschiedener algebraischer Strukturen:

• Gruppoid oder Magma, auch Binar oder Operativ ${\displaystyle (O,*)\colon }$ eine Menge ${\displaystyle O}$ mit einer zweistelligen Verknüpfung ${\displaystyle *.}$
• Halbgruppe ${\displaystyle (S,*)\colon }$ ein assoziatives Gruppoid.
• Halbverband ${\displaystyle (S,*)\colon }$ eine kommutative Halbgruppe, in der jedes Element idempotent ist.
• Monoid ${\displaystyle (M,*,e)\colon }$ eine Halbgruppe mit einem neutralen Element ${\displaystyle e.}$
• Gruppe ${\displaystyle (G,*,e,{}^{-1})\colon }$ ein Monoid mit einem inversen Element ${\displaystyle a^{-1}}$ zu jedem Element ${\displaystyle a.}$
• Abelsche Gruppe ${\displaystyle (G,*,e,{}^{-1})\colon }$ eine kommutative Gruppe. Abelsche Gruppen werden bevorzugt additiv ${\displaystyle (G,+,0,-)}$ geschrieben und dann „Moduln“ genannt, das Inverse eines Elements ${\displaystyle a}$ bezeichnet man nun als das Entgegengesetzte ${\displaystyle -a.}$
• Halbring ${\displaystyle (H,+,\cdot )\colon }$ eine Menge ${\displaystyle H}$ mit zwei Verknüpfungen ${\displaystyle +}$ (Addition) und ${\displaystyle \cdot }$ (Multiplikation), mit denen ${\displaystyle (H,+)}$ und ${\displaystyle (H,\cdot )}$ Halbgruppen sind und die Distributivgesetze erfüllt werden. Oft soll ${\displaystyle (H,+)}$ aber auch noch kommutativ sein und/oder ein neutrales Element 0, das Nullelement des Halbringes, besitzen: Die Definitionen sind hier nicht einheitlich!
• Verband ${\displaystyle (V,\vee ,\wedge )\colon }$ eine Menge ${\displaystyle V}$ mit zwei Verknüpfungen ${\displaystyle \vee }$ (Vereinigung) und ${\displaystyle \wedge }$ (Durchschnitt), sodass ${\displaystyle (V,\vee )}$ und ${\displaystyle (V,\wedge )}$ kommutative Halbgruppen sind und die Absorptionsgesetze erfüllt werden. ${\displaystyle (V,\vee )}$ und ${\displaystyle (V,\wedge )}$ sind dann Halbverbände.
• Boolescher Verband oder Boolesche Algebra ${\displaystyle (B,\vee ,0,\wedge ,1,\neg )\colon }$ ${\displaystyle (B,\vee ,0)}$ und ${\displaystyle (B,\wedge ,1)}$ sind kommutative Monoide, ${\displaystyle (B,\vee ,\wedge )}$ ist ein Halbring und zu jedem Element ${\displaystyle a}$ gibt es ein Komplement ${\displaystyle \neg a.}$
• Ring ${\displaystyle (R,+,0,-,\cdot )\colon }$ ${\displaystyle (R,+,0,-)}$ ist eine abelsche Gruppe und ${\displaystyle (R,+,\cdot )}$ ist ein Halbring.
• Modul ${\displaystyle (M,+,0,-,\{m_{r},r\in R\})}$ über einem Ring ${\displaystyle R\colon }$ eine abelsche Gruppe ${\displaystyle (M,+,0,-)}$ mit Funktionen ${\displaystyle m_{r}\colon M\to M}$ für jedes Ringelement ${\displaystyle r\in R}$, die für die skalare Multiplikation mit ${\displaystyle r}$ stehen, und Gleichungen, die die Modulaxiome widerspiegeln.
• Vektorraum: ist ein Modul über einem Körper.

Die Klasse aller Strukturen der genannten Beispiele bildet jeweils auch eine Varietät.

