Расскажем подробно об этом понятии. Свойства сложения действительных чисел хорошо известны:

1) a + (b+c) = (a+b) + c для любых a,b,c (ассоциативность);

2) a + b = b + a для любых a,b (коммутативность);

3) существует такое число 0, что a+0=a для любого a (существование нуля);

4) для любого a существует такое число -a, что a+(-a)=0 (существование противоположного элемента).

Точно такими же свойствами обладает сложение векторов:

1)

2)

3)

4)

Далее, операция умножения, если ее рассматривать в множестве всех отличных от нуля действительных чисел, также имеет аналогичные свойства:

1) a(bc)=(ab)c (ассоциативность);

2) ab=ba(коммутативность);

3) существует такое число 1, что a·1=a для любого a;

4) для любого a(a≠0) существует такое число a^-1, что a·a^-1=1.

А вот операция композиции движений (см. Геометрия) обладает лишь тремя из этих свойств:

1) h∘(g∘f)=(h∘g)∘f для любых движений f,g,h;

2) существует такое движение e (тождественное преобразование), что f∘e=f, e∘f=f для любого движения f;

3) для любого движения f существует обратное движение f^-1, удовлетворяющее соотношениям f∘f^-1=e, f^-1∘f=e. Коммутативность же, т.е. соотношение g∘f=f∘g для движений, вообще говоря, места не имеет.

Теперь будет понятно следующее определение: множество G, в котором задана некоторая операция, сопоставляющая двум элементам a,b из G некоторый элемент a*b того же множества G, называется группой, если выполнены следующие свойства:

I) a*(b*c)=(a*b)*c для любых a,b,c из G;

II) существует такой элемент e∈G (единица, или нейтральный элемент группы G), что a*e=a и e*a=a для любого a∈G;

III) для любого a∈G существует такой элемент a^-1∈G (обратный элемент), что a*a^-1=e, a^-1*a=e;

если, кроме того, для любых a,b из G справедливо соотношение

IV) a*b=b*a, то группа G называется коммутативной (или абелевой).

Из сказанного выше ясно следующее: 1) множество R всех действительных чисел, в котором рассматривается операция сложения, является группой (и притом абелевой); 2) множество R² всех векторов на плоскости с имеющейся в нем операцией сложения является абелевой группой; 3) множество всех отличных от нуля действительных чисел, в котором рассматривается операция умножения, является абелевой группой; 4) множество всех движений плоскости, в котором рассматривается операция композиции, является группой, но не абелевой (т.е. не коммутативной).

В чем польза от введения такой «абстракции второй ступени», какой является группа? Ответ можно сформулировать так. Доказав на основе аксиом 1-4 некоторую теорему теории абелевых групп, мы сможем утверждать, что эта теорема будет справедлива и для действительных чисел, и для векторов, и для любой другой абелевой группы.

Это позволит, один раз доказав теоремы об абелевых группах, применять их в теории относительности, в кристаллографии, в ядерной физике, т.е. во всех областях, где появляются группы.

Свои первые применения понятие группы нашло в алгебре. Особенно интересной была теория, созданная французским математиком Э. Галуа.

В геометрии важную роль играют группы самосовмещений фигур. Если F - некоторая фигура на плоскости (или в пространстве), то можно рассмотреть множество G_F всех тех движений плоскости (или пространства), при которых фигура F переходит в себя. Это множество является группой (см. Геометрические преобразования). Например, для равностороннего треугольника T группа движений плоскости, переводящих треугольник в себя, состоит из 6 элементов: поворотов на углы 0,2π/3,4π/3 вокруг точки O и симметрий относительно трех прямых. Они изображены на рис. 1 красными линиями. Элементы группы самосовмещений правильного треугольника могут быть заданы и иначе. Чтобы пояснить это, пронумеруем вершины правильного треугольника T числами 1, 2, 3. Любое самосовмещение f треугольника T переводит точки 1, 2, 3 в те же самые точки, но взятые в ином порядке, т.е. f может быть условно вписано в виде одной из таких скобок:

где числами 1, 2, 3 обозначены номера тех вершин, в которые переходят вершины 1, 2, 3 в результате рассматриваемого движения.

Рис. 1

ОТТО ЮЛЬЕВИЧ ШМИДТ

(1891-1956)

О. Ю. Шмидт – замечательный советский ученый, общественный и государственный деятель. Герой Советского Союза (1937), академик (1935), вице-президент Академии наук СССР (1939-1942).

Овеянное легендой имя О. Ю. Шмидта в памяти миллионов людей навсегда связано с освоением Арктики, Северного морского пути, с челюскинской эпопеей, с высадкой на лед научно-исследовательской станции «Северный полюс-1». Однако при всей многогранности научных интересов О. Ю. Шмидт всю жизнь оставался прежде всего математиком – по образованию, по складу мышления, по глубине и продолжительности своих привязанностей.

В 1909 г. молодой Шмидт поступил на физико-математический факультет Киевского университета. Там он с увлечением изучает теорию групп – одну из самых абстрактных областей математики. Уже в студенческие годы он печатает на эту тему две научные статьи и через несколько лет начинает работу над монографией «Абстрактная теория групп», опубликованной в 1916 г. Эта книга выдержала еще два издания и на несколько десятилетий стала настольным пособием алгебраистов.

После получения диплома Шмидт был оставлен в университете для подготовки к профессорскому званию, и молодой ученый, казалось, целиком посвятил себя науке. Но революционные события разбудили в нем, по его словам, «человека воли, действия». По личному указанию В. И. Ленина О. Ю. Шмидт работал над подготовкой и реализацией ряда проектов, был членом комиссий народных комиссариатов. Он стал организатором высшего образования в стране. С 1924 по 1941 г. Отто Юльевич был главным редактором Большой советской энциклопедии.

Летом 1927 г. О. Ю. Шмидту представилась возможность совершить поездку в Геттинген – математическую столицу того времени и встретиться там с крупнейшими математиками, среди них и с Д. Гильбертом. Шмидт ознакомился с достижениями в изучаемой им области за целое десятилетие и сумел доказать замечательную теорему «о бесконечных группах с конечной цепью», ставшую классической.

Коренная перестройка основ алгебры, начавшаяся в конце 20-х гг., предъявила новые требования к преподаванию в университетах. По инициативе О. Ю. Шмидта в МГУ была организована кафедра высшей алгебры, а затем научно-исследовательский семинар по теории групп. Семинар и кафедра превратились в один из основных алгебраических центров в СССР.

30-е гг. были заполнены работой по освоению Арктики. О. Ю. Шмидт становится директором Арктического института, затем – начальником Главсевморпути. В 1932 г. экспедиция под руководством О. Ю. Шмидта на ледоколе «Сибиряков» впервые за одну навигацию прошла из Архангельска в Тихий океан. На следующий год Шмидт возглавил ставшее историческим плавание на пароходе «Челюскин» по Северному морскому пути.

В середине 40-х гг. О. Ю. Шмидт выдвинул новую гипотезу об образовании Земли и планет Солнечной системы, над которой он работал вместе с группой ученых до конца жизни.

И в эти годы Шмидт не оставляет научной деятельности. При всей своей занятости ученый продолжает работать над теорией групп. Вопросы, которые он разрабатывал, оставили заметные вехи на пути развития этой теории. Последняя работа основоположника советской теоретико-групповой школы выполнена в 1947 г., но математическая деятельность ученого продолжалась до последних дней его жизни.