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如何从数学上证明微信群不是一个群?|科学人
什么是群(Group)?


虽然群看起来好像只是个人畜无害的汉字,但是——surprise!——它拥有一个严格的数学定义,还有一个很大的来头。

怎样的来头?它的发明人是埃瓦里斯特·伽罗瓦,对,就是那个伽罗瓦。12岁前在家自学,14岁开始厌倦其他学科、只对数学感兴趣,15岁开始读拉格朗日的论文,17岁发布第一篇论文,同年试图考取巴黎综合理工学院并被拒(传说他在面试时跳过太多的推理步骤而令考官困惑,最后他无法忍受考官的慢节奏,一怒之下抓起擦黑板的抹布掷向考官并直接命中),18岁因发表批评校长的公开信被巴黎高等师范学院开除,19岁因参与政治活动而被多次逮捕,20岁参加决斗(可能是因为恋爱)并被击中腹部丧命。

那个伽罗瓦的画像。图片来源:wikipedia

怎样的定义呢?要严格表述起来会很烦,但基本原理倒是简单:首先你要有一堆东西(集合),然后你把其中的任意两个按照某种方式放在一起(运算),都能得到一个结果。一个集合,加上一个二元的运算,就这些了。

举个例子。我们天天都和一种特别常见的群打交道,数学家给它起了个名字叫做“整数加法群”:整数,就是我们有的那堆东西(集合);加法,就是我们把这些东西放在一起的方式(运算)。试一下,随便找两个整数,都一定可以做加法,都一定有一个结果。

那么……

如果微信群是真的群(1)


微信群的“集合”,看起来就是群成员的集合了;一个个的元素就是一个个的人。它需要一个二元运算,不妨称这个二元运算为“互动”。按照刚才的命名法,这就是一个“微信成员互动群”,任意两个群成员放在一起都必须能够互动(请勿过度联想)。

到此为此还好,但是:

群的运算有讲究

虽说只要有了集合和运算就能建群,但是这个运算也不是随便什么运算都能胜任的。具体地说,这个运算要满足四大“群公理”:封闭性、结合律、单位元和逆元。

封闭性:不管你拿出群里的哪两个成员,运算过后得到的一定还是群成员,不可能跑出群外面去。比如,随便两个整数相加,获得的必定还是整数。

结合律:如果你要对三个成员进行运算,那么先算哪两个都无所谓,结果一样。比如,(1+2)+3 = 1+(2+3)。

单位元:一定有一个成员,它在和另一个成员运算之后不改变后者。比如整数加法群的0:0+5=5+0=5。

逆元:任何成员都一定有自己的“逆”——它和它的逆元运算之后能够变回单位元。比如整数加法群里,对于7有-7:7+(-7)=(-7)+7 = 0。

所以:

如果微信群是真的群(2)


将四大群公理套用在微信群上,会获得如下结果:

封闭性:任意两个群成员进行互动,得到的结果一定还是一个群成员。

结合律:三个成员互动时,哪二者先是无关紧要的。(互动是一个二元运算,所以三个不能同时互动。)

单位元:一定有一个群成员,不妨称之为群主,当群主和任何成员互动时结果依然是那个成员。(可以证明,一个微信群有且仅有一个群主。)

逆元:对任何一个群成员,都一定有另外一个成员,二者互动的结果是群主。

在这里,不妨设定每一次两个成员“互动”的结局都一定是@到了某一个确定的群成员。如果没有@,或者同样两人@的结果不是每次都一样,那就不是我们关心的这种互动。

就像这样。

群内还可以再有结构

在一个群里,有些元素自己会组成一个小圈子。它们并非不与外界交流,但无疑它们喜欢抱团:小圈子内的元素经过运算得到的结果仍然在这个小圈子里,而它们的逆元也在小圈子里。简而言之,这个小圈子对于原来的运算也组成一个群。这样的小圈子,叫做群的子群。

有些子群比别的子群更特别,它们不仅自己是一个群,如果“除”原来的群,得到的也是一个群。这样的子群叫做正规子群,而它们对原来的群作“除法”得到的群叫商群。这种除法和数字运算中的除法并不完全一样,可以看作划分小圈子的一种方式。

艾米·诺特是抽象代数领域的大师;她提出的诺特定理是爱因斯坦广义相对论的数学基础之一。图片来源:huffingtonpost.com

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