Siehe auch: Mathematische Struktur

Homomorphismen

Strukturtreue Abbildungen, sogenannte Homomorphismen, zwischen je zwei algebraischen Strukturen ${\displaystyle A}$ und ${\displaystyle B}$ von derselben Art (sie haben also Verknüpfungen von jeweils gleichen Stelligkeiten und gleichen gegebenen spezifischen Eigenschaften) sind Abbildungen, die mit den Verknüpfungen der beiden algebraischen Strukturen verträglich sind. Jede algebraische Struktur hat deshalb ihren eigenen Homomorphismus-Begriff und definiert daher eine Kategorie.

Ein Homomorphismus von einer Struktur ${\displaystyle \left(A,\left(f_{i}\right)_{i\in I}\right)}$ in eine Struktur ${\displaystyle \left(A',\left(f'_{i}\right)_{i\in I}\right)}$ist also eine Abbildung ${\displaystyle F\colon A\to A'}$, sodass für alle ${\displaystyle i\in I}$ und alle ${\displaystyle a_{1},\dotsc ,a_{n}\in A,}$ wobei ${\displaystyle n}$ die Stelligkeit von ${\displaystyle f_{i}}$ und ${\displaystyle f_{i}'}$ sei, die Gleichung ${\displaystyle F\left(f_{i}\left(a_{1},\dotsc ,a_{n}\right)\right)=f_{i}'\left(F(a_{1}),\dotsc ,F(a_{n})\right)}$ gilt.

Notationen

Einander entsprechende Verknüpfungen in ${\displaystyle A}$ und ${\displaystyle B}$ werden meist mit dem gleichen Symbol bezeichnet. So wird etwa in jeder betrachteten Gruppe die Gruppenoperation einheitlich z. B. ${\displaystyle \cdot }$ geschrieben. Müssen im Einzelfall die beiden Verknüpfungen auseinandergehalten werden, werden in der Regel die Symbole ihrer Grundmengen oder ähnliches als Indizes beigefügt, also z. B. ${\displaystyle \cdot _{A}}$ und ${\displaystyle \cdot _{B}}$. Ein Homomorphismus ${\displaystyle \varphi \colon A\to B}$ ist eine Funktion, die für jede Verknüpfung ${\displaystyle f}$ (mit der Stelligkeit ${\displaystyle n}$) die folgende Bedingung erfüllt:

${\displaystyle \varphi (f_{A}(x_{1},\dotsc ,x_{n}))=f_{B}(\varphi (x_{1}),\dotsc ,\varphi (x_{n}))}$

Die besonderen Schreibweisen der null-, ein- und zweistelligen Verknüpfungen werden berücksichtigt:

• Sind ${\displaystyle k_{A},k_{B}}$ jeweils die Konstanten nullstelliger Verknüpfungen, dann ist ${\displaystyle \varphi (k_{A})=k_{B}.}$
• Ist ${\displaystyle -}$ jeweils eine einstellige Verknüpfung, dann ist ${\displaystyle \varphi (-(x))=-(\varphi (x)).}$ Eine einstellige Verknüpfung kann auch als Exponent, Index usw. geschrieben werden: Mit ${\displaystyle x^{-1}:={}^{-1}(x)}$ und ${\displaystyle \varphi (x)^{-1}:={}^{-1}(\varphi (x))}$ ergibt sich z. B. ${\displaystyle \varphi (x^{-1})=\varphi (x)^{-1}.}$
• Für zweistellige Verknüpfungen ${\displaystyle +}$ ist ${\displaystyle \varphi (x_{1}+x_{2})=\varphi (x_{1})+\varphi (x_{2}).}$

Besondere Homomorphismen

Ein surjektiver Homomorphismus wird Epimorphismus genannt, ein injektiver Monomorphismus. Ein Homomorphismus von ${\displaystyle A}$ in sich (also falls ${\displaystyle B=A}$ gilt) heißt Endomorphismus. Ein bijektiver Homomorphismus, dessen Umkehrfunktion ebenfalls ein Homomorphismus ist, heißt Isomorphismus. Ist der Isomorphismus zugleich Endomorphismus, so heißt er Automorphismus.

Siehe auch: Homomorphiesatz

Unterstrukturen (Unteralgebren)

Ist ${\displaystyle A}$ die Grundmenge einer algebraischen Struktur, so kann man mit Hilfe der Verknüpfungen von ${\displaystyle A}$ auf einer Teilmenge ${\displaystyle B\subseteq A}$ eine neue algebraische Struktur des gleichen Typs definieren, falls die Menge ${\displaystyle B}$ so gewählt ist, dass die Verknüpfungen der ursprünglichen Struktur nicht aus der Menge ${\displaystyle B}$ herausführen. Das bedeutet, wenn man die Verknüpfungen der ursprünglichen algebraischen Struktur auf die Elemente von ${\displaystyle B}$ anwendet, dürfen keine Elemente entstehen, die nicht in ${\displaystyle B}$ sind – insbesondere müssen die Konstanten bereits in ${\displaystyle B}$ enthalten sein. In der konkreten Anwendung sind z. B. Untergruppen die Unterstrukturen einer Gruppe.

Bilder

Ist ${\displaystyle \varphi :A\rightarrow B}$ ein Homomorphismus zwischen algebraischen Strukturen desselben Typs ${\displaystyle (f_{i})_{i\in I}}$ und denselben zu erfüllenden Gleichungen, so ist die Bildmenge ${\displaystyle \varphi (A)\subset B}$ eine Unterstruktur von ${\displaystyle B}$.^[3]

Ist nämlich ${\displaystyle f_{i}}$ eine ${\displaystyle n_{i}}$-stellige Funktion und sind ${\displaystyle b_{1},\ldots ,b_{n_{i}}\in \varphi (A)}$, so gibt es ${\displaystyle a_{j}\in A}$ mit ${\displaystyle b_{j}=\varphi (a_{j})}$ und aus der Homomorphieeigenschaft folgt ${\displaystyle f_{i}(b_{1},\ldots ,b_{n_{i}})=f_{i}(\varphi (a_{1}),\ldots ,\varphi (a_{n_{i}}))=\varphi (f_{i}(a_{1},\ldots ,a_{n_{i}}))\in \varphi (A)}$. Also ist ${\displaystyle \varphi (A)}$ unter allen ${\displaystyle f_{i}}$ abgeschlossen. Da die Gleichungen erst recht in Teilmengen erfüllt sind, ist ${\displaystyle \varphi (A)\subset B}$ eine Unterstruktur.

Produkte

Bildet man das mengentheoretische direkte Produkt der Grundmengen mehrerer allgemeiner Algebren des gleichen Typs, so kann man wiederum eine neue Algebra gleichen Typs auf dieser Produktmenge erhalten, indem man die neuen Verknüpfungen dieser Algebra komponentenweise durch die Verknüpfungen der ursprünglichen Algebren definiert. Diese kann allerdings andere Eigenschaften haben, als die ursprüngliche Algebra; z. B. muss das Produkt von Körpern nicht mehr ein Körper sein.

Für eine Verallgemeinerung des direkten Produktes von Algebren siehe: Subdirektes Produkt. Dort wird auch der Darstellungssatz von Birkhoff vorgestellt, nach dem jede Algebra subdirektes Produkt subdirekt irreduzibler Algebren ist.

Kongruenzrelationen

Auf algebraischen Strukturen ${\displaystyle A}$ lassen sich spezielle Typen von Äquivalenzrelationen finden, die mit den Verknüpfungen einer algebraischen Struktur verträglich sind, das heißt Unteralgebren von ${\displaystyle A^{2}}$ sind. Diese werden dann Kongruenzrelationen genannt.

Faktoralgebren

Mit Hilfe von Kongruenzrelationen lassen sich Faktoralgebren oder Quotientenalgebren bilden, d. h., es wird aus der ursprünglichen algebraischen Struktur eine Struktur gleichen Typs erzeugt, deren Elemente allerdings dann die Äquivalenzklassen bezüglich der Kongruenzrelation sind.^[4] Die Verknüpfungen sind aufgrund der speziellen Eigenschaften der Kongruenzrelation wohldefiniert. In vielen konkreten Anwendungen entsprechen die Äquivalenzklassen den Neben- bzw. Kongruenzklassen bestimmter Unterstrukturen, z. B. der Normalteiler bei Gruppen oder der Ideale bei Ringen.

Kerne

Ist ${\displaystyle \varphi :A\rightarrow B}$ ein Homomorphismus zwischen algebraischen Strukturen desselben Typs ${\displaystyle (f_{i})_{i\in I}}$ und denselben zu erfüllenden Gleichungen, so ist Kernrelation definiert als die Menge ${\displaystyle \{(a_{1},a_{2})\in A^{2}\mid \varphi (a_{1})=\varphi (a_{2})\}.}$ Dies ist eine Kongruenzrelation auf ${\displaystyle A.}$

Varietäten und Klone

Dieser Artikel behandelt den Begriff Varietät in der Universellen Algebra. Zum gleichnamigen Konzept in algebraischer Geometrie siehe Algebraische Varietät.

Eine Varietät ist eine Teilklasse aller algebraischen Strukturen über einer festen Signatur, die durch Termgleichungen beschrieben werden kann. Beispielsweise lassen sich die Klasse der Gruppen, Ringe oder Vektorräume über einem festen Körper als Varietät beschreiben. Jede Varietät wird durch einen Klon charakterisiert.

Definition einer Varietät

Ein Term ${\displaystyle T((x_{j})_{j\in J})}$ über einer Signatur ${\displaystyle \sigma =(n_{i})_{i\in I}}$ mit Variablen ${\displaystyle (x_{j})_{j\in J}}$ ist ein formeller Ausdruck, der induktiv aus den Formeln der Signatur und den Variablen zusammengesetzt ist, wobei in eine ${\displaystyle n_{i}}$-stelligen Funktion stets ${\displaystyle n_{i}}$ Terme eingesetzt werden müssen. Beispielsweise ist ${\displaystyle ab+(-ba)+0}$ ein Term über der Signatur ${\displaystyle (+,-,\cdot ,0,1)}$ eines Rings mit Variablen ${\displaystyle a}$ und ${\displaystyle b}$.

Eine Varietät ${\displaystyle V}$ ist eine Klasse von Strukturen mit derselben Signatur ${\displaystyle \sigma =(n_{i})_{i\in I},}$ sodass es eine Theorie gibt, die genau von den Strukturen in ${\displaystyle V}$ erfüllt wird und die nur Aussagen des Typs „für alle enthaltenen Variablen sind zwei Terme gleich“ enthält.

Satz von Birkhoff

Nach dem Satz von Birkhoff ist eine Klasse von algebraischen Strukturen mit Signatur ${\displaystyle \sigma =(n_{i})_{i\in I}}$ genau dann eine Varietät, wenn sie unter

• (endlichen und unendlichen) Produkten,
• Unteralgebren,
• Faktoralgebren und
• Isomorphismen

abgeschlossen ist.^[5][6]

Die kleinste Varietät, die eine spezifische Algebra ${\displaystyle A}$ enthält, ist genau die Klasse aller Algebren, die isomorph zu Faktoralgebren von Unteralgebren von Potenzen von ${\displaystyle A}$ sind. Die Schritte brauchen also in diesem Fall nur in dieser Reihenfolge angewendet werden.

Klon einer Varietät

Die Menge der Terme über einer Signatur ${\displaystyle \sigma =(n_{i})_{i\in I}}$ mit Variablen ${\displaystyle (x_{1},\dots ,x_{d})}$ bildet auf natürliche Weise die ${\displaystyle d}$-stelligen Elemente eines Klons, den Term-Klon über der Signatur ${\displaystyle \sigma }$. Nun entsprechen Algebren über der Signatur ${\displaystyle \sigma }$ genau den Algebren über dem Term-Klon. Die Gleichheit von Termen entspricht nun genau einem Quotienten des Term-Klons. Damit gibt es eine Bijektion zwischen den Quotienten des Term-Klons und den Varietäten über der Signatur ${\displaystyle \sigma }$. Diese induziert eine Äquivalenz von Kategorien zwischen der Varietät mit Homomorphismen und den Algebren über dem Quotienten des Term-Klons.

Beispiele

Die oben angegebenen Beispiele für Strukturen sind stets auch Beispiele für Varietäten. Gruppen bilden mit der Signatur ${\displaystyle (G,*,e,{^{-1}})}$ eine Varietät. Über der Signatur ${\displaystyle (G,*)}$ sind die natürlichen Zahlen mit der Addition eine Unterstruktur der Gruppe der ganzen Zahlen. Also sind Gruppen bezüglich dieser Signatur keine Varietät.

Körper bilden in keiner Signatur eine Varietät, da das Produkt zweier Körper kein Körper ist.

Verallgemeinerungen

Algebraischer Strukturen lassen sich auf verschiedene Arten verallgemeinern, beispielsweise als partielle Algebren oder relationale Strukturen.

Struktur (erster Stufe)

→ Hauptartikel: Struktur (erste Stufe)

Wird zusätzlich zu der Familie ${\displaystyle (f_{i})_{i\in I}}$ von Funktionen noch eine Familie ${\displaystyle (R_{j})_{j\in J}}$ von Relationen zugelassen, liegt eine allgemeinere Struktur (erster Stufe) vor:

${\displaystyle \left(A,\left(f_{i}\right)_{i\in I},\left(R_{j}\right)_{j\in J}\right)}$

Diese Definition umfasst insbesondere relationale Strukturen (mit leerer Indexmenge ${\displaystyle I}$ oder äquivalent ohne die Familie von Funktionen). In der Literatur werden diese allgemeineren Strukturen allerdings manchmal ebenfalls als algebraische Strukturen bezeichnet (insbesondere, wenn man die Gleicheitsrelation in ${\displaystyle A}$ einer algebraischen Struktur explizit mit aufführen möchte).^[2]

Partielle Algebren

Ersetzt man in der obigen Definition den Begriff Verknüpfungen durch partielle Verknüpfungen, dann spricht man von einer partiellen Algebra. Die Verknüpfungen müssen hier nicht für alle Kombinationen von Parametern (${\displaystyle n}$-Tupel-Kombinationen) definiert sein.^[7] Z. B. sind Körper formalisiert als ${\displaystyle (K,+,0,-,\cdot ,1,{}^{-1})}$ streng genommen keine vollständigen Algebren, weil ^{${\displaystyle {}^{-1}}$} nur auf ${\displaystyle K\setminus \{0\}}$ definiert ist.

Äußere Verknüpfungen und heterogene Algebren

→ Hauptartikel: Heterogene Algebra

Eine weitere Verallgemeinerung bietet die Definition nach Wolfgang Kowarschick, bei der auch neben den in der obigen Definition zugelassenen Funktionen als „inneren“ algebraischen Verknüpfungen oder Operationen sogenannte „äußere algebraische Operationen“ ${\displaystyle f\colon B\times A^{n}\to A}$ mit einem festen (für alle diese Verknüpfungen identischen) „Operatorenbereich“ zulässt.^[8] Im Prinzip entspricht dies einer heterogenen Algebra mit den Trägermengen ${\displaystyle A}$ und ${\displaystyle B}$, bei der ${\displaystyle B}$ nur eine untergeordnete Rolle spielt. Beispielsweise lassen sich Vektorräume als heterogene Algebren beschreiben.

Topologische Algebren

Algebraische Strukturen können mit Zusatzstrukturen ausgestattet werden, z. B. mit einer Topologie. Eine topologische Gruppe ist ein topologischer Raum mit einer Gruppenstruktur, sodass die Operationen Multiplikation und Inversenbildung stetig sind. Eine topologische Gruppe hat sowohl eine topologische als auch eine algebraische Struktur. Ein anderes oft vorkommendes Beispiel ist das des topologischen Vektorraums.

Algebren in beliebigen Kategorien, Internalisierung

Das Beispiel topologischer Algebren lässt sich auf beliebige Kategorien mit Produkten erweitern. Abstrakt gesprochen sind die Verknüpfungen in solchen Strukturen nun Morphismen der Kategorie, etwa der der topologischen Räume im Fall topologischer Gruppen. Man spricht von einer Internalisierung in diese Kategorie. Gewöhnliche algebraische Strukturen sind der Spezialfall mit Morphismen in der Kategorie der Mengen, also Funktionen.^[9] Ein anderes Beispiel sind Lie-Gruppen, Gruppen in der Kategorie der Mannigfaltigkeiten. Nach dem Eckmann-Hilton-Prinzip sind Gruppen in der Kategorie der Gruppen genau abelsche Gruppen.

Unendlichstellige Algebren

Man kann sogar „unendlichstellige Algebren“ mit unendlichstelligen Verknüpfungen zulassen (z. B. σ-Algebren), dies würde jedoch dem üblichen Verständnis von „algebraisch“ widersprechen.^[10]

Literatur

• Garrett Birkhoff: Lattice Theory. 3rd ed. AMS, Providence RI 1973, ISBN 0-8218-1025-1.
• Stanley Burris, H. P. Sankappanavar: A Course in Universal Algebra. Millennium Edition. 2012 Update, ISBN 978-0-9880552-0-9 (math.uwaterloo.ca [PDF; 4,4 MB]).
• Paul M. Cohn: Universal Algebra. Harper & Row, New York 1965.
• H. Ehrig, B. Mahr, F. Cornelius, M. Grosse-Rhode, P. Zeitz: Mathematisch-strukturelle Grundlagen der Informatik. Springer, Berlin u. a. 2001, ISBN 3-540-41923-3.
• Roger Godement: Algebra. Hermann, Paris 1968.
• George Grätzer: Universal Algebra. Van Nostrant, Princeton NJ u. a. 1968.
• Pierre Antoine Grillet: Abstract Algebra. 2nd ed. Springer, New York 2007, ISBN 978-0-387-71567-4.
• Thomas Ihringer: Allgemeine Algebra. Mit einem Anhang über Universelle Coalgebra von H. P. Gumm (= Berliner Studienreihe zur Mathematik. Band 10). Heldermann, Lemgo 2003, ISBN 3-88538-110-9.
• Nathan Jacobson: Basic Algebra. Vol. I/II, 2nd ed. 1985/1989. Freeman, San Francisco, ISBN 0-7167-1480-9/0-7167-1933-9.
• K. Meyberg: Algebra. Teil 1/2, 1975/1976. Hanser, München, ISBN 3-446-11965-5/3-446-12172-2.
• B. L. van der Waerden: Algebra I/II. Unter Benutzung von Vorlesungen von E. Artin und E. Noether. 9./6. Auflage. Springer, Berlin/Heidelberg 1993, ISBN 978-3-642-85528-3/978-3-642-63446-8.
• Heinrich Werner: Einführung in die allgemeine Algebra. Bibliographisches Institut, Mannheim 1978, ISBN 3-411-00120-8.
• Jorge Martinez: Ordered Algebraic Structures. Springer, 2002, ISBN 1-4020-0752-3.

Weblinks

• Video: Algebraische Strukturen: Vorüberlegungen. Pädagogische Hochschule Heidelberg (PHHD) 2012, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi:10.5446/19804.